CUBESATS Là Gì?

Send

Một trong những đặc điểm xác định của kỷ nguyên khám phá không gian hiện đại là bản chất mở của nó. Trong quá khứ, không gian là một biên giới chỉ có thể truy cập được đối với hai cơ quan không gian liên bang - NASA và chương trình không gian của Liên Xô. Nhưng nhờ sự xuất hiện của các công nghệ mới và các biện pháp cắt giảm chi phí, khu vực tư nhân hiện có khả năng cung cấp các dịch vụ ra mắt của riêng họ.

Ngoài ra, các tổ chức học thuật và các quốc gia nhỏ hiện có khả năng tự chế tạo các vệ tinh cho mục đích tiến hành nghiên cứu khí quyển, quan sát Trái đất và thử nghiệm các công nghệ vũ trụ mới. Nó có tên là CubeSat, một vệ tinh thu nhỏ cho phép nghiên cứu không gian hiệu quả.

Kết cấu và thiết kế:

Còn được gọi là nanosatellites, CubeSats được chế tạo theo kích thước tiêu chuẩn 10 x 10 x 11 cm (1 U) và có hình dạng như hình khối (do đó có tên). Chúng có khả năng mở rộng, có các phiên bản đo 1U, 2U, 3U hoặc 6U ở một bên và thường nặng dưới 1,33 kg (3 lbs) mỗi U. CubSats từ 3U trở lên là lớn nhất, gồm ba đơn vị xếp chồng lên nhau theo chiều dọc với một hình trụ bao quanh tất cả.

Trong những năm gần đây, các nền tảng CubeSat lớn hơn đã được đề xuất, bao gồm mô hình 12U (20 x 20 x 30 cm hoặc 24 x 24 x 36 cm), sẽ mở rộng khả năng của CubeSats ngoài nghiên cứu học thuật và thử nghiệm công nghệ mới, kết hợp khoa học phức tạp hơn và mục tiêu quốc phòng.

Lý do chính cho các vệ tinh thu nhỏ là để giảm chi phí triển khai và bởi vì chúng có thể được triển khai trong khả năng vượt quá của một phương tiện phóng. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro liên quan đến các nhiệm vụ trong đó hàng hóa bổ sung phải được cõng đến bệ phóng và cũng cho phép thay đổi hàng hóa trong một thông báo ngắn.

Chúng cũng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các linh kiện điện tử thương mại (COTS) thương mại, giúp chúng dễ dàng tạo ra. Vì các nhiệm vụ của CubeSats thường được thực hiện cho các quỹ đạo Trái đất rất thấp (LEO) và trải nghiệm sự tái lập khí quyển chỉ sau vài ngày hoặc vài tuần, bức xạ có thể bị bỏ qua và các thiết bị điện tử tiêu chuẩn có thể được sử dụng.

CubeSats được chế tạo từ bốn loại hợp kim nhôm cụ thể để đảm bảo rằng chúng có cùng hệ số giãn nở nhiệt như xe phóng. Các vệ tinh cũng được phủ một lớp oxit bảo vệ dọc theo bất kỳ bề mặt nào tiếp xúc với phương tiện phóng để tránh chúng bị hàn lạnh vào vị trí do căng thẳng cực độ.

Các thành phần:

CubeSats thường mang nhiều máy tính trên máy bay để thực hiện nghiên cứu, cũng như cung cấp cho kiểm soát thái độ, bộ đẩy và thông tin liên lạc. Thông thường, các máy tính trên máy bay khác được bao gồm để đảm bảo rằng máy tính chính không bị quá tải bởi nhiều luồng dữ liệu, nhưng tất cả các máy tính trên máy bay khác phải có khả năng giao tiếp với nó.

Thông thường, một máy tính chính chịu trách nhiệm ủy thác các nhiệm vụ cho các máy tính khác - chẳng hạn như kiểm soát thái độ, tính toán cho các thao tác trên quỹ đạo và lên lịch các tác vụ. Tuy nhiên, máy tính chính có thể được sử dụng cho các tác vụ liên quan đến tải trọng, như xử lý hình ảnh, phân tích dữ liệu và nén dữ liệu.

Các thành phần thu nhỏ cung cấp khả năng kiểm soát thái độ, thường bao gồm các bánh xe phản ứng, từ tính, bộ đẩy, bộ theo dõi sao, cảm biến Mặt trời và Trái đất, cảm biến tốc độ góc, và máy thu GPS và ăng ten. Nhiều trong số các hệ thống này thường được sử dụng kết hợp để bù đắp cho những thiếu sót, và để cung cấp mức độ dư thừa.

Cảm biến mặt trời và sao được sử dụng để cung cấp hướng, trong khi cảm nhận Trái đất và đường chân trời của nó là điều cần thiết để tiến hành nghiên cứu Trái đất và khí quyển. Cảm biến mặt trời cũng hữu ích trong việc đảm bảo rằng CubsSat có thể tối đa hóa khả năng tiếp cận năng lượng mặt trời, đây là phương tiện chính để cung cấp năng lượng cho CubeSat - nơi các tấm pin mặt trời được tích hợp vào vỏ ngoài của vệ tinh.

Trong khi đó, lực đẩy có thể có một số dạng, tất cả đều liên quan đến các bộ đẩy thu nhỏ cung cấp một lượng nhỏ xung lực cụ thể. Vệ tinh cũng chịu nhiệt bức xạ từ Mặt trời, Trái đất và ánh sáng mặt trời phản chiếu, chưa kể nhiệt lượng được tạo ra bởi các thành phần của chúng.

Do đó, CubeSat, cũng đi kèm với các lớp cách nhiệt và lò sưởi để đảm bảo rằng các thành phần của chúng không vượt quá phạm vi nhiệt độ của chúng và nhiệt độ dư thừa có thể bị tiêu tan. Cảm biến nhiệt độ thường được bao gồm để theo dõi sự tăng hoặc giảm nhiệt độ nguy hiểm.

Để liên lạc, CubeSat, có thể dựa vào các ăng ten hoạt động ở các băng tần VHF, UHF hoặc L-, S-, C- và X. Chúng hầu hết bị giới hạn ở mức 2W công suất do kích thước nhỏ và công suất hạn chế của CubeSat. Chúng có thể là ăng-ten đơn cực xoắn ốc, lưỡng cực hoặc đơn cực, mặc dù các mô hình phức tạp hơn đang được phát triển.

Lực đẩy:

CubeSats dựa vào nhiều phương pháp đẩy khác nhau, từ đó dẫn đến những tiến bộ trong nhiều công nghệ. Các phương pháp phổ biến nhất bao gồm khí lạnh, hóa chất, động cơ điện và cánh buồm mặt trời. Một máy đẩy khí lạnh phụ thuộc vào khí trơ (như nitơ) được lưu trữ trong bể và thải ra qua vòi phun để tạo lực đẩy.

Theo phương pháp đẩy, đây là hệ thống đơn giản và hữu dụng nhất mà CubeSat có thể sử dụng. Đây cũng là một trong những cách an toàn nhất, vì hầu hết các khí lạnh đều không bay hơi và không ăn mòn. Tuy nhiên, chúng có hiệu suất hạn chế và không thể đạt được sự điều khiển xung lực cao. Do đó, tại sao chúng thường được sử dụng trong các hệ thống kiểm soát thái độ, và không phải là bộ đẩy chính.

Các hệ thống đẩy hóa chất dựa vào các phản ứng hóa học để tạo ra khí áp suất cao, nhiệt độ cao, sau đó được dẫn qua một vòi phun để tạo lực đẩy. Chúng có thể là chất lỏng, rắn hoặc lai, và thường đi xuống kết hợp các hóa chất kết hợp với chất xúc tác hoặc chất oxy hóa. Các bộ đẩy này rất đơn giản (và do đó có thể được thu nhỏ dễ dàng), có yêu cầu năng lượng thấp và rất đáng tin cậy.

