PW-Sat

PW-Sat
Заказчик	Варшавский политехнический институт
Задачи	Технологический спутник[1]
Спутник	Земли
Запуск	13 февраля 2012[2]
Ракета-носитель	Вега
Стартовая площадка	Куру
Технические характеристики
Масса	1 кг
Размеры	CubeSat, 10*10*10 см при запуске, 150*100*13 см с развернутым щитком и антеннами
Диаметр	14 см (диагональ куба)
Источники питания	солнечная батарея, литий-ионный аккумулятор
Срок активного существования	1 год
Элементы орбиты
Тип орбиты	низкая околоземная орбита
Эксцентриситет	0,0796068
Наклонение	69,486°
Период обращения	1 ч 42 мин 23 с (102,38 мин)
Апоцентр	1449 км
Перицентр	295 км
Витков за день	14.06319864[3]

PW-Sat (польск. Politechnika Warszawska Sat) — первый польский искусственный спутник земли^[4], разработанный Варшавским Политехническим Институтом при поддержке центра космических исследований Польской академии наук. Основные цели спутника — проверка возможности атмосферного торможения (деорбитация (англ. deorbitation)) и нового типа солнечных батарей. Кроме того, аппарат будет передавать телеметрию на радиолюбительской частоте.^[1]

История проекта

Проект был начат в 2005 году членами космической студенческой ассоциации, с намерением стать первой командой, разработавшей первый польский космический аппарат. Позднее к ним присоединились студенты инженерного факультета. Число разработчиков увеличилось до 70-80 человек. В 2011 году группа была реорганизована, и число людей, занятых в проекте, сократилось до 22, с ядром из 9 членов. Прежде чем они начали строить спутник, команда решила разработать схему ИСЗ как можно проще, чтобы свести к минимуму вероятность отказа. Их предварительная работа включает деревянные модели «CubeSat», которые были использованы, чтобы протестировать развертывание антенны.

Самым важным критерием успеха проекта является доказательство способности спутника работать в космосе. Основной вторичной целью разработки стало смягчение проблемы космического мусора, который является одной из наиболее важных проблем, стоящей перед освоением космического пространства. Первые идеи об использовании воздушного шара и паруса для тормозной системы в конечном итоге были сняты, отчасти из-за низкой надежности. После того, как были решены некоторые организационные проблемы, команда стала сотрудничать с Центром космических исследований Польской академии наук. Это привело к созданию новой полезной нагрузки, которая состоит из направляющего устройства увеличивающего атмосферное сопротивление (щиток), поверхность которого служит каркасом для нового типа солнечных батарей. Основная цель этого эксперимента заключается в проверке концепции использования атмосферного торможения на спутнике.

Разработчики рассчитывают, что смогут вывести спутник с орбиты в предсказанное время, примерно через год после запуска. Вторая цель заключается в проверке солнечных батарей, которые ранее никогда не использовались в космосе. Во время полета, спутник будет передавать телеметрию с информацией о состоянии каждой подсистемы и параметры развертывания щитка, которую смогут получать радиолюбители.^[1]

Конструкция

Корпус

Корпус — алюминиевая рама, которая обеспечивает поддержку всех элементов. Это обеспечивает правильное позиционирование элементов во время запуска ракеты и защищает подсистемы от механических повреждений. В то же время он играет важную роль в тепловой стабилизации спутника. Если одна из подсистем порождает большое количество тепла, то оно поглощается структурой (он имеет очень высокую теплоемкость). Избыток тепла излучается из корпуса непосредственно в космос. ФормФактор — «CubeSat».

Система питания

Система питания PW-Sat работает исключительно за счет энергии, поступающей от Солнца. Она преобразуется в электрический ток в восьми солнечных батареях, которые размещаются на сторонах спутника. Панели, установленные на одной стороне обеспечивают минимальное питание 2 Вт. Это питание частично используется для зарядки литий-ионного аккумулятора, который обеспечивает энергию, когда спутник находится в тени Земли. Эффективность солнечных батарей составляет порядка 27%. PW-Sat также будет оснащен дополнительными экспериментальными панелями. Они не будут связаны с основной системой питания и являются частью эксперимента. Только они будут использоваться на щитке для схода с орбиты.

Коммуникационная система

Модель спутника PW-Sat на выставке International Air Picnic 2007

Передача телеметрии спутником, полученная любительской радиостанцией в Голландии

Коммуникационная система необходима для отправки данных на Землю и для получения команд от наземной станции. Она состоит из двух модулей: модуля связи и антенного модуль. Четыре кассетных антенны 55 см длины являются основой антенного модуля. Во время взлета они были развернуты через полчаса после отделения от разгонного блока. Процесс развертки занял всего 3 секунды. Связь поддерживается на двух частотах: 435,032 МГц (передача — на спутник) и 145,902 МГц (приём — со спутника).

Полезная нагрузка

Через несколько недель после отделения PW-Sat от разгонного блока наземная станция посылает команду развернуть тормозной щиток. Он представляет собой метровую спираль с прямоугольным поперечным сечением. Со всех четырех сторон она покрыта упругими солнечными батареями. Во время выведения она будет скрыта внутри спутника.

Стабилизация спутника

PW-Sat не оснащён системой стабилизации. Его ориентация может быть оценена на основе данных о развёртке солнечных батарей.

Бортовой компьютер

Бортовой компьютер управляет работой всего спутника. С помощью коммуникационной системы он получает команды с Земли и контролирует выполнение заданий подсистемами. Он также собирает информацию о температуре и работе подсистем в буфер и готовит её для передачи на наземную станцию. Центральный процессор компьютера представляет собой 8-разрядный микроконтроллер. Программа написана на языке Си.

Кроме основных подсистем, существует также дополнительная, которая осуществляет мониторинг подсистем спутника до вывода на орбиту.^[5]

Эксперименты

Деорбитация

Деорбитация (англ. deorbitation) — сход с орбиты космического аппарата с последующим его сгоранием в плотных слоях атмосферы. Земной наблюдатель в это время увидит небольшой метеор. Похожим способом был уничтожен космический аппарат Хаябуса. Уничтожение спутника путём схода с орбиты Земли увеличивает безопасность космических запусков. Многие спутники после окончания их миссии могут продолжать вращаться вокруг Земли в течение десятилетий. Неактивные объекты, которые не контролируются становятся космическим мусором. Они становятся серьёзной угрозой для новых космических аппаратов (в том числе пилотируемых полетов и орбитальных станций). Реальность этой угрозы мы могли наблюдать, 10 февраля 2009 года, когда произошло столкновение спутников Космос-2251 и Iridium 33. Обломки, являющиеся последствием столкновения, представляют угрозу для других спутников. Для избежания подобных ситуаций в дальнейшем разработчикам следует применять системы деорбитации.

В случае нахождения спутника на низких орбитах влияние верхних слоев атмосферы (вплоть до 900 км) может стать фактором, ускоряющим деорбитацию. Так же, как и раскрытие парашюта увеличит аэродинамическое сопротивление увеличением площади спутника на низкой околоземной орбите вызовет постепенное, но заметное замедление. Следствием этого будет снижение орбиты, дальнейшее увеличение сопротивления и быстрый спуск. Вплоть до входа в плотные слои атмосферы.

Основной полезной нагрузкой PW-Sat станет система, вызывающая увеличение аэродинамического сопротивления спутника. Хотя это может показаться немного странным, PW-Sat отправляется в космос, чтобы быть как можно быстрее уничтоженным. Деорбитационная система PW-Sat представляет собой щиток. Она имеет форму квадратного сечения и длиной около 1 метра. По бокам щиток покрыт гибкими солнечными батареями. На время запуска вся структура складывается в специально подготовленные места внутри спутника. Через несколько недель после запуска по команде с Земли пиротехнику блокировки пружинного механизма сжигают и щиток выходит за доли секунды. С антеннами и щитком спутник будет примерно 150x100x13 см в длину.

PW-Sat без деорбитационной системы (как 10x10x13 см³) останется на своей эллиптической (300 × 1 450 км) орбите в течение почти четырех лет. Ожидаемое увеличение аэродинамического сопротивления должно сократить жизнь спутника на один год. Подобные системы могут быть установлены на новых спутниках и использоваться, когда их миссия подходит к концу. Это позволит очистить орбиту от нежелательного космического мусора.

Солнечные батареи

Основным способом обеспечения электроэнергией для подавляющего большинства спутников и космических зондов является использование солнечных батарей. Солнечное излучение преобразуется в электричество в солнечных панелях, которые являются частью спутникового оборудования. Чем больше мощность доступна для подсистем, тем больше возможностей у спутника. В этой связи возникает необходимость в создании более эффективных фотоэлементов, которые охватывают большую площадь. Тем не менее, увеличение размеров создает проблемы с выводом на орбиту спутника ракетой-носителем. Конструкторы космического телескопа Хаббла столкнулись с аналогичной проблемой много лет назад, пытаясь разместить обсерваторию и фотоэлементы в грузовом отсеке космического челнока. Это получилось, потому что было принято решение свернуть солнечные батареи — путём установки их на гибкий материал на таком расстоянии друг от друга, что вся группа могла бы быть сложена и доставлена на орбиту в компактной форме.

Гибкие фотоэлементы на гибкой основе будут впервые испытаны в космосе во время миссии PW-sat. Они прикреплены к четырем сторонам щитка и начнут работать через несколько недель после запуска спутника. Эффективность ячеек составляет около 5%, что означает, что только 5% солнечной энергии, достигающей их будет преобразованы в электроэнергию. Это очень мало по сравнению даже с основными солнечных панелей PW-Sat, которые примерно на 25% эффективнее (наилучшие существующие фотоэлементы предназначенные для космических полётов достигают 45-50% эффективности). В случае с PW-Sat количество вырабатываемой электроэнергии не большая проблема (электричество из экспериментальных панелей не будет использоваться для питания спутниковых подсистем), но основной акцент делается на тестирование концепции гибких фотоэлементов.^[6]

Запуск

Запуск был осуществлён ракетой-носителем «Вега» с космодрома Куру 13 февраля 2012 года в качестве вторичной нагрузки. Данные орбиты: Полярная орбита высотой 354 км х 1450 км, наклонение = 71°, период обращения = 103 минут (14 оборотов / сутки). Около 75 % орбиты в солнечном свете^[7][8].

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3} Страница миссии на сайте ЕКА. ЕКА. Архивировано из первоисточника 12 сентября 2012. (англ.)
2. ↑ РН ВЕГА. ЕКА. Архивировано из первоисточника 1 мая 2012.
3. ↑ PW-Sat. Amateur radio.. VGNet. Архивировано из первоисточника 12 сентября 2012.
4. ↑ PW-Sat: the First Polish Pico-Satellite. University of Waterloo. Архивировано из первоисточника 12 сентября 2012. (англ.)
5. ↑ PW-Sat. AstroNautilus. Архивировано из первоисточника 12 сентября 2012. (англ.)
6. ↑ PW-Sat experiments. AstroNautilus. Архивировано из первоисточника 12 сентября 2012. (англ.)
7. ↑ Skyrocket. PW-Sat.. skyrocket.de. Архивировано из первоисточника 12 сентября 2012. (англ.)
8. ↑ PW-Sat, Poland's first satellite launched into orbit. Space Media Network. Архивировано из первоисточника 12 сентября 2012. (англ.)