Введение
Миниатюрный спутник в кубических модулях 10 см. CubeSat – это класс небольших спутников с форм-фактором кубов. Кубсаты имеют массу не более 1 кг на единицу, и часто используют коммерческие компоненты для своей электроники и конструкции. CubeSat развертываются на орбите с Международной космической станции или запускаются в качестве вторичной полезной нагрузки на ракете-носителе. В 1999 году профессор Калифорнийского политехнического государственного университета (Cal Poly) Джорди Пуиг Суари и Боб Твиггс, профессор Лаборатории разработки космических систем Стэнфордского университета, разработали спецификации CubeSat для продвижения и развития навыков, необходимых для проектирования, производства и тестирования небольших спутников, предназначенных для низкой околоземной орбиты (LEO), выполняющих научные исследования и изучающих новые космические технологии. До 2013 года большинство запусков CubeSat осуществлялись научными организациями, когда более половины запусков были выполнены не в академических целях, а к 2014 году большинство вновь развернутых CubeSat предназначались для коммерческих или любительских проектов. Функции обычно включают эксперименты, которые можно миниатюризировать, или служат таким целям, как наблюдение за Землей или любительская радиосвязь. CubeSat используются для демонстрации технологий космических аппаратов, предназначенных для небольших спутников, или технологий, чья осуществимость вызывает сомнения и которые вряд ли оправдают стоимость более крупного спутника. Научные эксперименты с недоказанной теоретической базой также могут быть размещены на CubeSat, поскольку их низкая стоимость может оправдать более высокие риски. На нескольких миссиях были выполнены полезные нагрузки для биологических исследований, и планируется еще больше. Несколько миссий на Луну и за ее пределы планируют использовать CubeSat. Первые CubeSat в дальнем космосе были запущены в рамках миссии MarCO, где два CubeSat были запущены к Марсу в мае 2018 года вместе с успешной миссией InSight. Некоторые CubeSat стали первыми спутниками в истории своих стран, запущенными университетами, государственными или частными компаниями. В базе данных Nanosatellite и CubeSat, доступной для поиска, перечислено более 4000 CubeSat, которые были или планируются к запуску с 1998 года, с целью предоставить студентам возможность проектировать, строить, тестировать и эксплуатировать в космосе космический аппарат с возможностями, аналогичными возможностям первого космического аппарата, "Спутника". CubeSat, как первоначально предлагалось, не ставил целью стать стандартом; скорее, он стал стандартом со временем в процессе естественного формирования. Первые CubeSat были запущены в июне 2003 года на российской ракете Eurockot, и к 2012 году на орбиту вышли около 75 CubeSat. Необходимость в спутнике такого малого форм-фактора стала очевидной в 1998 году в результате работы, проведенной в Лаборатории разработки космических систем Стэнфордского университета. В SSDL студенты работали над микроспутником OPAL (Orbiting Picosatellite Automatic Launcher) с 1995 года. Миссия OPAL по развертыванию дочерних аппаратов "пикоспутников" привела к разработке системы запуска, которая была "безнадежно сложной" и могла работать только "большую часть времени". По мере увеличения задержек проекта Твиггс обратился за финансированием в DARPA, что привело к перепроектированию механизма запуска в простую концепцию толкающей пластины с спутниками, удерживаемыми на месте дверью с пружиной. Боб Твиггс, из Департамента аэронавтики и космонавтики Стэнфордского университета, и в настоящее время член факультета космических наук в Морхедском государственном университете в Кентукки, внес вклад в сообщество CubeSat. Его усилия были сосредоточены на CubeSat из образовательных учреждений. Спецификация не применяется к другим кубикоподобным наноспутникам, таким как наноспутник NASA "MEPSI", который немного больше, чем CubeSat. GeneSat 1 был первым полностью автоматизированным, самодостаточным биологическим космическим экспериментом NASA на спутнике такого размера. Это был также первый запущенный в США CubeSat. Эта работа, возглавляемая Джоном Хайнсом из NASA Ames Research, стала катализатором для всей программы NASA CubeSat. В 2017 году эта работа по стандартизации привела к публикации ISO 17770:2017 Международной организацией по стандартизации. Этот стандарт определяет спецификации для CubeSat, включая их физические, механические, электрические и эксплуатационные требования. Он также предоставляет спецификацию для интерфейса между CubeSat и его ракетой-носителем, которая перечисляет возможности, необходимые для выживания в условиях окружающей среды во время и после запуска, и описывает стандартный интерфейс развертывания, используемый для выпуска спутников. Разработка стандартов, общих для большого числа космических аппаратов, способствует значительному сокращению времени и стоимости разработки миссий CubeSat.
