CubeSat

CubeSat designa un formato di nanosatelliti definito nel 1999 dalla Polytechnic University of California e dalla Stanford University ( Stati Uniti ) per ridurre i costi di lancio di satelliti molto piccoli e consentire così alle università di sviluppare e posizionare in orbita i propri veicoli spaziali. Il progetto CubeSat assicura la distribuzione dello standard e contribuisce a garantire l'adeguatezza dei satelliti con il carico utile principale dei lanciatori che li mettono in orbita. Il numero di satelliti CubeSat è in rapida crescita: 287 satelliti che utilizzano questo standard, la cui massa può variare da 1 a 10  kg , sono stati posti in orbita nel 2017, rispetto ai soli 77 del 2016.

Storia: creazione dello standard CubeSat

Il progetto Cubesat nasce dalla collaborazione tra il professor Jordi Puig-Suari della Polytechnic University of California a San Luis Obispo e il professor Bob Twiggs del Systems Development Laboratory della Stanford University ( Stati Uniti ). L'obiettivo iniziale del progetto era consentire ai propri studenti di sviluppare satelliti con capacità identiche ai primi Sputnik che sarebbero stati in grado di pilotare. Lo standard sviluppato nel 1999 viene adottato da altre università, aziende ed enti governativi e diventa uno standard per i nanosatelliti (da 1 a 10  kg ). Il primo CubeSat è stato lanciato il 30 giugno 2003 da un razzo russo Rockot . Oggi, il progetto CubeSat riunisce un centinaio di università e aziende private per lo sviluppo di nanosatelliti per scopi scientifici o tecnologici o per soddisfare esigenze private o governative. La California Polytechnic University è responsabile del sistema di distribuzione P-POD e di garantire che i CubeSat sviluppati non possano rappresentare un rischio per il lanciatore e il resto del suo carico utile.

Caratteristiche tecniche

I satelliti più semplici rispondenti allo standard CubeSat hanno la forma di un cubo di lato decimetro (volume di esattamente 1 litro), dovrebbero pesare meno di 1,33  kg e utilizzare componenti elettronici non marcati . Le dimensioni trattenute sono state considerate dai suoi progettisti come la dimensione minima per ottenere un satellite operativo. La forma cubica consente al satellite, il cui orientamento generalmente non è controllato, di avere, qualunque esso sia, energia elettrica se tutte le facce sono ricoperte da celle solari. Definendo uno standard per i nanosatelliti (satelliti che pesano da 1  kg a 10  kg ), il CubeSat aveva lo scopo di consentire alle università di tutto il mondo di lanciare esperimenti scientifici nello spazio a un costo ridotto fissando le caratteristiche esterne di questi veicoli spaziali e facilitando così la loro installazione su lanciatori. Allo stesso scopo, viene sistematicamente utilizzato un sistema di distribuzione, sviluppato e costruito dalla Polytechnic University of California. Il P-POD ( Poly Picosatellite Orbital Deployer ) funge da interfaccia tra il launcher e CubeSats e può contenerne tre. Il lanciatore invia un segnale elettrico al P-POD che attiva l'apertura e l'espulsione della porta utilizzando una molla del CubeSats.

I satelliti possono essere creati dall'assemblaggio di più CubeSat. Per convenzione, il CubeSat di base è designato dall'abbreviazione 1U ( One Unit ). Ci sono anche 2U (2 x 1U posizionati da un capo all'altro), 3U (massa <4  kg ), 1,5 U e 6U. Le caratteristiche dei CubeSat sono inquadrate da specifiche ( CubeSat Design Specification ) che, ad esempio, limita la pressione di qualsiasi componente interno a 1.2 atmosfere, impone controlli molto restrittivi sul trasporto di prodotti pericolosi (come i propellenti ipergolici utilizzati). propulsione) e limita l'energia chimica immagazzinata (batteria) a 100 wattora. L'obiettivo di questi vincoli è eliminare ogni fonte di rischio per il carico utile principale trasportato dal lanciatore responsabile della messa in orbita del NanoSat.

Specifiche dettagliate (estratto)

Le specifiche regolarmente aggiornate dai creatori dello standard definiscono in modo molto preciso le caratteristiche esterne, alcune caratteristiche interne per motivi di sicurezza e i test che gli sviluppatori devono soddisfare prima del lancio:

Linee di ricerca

Le aree di utilizzo dei CubeSat si confrontano con le dimensioni che limitano sia l'energia disponibile, la mobilità e le capacità di carico utile.

Propulsione

Una delle principali difficoltà che deve affrontare la progettazione di un CubeSat è l'utilizzo di una propulsione in grado di fornire un delta-V sufficiente nonostante il basso volume disponibile. Diverse modalità di propulsione vengono utilizzate a seconda delle missioni:

Propulsione a gas freddo Propulsione a propellente liquido Motore ionico

Per raggiungere gli obiettivi di determinate missioni in orbita alta o nello spazio interplanetario, è necessario modificare la velocità di diverse centinaia di metri al secondo. La maggior parte dei tipi di propulsione spaziale possono ottenere queste prestazioni se hanno una massa o un volume troppo grandi o sono troppo complessi per adattarsi al volume di un CubeSat. Per alimentare Lunar IceCube (lancio nel 2020), è stato scelto un motore a ioni con una spinta di 0,8 millinewton con un impulso specifico di 2.130 secondi. Il volume disponibile non è adatto a un serbatoio pressurizzato (sferico) utilizzato per immagazzinare il propellente allo xeno solitamente utilizzato per i motori a ioni. Il motore a ioni del fornitore ( Busek ) ha scelto di utilizzare come propellente di diiodio perché è immagazzinato allo stato solido (cioè non pressurizzato) pur avendo un peso molecolare (fattore che impatta direttamente sulle prestazioni del motore) di 127  g vicino a quello dello xeno (130  g ). La spinta è limitata dalla quantità di potenza disponibile (circa 65 watt). Il CubseSat trasporta 1,5  kg di propellenti che gli consentono di accelerare ( Δv ) di 1,2  km / s . Il motore può essere orientato e fare un angolo di 10 ° con l'asse del satellite.

Propellente solido

Controllo dell'atteggiamento

Energia

CubeSats utilizza celle solari per convertire l'energia solare in elettricità che viene poi immagazzinata in batterie ricaricabili agli ioni di litio che forniscono energia durante le eclissi e durante i periodi di punta.

Telecomunicazioni

Il basso costo di CubeSat ha consentito un accesso allo spazio senza precedenti per piccole istituzioni e organizzazioni, ma, per la maggior parte dei moduli CubeSat, la portata e la potenza disponibili sono limitate. A causa del tumbling e della bassa gamma di potenza, le comunicazioni radio sono una sfida per i CubeSats.

Gestione dei vincoli termici

Costo

Il costo per la costruzione e il lancio di un satellite CubeSat 1U è di circa 150.000 dollari, ma i nuovi operatori di lanciatori promettono nuovi prezzi di circa 50.000 dollari - 90.000 dollari. Molti operatori di launcher accettano di mettere in orbita CubeSats come payload secondario. I lanci dei cluster CubeSats sono la norma.

Sviluppo di CubeSats

Due fattori hanno contribuito a una forte crescita del numero di CubeSat durante gli anni 2010. Diverse aziende stanno ora offrendo il lancio di CubeSat da 1U a 3U come carico utile secondario per importi compresi tra 50.000 e 200.000 US $ (il prezzo dipende dal suo prezzo). altitudine). Alcune di queste aziende hanno annunciato che abbasseranno i prezzi fino a un minimo di 10.000 dollari entro il 2020. Il secondo fattore è la disponibilità immediata di attrezzature spaziali a basso costo che possono essere utilizzate da CubeSats. Il numero di satelliti lanciati nel 2017 utilizzando questo standard e con una massa compresa tra 1 e 10  kg , ha raggiunto i 287 mentre erano solo 77 nel 2016. Il database "Nanosatellite" elenca a giugno 2019 2400 CubeSat e altri nanosatelliti lanciati dal 1998 .

È stata creata un'organizzazione per facilitare il lancio dei CubeSats. Il lanciatore indiano PSLV e il lanciatore russo Dnepr hanno fatto una specialità dei lanci di gruppo di CubeSats: il record è stato raggiunto il 15 febbraio 2017 con il lancio di 104 satelliti con un solo razzo. Il PSLV -C37 l' ISRO orbitava intorno a 104 satelliti per 650  kg di cui solo tre non erano CubeSat. Dei restanti 101 nanosatelliti, 96 provengono dagli Stati Uniti . Gli altri 5 provengono da Israele , Kazakistan , Paesi Bassi , Svizzera e Emirati Arabi Uniti . Micro-lanciatori come Epsilon sono in fase di sviluppo con l'obiettivo di rispondere a questo nuovo mercato.

I CubeSat sono inizialmente satelliti sperimentali. Ma si svolge una ricerca molto attiva per portare ad applicazioni scientifiche o commerciali miniaturizzando gli strumenti e le attrezzature necessarie per controllare l'orientamento, l'orbita e per migliorare la precisione del puntamento. Le agenzie spaziali, in particolare la NASA, stanno sperimentando l'utilizzo di CubeSats per affrontare problemi scientifici. Due CubeSats 6U sono stati lanciati nel 2018 verso Marte per un esperimento di telecomunicazioni. Stanno iniziando applicazioni commerciali come la costellazione di satelliti Dove che fornisce immagini utilizzando 200 CubeSat.

Applicazioni

Dimostratori tecnologici

Strumenti
  • RaInCube ( (Radar In a CubeSat) ) è un CubeSat 6U sviluppato da JPL che testa un radar miniaturizzato. Il lancio è avvenuto nel 2018.
  • ASTERIA ( Arcsecond Space Telescope Enabling Research in Astrophysics ) lanciato nel 2017 è un CubeSat 6U del Massachusetts Institute of Technology che trasporta un telescopio che ha testato con successo un sistema di puntamento con una precisione dell'ordine di un arco al secondo.
  • DeMi (Deformable Mirror Demonstration Mission) è un CubeSat 6U che incorpora un telescopio per testare l'ottica adattiva basata sull'uso di MEMS ..
Telecomunicazioni
  • Il laboratorio di Los Alamos ha sviluppato tre serie di CubeSats 1.5U - Perseus (2010), Prometheus v1 (2013), Promotheus v2 (2017-2018) per testare i trasferimenti di dati da nanosatelliti tra persone dotate di terminali portatili e stazioni terrestri mobili.
Velo solare
  • LightSail-1 è un dimostratore tecnologico (CubeSat 3U) alimentato da una vela solare . È stato lanciato il 20 maggio 2015 da Cape Canaveral ( Florida ). Le sue quattro vele sono realizzate con un film Mylar molto fine e hanno una superficie totale di 32  m 2 . Lo scopo di questo test era dimostrare che una vela solare potrebbe essere utilizzata per una missione principale nel 2016.

Applicazioni commerciali (imaging, telecomunicazioni)

  • Dove è una costellazione di 200 CubeSats 3U (satelliti attivi nel 2018) che fornisce immagini con una risoluzione spaziale da 3 a 5 metri.

Osservazione della Terra (scientifica)

  • QB50 è una costellazione di una quarantina di CubeSat 2U sviluppati da diversi istituti di ricerca europei il cui obiettivo è lo studio della termosfera . Ogni nanosatellite trasporta uno dei tre strumenti di misura definiti nell'ambito delle specifiche: spettrometro di massa a ioni neutri, esperimento di misurazione dell'ossigeno F, sonda Langmuir . Questa costellazione verrà distribuita nel 2018.
  • TROPICS ( Time-Resolved Observations of Precipitation structure and storm Intensity with a Constellation of Smallsats ) è una costellazione di 12 CubeSats 3U che incorpora un radiometro orientabile per fornire una misura di temperatura e umidità con una risoluzione temporale particolarmente frequente. Questo progetto, selezionato dalla NASA nel 2016, è quello di essere distribuito nel 2019.

Astronomia ed esplorazione del sistema solare

  • MinXSS ( Miniature X-ray Solar Spectrometer CubeSat ) (lanciato nel 2015) è un 3U CubeSat finanziato dalla NASA che trasporta uno spettrometro a raggi X per l'osservazione dei brillamenti solari
  • HaloSat è il primo CubeSat per l'astronomia finanziato dalla NASA. Lanciato nel 2018, dovrebbe misurare la massa dei gas caldi nella nostra galassia.
  • Colorado Ultraviolet Transit Experiment è un CubeSat 6U finanziato dalla NASA che deve determinare le caratteristiche delle atmosfere degli esopianeti e misurare la loro curva spettrale nel vicino ultravioletto. Il suo lancio è previsto intorno al 2020.
  • PicSat (2018) è un Cubesat 3U che incorpora un piccolo telescopio per tentare di misurare le caratteristiche di un esopianeta con il metodo di transito. È sviluppato da diversi laboratori guidati dall'Osservatorio di Parigi .
  • Il satellite in formato CubeSat 6U della NASA MarCO (2018) utilizzato sperimentalmente come relè di telecomunicazioni in una missione su Marte
  • SPARCS ( Star-Planet Activity Research CubeSat ) è un CubeSat 6U che trasporta un telescopio ultravioletto che deve osservare le variazioni di intensità della radiazione ultravioletta di 10 stelle di piccola massa. Il satellite è finanziato dalla NASA e il suo lancio è previsto per il 2021.
  • Inspire ( Interplanetary NanoSpacecraft Pathfinder In a Relevant Environment ) sono due CubeSat 3U della NASA destinati a testare le funzioni implementate nello spazio interplanetario.
  • BurstCube è un CubeSat 6U finanziato dalla NASA e previsto per il lancio intorno al 2021 che deve rilevare i lampi di raggi gamma.
  • CAPSTONE ( Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment ) è un CubeSat 12U finanziato dalla NASA il cui obiettivo è testare l' orbita lunare NRHO della futura stazione spaziale Lunar Gateway . Il suo lancio è previsto per2021a bordo di un razzo Electron .

13 CubeSats 6U, a bordo come carico utile secondario, devono essere collocati nello spazio interplanetario dal razzo Space Launch System come parte della missione Artemis 1 organizzata dalla NASA e pianificata per il 2020. Questi nanosatelliti includono:

Lancio e implementazione

Galleria

  • Diagramma esploso di ArduSat3 CubeSat.

  • Sistema di archiviazione e distribuzione CubeSat standardizzato.

  • CubeSat 3U.

Note e riferimenti

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Vedi anche

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