ESTCube-1 (0)

ÕPILASE_NIMI ESTCube -1 2013
KOOLI_NIMI
Teenindusosakond

Arvutite ja arvutivõrkude eriala

ÕPILASE_NIMI

ESTCube-1

Referaat
Juhendaja : ÕPETAJA_NIMI
KOOLI_NIMI 2013

Sisukord

Sisukord 2
Eessõna 3
Ehitus 4
Mõõtmed ja kaal 4
Konstruktsioon 4
Energiaallikas ja –haldus 4
Käsu- ja andmehaldussüsteem 5
Kommunikatsioon 5
Asendi määramine ja juhtimine 5
Pardakaamera 6
Eksperimendimoodul 6
Satelliidi eesmärk 7
Hoytether 7
Missiooni faasid 7
Kasutatud allikad 10

Eessõna

ESTCube-1 on Eesti tudengisatelliidi programmi raames ehitatud ja 7. mail 2013 Guajaana kosmodroomilt Prantsusmaal Euroopa Kosmoseagentuuri kanderaketiga „ Vega “ Maa orbiidile viidud tehiskaaslane ehk teisisõnu, Eesti esimene satelliit . ESTCube-1 orbiidi kõrgus maapinnast on umbkaudu 650 kilomeetrit, satelliidi kiirus orbiidil umbes 7,46 km/s. Aga samas referaadi koostamise ajahetkel oli kiirus 7,51km/s ja asus Arktika kohal.
ESTCube-1 on hariduslik koostööprojekt, milles osalevad tudengid ja gümnaasiumiõpilased. Lisaks õppe-eesmärgile on satelliidil ka teaduslik siht – teostada elektrilise päikesepurje esimene katsetus kosmoses. ESTCube-1 projekt on andnud ainet mitmekümnele teadustööle.

Ehitus

Mõõtmed ja kaal

Tehiskaaslase valmistamisel on järgitud kuupsatelliidi standardit 1U, mis on võrdeline järgnevate suurustega: külgede pikkused peavad olema 100,0±0,1 millimeetrit, satelliidi sügavus või kõrgus peab olema 113,5±0,1mm. Kuigi 1U standard näidustab maksimaalseks kaaluks 1300 grammi, kaalub ESTCube-1 vaid 1048 grammi.
Alamsüsteemid

Konstruktsioon

Satelliidi struktuur ehk konstruktsioon, mis kogu satelliidi komponente koos hoiab, vastab 1U standardile. Tänu karmidele tingimustele nagu väga madalad temperatuurid, tugevad vibratsioonid ning muud füüsikalised jõud, peab olema ka konstruktsioon väga karmide nõuetega. Selle pärast on kogu raam näiteks freesitud välja ühest alumiiniumi tükist, mis tagab maksimaalse vastupidavuse, sest liitekohti pole, mis murduda võiksid.

Energiaallikas ja –haldus

Satelliit saab orbiidil energiat päikesepaneelidest, mis paiknevad satelliidi külgedel. Missiooni edukaks läbiviimiseks on vaja energiat päikesepaneelidest võimalikult efektiivselt koguda, ülejäägi korral seda akudesse salvestada ja kogutud energiat satelliidi tegevuste jaoks laiali jaotada.
Energia kogumiseks on satelliidil 6 päikesepaneeli, millest igaüks koosneb kahest elemendist. Iga päikesepaneel toodab optimaalsetes tingimustes 2.4 W elektrienergiat, kuid ainult siis, kui Päikese poole on pööratud ainult üks päikesepaneel. Satelliidi kuubikujulisuse tõttu valgustab Päike satelliidi pöörlemise erinevates faasides enamasti mitut päikesepaneeli ja seetõttu on summaarne toodetav võimsus tavatemperatuuril 2.4 W - 3.6 W. Lisaks sõltub võimsus ka satelliidi külgpaneelide temperatuurist, sest paneelide efektiivsus väheneb temperatuuri tõustes, samuti ka paneelide vananemisest missiooni jooksul.
Päikesepaneelidest maksimaalse võimsuse kättesaamiseks on kasutusel maksimaalse võimsuspunkti jälgimise mikroskeemid. See lahendus on niivõrd uudne, et seda ei ole kosmoses seni veel katsetatud.

Käsu- ja andmehaldussüsteem

See on pardaarvuti, mis juhib satelliidi käitumist normaalolukorras. Pardaarvuti salvestab missiooni andmeid, infot alamsüsteemide tervise kohta ja edastab need satelliidi kommunikatsioonisüsteemile Maale saatmiseks. Käsu- ja andmehaldussüsteem jooksutab ka satelliidi orientatsiooni juhtiva süsteemi protsesse.

Kommunikatsioon

Satelliidi kommunikatsioonisüsteem võimaldab suhtlust satelliidi ja maapealsete sidejaamade vahel. Satelliidil on üks ühenduskanal info vastuvõtmiseks Maalt ja kaks ühenduskanalit info Maale saatmiseks. Sidepidamine satelliidiga toimub amatöörraadio 2-meetrisel lainealal ja 70-sentimeetrisel lainealadel.

Asendi määramine ja juhtimine

Satelliidi asendi määramise ja juhtimise alamsüsteemi eesmärgiks on teha kindlaks, milline on satelliidi asend orbiidil, kui kiiresti satelliit pöörleb ja vajadusel selle asendi ning kiiruse muutmine.
Selle tõttu on satelliit varustatud päikesesensorite, magnetomeetrite ja güroskoopidega. Kõigi nimetatud sensorite andmeid kombineerides on võimalik määrata satelliidi asend Maa ja Maa magnetvälja suhtes ning mõõta satelliidi pöörlemiskiirust.
Satelliidil on kokku kuus päikesesensorit (igal küljel üks), millest igaüks suudab Päikese suuna iseseisvalt määrata. Tulemusena näeb alati vähemalt üks päikesesensor Päikest ja satelliidi asend selle suhtes on alati määratav.
Magnetomeeter on seade magnetvälja suuna määramiseks. Selle abil on võimalik tuvastada magnetvälja suund satelliidi asukohas ja võrdluses pardal oleva Maa magnetvälja mudeliga satelliiti juhtida.
Pardal olevad güroskoobid mõõdavad satelliidi pöörlemiskiirust kõigi kolme telje ümber.
Satelliidi sensoritest saadud info põhjal on võimalik määrata satelliidi asend mistahes ajahetkel ja magnetvälja suund. Nii on võimalik arvutada, kui palju erineb satelliidi asend soovitust ja kuidas peaks satelliidi elektromagnetite tugevust seadistama, et saavutada soovitud asend ja pöörlemiskiirus.

Pardakaamera

Satelliidi pardakaamerat kasutatakse missiooni käigus Maast ja lahtikerimisel olevast traadist piltide tegemiseks.

Eksperimendimoodul

Satelliidi peamiseks missiooniks on elektrilise päikesetuulepurje katsetamine. Selleks on vaja satelliidist välja kerida peenike alumiiniumtraat, mis laetakse elektriliselt +500 voldini, kasutades selleks elektronkahureid.

Satelliidi eesmärk

ESTCube-1 loomisel on kõige olulisem tudengite õpetamine, aga satelliidil on ka teaduslik eesmärk - Soome teaduri Pekka Janhuneni poolt leiutatud elektrilise päikesepurje ühe võtmeelemendi esimene katsetus kosmoses. Tudengisatelliidi lennu käigus keritakse satelliidist välja 10 meetri pikkune 50 ja 20 mikromeetrise läbimõõduga traatidest kõrgtehnoloogiline struktuur nn Hoytether. Hoytetheri edukat väljakerimist satelliidist saab detekteerida satelliidi pöörlemiskiiruse märgatava vähenemise ja pardakaameraga pildistamise abil. Samuti mõõdetakse ka päikesepurjele mõjuvat jõudu ja päikesepurje ühte kasutusvõimalust, milleks on väikeste satelliitide orbiidilt atmosfääri taassisenemine või teisisõnu plasmapidur.

Hoytether

Nanojuhe (inglise keeles Hoytether) on erikujuline, tavaliselt peenikesest metalljuhtmest kokkukeevitatud struktuur. Spetsiaalne kuju on tingitud vajadusest suurendada juhtme vastupidavust kosmoses leiduvate mikroosakeste ülikiiretele tabamustele. Nanojuhtmete valmistamisel kasutatakse tavaliselt alumiiniumi. Juhtmete läbimõõdud varieeruvad vahemikus 10-200 mikromeetrit.
Nanojuhtme struktuur väldib olukorda, kus juba paarikümne mikromeetrise läbimõõduga tolmuosakese ülikiire tabamus purustaks kogu juhtme. Probleem on eriti tõsine missioonidel, kus on vajalik kilomeetripikkuste juhtmete kasutamine, sest kokkupõrke tõenäosus on võrdeline juhtme pikkusega. Hoytether struktuuri kasutamisel aga on vajalik vähemalt nelja tabamust iga üksiku juhtme sektori pihta. Kui tavaliselt tehakse individuaalne sektor pikkusega ligikaudu 5 cm, siis suureneb pikkade juhtmete puhul juhtme eluiga suurusjärkude võrra.

Missiooni faasid

Kanderakett viib satelliidi kosmosesse ja satellidi eraldub kanderaketist. Tavaliselt on kanderakettide põhilastiks suuremad teaduslikud või kommertsiaalsed satelliidid ning neile lisatakse nii öelda hääletajatena kaasa kolm kuni üheksa kuupsatelliiti. Kuupsatelliitide eraldumine toimub kaheminutiliste vaheaegadega vedru tõukejõu abil spetsiaalsest salvest.

Salvest eraldunud kuupsatelliidi pöörlemise suund ja kiirus ei ole ette teada. Varasematest kogemustest on teada, et pöörlemissagedus võib olla suurusjärgus 0,01 Hz-1 Hz. Kuupsatelliidi eraldumisel kanderaketist vabastatakse katkestuslüliti, mille kaudu ühendub satelliidi elektrisüsteem. Viie minuti jooksul käivitub satelliidi juhtprotsessor, keritakse lahti kokkupakitud antennid ning päikesepatareidest saadava elektrienergiaga laetakse satelliidi akud. Seejärel asutakse satelliidi pöörlemist stabiliseerima, milleks kasutatakse satelliidi külgseintesse paigaldatud elektromagneti ja maa magnetvälja vastasmõju ning hakatakse tegema esialgseid süsteemikontrolle elektroonika töökorra kindlaks tegemiseks.

Stabiliseerimisele järgneb satelliidi orienteerimine maa suhtes. Eesmärgiks on keerata satelliit positsiooni, kus antennide telg on paralleelne maapinnaga ning risti orbiiditasandiga. Satelliidi positsioon määratakse päikesesensorite ja magnet-sensorite abil. Satelliidi pööramiseks vastavasse suunda kasutatakse magnetilist vastasmõju. Satelliidi stabiliseerimine ja orientatsioon toimuvad automaatrežiimil, sest antennide vale asendi korral ei ole kindel, kas maapealse tugijaamaga õnnestuks ühendust saada.

Peale satelliidi stabiliseerimist peetakse esimene sideseanss maapealse juhtimiskeskusega ning edastatakse satelliidi sensorite lugemid. Nende põhjal kontrollitakse, kas kõik süsteemid toimivad nagu ette nähtud. Kõigi parameetrite positiivsete lugemite alusel võetakse vastu otsus põhieksperimendi alustamise kohta. Selleks käivitatakse vastav programm magnetpoolide juhtimiseks, mille kaudu vastasmõju tõttu maa magnetväljaga saavutatakse kontrollitud pöörlemine ümber satelliidi antennide telje kiirusega üks pööre sekundis. Sidekeskuse vahendusel tehakse satelliidile diagnostikat ja vajadusel laetakse tarkvarauuendusi.

Stabiilse pöörlemise saavutamisel alustatakse nanojuhtme lahtikerimist satelliidi poolilt. Nanojuhtme otsas asetsev ligikaudu poolegrammine raskus tõmbab nanojuhtme satelliidist eemale; poolilt nanojuhtme väljakerimine toimub umbes 10 sentimeetriste etappidena mille lõpus edastatakse mõõtetulemused juhtimiskeskusesse. Iga etapi lõppedes võetakse vastu otsus järgmise etapi käivitamiseks. Juhtme lahtikerimise edukust mõõdetakse süsteemi pöörlemiskiiruse muutuse kaudu.

Käivitatakse elektronkahur mille abil eemaldatakse nanojuhtmelt negatiivselt laetud elektrone. Selle tagajärjel saab juhe positiivse laengu. Positiivselt laetud nanojuhtme pöörlemist mõjutab positiivselt laetud ioonide konsentratsioon atmosfääri ülakihtides. Eksperimendi käigus mõõdetakse süsteemi pöörlemiskiiruse muutust ning nanojuhtme positiivse laengu muutust.

Elektrilise päikesepurje efekti katse järel rakendatakse purje traat tööle plasmapidurina.

Plasmapidur käivitatakse ehk laetakse nanojuhe selle ionosfääri plasma suhtes negatiivselt ning demonstreeritakse sellega ühte võimalust väikeste satelliitide orbiidilt allatoomiseks.

Kasutatud allikad

http://dspace.utlib.ee/dspace/bitstream/handle/10062/14773/index.html
http://www.estcube.eu/
http://et.wikipedia.org/wiki/ESTCube-1
http://goo.gl/h5OPw
http://www.electric-sailing.fi/
http://cubesat.atl.calpoly.edu/
http://www.lr.ttu.ee/eriala/2010sygis/Eriala_1102.pdf
KOOLI_NIMI 10