A CubeSat is a class of small satellite with a form factor of cubes. CubeSats have a mass of no more than per unit, and often use commercial off the shelf (COTS) components for their electronics and structure. CubeSats are deployed into orbit from the International Space Station, or launched as secondary payloads on a launch vehicle. In 1999, California Polytechnic State University (Cal Poly) professor Jordi Puig Suari and Bob Twiggs, a professor at Stanford University Space Systems Development Laboratory, developed the CubeSat specifications to promote and develop the skills necessary for the design, manufacture, and testing of small satellites intended for low Earth orbit (LEO) that perform scientific research and explore new space technologies. Academia accounted for the majority of CubeSat launches until 2013, when more than half of launches were for non academic purposes, and by 2014 most newly deployed CubeSats were for commercial or amateur projects.]] Functions typically involve experiments that can be miniaturized or serve purposes such as Earth observation or amateur radio. CubeSats are employed to demonstrate spacecraft technologies intended for small satellites or that present questionable feasibility and are unlikely to justify the cost of a larger satellite. Scientific experiments with unproven underlying theory may also find themselves aboard CubeSats because their low cost can justify higher risks. Biological research payloads have been flown on several missions, with more planned. Several missions to the Moon and beyond are planning to use CubeSats. The first CubeSats in deep space were flown in the MarCO mission, where two CubeSats were launched towards Mars in May 2018 alongside the successful InSight mission. Some CubeSats have become countries' first ever satellites, launched either by universities, state owned, or private companies. The searchable Nanosatellite and CubeSat Database lists over 4,000 CubeSats that have been or are planned to be launched since 1998. with the aim of enabling graduate students to design, build, test and operate in space a spacecraft with capabilities similar to that of the first spacecraft, Sputnik. The CubeSat, as initially proposed, did not set out to become a standard; rather, it became a standard over time by a process of emergence. The first CubeSats launched in June 2003 on a Russian Eurockot, and approximately 75 CubeSats had entered orbit by 2012. The need for such a small factor satellite became apparent in 1998 as a result of work done at Stanford University's Space System Development Laboratory. At SSDL, students had been working on the OPAL (Orbiting Picosatellite Automatic Launcher) microsatellite since 1995. OPAL's mission to deploy daughter ship "picosatellites" had resulted in the development of a launcher system that was "hopelessly complicated" and could only be made to work "most of the time". With the project's delays mounting, Twiggs sought DARPA funding that resulted in the redesign of the launching mechanism into a simple pusher plate concept with the satellites held in place by a spring loaded door. Bob Twiggs, of the Department of Aeronautics & Astronautics at Stanford University, and currently a member of the space science faculty at Morehead State University in Kentucky, has contributed to the CubeSat community. His efforts have focused on CubeSats from educational institutions. The specification does not apply to other cube like nanosatellites such as the NASA "MEPSI" nanosatellite, which is slightly larger than a CubeSat. GeneSat 1 was NASA's first fully automated, self contained biological spaceflight experiment on a satellite of its size. It was also the first U. S. launched CubeSat. This work, led by John Hines at NASA Ames Research, became the catalyst for the entire NASA CubeSat program. In 2017, this standardization effort led to the publication of ISO 17770:2017 by the International Organization for Standardization. This standard defines specifications for CubeSats including their physical, mechanical, electrical, and operational requirements. It also provides a specification for the interface between the CubeSat and its launch vehicle, which lists the capabilities required to survive the environmental conditions during and after launch and describes the standard deployment interface used to release the satellites. The development of standards shared by a large number of spacecraft contributes to a significant reduction in the development time and cost of CubeSat missions.
Дизайн
Спецификация CubeSat решает несколько задач высокого уровня. Основная причина миниатюризации спутников – снижение стоимости запуска: их часто можно запускать группами, используя избыточную грузоподъемность более крупных ракет-носителей. Конструкция CubeSat специально минимизирует риск для остальной части ракеты-носителя и полезной нагрузки. Инкапсуляция интерфейса «ракета-носитель – полезная нагрузка» снижает объем работ, ранее необходимый для стыковки попутного спутника с ракетой-носителем. Унификация полезных нагрузок и ракет-носителей обеспечивает быструю замену полезных нагрузок и использование возможностей запуска в сжатые сроки. Стандартные CubeSat состоят из модулей, предназначенных для обеспечения 1U, 2U, 3U или более полезного объема, при этом каждый модуль весит не более 1,33 кг. Более крупные форм-факторы, такие как 6U и 12U, состоят из 3U, расположенных бок о бок. Существуют также нестандартные, более мелкие форм-факторы; The Aerospace Corporation построила и запустила два CubeSat формата 0,5U для измерения радиации и технологической демонстрации, а Swarm Technologies создала и развернула созвездие из более чем ста CubeSat формата 0,25U для услуг связи IoT. Поскольку почти все CubeSat (независимо от длины) могут быть запущены и развернуты с использованием общей системы развертывания, называемой Poly PicoSatellite Orbital Deployer (P-POD), разработанной и построенной Cal Poly. В спецификации CubeSat не определены и не требуются какие-либо электронные форм-факторы или протоколы связи, однако аппаратное обеспечение COTS последовательно использует определенные функции, которые многие считают стандартами в электронике CubeSat. Большинство COTS и разработанной на заказ электроники соответствуют форм-фактору PC/104, который изначально не был предназначен для CubeSat, но имеет плоский профиль, позволяющий занимать большую часть объема космического аппарата. Технически используется вариант PC/104 – PCI 104, а фактическая распиновка не соответствует спецификации стандарта PCI 104. Сквозные разъемы на платах обеспечивают простую сборку и электрическое соединение, и большинство производителей электронного оборудования для CubeSat придерживаются одного и того же расположения сигналов, но некоторые продукты этого не делают, поэтому необходимо следить за согласованностью расположения сигналов и питания, чтобы предотвратить повреждения. При выборе электроники необходимо учитывать, чтобы устройства могли выдерживать воздействие радиации. Для очень низких околоземных орбит (LEO), где атмосферный вход произойдет всего через несколько дней или недель, радиацией можно в значительной степени пренебречь и использовать стандартную потребительскую электронику. Потребительские электронные устройства могут выдержать радиацию LEO в течение этого времени, поскольку вероятность однократного сбоя (SEU) очень мала. Космические аппараты, находящиеся на устойчивой низкой околоземной орбите в течение месяцев или лет, подвергаются риску и летают только с оборудованием, разработанным и протестированным в условиях радиационного воздействия. Миссии за пределы низкой околоземной орбиты или которые будут оставаться на низкой околоземной орбите в течение многих лет, должны использовать радиационно-стойкие устройства. Дополнительные соображения относятся к работе в глубоком вакууме из-за эффектов сублимации, дегазации и металлических усов, которые могут привести к выходу из строя миссии.
Структура
Количество соединенных модулей определяет размер CubeSat, и согласно спецификации проектирования CubeSat, они могут масштабироваться только по одной оси, чтобы соответствовать форматам 0.5U, 1U, 1.5U, 2U или 3U. Все стандартные размеры CubeSat были созданы и запущены, и по состоянию на 2015 год представляют собой форм-факторы для подавляющего большинства запущенных CubeSat. Материалы, используемые в конструкции, должны иметь такой же коэффициент теплового расширения, как и у развертывающего устройства, чтобы предотвратить заедание. В частности, допускаются четыре алюминиевых сплава: 7075, 6061, 5005 и 5052. Алюминий, используемый в конструкции, контактирующей с P-POD, должен быть анодирован для предотвращения холодного сваривания, и другие материалы могут быть использованы для конструкции при получении разрешения. Тем не менее, некоторые CubeSat подвергаются анализу на вибрацию или структурному анализу, чтобы гарантировать, что компоненты, не поддерживаемые P-POD, сохраняют структурную целостность на протяжении всего запуска. Несмотря на то, что CubeSat редко проходят такой же тщательный анализ, как более крупные спутники, они редко выходят из строя из-за механических проблем.
Вычислительные технологии
Как и более крупные спутники, CubeSat часто оснащаются несколькими компьютерами, выполняющими различные задачи параллельно, включая управление ориентацией, управление энергоснабжением, работу полезной нагрузки и основные задачи управления. Системы управления ориентацией, поставляемые готовыми решениями (COTS), как правило, включают в себя собственный компьютер, равно как и системы управления энергоснабжением. Для полезной нагрузки необходимо иметь возможность взаимодействовать с основным компьютером, чтобы быть полезной, что иногда требует использования дополнительного небольшого компьютера. Это может быть обусловлено ограничениями основного компьютера в управлении полезной нагрузкой из-за ограниченных протоколов связи, предотвращением перегрузки основного компьютера обработкой необработанных данных или обеспечением непрерывной работы полезной нагрузки, несмотря на другие вычислительные потребности космического аппарата, такие как связь. Тем не менее, основной компьютер может использоваться для задач, связанных с полезной нагрузкой, таких как обработка изображений, анализ данных и сжатие данных. К типичным задачам основного компьютера относятся делегирование задач другим компьютерам, управление ориентацией, вычисление параметров орбитальных маневров, планирование и активация компонентов активной системы терморегулирования. Компьютеры CubeSat очень чувствительны к радиации, поэтому разработчики принимают специальные меры для обеспечения их надлежащей работы в условиях высокой радиации в космосе, например, используют ECC RAM. Некоторые спутники могут включать резервирование, реализуя несколько основных компьютеров; это может быть сделано в важных миссиях для снижения риска отказа миссии. В некоторых CubeSat, таких как PhoneSats от NASA, для вычислений использовались потребительские смартфоны.
Контроль отношений
Контроль положения (ориентация) для CubeSats основан на миниатюризации технологий без существенной потери производительности. Неуправляемое вращение (кувыркание) обычно возникает сразу после развертывания CubeSat из-за асимметричных сил развертывания и столкновений с другими CubeSats. Некоторые CubeSats функционируют нормально во время кувыркания, но те, которым требуется ориентация в определенном направлении или которые не могут безопасно работать при вращении, нуждаются в стабилизации. Системы, обеспечивающие определение и управление положением, включают реактивные колеса, магнитоторки, двигатели, звездные трекеры, солнечные датчики, датчики ориентации на Землю, датчики угловой скорости, GPS-приемники и антенны. Обычно используются комбинации этих систем, чтобы использовать преимущества каждого метода и компенсировать их недостатки. Реактивные колеса широко применяются благодаря их способности создавать относительно большие моменты при заданном энергопотреблении, однако их эффективность ограничена насыщением – состоянием, при котором колесо не может вращаться быстрее. Примерами реактивных колес для CubeSats являются Maryland Aerospace MAI 101 и Sinclair Interplanetary RW 0.03 4. Реактивные колеса можно разгрузить с помощью двигателей или магнитоторков. Двигатели могут создавать большие моменты, воздействуя на космический аппарат парой сил, но низкая эффективность небольших двигательных систем приводит к быстрому расходу топлива. Магнитоторки, пропускающие электрический ток через катушку для использования магнитного поля Земли и создания момента вращения, обычно устанавливаются почти на всех CubeSats. Модули управления положением и солнечные панели часто имеют встроенные магнитоторки. Для CubeSats, которым требуется только стабилизация после кувыркания, достаточно датчика угловой скорости или электронного гироскопа для определения положения. Ориентация в определенном направлении необходима для наблюдения за Землей, выполнения орбитальных маневров, максимизации выработки солнечной энергии и работы некоторых научных приборов. Достижение необходимой точности ориентации возможно путем определения положения Земли и ее горизонта, Солнца или отдельных звезд. Солнечный датчик SS 411 и звездный трекер ST 16 компании Sinclair Interplanetary находят применение в CubeSats и имеют опыт эксплуатации в космосе. Автобус Colony I от Pumpkin использует аэродинамическое крыло для пассивной стабилизации положения. Определение местоположения CubeSat можно осуществить с помощью бортового GPS, который относительно дорог для CubeSat, или путем передачи данных радиолокационного слежения на аппарат с наземных систем слежения.
Двигатель
Двигательные установки CubeSat стремительно развиваются в области холодных газов, химических двигателей, электрических двигателей и солнечных парусов. Основная проблема, связанная с двигательными установками CubeSat, заключается в предотвращении риска для ракеты-носителя и ее основной полезной нагрузки, при этом обеспечивая существенные возможности. Компоненты и методы, обычно используемые на крупных спутниках, запрещены или ограничены, а спецификация конструкции CubeSat (CDS) требует получения разрешения для создания давления выше установленного предела, хранения более 100 Вт химической энергии и использования опасных материалов. Малые двигатели также могут быть не оснащены системами регулирования тяги, позволяющими использовать тягу меньше максимальной, что важно для точных маневров, таких как сближение. CubeSat, требующие более длительного срока службы, также выигрывают от наличия двигательной системы; при использовании для поддержания орбиты двигательная система может замедлить снижение орбиты.
Проводники с холодным газом
Холодный газовый двигатель обычно хранит инертный газ, такой как азот, в резервуаре под давлением и выпускает газ через сопло для создания тяги. В большинстве систем управление осуществляется всего одним клапаном, что делает холодный газ самой простой полезной технологией двигательной установки. Системы холодного газового привода могут быть очень безопасными, поскольку используемые газы не обязательно должны быть летучими или коррозионными, хотя некоторые системы используют опасные газы, такие как диоксид серы. Возможность использования инертных газов особенно выгодна для CubeSat, поскольку их использование опасных материалов обычно ограничено. С их помощью можно достичь лишь низкой производительности, однако для запуска может потребоваться разрешение из-за ограничений на опасные химические вещества, установленных в конструкторской спецификации CubeSat. "Двигатель на электролизе воды" технически является химической системой двигательной установки, поскольку он сжигает водород и кислород, которые вырабатываются в процессе электролиза воды непосредственно на орбите.
Электрический привод
Электрическая двигательная установка CubeSat обычно использует электрическую энергию для разгона рабочего тела до высокой скорости, что обеспечивает высокий удельный импульс. Многие из этих технологий достаточно компактны для использования в наноспутниках, и несколько методов находятся в разработке. К типам электрических двигательных установок, разрабатываемых для CubeSat, относятся двигатели Холла, ионные двигатели, импульсные плазменные двигатели, электрораспылительные двигатели и резистоджеки. Несколько заметных миссий CubeSat планируют использовать электрическую двигательную установку, например, Lunar IceCube от NASA. Высокая эффективность, присущая электрической двигательной установке, может позволить CubeSat самостоятельно добираться до Марса. Электрические двигательные системы требуют значительного энергопотребления, что обуславливает необходимость установки на CubeSat более крупных солнечных панелей, более слочной системы распределения энергии и, как правило, аккумуляторов большей емкости. Кроме того, многие методы электрической двигательной установки могут по-прежнему требовать наличия резервуаров под давлением для хранения рабочего тела, что ограничено спецификацией конструкции CubeSat. ESTCube 1 использовал электрический солнечный ветровой парус, который использует электромагнитное поле в качестве паруса вместо твердого материала. Эта технология использовала электрическое поле для отклонения протонов солнечного ветра, создавая тем самым тягу. Она аналогична электродинамическому тросу в том смысле, что аппарату требуется только подача электроэнергии для функционирования.
Солнечный парус
Солнечные паруса (также называемые световыми или фотонными парусами) — это форма космической двигательной установки, использующая давление излучения (также называемое солнечным давлением) звёзд для разгона больших ультратонких зеркал до высоких скоростей, не требующая топлива. Сила, действующая на солнечный парус, пропорциональна площади паруса, что делает их хорошо подходящими для использования в CubeSats, поскольку их небольшая масса обеспечивает большее ускорение при заданной площади паруса. Однако солнечные паруса всё ещё должны быть достаточно большими по сравнению со спутником, что означает, что полезные паруса необходимо разворачивать, что добавляет механическую сложность и потенциальный источник отказа. Этот метод движения — единственный, не ограниченный требованиями спецификации конструкции CubeSat, поскольку он не требует высокого давления, опасных материалов или значительной химической энергии. Лишь немногие CubeSats использовали солнечный парус в качестве основной двигательной установки и для обеспечения стабильности в дальнем космосе, включая 3U NanoSail D2, запущенный в 2010 году, и LightSail 1 в мае 2015 года. LightSail 2 успешно развернулся с помощью ракеты Falcon Heavy в 2019 году, а один CubeSat, запуск которого планировался на первом полёте космической пусковой системы (Artemis 1) в ноябре 2022 года, должен был использовать солнечный парус: Near Earth Asteroid Scout (NEA Scout). Кубсат был признан потерянным, когда в течение двух дней не удалось установить связь.
Мощность
CubeSats используют солнечные элементы для преобразования солнечного света в электричество, которое затем накапливается в перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторах, обеспечивающих питание во время затмения, а также в периоды пиковой нагрузки. Эти спутники имеют ограниченную площадь поверхности на внешних стенках для размещения солнечных элементов, которой необходимо эффективно делиться с другими компонентами, такими как антенны, оптические датчики, объективы камер, двигательные установки и порты доступа. Литий-ионные аккумуляторы отличаются высоким отношением энергии к массе, что делает их оптимальным выбором для использования на космических аппаратах с ограничениями по массе. Зарядка и разрядка аккумуляторов обычно контролируется выделенной системой электропитания (EPS). Аккумуляторы иногда оснащаются нагревателями для предотвращения снижения температуры до критически низких значений, что может привести к выходу аккумулятора из строя и провалу миссии. Скорость деградации аккумуляторов зависит от количества циклов зарядки и разрядки, а также от глубины каждого разряда: чем больше средняя глубина разряда, тем быстрее происходит износ аккумулятора. Для миссий на низкой околоземной орбите (LEO) можно ожидать несколько сотен циклов разряда. Из-за ограничений по размерам и весу, типичные CubeSats, работающие на LEO с солнечными панелями, установленными на корпусе, генерируют менее 10 Вт. Миссии с повышенными требованиями к мощности могут использовать систему управления ориентацией для обеспечения оптимального угла наклона солнечных панелей к Солнцу, а дополнительные потребности в энергии могут быть удовлетворены за счет добавления и ориентации развертываемых солнечных батарей, которые могут быть развернуты до значительно большей площади на орбите. Недавние разработки включают дополнительные пружинные солнечные батареи, которые развертываются сразу после отделения спутника, а также батареи с тепловыми ножами, развертывающими панели по команде. CubeSats могут быть обесточены между запуском и развертыванием и должны иметь предохранительный штифт, который отключает питание для предотвращения работы во время загрузки в P-POD. Кроме того, переключатель развертывания активируется при загрузке аппарата в P-POD, отключая питание космического аппарата и деактивируется после выхода из P-POD. Из-за вращения и низкого уровня мощности радиосвязь представляет собой сложную задачу. Многие CubeSats используют всенаправленную монопольную или дипольную антенну, изготовленную из обычной рулетки. Для более сложных задач некоторые компании предлагают высокоусиливающие антенны для CubeSats, однако их системы развертывания и наведения значительно сложнее. JPL успешно разработала высокоусиливающие антенны X- и Ka-диапазонов для миссий MarCO и Radar in a CubeSat (RaInCube).
Антенны
Традиционно, для связи с аппаратами на низкой околоземной орбите используются антенны в UHF и S-диапазонах. Для работы на большем удалении в Солнечной системе необходимы антенны большего размера, совместимые с сетью дальнего космоса (Deep Space Network) – в X и Ka-диапазонах. Инженеры JPL разработали несколько развертываемых антенн с высоким коэффициентом усиления, совместимых с CubeSat класса 6U, для миссий MarCO и Near Earth Asteroid Scout. Инженеры JPL также разработали решетчатую рефлекторную антенну, работающую в Ka-диапазоне и совместимую с DSN, которая складывается до объема 1,5U. Для миссии MarCO инженеры JPL разработали отражательную антенную решетку со сложенными панелями (Folded Panel Reflectarray, FPR), предназначенную для установки на платформу CubeSat 6U и обеспечивающую телекоммуникацию в X-диапазоне между Марсом и Землей со скоростью 8 кбит/с на расстоянии 1 а.е.
Тепловое управление
Различные компоненты CubeSat имеют различные допустимые температурные диапазоны, за пределами которых они могут стать временно или постоянно неработоспособными. Спутники на орбите нагреваются радиационным теплом, излучаемым непосредственно Солнцем и отражаемым от Земли, а также теплом, генерируемым компонентами аппарата. CubeSat также должны отводить тепло, излучая его либо в космос, либо на более холодную поверхность Земли, если она холоднее, чем сам аппарат. Все эти источники и потребители радиационного тепла достаточно постоянны и очень предсказуемы, при условии, что известна орбита и время нахождения в тени CubeSat. Компоненты, используемые для обеспечения соблюдения температурных требований в CubeSat, включают многослойную теплоизоляцию и нагреватели для аккумулятора. Другие методы теплового контроля космических аппаратов в малых спутниках включают в себя специфическое расположение компонентов, основанное на ожидаемой тепловой мощности этих компонентов, и, реже, развертываемые тепловые устройства, такие как жалюзи. Анализ и моделирование тепловой модели аппарата является важным фактором при выборе компонентов и методов управления тепловым режимом. CubeSat с особыми тепловыми требованиями, часто связанными с определенными механизмами развертывания и полезной нагрузкой, могут быть испытаны в термо-вакуумной камере перед запуском. Такие испытания обеспечивают более высокую степень уверенности, чем испытания полноразмерных спутников, поскольку CubeSat достаточно малы, чтобы полностью поместиться в термо-вакуумную камеру. Температурные датчики обычно устанавливаются на различных компонентах CubeSat, чтобы можно было принять меры для предотвращения выхода за пределы опасных температурных диапазонов, например, переориентировать аппарат для избежания или обеспечения прямого теплового излучения на определенную часть, тем самым позволяя ей охлаждаться или нагреваться.
Расходы
CubeSat представляет собой экономически эффективный и независимый способ вывода полезной нагрузки на орбиту. Цены на запуск составляли около 100 000 долларов за единицу, но новые операторы предлагают более низкие расценки. Типичная цена за запуск 1U-кубсата с полным пакетом услуг (включая сквозную интеграцию, лицензирование, транспортировку и т.д.) в 2021 году составляла около 60 000 долларов. Некоторые CubeSat имеют сложные компоненты или приборы, такие как LightSail 1, что увеличивает стоимость их создания до миллионов долларов, однако создание базового 1U CubeSat может обойтись примерно в 50 000 долларов. Это делает CubeSat доступным вариантом для некоторых школ, университетов и малых предприятий.
Прошлые миссии
База данных Nanosatellite & Cubesat содержит более 2000 спутников, запущенных с 1998 года. 13 февраля 2012 года три развертывателя P-POD, содержащие семь CubeSats, были выведены на орбиту вместе со спутником Lares на борту ракеты Vega, запущенной из Французской Гвианы. Запущены CubeSats e st@r Space (Политехнический институт в Торино, Италия), Goliat (Бухарестский университет, Румыния), MaSat 1 (Будапештский технологический и экономический университет, Венгрия), PW Sat (Варшавский технологический университет, Польша), Robusta (Университет Монпелье 2, Франция), UniCubeSat GG (Римский университет Ла Сапиенца, Италия) и XaTcobeo (Университет Виго и INTA, Испания). CubeSats были запущены в рамках программы "Первый полет Vega" Европейского космического агентства. 13 сентября 2012 года из восьми P-POD были запущены одиннадцать CubeSats в качестве вторичной полезной нагрузки "OutSat" на борту ракеты Atlas V компании United Launch Alliance. Это было самое большое количество CubeSats (и наибольший объем в 24U), выведенных на орбиту за один запуск на тот момент, что стало возможным благодаря новой системе запуска CubeSat NPS (NPSCuL), разработанной в Naval Postgraduate School (NPS). CubeSats были: SMDC ONE 2.2 (Baker), SMDC ONE 2.1 (Able), AeroCube 4.0 (x3), Aeneas, CSSWE, CP5, CXBN, CINEMA и Re (STARE). Пять CubeSats (Raiko, Niwaka, We Wish, TechEdSat, F 1) были выведены на орбиту с Международной космической станции 4 октября 2012 года в качестве демонстрации технологии развертывания небольших спутников с МКС. Они были запущены и доставлены на МКС в качестве груза на Kounotori 3, а астронавт МКС подготовил механизм развертывания, прикрепленный к роботизированной руке Японского экспериментального модуля. Четыре CubeSats были развернуты с Массового Симулятора Cygnus, который был запущен 21 апреля 2013 года на первом полете ракеты "Антарес" компании Orbital Sciences. Три из них – 1U PhoneSats, построенные Исследовательским центром NASA в Эймсе для демонстрации использования смартфонов в качестве авионики в CubeSats. Четвертый – спутник 3U, названный Dove 1, построенный Planet Labs. 26 апреля 2013 года был запущен NEE 01 Pegaso, ставший первым CubeSat, способным передавать видео в реальном времени с орбиты, а также первым 1U CubeSat, достигшим мощности более 100 Вт. Позднее, в ноябре того же года, NEE 02 Krysaor также транслировал видео с орбиты. Оба CubeSats были построены Эквадорским космическим агентством. 11 февраля 2014 года с МКС было развернуто 33 CubeSats. Из этих 33, 28 были частью группировки Flock 1 из спутников для съемки Земли. Из оставшихся пяти, два принадлежат другим компаниям, базирующимся в США, два – из Литвы и один – из Перу. LightSail 1 – это прототип 3U CubeSat, приводимый в движение солнечным парусом. Он был запущен 20 мая 2015 года с Флориды. Его четыре паруса изготовлены из очень тонкой пленки Mylar и имеют общую площадь в 100 м². Этот тест позволит полностью проверить системы спутника перед основной миссией 2016 года. 5 октября 2015 года был развернут с МКС AAUSAT5 (Ольборгский университет, Дания) в рамках программы "Fly Your Satellite!" Европейского космического агентства. Miniature X-ray Solar Spectrometer CubeSat – это 3U, запущенный на Международную космическую станцию 6 декабря 2015 года, откуда он был развернут 16 мая 2016 года. Это первая миссия, запущенная в рамках Интеграционной группы CubeSat Научного управления NASA, которая специализируется на проведении научных исследований с использованием CubeSats. По состоянию на 12 июля 2016 года минимальный критерий успеха миссии (один месяц научных наблюдений) был выполнен, но космический аппарат продолжает функционировать в штатном режиме, и наблюдения продолжаются. Три CubeSats были запущены 25 апреля 2016 года вместе со спутником Sentinel 1B на ракете-носителе "Союз" VS14, запущенной с космодрома Куру, Французская Гвиана. Спутники были: AAUSAT4 (Ольборгский университет, Дания), e st@r II (Политехнический институт в Торино, Италия) и OUFTI 1 (Лижский университет, Бельгия). CubeSats были запущены в рамках программы "Fly Your Satellite!" Европейского космического агентства. 15 февраля 2017 года Индийская организация космических исследований (ISRO) установила рекорд, запустив 104 спутника на одной ракете. Запуск PSLV C37 с единой полезной нагрузкой, включающей серию Cartosat 2 и 103 попутных спутника, суммарный вес которых превышал. Из 104 спутников, все, кроме трех, были CubeSats. Из 101 наноспутника 96 были из США и по одному из Израиля, Казахстана, Нидерландов, Швейцарии и Объединенных Арабских Эмиратов.
Инициатива запуска CubeSat
Инициатива NASA по запуску CubeSat, созданная в 2010 году, предоставляет возможности запуска CubeSat образовательным учреждениям, некоммерческим организациям и центрам NASA. В рамках Инициативы по запуску CubeSat было запущено 46 аппаратов CubeSat в ходе 12 миссий ELaNa от 28 различных организаций, а также отобрано 119 миссий CubeSat от 66 различных организаций. Миссии по образовательному запуску наноспутников (ELaNa) включали в себя: BisonSat – первый CubeSat, созданный колледжем коренных народов, TJ3Sat – первый CubeSat, созданный старшей школой, и STMSat 1 – первый CubeSat, созданный начальной школой. NASA публикует объявление о возможности участия в августе каждого года, а отбор проводится в феврале следующего года.
Артемида 1
НАСА инициировало программу Cube Quest Challenge в 2015 году – конкурс, направленный на стимулирование инноваций в использовании CubeSats за пределами низкой околоземной орбиты. В рамках Cube Quest Challenge командам, успешно спроектировавшим, построившим и доставившим летные образцы небольших спутников, способных выполнять сложные задачи вблизи и за пределами Луны, предлагалось 5 миллионов долларов. Команды соревновались за различные призы, включая возможность работы на лунной орбите или в дальнем космосе. В 2022 году 10 CubeSats от разных команд были запущены в окололунное пространство в качестве попутной полезной нагрузки на борту "Артемиды-1".
"Полёт спутника!"
"Полёт твоего спутника!" – это продолжающаяся программа CubeSats Образовательного отдела Европейского космического агентства. Студенты университетов получают возможность разработать и реализовать свою миссию CubeSat при поддержке специалистов ESA. Участвующие студенческие команды могут пройти весь цикл – от проектирования, сборки и тестирования до возможного запуска и эксплуатации своего CubeSat. Четвёртый этап программы "Полёт твоего спутника!" завершил прием заявок в феврале 2022 года.
Канадский проект Cubesat
Канадское космическое агентство объявило о проекте Canadian CubeSat (CCP) в 2017 году, а команды-участницы были отобраны в мае 2018 года. Программа предоставляет финансирование и поддержку одному университету или колледжу в каждой провинции и территории для разработки спутника CubeSat с целью его запуска с Международной космической станции. Цель CCP – предоставить студентам непосредственный практический опыт работы в космической отрасли и подготовить их к карьере в космической сфере.
QB50
QB50 — это предлагаемая международная сеть из 50 CubeSats для многоточечных измерений in situ в нижней термосфере (90–350 км) и исследований при повторном входе в атмосферу. QB50 является инициативой Института фон Кармана и финансируется Европейской комиссией в рамках 7-й Рамочной программы (FP7). Разработаны двухблочные (2U) CubeSats (10×10×20 см), в одном блоке ("функциональный блок") реализованы стандартные спутниковые функции, а в другом ("научный блок") размещен набор стандартизированных датчиков для исследований нижней термосферы и повторного входа. Планируется, что 35 CubeSats будут предоставлены университетами из 22 стран мира, в том числе 4 из США, 4 из Китая, 4 из Франции, 3 из Австралии и 3 из Южной Кореи. Десять 2U или 3U CubeSats предназначены для демонстрации новых космических технологий в условиях орбитального полета. Запрос предложений (RFP) на CubeSat QB50 был опубликован 15 февраля 2012 года. Два "предшественника" QB50 были запущены на ракете-носителе "Днепр" 19 июня 2014 года. Предполагалось, что все 50 CubeSats будут запущены одновременно на ракете-носителе Cyclone 4 в феврале 2016 года, но из-за недоступности ракеты-носителя 36 спутников были запущены на борту Cygnus CRS OA 7 18 апреля 2017 года и впоследствии развернуты с МКС. Еще дюжина CubeSats были включены в состав миссии PSLV XL C38, запущенной в мае 2017 года.
Запуск и развертывание
В отличие от полноразмерных космических аппаратов, CubeSats могут доставляться на Международную космическую станцию в качестве груза и развертываться с нее. Это предоставляет альтернативный способ выхода на орбиту, отличный от запуска с помощью ракеты-носителя. Компании NanoRacks и Made in Space разрабатывают способы сборки CubeSats непосредственно на Международной космической станции.
Существующие системы запуска
Инициатива NASA по запуску CubeSat запустила более 46 аппаратов CubeSat в рамках своих миссий ELaNa за несколько лет до 2016 года, и планировалось запустить еще 57 в течение следующих нескольких лет. Независимо от их низкой стоимости и универсальности, CubeSat должны запускаться в качестве попутной полезной нагрузки на крупных ракетах, выводящих на орбиту гораздо более крупные космические аппараты, по ценам от 100 000 долларов США по состоянию на 2015 год. Поскольку CubeSat развертываются с помощью P-POD и аналогичных систем, их можно интегрировать и запускать практически на любом носителе. Однако некоторые компании, предоставляющие услуги запуска, отказываются запускать CubeSat, либо на всех запусках, либо только на определенных, примерами таких компаний являются ILS и Sea Launch. SpaceX и Japan Manned Space Systems Corporation (JAMSS) – две компании, недавно предложившие коммерческие услуги по запуску CubeSat в качестве попутной полезной нагрузки, но очередь на запуск все еще существует. Кроме того, индийская ISRO с 2009 года коммерчески запускает иностранные CubeSat в качестве попутной полезной нагрузки. 15 февраля 2017 года ISRO установила мировой рекорд, запустив 103 CubeSat на борту своей ракеты-носителя Polar Satellite Launch Vehicle для различных иностранных компаний. ISC Kosmotras и Eurockot также предлагают услуги по запуску CubeSat. SpaceX побила этот рекорд в 2021 году с помощью миссии Transporter-1, выведшей на орбиту 143 космических аппарата. Rocket Lab специализируется на запуске CubeSat с помощью своей ракеты Electron из Новой Зеландии.
Будущие и предлагаемые системы запуска
5 мая 2015 года NASA объявило о программе, базирующейся в Космическом центре Кеннеди, по разработке класса ракет, предназначенных для запуска очень маленьких спутников: NASA Venture Class Launch Services (VCLS), которая будет обеспечивать массу полезной нагрузки от 30 кг до 60 кг для каждого носителя. Пять месяцев спустя, в октябре 2015 года, NASA выделило в общей сложности 17,1 млн долларов трем отдельным стартап-компаниям на по одному запуску: 6,9 млн долларов – Rocket Lab (ракета Electron), 5,5 млн долларов – Firefly Space Systems (ракета Alpha) и 4,7 млн долларов – Virgin Galactic (ракета LauncherOne). Полезная нагрузка для трех запусков по контракту VCLS еще не определена, а также рассматривается ракета SPARK. Помимо традиционных ракет-носителей и компаний-посредников, таких как KSF Space, Generation Orbit Launch Services и Boeing (в виде их Small Launch Vehicle) разрабатывают несколько аппаратов воздушного запуска на орбиту. Многие аспекты CubeSat, такие как конструкция, двигательная установка, материалы, вычислительные системы и телекоммуникации, энергоснабжение, а также дополнительные специальные инструменты или измерительные приборы, создают проблемы для использования технологии CubeSat за пределами околоземной орбиты. Эти проблемы все чаще рассматриваются международными организациями в течение последнего десятилетия, например, предложенный в 2012 году NASA и Лабораторией реактивного движения космический аппарат INSPIRE является первой попыткой создания космического аппарата, предназначенного для демонстрации оперативных возможностей CubeSat в дальнем космосе. Дата запуска ожидалась в 2014 году, но она до сих пор не состоялась, и NASA указывает ее как TBD (To Be Determined). Существуют и другие устройства для развертывания CubeSat, при этом NanoRacks CubeSat Deployer (NRCSD) на Международной космической станции является наиболее распространенным методом развертывания CubeSat по состоянию на 2014 год. Некоторые из них создаются компаниями, такими как ISIPOD (Innovative Solutions In Space BV) или SPL (Astro und Feinwerktechnik Adlershof GmbH), а другие – правительствами или некоммерческими организациями, такими как X POD (Университет Торонто), T POD (Токийский университет) или JSSOD (JAXA) на Международной космической станции. В то время как P POD ограничивается запуском CubeSat формата 3U, NRCSD может запускать CubeSat формата 6U, а ISIPOD – другую модификацию CubeSat формата 6U. Хотя почти все CubeSat развертываются с ракеты-носителя или Международной космической станции, некоторые развертываются самими основными полезными нагрузками. Например, FASTSAT развернул NanoSail D2, CubeSat формата 3U. Это было повторено с Симулятором массы Cygnus в качестве основной полезной нагрузки, запущенной во время первого полета ракеты Antares, которая несла и впоследствии развернула четыре CubeSat. Для применения CubeSat за пределами околоземной орбиты также будет использоваться метод развертывания спутников с основной полезной нагрузки. Одиннадцать CubeSat были запущены на Artemis 1, разместив их вблизи Луны. InSight, марсианский посадочный модуль, также отправил CubeSat за пределы околоземной орбиты для использования в качестве ретрансляционных спутников связи. Известные как MarCO A и B, они являются первыми CubeSat, отправленными за пределы системы Земля-Луна. Chasqui I продемонстрировал уникальный процесс развертывания, когда он был развернут вручную во время выхода в открытый космос на Международной космической станции в 2014 году.
While nearly all CubeSats are deployed from a launch vehicle or the International Space Station, some are deployed by the primary payloads themselves. For example, FASTSAT deployed the NanoSail D2, a 3U CubeSat. This was done again with the Cygnus Mass Simulator as the primary payload launched on the maiden flight of the Antares rocket, carrying and later deploying four CubeSats. For CubeSat applications beyond Earth's orbit, the method of deploying the satellites from the primary payload will also be adopted. Eleven CubeSats were launched on the Artemis 1, placing them in the vicinity of the Moon. InSight, a Mars lander, also sent CubeSats beyond Earth orbit to use them as relay communications satellites. Known as MarCO A and B, they are the first CubeSats sent beyond the Earth–Moon system. Chasqui I saw a unique deployment process, when it was deployed by hand during a spacewalk on the International Space Station in 2014.