Lực đẩy điện dựa vào năng lượng điện để tăng tốc các hạt tích điện lên tốc độ cao - hay còn gọi là. Bộ đẩy hiệu ứng Hall, bộ đẩy ion, bộ đẩy plasma xung, v.v ... Phương pháp này có lợi vì nó kết hợp xung lực đặc hiệu cao với hiệu suất cao, và các thành phần có thể dễ dàng thu nhỏ. Một bất lợi là chúng đòi hỏi năng lượng bổ sung, có nghĩa là pin mặt trời lớn hơn, pin lớn hơn và hệ thống năng lượng phức tạp hơn.

Cánh buồm mặt trời cũng được sử dụng như một phương pháp cho lực đẩy, điều này có lợi vì nó không cần nhiên liệu đẩy. Các cánh buồm mặt trời cũng có thể được thu nhỏ theo kích thước riêng của CubSat, và khối lượng nhỏ của vệ tinh, kết quả là gia tốc lớn hơn cho một khu vực buồm mặt trời nhất định.

Tuy nhiên, các cánh buồm mặt trời vẫn cần phải khá lớn so với vệ tinh, điều này làm cho độ phức tạp cơ học trở thành một nguồn gây ra sự cố tiềm ẩn. Vào thời điểm này, một vài CubeSats đã sử dụng một cánh buồm mặt trời, nhưng nó vẫn là một lĩnh vực phát triển tiềm năng vì đây là phương pháp duy nhất không cần nhiên liệu đẩy hoặc liên quan đến các vật liệu nguy hiểm.

Bởi vì các bộ đẩy được thu nhỏ, chúng tạo ra một số thách thức và hạn chế kỹ thuật. Ví dụ, vectơ lực đẩy (tức là gimbals) là không thể với các bộ đẩy nhỏ hơn. Như vậy, thay vào đó, vectơ phải đạt được bằng cách sử dụng nhiều vòi để đẩy không đối xứng hoặc sử dụng các thành phần được kích hoạt để thay đổi tâm khối lượng so với hình học CubeSat.

Lịch sử:

Bắt đầu từ năm 1999, Đại học Bang Bách khoa California và Đại học Stanford đã phát triển các thông số kỹ thuật của CubeSat để giúp các trường đại học trên toàn thế giới thực hiện khoa học vũ trụ và thám hiểm. Thuật ngữ này Cube CubeSat đã được đặt ra để biểu thị các vệ tinh nano tuân thủ các tiêu chuẩn được mô tả trong thông số kỹ thuật thiết kế của CubeSat.

Chúng được đặt ra bởi giáo sư kỹ thuật hàng không vũ trụ Jordi Puig-Suari và Bob Twiggs, từ Khoa Hàng không & Du hành vũ trụ tại Đại học Stanford. Kể từ đó, nó đã phát triển để trở thành một đối tác quốc tế của hơn 40 viện đang phát triển các vệ tinh nano có chứa trọng tải khoa học.

Ban đầu, mặc dù có quy mô nhỏ, các tổ chức học thuật bị hạn chế ở chỗ họ buộc phải chờ đợi, đôi khi nhiều năm, để có cơ hội ra mắt. Điều này đã được khắc phục ở một mức độ nào đó bằng sự phát triển của Công cụ triển khai quỹ đạo Poly-PicoSatocate (hay còn gọi là P-POD), bởi California Polytechnic. P-POD được gắn vào xe phóng và mang CubeSats lên quỹ đạo và triển khai chúng sau khi nhận được tín hiệu thích hợp từ xe phóng.

Mục đích của việc này, theo JordiPuig-Suari, là để giảm thời gian phát triển vệ tinh xuống khung thời gian của sự nghiệp sinh viên đại học và tận dụng các cơ hội phóng với số lượng lớn vệ tinh. Nói tóm lại, P-POD đảm bảo rằng nhiều CubeSats có thể được khởi chạy bất cứ lúc nào.

Một số công ty đã chế tạo CubeSats, bao gồm cả nhà sản xuất vệ tinh lớn Boeing. Tuy nhiên, phần lớn sự phát triển đến từ giới hàn lâm, với một hồ sơ hỗn hợp các CubeSats quay quanh thành công và các nhiệm vụ thất bại. Kể từ khi thành lập, CubeSats đã được sử dụng cho vô số ứng dụng.

Ví dụ, chúng đã được sử dụng để triển khai Hệ thống nhận dạng tự động (AIS) để giám sát các tàu biển, triển khai các cảm biến từ xa Trái đất, để kiểm tra khả năng tồn tại lâu dài của các tethers không gian, cũng như tiến hành các thí nghiệm sinh học và phóng xạ.

Trong cộng đồng khoa học và khoa học, những kết quả này được chia sẻ và các nguồn lực được cung cấp bằng cách liên lạc trực tiếp với các nhà phát triển khác và tham dự các hội thảo CubeSat. Ngoài ra, chương trình CubeSat mang lại lợi ích cho các công ty tư nhân và chính phủ bằng cách cung cấp một cách thức tải trọng chi phí thấp trong không gian.

Vào năm 2010, NASA đã tạo ra Sáng kiến Khởi động Cube CubeSat, nhằm mục đích cung cấp dịch vụ phóng cho các tổ chức giáo dục và tổ chức phi lợi nhuận để họ có thể đưa CubeSats của mình vào không gian. Vào năm 2015, NASA đã khởi xướng Thử thách Cube Quest như là một phần của Chương trình Thử thách trăm năm của họ.

Với ví tiền thưởng trị giá 5 triệu USD, cuộc thi khuyến khích này nhằm mục đích thúc đẩy việc tạo ra các vệ tinh nhỏ có khả năng hoạt động ngoài quỹ đạo Trái đất thấp - đặc biệt là trên quỹ đạo mặt trăng hoặc không gian sâu. Kết thúc cuộc thi, tối đa ba đội sẽ được chọn để khởi động thiết kế CubeSat của họ trên tàu nhiệm vụ SLS-EM1 vào năm 2018.

Nhiệm vụ tàu đổ bộ NASA InSight (dự kiến ra mắt vào năm 2018), cũng sẽ bao gồm hai CubeSats. Những người này sẽ thực hiện một chuyến bay trên sao Hỏa và cung cấp thêm thông tin liên lạc tiếp sức đến Trái đất trong quá trình nhập và hạ cánh trên tàu đổ bộ.

Được chỉ định Mars Cube One (MarCO), CubeSat thử nghiệm cỡ 6U này sẽ là sứ mệnh không gian sâu đầu tiên dựa vào công nghệ CubeSat. Nó sẽ sử dụng ăng-ten dải X có độ phẳng cao, có độ phẳng cao để truyền dữ liệu tới Tàu quỹ đạo trinh sát sao hỏa (MRO) của NASA - sau đó sẽ chuyển tiếp nó tới Trái đất.

Làm cho các hệ thống không gian nhỏ hơn và giá cả phải chăng hơn là một trong những đặc điểm của thời đại khám phá không gian đổi mới. Nó cũng là một trong những lý do chính khiến ngành công nghiệp NewSpace phát triển nhờ những bước nhảy vọt trong những năm gần đây. Và với mức độ tham gia lớn hơn, chúng ta đang thấy lợi nhuận cao hơn khi nghiên cứu, phát triển và thăm dò.

Chúng tôi đã viết nhiều bài viết về CubeSat cho Tạp chí Vũ trụ. Tại đây, Hiệp hội hành tinh trái đất sẽ ra mắt ba cánh buồm mặt trời riêng biệt, các khối lập phương liên hành tinh đầu tiên ra mắt trên NASA Land 2016 InSight Mars Lander, làm CubeSats làm thiên văn học, bạn có thể làm gì với một chiếc Cubesat?

Nếu bạn muốn biết thêm thông tin về CubeSat, hãy xem trang chủ chính thức của CubeSat.

Chúng tôi đã ghi lại một tập của Thiên văn học đúc tất cả về Tàu con thoi. Nghe ở đây, Tập 127: Tàu con thoi Hoa Kỳ.

Nguồn: