OSA - Opadający Satelita Atmosferyczny

OSA - Opadający Satelita Atmosferyczny

Ten kosmiczny projekt został realizowany przez zespół licealistów z Krakowa. Wszystko zaczęło się rok temu, od zgłoszenia zespołu do krajowej edycji konkursu CanSat 2020/21. Zadanie konkursowe polegało na opracowaniu minisatelity wielkości puszki po napoju.

Wyzwanie wymagało wiedzy z dziedziny mechaniki, elektroniki, programowania, komunikacji radiowej i powiązania tego z kosmologią, fizyką, chemią czy informatyką. Trzeba było też zdobyć sponsorów, zmieścić się w odpowiednim budżecie. Drużyna się nie poddała - powstało wiele prototypów przetestowanych w atmosferze ziemskiej. Były zrzucane ze skał, z drona, a w końcu nawet z rakiety. Finalny prototyp wziął udział w konkursie krajowym CanSat. Drużynie udało się wygrać krajową edycję tego konkursu, dzięki czemu będzie reprezentować Polskę na finałach europejskich.

Młodzi konstruktorzy chcą zrewolucjonizować misje kosmiczne mające na celu eksplorację innych planet. Docelowym przeznaczeniem konstrukcji jest badanie atmosfery na innych planetach. Jednak zamiast wysyłania kosztownych sond wyposażonych w skomplikowane systemy badania atmosfery, przekazujących wszystkie dane do stacji naziemnej, zaproponowali wysłanie setki małych sond OSA, które pobiorą próbki a następnie dostarczą je bezpiecznie na powierzchnię planety. W następnym kroku sondy zostaną zlokalizowane i zebrane przez łazik. Na pokładzie łazika będzie zainstalowane laboratorium, gdzie próbki będą automatycznie badane, a dane wysyłane na Ziemię.

Dzięki zastosowaniu takiego podejścia trzeba zainstalować tylko jeden zestaw analityczny w łaziku, zamiast umieszczać wiele takich zestawów w każdym satelicie. W ten sposób można pobrać tysiące próbek z różnych miejsc na całej planecie, mniejszym kosztem. Ich projekt może pomóc w szukaniu planety możliwej do zamieszkania, albo życia innego niż to na Ziemi.

Obecnie zespół przygotowuje się do finałów i prowadzi dalsze prace. Skonstruowany minisatelita może zostać zrzucony z drona, rakiety, samolotu, balonu meteorologicznego lub innej maszyny latającej. Podczas opadania na spadochronie z prędkością 6...7 m/s i ma za zadanie pobrać próbki powietrza do późniejszej analizy w zewnętrznym laboratorium. Poza tym sonda rejestruje dane z czujników: ciśnienia, wilgotności i temperatury i wysyła je co sekundę poprzez LoRa. Na Ziemi korzysta z sygnału GPS do ustalenia precyzyjnej lokalizacji. Na innych planetach nie ma satelitarnych systemów nawigacji, dlatego aktualnym wyzwaniem dla zespołu jest opracowanie innej metody nawigacji.

System poboru próbek składa się ze specjalnie zaprojektowanego do tego celu mechanizmu. Do pięciu sterylnych, próżniowych, kriogenicznych probówek ustawionych na okręgu o średnicy 66 mm (wymiar standardowej puszki po napoju) po kolei wbijana jest igła umieszczona na suwaku poruszanym przez koło zębate. Po wbiciu pompka napełnia pojemniczek próbką atmosfery. Następnie igła jest wyciągana, a próbka zabezpieczana przez samouszczelniającą membranę. Na końcu mechanizm obraca się, aby powtórzyć proces dla następnej probówki. Ważnym kryterium było ograniczenie ilości silników dla zredukowania miejsca i wagi. Dlatego elementami ruchomymi porusza jedynie serwomechanizm, używany do przesuwania suwaka z igłą oraz silnik krokowy, który przekręca cały mechanizm.

Dzięki zastosowaniu probówek z podciśnieniem oraz pompki, zebranie próbki trwa jedynie 2...3 sekundy. W tym czasie osiągnięte zostaje ciśnienie ok. 1,5 atmosfery. Ciśnienie wewnątrz pojemniczka mierzone jest przez cyfrowy przetwornik ciśnienia Honeywell z serii SSC, podłączony do układu rurek. W momencie osiągnięcia górnego ciśnienia pompka jest wyłączana, po czym inicjowany jest proces przekręcenia mechanizmu. Dzięki temu czujnikowi zbierane są dane diagnostyczne – wiadomo kiedy próbki nie udaje się pobrać i wtedy próba zostaje powtórzona. Wysokość jest ustalana na podstawie danych o ciśnieniu i temperaturze odczytywanych z czujnika Bosch BME280. Taka metoda daje dokładność na poziomie 300 mm. Na podstawie tych danych komputer pokładowy oblicza interwały pobrania próbki.

OSA jest sterowana przez płytkę CanSat kit, dzięki czemu jest w pełni kompatybilna z Arduino M0. Pełną dokumentację płytki można znaleźć na stronie ESERO Polska w regulaminie konkursu CanSat lub pod tym linkiem: https://bit.ly/3AupdZo. Dodatkowo na płytce umieściliśmy moduł GPS, dzięki czemu bez problemu można znaleźć satelitę po wykonanej misji. Gdy z jakiegoś powodu system lokalizacji nie zadziała, poszukiwanie urządzenia może odbywać się na podstawie siły sygnału radiowego.

Wszystkie elementy elektroniczne musiały być ulokowane w jednym miejscu, dlatego zaprojektowano płytkę dołączaną do głównej płytki CanSat kit, podobnie jak nakładki do Arduino. Ponieważ zastosowano silniki wymagające napięcia wyższego, niż dostarczane z baterii, do ich zasilania użyto przetwornicy. Napięcie z baterii 3,7 V przetwornica podnosi do 6 V. Na płytce jest moduł GPS oraz proste klucze tranzystorowe, umożliwiające odłączenie zasilania od silników i innych elementów, dzięki czemu OSA oszczędza baterię.

Celem najbliższych prac jest zaopatrzenie tej mini sondy kosmicznej w systemy, które zbliżą ją do udziału w prawdziwej misji kosmicznej. Przewiduje się zastosowanie systemu dokładnej lokalizacji przez nadajnik UWB (Ultra Wide Band), mechanizmu odrzucania spadochronu i innych zbędnych elementów od modułu probówek. Trzeba też ograniczyć wagę oraz objętość do minimum, ponieważ urządzenia będą zbierane przez łazik z ograniczoną przestrzenią ładunkową. W najbliższym czasie zespół OSA Team zamierza wykonać próbę zrzutu sondy z wysokości 30 km podczas lotu balonem meteorologicznym. Będą również dostosowywać podzespoły do ciężkich warunków klimatycznych występujących na dużych wysokościach – przede wszystkim skrajnie niska temperatura może uniemożliwić prawidłowe działanie urządzenia.

Cały projekt został umieszczony na GitHubie: https://bit.ly/3EzzaHB, a postępy pracy są dokumentowane w mediach społecznościowych: https://linktr.ee/osateam.

Zapraszamy do zapoznania się ze szczegółami oraz do wsparcia naszych działań poprzez jak najszersze rozpropagowanie projektu w mediach społecznościowych i trzymanie kciuków podczas październikowego finału.

Zespół OSA Team w składzie: Aleksy Grymek, Stanisław Michalik, Miłosz Słowiński, Piotr Wyżliński.

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
październik 2021

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik październik 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień - październik 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje październik 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna październik 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich listopad 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów