Elektronika w przestrzeni kosmicznej – nowe podejście do branży Space

Elektronika w przestrzeni kosmicznej – nowe podejście do branży Space

Eksploracja kosmosu, tak chętnie stosowana przez twórców literatury i kina science-fiction, stała się faktem przeszło sześć dekad temu. Od tamtej pory intensywnie i nieprzerwanie rozszerza się nie tylko zakres zastosowań statków kosmicznych, ale także zasoby wiedzy i doświadczenia naukowego, tak niezbędne dla rozwoju inżynierii kosmicznej. Naturalną konsekwencją pozaziemskiego wyścigu technologicznego jest zatem wkroczenie tej branży na ścieżkę czysto komercyjną – a nie tylko naukową czy zbrojeniową. I choć o komercyjnych podróżach kosmicznych na zauważalną skalę można póki co jedynie pomarzyć, to wbrew pozorom przestrzeń kosmiczna jest dziś dla niektórych dostępna wręcz na wyciągnięcie ręki. Tak się składa, że do grupy tych szczęśliwców należą… inżynierowie, a nawet studenci kierunków technicznych.

Początków biegu „kosmicznej” historii człowieka należy upatrywać jeszcze w latach 40. XX wieku, kiedy największe mocarstwa uczestniczące w II Wojnie Światowej zaciekle walczyły o pozyskanie jak największej ilości informacji, komponentów oraz (a raczej przede wszystkim) naukowców zaangażowanych w rakietowe projekty niemieckiego konstruktora Wernhera von Brauna. Prawdziwy start podboju kosmosu datuje się jednak na 4 października 1957 roku, ponieważ właśnie wtedy 58-centymetrowa, aluminiowa kapsuła radzieckiego Sputnika 1 (fotografia 1) została wystrzelona z kosmodromu w Bajkonurze na niską orbitę okołoziemską (LEO). Od tego momentu kolejne sztuczne satelity, a później także załogowe statki kosmiczne, sukcesywnie zasiedlają zarówno tę najbliższą naszej planecie przestrzeń kosmiczną, jak i znacznie odleglejsze obszary Wszechświata.

Fotografia 1. Replika radzieckiego Sputnika 1 – pierwszego sztucznego satelity Ziemi (https://t.ly/EbKk)

Trudy i znoje branży kosmicznej

Chyba nikogo nie trzeba przekonywać, że branża kosmiczna należy do ścisłej czołówki najbardziej wymagających obszarów współczesnej techniki. Wyjątkowo niekorzystne warunki zarówno podczas procedury startowej, jak i przez cały okres misji powodują, że elektronika klasy space-grade musi cechować się niebywale wysoką niezawodnością i odpornością na silne wibracje, wahania temperatur oraz wpływ próżni i promieniowania kosmicznego. Nic więc dziwnego, że tak wiele misji legło w gruzach zarówno tuż po starcie rakiety, jak i później, już w czasie pracy w otwartej przestrzeni kosmicznej. Choć nie sposób porównywać stopnia złożoności współczesnych satelitów z ich poprzednikami z lat 70. ubiegłego wieku, to trudno byłoby zaprzeczyć potężnej wiedzy i umiejętnościom ówczesnych konstruktorów. Doskonałym przykładem może być tutaj postać Margaret Hamilton – programistki, która współtworzyła oprogramowanie komputera pokładowego w ramach misji Apollo (fotografia 2).

Fotografia 2. Komputer pokładowy zastosowany podczas misji Apollo (https://t.ly/r1i0C)

Nad powierzoną jej częścią oprogramowania – odpowiedzialną za detekcję i obsługę błędów – pracowała przychodząc do laboratorium ze swoją 4-letnią podówczas córką, a najlepszym dowodem na ogrom wypracowanego przez Hamilton kodu jest kultowe już zdjęcie programistki, stojącej obok potężnego stosu wydruków listingu (fotografia 3). Jak wiadomo, trudna i niebezpieczna misja załogowa na Księżyc zakończyła się sukcesem, otwierając kolejny etap na drodze do podboju kosmosu. Ciekawostką jest fakt, że kod źródłowy oprogramowania komputera Apollo-11 został… upubliczniony i można go dziś przeglądać w jednym z repozytoriów dostępnych na GitHubie [1].

Fotografia 3. Margaret Hamilton – jedna z głównych programistek programu Apollo – prezentuje wydruki kodów źródłowych komputera pokładowego (https://t.ly/B1xt)

Innym imponującym przykładem kunsztu technicznego i wynikającej z niego, niebywałej niezawodności sprzętu elektronicznego (i nie tylko), jest historia międzyplanetarnej sondy Voyager 1 (fotografia 4).

Fotografia 4. Sonda Voyager 1 (https://t.ly/-_yo)

Wystrzelony 5 września 1977 roku statek kosmiczny, pierwotnie przeznaczony do badania Jowisza i Saturna wraz z ich księżycami, jako pierwszy w dziejach przekroczył tzw. heliopauzę i w 2012 roku wkroczył w przestrzeń międzygwiezdną. W chwili pisania tego artykułu (czerwiec 2022) odległość sondy od Ziemi jest tak wielka, że sygnał nadany przez podsystem telekomunikacyjny Voyagera 1 na przebycie drogi do stacji naziemnej potrzebuje ponad 21,5 godziny. Trudno jednak powiedzieć, który aspekt jest w tej historii najbardziej niezwykły – czy wspomniana odległość (Voyager 1, za sprawą „pomocy” grawitacyjnej, został najdalej położonym od Ziemi obiektem stworzonym przez człowieka), czy wyjątkowo długi czas pracy w (nad wyraz „okrutnej” dla aparatury elektronicznej) otwartej przestrzeni kosmicznej – sonda pracuje bowiem nadal po 44 latach (!), choć pod koniec maja tego roku NASA podała do wiadomości publicznej informację o odbiorze nieprawidłowych danych dotyczących położenia anteny wysokiego zysku, współpracującej z systemem AACS. Co więcej, bliźniaczy Voyager 2 funkcjonuje bez zarzutu, a obydwie sondy wciąż pozostają jedynymi obiektami technicznymi w przestrzeni międzygwiezdnej, z którymi nadal udaje się nawiązać łączność za pośrednictwem naziemnego systemu superczułych odbiorników, należących do sieci Deep Space Network. Warto dodać, że na stronie NASA można znaleźć zapierającą dech w piersiach, niemal fotorealistyczną wizualizację położenia sond w przestrzeni kosmicznej (https://t.ly/-2Kf).

Fotografia 5. Jedna z płyt Voyager Gold Records, umieszczonych na bokach sond Voyager 1 i Voyager 2 (https://t.ly/Pkfp)

Z sondami Voyager 1 i Voyager 2 wiąże się jeszcze jedna, niezwykle ciekawa ciekawa historia – na bocznych powierzchniach korpusów obu pojazdów umieszczone zostały pozłacane, miedziane dyski o średnicy 12 cali – są to nagrania zwane Voyager Golden Records (fotografia 5), zawierające szereg wybiórczych informacji o życiu na Ziemi: nagrania głosowe pozdrowień wypowiedzianych w różnych językach świata, proste zdjęcia (pokazujące m.in. kobietę w sklepie spożywczym), wzory chemiczne, informacje o DNA, a także dźwięki rozmaitych zwierząt oraz komplet przeszło dwudziestu utworów muzycznych (w tym Bacha, Beethovena oraz Mozarta). Przeznaczeniem dysków ma być wysłanie przekazu do potencjalnych obcych cywilizacji lub… ludzi, którzy w dalekiej przyszłości mieliby znaleźć sondy w nieznanych nam obecnie obszarach Wszechświata.

Zmiany w podejściu do inżynierii kosmicznej

Nie da się ukryć, że w codziennym życiu odczuwamy obecność kosmicznych projektów użytkowych – takich, jak satelity meteorologiczne, obserwacyjne (odpowiedzialne np. za zbieranie danych dla projektu Google Maps), systemy nawigacyjne GPS czy Galileo, systemy telefonii satelitarnej (m.in. Iridium) czy też telewizji satelitarnej (system AMOS należący do konsorcjum Spacecom) oraz Internetu (słynny, ale z uwagi na spory rozmach ilościowy, także kontrowersyjny Starlink marki SpaceX). Warto jednak pamiętać, że w przestrzeni kosmicznej obecne były (i nadal są) także setki innych satelitów. Dość powiedzieć o konstrukcjach przeznaczonych do celów wojskowych, m.in. wywiadowczych – szczególnie wiele takich urządzeń było wystrzeliwanych w okresie zimnej wojny (lata 60. XX wieku), choć trudno ocenić, ile i jak wyposażonych satelitów wojskowych znajduje się obecnie nad naszymi głowami. Wiadomo jedynie, że w grudniu 2018 roku znanych opinii publicznej było 320 satelitów całkowicie lub częściowo przeznaczonych do użytku wojskowego i należących do USA, Rosji, Chin oraz Indii.

Zwiększenie liczby startów rakiet nośnych, rozwój współpracy agencji kosmicznych z przemysłem i światem nauki, a także spadek cen komponentów elektronicznych i specjalistycznych materiałów stanowią kluczowe czynniki, które zadecydowały o zmianie podejścia do inżynierii kosmicznej. Dziś wysyłka sprzętu w przestrzeń kosmiczną nie jest już zarezerwowana tylko dla największych instytucji państwowych i międzynarodowych (NASA, ESA, itp.) oraz komercyjnych gigantów czy też wojska – okazuje się bowiem, że znaczny udział w opracowaniu i przygotowaniu do wystrzelenia sztucznych satelitów mają dziś także znacznie mniejsze przedsiębiorstwa, specjalizujące się w określonych obszarach technologii (np. komunikacji mikrofalowej). Bez zbędnej przesady można więc stwierdzić, że za projektami firmowanymi przez agencje kosmiczne w dużej mierze stoją firmy z segmentu prywatnego, dostarczające rozmaite komponenty i podsystemy, często o znaczeniu kluczowym dla powodzenia misji.

Rysunek 1. Wykres orientacyjnych kosztów umieszczenia na niskiej orbicie okołoziemskiej 1 kg aparatury oraz ekstrapolacja tego trendu na najbliższych siedem dekad (https://t.ly/YXK3)

Istotnym ułatwieniem dla mniejszych przedsięwzięć w branży space jest znaczący (i nadal postępujący) spadek cen wystrzelenia sprzętu w kosmos. Orientacyjne koszty są przeliczane w dolarach na kilogram masy ładunku, określanego jako tzw. payload. Wykres współczynnika cenowego, uwzględniający ekstrapolację na kilka najbliższych dekad pokazano na rysunku 1. Rzecz jasna, mowa tutaj tylko o orientacyjnych, zgrubnie szacowanych cenach logistyki „okołostartowej”, gdyż koszty opracowania hardware’u, oprogramowania i mechaniki satelity, a także wykonania specjalistycznych analiz (symulacje termiczne i wytrzymałościowe, obliczenia parametrów lotu, budżet łącza, itd.), zakupu materiałów oraz właściwej produkcji, integracji, testów, itp. są nadal niemałe. Tak czy inaczej, komercyjne satelity tworzone przez uczelnie i konsorcja (także polskie) okazują się faktem, zaś dla branży space przeznaczone są nawet specjalne programy dofinansowania innowacji. Co ciekawe, ostatnie doniesienia prasowe wieszczą nawet powstanie polskiego kosmodromu, zarządzanego przez powstałą dość niedawno, bo w 2014 roku, Polską Agencję Kosmiczną – POLSA (rysunek 2).

Rysunek 2. Aktualne logo Polskiej Agencji Kosmicznej POLSA (https://t.ly/Iso6)

I choć niektórym małym firmom nie udało się uniknąć „zachłyśnięcia” marzeniem o szybkim podboju kosmosu (co nietrudno stwierdzić przeglądając dawne szumne doniesienia prasowe, opisujące na wyrost plany szybkiej „kolonizacji” przestrzeni kosmicznej), to na szczęście plany agencji POLSA są znacznie bardziej realistyczne: pierwszym celem jest bowiem opracowanie rakiet suborbitalnych, niezbędnych m.in. do przeprowadzania eksperymentów w stanie nieważkości.

Mówiąc o elektronice w przestrzeni kosmicznej należy brać pod uwagę nie tylko sztuczne satelity, ale także systemy kontrolne rakiet, łazików czy też kombinezonów przeznaczonych do pracy podczas tzw. spacerów kosmicznych (EVA – Extra-Vehicular Activity). Nie ulega jednak wątpliwości, że to właśnie satelity – których lwia część krąży wokół Ziemi stanowią najbardziej „rozpowszechnioną” grupę systemów w branży kosmicznej.

Klasyfikacja satelitów

Sztuczne satelity można podzielić nie tylko ze względu na funkcjonalność (o tym pisaliśmy już nieco wcześniej), ale także z uwagi na rozmiary, a dokładniej – masę startową [2]:

  • Minisatelity (małe satelity) – mianem tym określa się zwykle konstrukcje o masie do 500 kg (najczęściej jednak od 100 do 500 kg),
  • Mikrosatelity – o masie od 10 do 100 kg,
  • Nanosatelity – o masie od 1 do 10 kg,
  • Pikosatelity – o masie od 0,1 do 1 kg.
  • Femtosatelity – o masie poniżej 100 g.

Jak widać, do kategorii satelitów małych można zaliczyć nawet relatywnie ciężkie urządzenia, umożliwiające świadczenie usług komercyjnych (przykładowo, satelity „internetowe” Starlink v1.5 mają masę aż 295 kg, choć już przy dwu- lub trzytonowych satelitach systemu GPS wydają się one naprawdę niewielkie (fotografia 6). Z uwagi na wciąż duże koszty wiążące się z wystrzeleniem aparatury na orbitę okołoziemską, nowe firmy wkraczające w branżę space inwestują głównie w mniejsze konstrukcje: przede wszystkim nanosatelity. Szczególnie obiecujący okazuje się przy tym standard znany jako CubeSat.

Fotografia 6. Satelita GPS-3 podczas integracji (https://t.ly/T0D_)

Cubesats – nanosatelity przyszłością inżynierii kosmicznej?

Satelity typu CubeSat to szczególna grupa nanosatelitów o masie rzędu około 1...2 kg oraz formie, będącej wielokrotnością „kostki jednostkowej” o wymiarach 100×100×113,5 mm, określanej mianem unit – stąd też często spotykane oznaczenia typu 1U, 2U, 3U bądź 6U. Najczęściej stosowane są konstrukcje użytkowe mające wymiary na poziomie 3U (100×100×340,5 mm), podczas gdy mniejsze satelity (głównie 1U, rzadziej 2U) są chętnie opracowywane przez zespoły studenckie z wyższych uczelni technicznych czy nawet… amatorów elektroniki. I tutaj otwiera się prawdziwe pole do popisu dla przyszłych inżynierów kosmicznych, gdyż zmieszczenie w tak niewielkiej objętości całego osprzętu pokładowego (podsystemu zasilania, komputera pokładowego, transceivera z systemem anten oraz osprzętu pomiarowego do przeprowadzania rozmaitych eksperymentów) wymaga nie lada umiejętności i pomysłowości. Co więcej – ograniczenia masowe i wymiarowe popychają konstruktorów do stosowania niezwykle interesujących rozwiązań, umożliwiających zwiększenie funkcjonalności miniaturowego satelity już po jego wystrzeleniu w otwartą przestrzeń kosmiczną.

Fotografia 7. Rozkładane panele słoneczne w CubeSacie o rozmiarze 1U (https://t.ly/LZuC)

Dobrym przykładem chętnie stosowanego przez projektantów CubeSatów usprawnienia jest użycie rozkładanych paneli ogniw fotowoltaicznych (fotografia 7), zapewniających niezbędne do pracy źródło zasilania – wszak światło słoneczne jest jedyną formą energii dostępną w kosmosie dla nanosatelitów. Trudno tutaj bowiem o powszechne zastosowanie niezwykle wydajnych (ale także rozbudowanych i kosztownych), radioizotopowych generatorów termoelektrycznych, stosowanych w większych satelitach do misji międzyplanetarnych, np. w sondach Voyager (fotografia 8). Rzecz jasna, ogniwa fotowoltaiczne są też umieszczane na praktycznie każdym „stałym” boku konstrukcji, o ile nie koliduje to z innym wyposażeniem (np. antenami, obiektywami kamer, itd.).

Fotografia 8. Radioizotopowy generator termoelektryczny sondy Voyager (https://t.ly/S2t_)

W niektórych przypadkach proste, umieszczone na zawiasach „skrzydła” nie są jednak najlepszym wyborem, nic więc dziwnego, że wiele idei konstrukcyjnych stanowi niebywale ciekawy mariaż nowoczesnej technologii materiałowej, inżynierii mechanicznej, elektroniki oraz… koncepcji wzorowanych na dawnej sztuce origami. Świetnym, malowniczym wręcz przykładem może być tutaj składana antena o dużym zysku, opracowana przez naukowców z NASA dla CubeSata meteorologicznego RaInCube. Podzespół pracował w paśmie mikrofalowym Ka [3] i był rozkładany przez 6-unitowego CubeSata (fotografia 9) wystrzelonego w roku 2018. Sprzęt uległ spaleniu w atmosferze po 2,5 roku, kończąc swoją misję w Wigilię Bożego Narodzenia 2020 r., a jego przeznaczeniem była demonstracja technologii opracowanej na potrzeby śledzenia dużych pasm burzowych.

Fotografia 9. Rozkładana antena radarowa CubeSata RaInCube, opracowanego przez NASA. Rozmiar satelity to 6U, a masa startowa to 12 kg (https://t.ly/KdZg)

Innym – tym razem rodzimym – przykładem rozwiązania „składanego” był żagiel deorbitacyjny, opracowany przez studentów Politechniki Warszawskiej na potrzeby CubeSata o nazwie PW-Sat2 (fotografia 10), będącego następcą pierwszego polskiego sztucznego satelity PW-Sat. Urządzenie zostało wyniesione na orbitę 3 grudnia 2018 roku przez rakietę Falcon 9 (SpaceX). Idea, która przyświecała projektowi, wiązała się z narastającym problemem obecności „kosmicznych śmieci”, czyli szczątków satelitów i rakiet nośnych krążących wokół Ziemi. O ile dla naszego ziemskiego życia nie stanowią one zwykle większego zagrożenia (w przypadku obniżenia orbity przeważnie ulegają spaleniu w atmosferze), to dla urządzeń i pojazdów – a tym bardziej dla astronautów odbywających spacery kosmiczne – oznaczają potężne niebezpieczeństwo.

Fotografia 10. W pełni zintegrowany satelita PW-Sat2 (https://t.ly/DKpw)

Dlatego też studenci PW wpadli na pomysł, by po zakończeniu swojej planowej misji satelita rozwinął specjalny żagiel, który – stopniowo obniżając orbitę – spowoduje samoczynne spłonięcie satelity w atmosferze. Co ciekawe, dzięki zastosowaniu odpowiedniej konstrukcji opartej na sprężynach płaskich oraz supercienkiej folii mylarowej, niewielki satelita po całkowitym rozłożeniu żagla mógł zyskać powierzchnię rzędu aż 4 m2 (rysunek 3), co miało pozwolić skutecznie zwiększyć opór aerodynamiczny podczas ruchu.

Rysunek 3. Artystyczna wizja CubeSata PW-Sat2 po otwarciu żagla deorbitacyjnego (https://t.ly/txJ-) (https://t.ly/sHEy)

Komercyjne podzespoły dla branży CubeSatów

Niezwykle interesującym przejawem rewolucji w branży kosmicznej i sprowadzenia jej do rangi niemal ogólnodostępnej dziedziny techniki było… otwarcie sklepu internetowego z gotowymi komponentami do budowy CubeSatów (!). Zaopatruje on swoich odbiorców m.in. w moduły komputerów pokładowych OBC (On-Board Computer), redundantne podsystemy zasilania, moduły komunikacyjne na pasma UHF oraz S, a także aktuatory magnetyczne (magnetosiłowniki), a nawet koła reakcyjne do sterowania orientacją satelity względem Ziemi. W ofercie sklepu nie zabrakło także gotowych ram montażowych, anten, kamer, spektrometrów, jak również elementów wyposażenia telekomunikacyjnego stacji naziemnych.

Godny uwagi pozostaje fakt, że – w przeciwieństwie do większych i „poważniejszych” misji kosmicznych – znaczna część CubeSatów jest wykonywana z komercyjnych „komponentów z półki” (stąd też często spotykany skrót COTS – Commercial Off-The-Shelf Components), a szczególnie atrakcyjne – z uwagi na większą odporność środowiskową i niezawodność – okazują się elementy klasy automotive. Nic więc dziwnego, że w dokumentacji satelitów (co zaskakujące: opisy techniczne i kody źródłowe niektórych konstrukcji są dostępne za darmo w internetowych repozytoriach ich projektantów) można znaleźć np. popularne mikrokontrolery Microchip, EFM32 czy STM32 H7. Takie podejście wynika z kilku głównych przesłanek:

  • CubeSaty są najczęściej projektowane i budowane przez studentów, małe firmy bądź konsorcja nastawione na naukowe aspekty przedsięwzięcia, stąd dostęp do specjalistycznych komponentów przeznaczonych do aplikacji kosmicznych jest ograniczony z powodów logistycznych i budżetowych;
  • Nanosatelity praktycznie zawsze pracują na niskiej orbicie okołoziemskiej, której warunki (pod względem zakresu temperatur czy też promieniowania kosmicznego) są przyjaźniejsze dla elektroniki, niż środowisko, w jakim funkcjonują konstrukcje opracowane dla wyższych orbit (lub – tym bardziej – misji międzyplanetarnych);
  • Oczekiwany poziom niezawodności CubeSatów – z uwagi na przeważnie ewaluacyjny, edukacyjny lub naukowy charakter – jest znacznie niższy, niż w przypadku konstrukcji komercyjnych (np. telekomunikacyjnych czy nawigacyjnych), nie wspominając rzecz jasna o satelitach wojskowych.
Fotografia 11. Widok satelity ArduSat-1 wraz z miniaturowym modułem licznika Geigera

Ciekawym i dość mało znanym faktem z historii rozwoju CubeSatów było wystrzelenie w przestrzeń kosmiczną w 2013 roku dwóch nanosatelitów bazujących na… platformie Arduino – ArduSat-1 i ArduSat-X (fotografia 11). Dwa bliźniacze satelity o rozmiarze 1U były wyposażone w komputery pokładowe o architekturze hierarchicznej (jeden procesor główny ATmega2561 zarządzający aż szesnastoma podrzędnymi mikrokontrolerami ATmega328P, przeznaczonymi do realizacji poszczególnych eksperymentów). Na pokładzie niepozornych konstrukcji (rysunek 4) znalazły się liczne czujniki, w tym 3-osiowe magnetometry, akcelerometry i żyroskopy, pirometry MLX90614, półprzewodnikowe czujniki temperatury TMP102, a także sensory natężenia światła TSL2561, podwójne liczniki Geigera, spektrometry optyczne oraz 1,3-megapikselowe kamery. CubeSaty komunikowały się z Ziemią za pomocą półdupleksowych transceiverów UHF w paśmie 435...438 MHz.

Rysunek 4. Widok rozstrzelony CubeSata ArduSat-1 (https://t.ly/-cPU)

Na marginesie warto dodać, że łączność radioamatorska jest spotykana w branży kosmicznej znacznie częściej, niż mogłoby się wydawać. Dość powiedzieć, że anteny ARISS, umieszczone w 2008 roku na module Columbus Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (fotografia 12), a opracowane przez zespół naukowców z Politechniki Wrocławskiej, służyły właśnie do nawiązywania łączności z obsługą ISS przez radioamatorów oraz uczniów szkół z całego świata. Co ciekawe, zaawansowane technologicznie anteny (fotografia 13) były jedynymi elementami opracowanymi w Polsce, wysłanymi w kosmos w ładowni amerykańskiego promu kosmicznego.

Fotografia 12. Położenie anten ARISS na powierzchni modułu Columbus ISS (https://t.ly/-_rc)
Fotografia 13. Jedna z anten ARISS, opracowanych przez zespół naukowców z Politechniki Wrocławskiej na potrzeby Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ISS (https://t.ly/fSyM)

Systemy wystrzeliwania nanosatelitów

Upowszechnienie CubeSatów nie byłoby możliwe bez standaryzacji w dziedzinie metod i urządzeń przeznaczonych do umieszczania nanosatelitów w przestrzeni kosmicznej. Do realizacji tej procedury – określanej fachowo jako deployment – używane są specjalne wyrzutnie, mające postać podłużnych „pudełek” otwieranych zdalnie przez obsługę naziemną po osiągnięciu przez statek kosmiczny docelowej orbity i wyposażonych w system wystrzeliwania satelitów (zwykle grupami). Tego typu podsystemy mogą być instalowane zarówno na rakietach nośnych, przeznaczonych do przenoszenia większego ładunku, jak i na stacjach kosmicznych. W pierwszym przypadku dyspensery są instalowane w specjalnych adapterach, nazywanych mianem NLAS (Nanosatellite Launch Adapter System), zdolnych do wystrzelenia łącznie nawet 24U CubeSatów – przykład pokazano na fotografiach 14 i 15.

Fotografia 14. Podsystem NLAS (Nanosatellite Launch Adapter System). Źródło: NASA (https://t.ly/4xU7)
Fotografia 15. Jeden z zasobników systemu NLAS, przeznaczony do wystrzeliwania CubeSatów o przekroju poprzecznym 10×10 cm. Źródło: NASA (https://t.ly/IT-z)

Umieszczenie nanosatelitów na orbicie jest też możliwe przy użyciu urządzenia zwanego Nanoracks CubeSat Deployer – NRCSD (fotografia 16), opracowanego przez amerykańską firmę Quad-M Inc. Urządzenie ma budowę klastra, złożonego typowo z ośmiu dyspenserów o długości 6U każdy. NRCSD został zainstalowany na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) w 2014 roku i stanowi pierwszą, komercyjną „bramę” do przestrzeni kosmicznej dla firm i uczelni zainteresowanych umieszczeniem na orbicie okołoziemskiej własnych CubeSatów.

Fotografia 16. CubeSat Phoenix o rozmiarze 3U tuż po wystrzeleniu przez system Nanoracks CubeSat Deployer, zainstalowany na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (https://t.ly/-MIT)

Warto dodać, że standaryzacja wymiarów szyn (rysunek 5) oraz ogólnych wymogów konstrukcji mechanicznej (i nie tylko) CubeSatów stanowi znaczne ułatwienie dla przedsiębiorstw i zespołów niekomercyjnych, planujących opracowanie oraz wysyłkę w kosmos własnych piko- i nanosatelitów – zastosowanie ściśle określonych parametrów umożliwia (teoretycznie) bezproblemową współpracę satelitów z wyrzutniami. Teoretycznie, gdyż… także i w tej kwestii zdarzyło się już kilka „wpadek”, związanych zarówno z nieplanowanym, przedwczesnym „wypuszczeniem” CubeSatów, jak ich zablokowaniem w przestrzeni komory startowej [4].

Rysunek 5. Najważniejsze wymiary CubeSata według standardu umożliwiającego współpracę z systemem NanoRacks NRCSD (https://t.ly/vBLR)

Dla ścisłości warto dodać, że odpowiednie systemy służące do „dystrybucji” satelitów na orbicie okołoziemskiej projektuje się także dla znacznie większych konstrukcji. Przykładowo – przywołane już wcześniej Starlinki są wysyłane w kosmos w pakietach po… 60 sztuk, co z oczywistych przyczyn wymaga już nie przenośnej wyrzutni, ale potężnego systemu zajmującego pokaźną przestrzeń w przedziale ładunkowym rakiety nośnej (fotografia 17).

Fotografia 17. Zestaw 60 satelitów Starlink umieszczonych wewnątrz przedziału ładunkowego rakiety Falcon 9 (https://t.ly/I5Aw)

Podsumowanie

Branża kosmiczna rozwija się już (albo – zaledwie) od niewiele ponad sześciu dekad i nie ulega wątpliwości, że udział elektroniki w kosmicznym wyścigu technologicznym jest nie do przecenienia. Rozbudowa komercyjnego, naukowego i edukacyjnego pola współpracy z największymi krajowymi oraz międzynarodowymi agencjami kosmicznymi wynika nie tylko z ogólnego postępu technicznego, ale przede wszystkim ze zmiany podejścia do misji kosmicznych. Otwarcie dostępu do przestrzeni kosmicznej – przede wszystkim niskiej orbity okołoziemskiej – dla małych i średnich firm oraz wyższych uczelni technicznych powoduje, że wręcz lawinowo rośnie liczba przedsiębiorstw oraz projektów badawczych związanych z branżą space. Mało tego – w przestrzeń startują nawet amatorskie satelity, zarządzane przez powstałą specjalnie do tego celu organizację AMSAT.

Czy jest czego się obawiać? Z pewnością tak, gdyż wraz z „zagęszczaniem” macierzy sztucznych satelitów Ziemi rośnie także ilość kosmicznych śmieci, które dryfując w otoczeniu naszej planety stanowią istotne zagrożenie nie tylko dla astronautów odbywających kosmiczne spacery, ale także dużych i niezwykle kosztownych satelitów, pojazdów, a nawet stacji kosmicznych, przeznaczonych do naprawdę (po)ważnych misji. Liczba samych tylko CubeSatów znajdujących się obecnie wokół Ziemi przekracza 1600, ale i tak największe kontrowersje budzą projekty takie, jak odbijające się szerokim, medialnym echem przedsięwzięcie Starlink – w tym przypadku mamy wszak do czynienia z potężną siecią przeszło 200-kilogramowych maszyn zarządzanych przez jedną tylko firmę. Czas pokaże, czy z monopolizacji przestrzeni kosmicznej uda nam się wyjść obronną ręką – wszak w tej kwestii ani całkowity monopol, ani zbytnia demokratyzacja dostępu do kosmosu nie wyjdą nam raczej na dobre. Korzystnie byłoby też, gdyby umieszczanie na orbicie okołoziemskiej kolejnych satelitów bez naprawdę istotnych przesłanek użytkowych bądź naukowych, nie stało się jedynie metodą na efektowną reklamę.

inż. Przemysław Musz, EP

Przypisy:
[1] https://github.com/chrislgarry/Apollo-11
[2] Masy startowej satelitów w niektórych przypadkach nie można utożsamiać z masą „netto”, gdyż część z nich jest wyposażona w napędy, a więc także – zapas paliwa.
[3] Pasmo Ka obejmuje fale o częstotliwości od 26,5 do 40 GHz.
[4] Źródło: https://t.ly/E7va

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
lipiec 2022

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik kwiecień 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje kwiecień 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna kwiecień 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich maj 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów