Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

你自己的卫星:出发前需要了解的7件事

我所要求的只是一次成功的发射,一个干净的无线电信号,以及足以实现这一目标的生命。

如果高空气球不够高空,如果你对空间发展的速度感到沮丧,或者你真的非常喜欢火箭和硬件,我认为发射自己的卫星是一个很好的决定。但首先,您希望您的卫星做什么?在以每小时17,000英里的速度将个人太空船送入轨道之前,您需要了解以下7个关键事项。

Aurora从低地球轨道的国际空间站观看,图片由美国宇航局提供

什么是微型卫星?

Picosatellites根据定义,它是极小的轻型卫星。任何皮卫星往往都有这些核心组件:

  • 天线
  • 用于上传命令或下载数据的无线电发射器
  • 片上计算机,如Arduino或Basic-X24
  • 电力系统,通常是太阳能电池加电池和电源总线
  • 传感器

pico类的祖先是CubeSat,这是一个开源架构,可以让你将任何你想要的东西打包到10厘米×10厘米×10厘米的立方体中。

CubeSat是一颗像南瓜一样可爱的卫星。福布斯报道了一家供应预制CubeSats的供应商Pumpkin Inc.。 CubeSat本身就是一个规格,而不是一个现成的硬件,所以南瓜决定预先建立套件并出售它们。如果你有自己的火箭推出你的CubeSat,只需7,500美元他们就会卖给你一个CubeSat套件。

这与InterOrbital Systems的TubeSat完全平行。 InterOrbital Systems(IOS)在价格/性能方面具有优势,因为它们以相同的成本投入发布。但看起来IOS和南瓜都不提供预制,只是套件。所以仍然涉及到业余爱好者的工作,但是套件消除了对工程的需求,只留下了装配和集成的有趣部分。

TubeSat和CubeSat是皮卫星的两种变体,其中四分之一用于比例尺

当然,TubeSats和CubeSat略有不同,我非常高兴两者都在推进平台套件的理念。这是太空研究商品化的重要一步。即使迷你CubeSat看起来与Hellraiser Lemarchand盒子类似。

启动成本是多少?

如果你建立一个CubeSat,保护火箭发射它并不困难,只是昂贵。典型的CubeSat发射成本估计为40,000美元。有几家商业供应商承诺未来的CubeSat火箭,假设他们完成了开发。各种NASA和国际空间站项目使用CubeSat架构接受一些提议。每年都有更多的公司进入私人发布业务,因此推出的前景越来越强劲。

InterOrbital Systems的TubeSat架构是另一种架构。目前只有InterOrbital支持,它非常​​划算。您可以获得原理图,主要硬件组件以及仍在开发中的火箭发射,单价为8,000美元。 TubeSat采用略长的六边形结构,长12厘米,直径4厘米。

如果您可以访问火箭发射(也许通过大学或大学),您也可以使用自定义架构,但目前主要的两个参与者是开放的CubeSat规范和私人TubeSat替代方案。

轨道在哪里?

你的微卫星去哪儿了?你的皮质卫星将进入低地球轨道(LEO)几乎是一个给定的,这是一个从大约150公里到大约600公里的宽带。这个地区也有许多科学卫星和国际空间站(ISS)。它位于电离层内部和下方,大气中非常非常薄的部分也与地球的大部分磁场重合。

地球的磁场使我们免受太阳最猛烈的活动。高能粒子,耀斑发射和日冕物质抛射(CME;基本上是太阳物质的斑点)在它们到达地面之前被磁场分流。当磁场线在极点附近倾斜时,这种能量表现为极光。

极光的低地球轨道视图(图片ISS006E18372,由美国宇航局提供)

在电离层之上,由于太阳活动,空间环境可能是敌对的。在它下面,辐射风险要低得多。这就是国际空间站保持在低地球轨道的原因。 LEO本质上和空间一样安全。这也是你的皮卫星可能存在的地方。

典型的LEO轨道有大约90分钟的周期。也就是说,它每90分钟绕地球旋转一次,每天约15圈。轨道可以位于地球赤道附近(赤道轨道)或从北极到南极(极轨道)。类似地,轨道可以是近似圆形的,或者是高度偏心的 - 在轨道的一端靠近地球,然后在另一端移动很远。

我的卫星会持续多久?

你的轨道完全由你的火箭提供商卖给你的东西决定。在业余爱好者层面,你最有可能获得250公里左右的近似圆形轨道,无论是赤道还是极地。在卫星将遭受火热再入之前,这样的轨道持续(由于脆弱的电离层拖曳)3至16周。

在小卫星群众中,这意味着你的卫星将上升而不会返回。您收集数据的时间不到三个月。然后,微卫星基本上会在重新进入后整齐地蒸发(没有空间垃圾风险!)

那里的天气怎么样?

LEO条件和可行性

电离层被称为因为它是由太阳的紫外(UV)辐射引起的带电原子(离子)和电子的非常薄的等离子体。从技术上讲,它从大约50公里延伸到超过1,000公里(感谢维基百科!),但LEO从150公里开始 - 低于此,你无法保持稳定的轨道。如上所述,电离层是由太阳活动驱动的。面向太阳的部分具有更多的电离;此外,太阳活动可以强烈推动其行为。磁场线也有下降,导致低海拔地区的辐射增加。我们已经提到过这些极点,而南大西洋异常(SAA)等地区也有较低的场地线。

如果你要发送传感器,你需要确保一些事情:

  • 它们的灵敏度水平与您尝试测量的信号水平相适应。
  • 它们具有动态范围,可让您提取有意义的数据。

LEO温度

LEO中的金属板将从-170°C循环至123°C,具体取决于其太阳表面和在阳光下的时间。如果你的皮质卫星正在旋转,这将使热量分布均匀,但这是假设的范围。轨道大约有一半的时间在阳光下,另一半在地球的阴影下,所以温度行为值得建模。

由于皮卫星正在旋转,幸运的是这个范围更小(因为热量有时间分配和消散),并且在90分钟的轨道上,你应该循环三个范围:太冷而无法登记;传感器返回有效,缓慢变化的数据的过渡区域;并可能在高端过度饱和。如果需要,您可以添加加热器 - 卫星使用加热器和冷却器,具体取决于仪器和面板。

因此,覆盖-40°C至100°C的热传感器(如microDig Hot品牌传感器)就足够了。 -40°C至100°C的范围是可行的测量区域。无论如何,超过该范围,卫星电子设备的其余部分可能会遇到麻烦。

LEO Light

类似地,用于旋转微卫星的光检测传感器可能仅返回二进制信号:视野中的超亮太阳和不在视野中的太阳。因此,所有它将衡量的是太阳落山的时间。光传感器的功能在很大程度上是二进制的,以便在旋转时捕捉太阳 - 黑暗周期,以及轨道的整个昼/夜循环。如果卫星轻微翻滚,那就更好了。这些光传感器将提供卫星位置和翻滚的基本测量。如果您想测量实际光照水平,您的设计必须确保太阳不会使您的探测器饱和。

LEO磁场

电离层的场强大约为0.3-0.6高斯,波动率为5%。对于极地轨道,你将具有比赤道轨道更高的可变性和更高的磁场(因为地球的磁场线在极点附近倾斜,因此是极光)。如果要测量波动而不是场强,则需要捕获0.06-0.1高斯信号。如果没有大的外部磁场,10美元霍尔效应传感器和运算放大器可以测量低至0.06高斯的变化。在此之下,传感器电路而非传感器的噪声可能是限制因素。

粒子(辐射)伤害怎么样?

任务寿命很短(不到三个月),所以你不必担心累积伤害。我以前在学校做过辐射损伤模型,事实证明现代电子设备在短时间内表现出色。您主要会遇到扰乱传感器或计算机的单事件干扰(SEP),但由于您可能不需要100%的正常运行时间,因此这应该不是问题。实际上,故障会为您的派生数据添加有趣的特征。如果遇到太阳风暴,看看传感器如何处理它,无论是饱和还是杂散信号,都会很有趣。比例计数器或ersatz等效物(如microDig Reach)可以测量这些粒子计数。

最后,最重要的是要知道:

我的使命是什么?

你希望你的picosatellite做什么?您可以巧妙地将典型的皮卫星选择分解为科学任务,工程任务和艺术作品。科学有效载荷测量东西。工程有效负载测试硬件或软件。艺术项目实例化了一个高概念。我们将访问每一个。

科学!

在科学任务中,你的微卫星将测量某些东西。科学是关于测量的核心。您可以执行三种类型的任务:指向,原位和工程构建。

指点任务就像望远镜。你的皮质卫星指向一个感兴趣的物体 - 太阳,月亮,星星,天空背景或地球 - 并观察它。请注意,指向地球需要许可证 - 不难获得,但隐私在业余空间受到保护。

你可以随机指出,但这似乎没有用。您可以设置一种测量模式,在其中,您的皮质卫星在其轨道上被赋予特定的方向,以便每个轨道以可预测的方式扫过天空。或者,你可以做主动指向,使picosatellite看起来你想要的地方。

主动指向相当具有挑战性。你需要非常准确地了解自己的位置。使用惯性参考 - 初始轨道的知识加上卫星如何行进的内部预测 - 对于传感器指向目的而言是不精确的。因此,指向通常需要某种星跟踪器。这些是两个或多个宽视场望远镜,可以对天空进行成像,并将其与已知明亮参考星的机载目录进行比较。

星跟踪在技术上很复杂,可能超出了典型的微卫星的重量和设计限制。但是,请参阅下面的“工程!”,了解更多相关信息。

更常见的微卫星科学用法是现场测量。这是使用传感器测量卫星所在的区域而不需要指向。温度计是原位探测器的完美示例。它测量温度,你不需要精确指出它就知道它有效。

LEO的其他现场测量可以包括电离层中的电场和磁场,来自太阳的光或反射的地球辉光,测量电离层密度,或跟踪您的轨道运动和定位(您如何移动)。

或许你可能不想科学地测量某些东西,你只想建立东西。那是工程。

工程!

工程picosatellite使用该平台尝试一些新的空间硬件概念,或者让您练习构建自己的已知空间硬件变体。

你可以制作一个picosatellite来测试任何硬件组件。新的电力系统,新的定位方法,新型的无线电或中继通信,新的传感器 - 实际上卫星的任何组件都可以建立和改进。

三盎司的可飞行仪器

一些皮卫星项目涉及测试小规模的新卫星推进概念,从离子发动机到太阳帆。想要测试一个缩小的充气空间站,或者看看你是否可以制作一个展开大型火腿无线电弹跳点的微卫星?建立它!

另一个工程动机可以是测试特定组件:例如,将定制电子设备与商业现货(COTS)组件进行比较,以查看是否可以使卫星(任何尺寸)更具成本效益。或者,您可以测试新的数据压缩方法或执行板载操作的替代方法。

运营创新是工程目标的一个子集值得进一步探索。 Picosatellites可用于测试卫星星座的协调。它们可以是轨道力学研究的试验台,也可以是协调卫星作业的课程。作为进入太空的最便宜的方式,它们是用于在进行百万美元任务之前制作卫星工作的新方法的优秀试验台。

艺术概念!

最后,还有概念部分。我自己的“Project Calliope”TubeSat收集了电离层的原位测量结果,并将它们作为音乐传输到地球,这个过程称为超声处理。目的是返回空间的节奏和活动水平感,而不是数字数据,这样我们就可以了解太阳 - 地球系统的行为方式。

在拥有自己的航班补丁之前,您不是一个真正的任务。

你可以发射卫星做任何事情。将灰烬送到太空。运送喜马拉雅祷告旗子。将钛结婚戒指送入轨道。任何艺术,音乐或艺术/音乐/科学混合的想法都是受欢迎的,因为它是你的卫星。只是给它一个目的或实用程序,超越能够发射自己的卫星的景象。

定义科学(Courtesy science20.com/skyday)

解决全人类的十年问题

这是一个设计练习,要求您发明卫星。关键不在于你是否能够建立,而是你是否能够构思和概述一个值得建立的想法。

选择地球观测,太阳物理学,天文学或行星科学的十年目标之一,并设计一个任务概念,使用小型卫星平台-NASA SMEX或更小的卫星平台来完成任务。

发明你的卫星并做五分钟的音调,你将向NASA提出要求资助。限制使用带有一个或两个(最多)仪器的卫星。以下是一些十年参考链接:

  • http://www.spacepolicyonline.com/national-research-council#decadal
  • http://decadal.gsfc.nasa.gov/about.html
  • http://science.nasa.gov/about-us/science-strategy/decadal-surveys/
  • http://solarsystem.nasa.gov/2013decadal/
  • http://sites.nationalacademies.org/SSB/CurrentProjects/SSB_056864
  • http://science.nasa.gov/earth-science/decadal-surveys/

来自地球观测的十年目标的一个例子可能是:

改变冰盖和海平面。主要冰盖是否会发生灾难性的崩塌,包括格陵兰岛和南极洲西部的冰盖,如果是这样,这种情况会有多快发生?那么海平面上升的时间模式是什么?

一个好的推销可能包括:

  • 任务摘要图表(类型/波长/目标/谁/轨道)
  • 任何解决此问题的过去任务的历史
  • 所需仪器装载列表:各种仪器类型及其测量内容以及是否需要聚焦光学元件
  • 每个探测器的分辨率范围(空间,光谱,时间,亮度)
  • 成本估算,基于与类似任务的比较/类比

要评估好的音调,请考虑:

  • 你的目标和卫星是合理的。
  • 您的方法显然似乎是完成任务的正确方法。

这是商业和学术提案的技巧,你不仅要让观众相信你是这个任务的合适人选,而且还要确保任务本身值得做!

建立自己的皮卫星不仅仅是达到目的的手段,而是一个有价值的目标。即使你从未发射它,你在制作自己的真实卫星时获得的技能和经验也是一种非常棒的体验。

本文改编自Sandy Antunes的DIY卫星平台和业余空间DIY乐器。该系列还包括生存轨道DIY方式,是潜在航天器制造商的深度和用户友好资源,可从makerhed.com的Maker Shed获得。观看该系列的第四本书, 业余航天器的DIY数据通信,今年夏天来了。

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