من الخصائص المميزة للعصر الحديث لاستكشاف الفضاء الطبيعة المفتوحة لها. في الماضي ، كان الفضاء حدًا لم يكن متاحًا إلا لوكالتي فضاء اتحاديتين - ناسا وبرنامج الفضاء السوفيتي. ولكن بفضل ظهور التقنيات الجديدة وإجراءات خفض التكاليف ، أصبح القطاع الخاص الآن قادرًا على تقديم خدمات الإطلاق الخاصة به.
بالإضافة إلى ذلك ، أصبحت المؤسسات الأكاديمية والدول الصغيرة قادرة الآن على بناء أقمارها الصناعية لأغراض إجراء أبحاث الغلاف الجوي ، وإجراء عمليات رصد للأرض ، واختبار تكنولوجيات الفضاء الجديدة. إنه ما يُعرف باسم CubeSat ، وهو قمر صناعي مصغر يسمح بإجراء أبحاث فضائية فعالة من حيث التكلفة.
الهيكل والتصميم:
تُعرف CubeSats أيضًا باسم السواتل النانوية ، وقد تم بناؤها بأبعاد قياسية 10 × 10 × 11 سم (1 وحدة) وهي على شكل مكعبات (ومن هنا الاسم). إنها قابلة للتطوير ، تأتي في إصدارات قياس 1U ، 2Us ، 3Us ، أو 6Us على الجانب ، وعادة ما تزن أقل من 1.33 كجم (3 رطل) لكل U.Supsats من 3Us أو أكثر هي الأكبر ، وتتكون من ثلاث وحدات مكدسة بالطول مع اسطوانة تغلفهم جميعا.
في السنوات الأخيرة تم اقتراح منصات CubeSat الأكبر ، والتي تتضمن نموذج 12U (20 × 20 × 30 سم أو 24 × 24 × 36 سم) ، والذي من شأنه توسيع قدرات CubeSats إلى ما وراء البحث الأكاديمي واختبار التقنيات الجديدة ، ودمج العلوم الأكثر تعقيدًا وأهداف الدفاع الوطني.
السبب الرئيسي لتصغير الأقمار الصناعية هو تقليل تكلفة النشر ، ولأنها يمكن نشرها بالسعة الزائدة لمركبة الإطلاق. وهذا يقلل من المخاطر المرتبطة بالبعثات حيث يجب شحن حمولة إضافية إلى منصة الإطلاق ، ويسمح أيضًا بتغييرات البضائع في غضون مهلة قصيرة.
كما يمكن تصنيعها باستخدام مكونات إلكترونية تجارية جاهزة (COTS) ، مما يجعلها سهلة الإنشاء نسبيًا. نظرًا لأن بعثات CubeSats غالبًا ما يتم إجراؤها إلى مدارات أرضية منخفضة جدًا (LEO) ، وتجربة إعادة الدخول في الغلاف الجوي بعد أيام أو أسابيع فقط ، يمكن تجاهل الإشعاع إلى حد كبير ويمكن استخدام الإلكترونيات القياسية للمستهلكين.
تم بناء CubeSats من أربعة أنواع محددة من سبائك الألومنيوم للتأكد من أن لديهم نفس معامل التمدد الحراري لمركبة الإطلاق. يتم تغليف الأقمار الصناعية أيضًا بطبقة أكسيد واقية على طول أي سطح يتلامس مع مركبة الإطلاق لمنعها من اللحام البارد في مكانه بسبب الضغط الشديد.
المكونات:
غالبًا ما تحمل CubeSats العديد من أجهزة الكمبيوتر الموجودة على متن الطائرة من أجل إجراء البحوث ، بالإضافة إلى توفير التحكم في الموقف والدفع والاتصالات. عادة ، يتم تضمين أجهزة كمبيوتر أخرى على متن الطائرة لضمان عدم إرهاق الكمبيوتر الرئيسي بسبب تدفقات البيانات المتعددة ، ولكن يجب أن تكون جميع أجهزة الكمبيوتر الأخرى على متن الطائرة قادرة على التواصل معه.
عادةً ما يكون الكمبيوتر الأساسي مسؤولاً عن تفويض المهام لأجهزة الكمبيوتر الأخرى - مثل التحكم في الموقف ، وحسابات المناورات المدارية ، وجدولة المهام. ومع ذلك ، يمكن استخدام الكمبيوتر الأساسي في المهام المتعلقة بالحمولة ، مثل معالجة الصور وتحليل البيانات وضغط البيانات.
توفر المكونات المصغرة التحكم في الموقف ، والتي تتكون عادة من عجلات رد الفعل ، وطائرات مغناطيسية ، ودفعات ، وأجهزة تتبع النجوم ، وأجهزة استشعار الشمس والأرض ، وأجهزة استشعار المعدل الزاوي ، وأجهزة الاستقبال والهوائيات GPS. غالبًا ما يتم استخدام العديد من هذه الأنظمة معًا من أجل التعويض عن أوجه القصور ، وتوفير مستويات التكرار.
تُستخدم مستشعرات الشمس والنجوم لتوفير التوجيه الاتجاهي ، في حين أن استشعار الأرض وأفقها ضروري لإجراء دراسات الأرض والغلاف الجوي. تعتبر أجهزة استشعار الشمس مفيدة أيضًا في ضمان قدرة CubsSat على زيادة وصولها إلى الطاقة الشمسية ، وهي الوسيلة الأساسية لتشغيل CubeSat - حيث يتم دمج الألواح الشمسية في الغلاف الخارجي للأقمار الصناعية.
وفي الوقت نفسه ، يمكن أن يأتي الدفع في عدد من الأشكال ، وكلها تنطوي على دفع مصغر يوفر كميات صغيرة من الاندفاع المحدد. تخضع الأقمار الصناعية أيضًا للتسخين الإشعاعي من الشمس والأرض وضوء الشمس المنعكس ، ناهيك عن الحرارة المتولدة من مكوناتها.
على هذا النحو ، تأتي CubeSat أيضًا مع طبقات العزل والسخانات للتأكد من أن مكوناتها لا تتجاوز نطاقات درجة الحرارة ، وأن الحرارة الزائدة يمكن أن تتبدد. غالبًا ما يتم تضمين مستشعرات درجة الحرارة لرصد الزيادات أو الانخفاضات الخطيرة في درجة الحرارة.
بالنسبة للاتصالات ، يمكن أن تعتمد أجهزة CubeSat على الهوائيات التي تعمل في نطاقات VHF أو UHF أو L- و S- و C- و X-. هذه تقتصر في الغالب على 2W من الطاقة نظرًا لصغر حجم CubeSat وسعتها المحدودة. يمكن أن تكون حلزونية أو ثنائية القطب أو هوائيات أحادية الاتجاه أحادية الاتجاه ، على الرغم من تطوير نماذج أكثر تعقيدًا.
الدفع:
تعتمد CubeSats على العديد من طرق الدفع المختلفة ، والتي أدت بدورها إلى تقدم في العديد من التقنيات. تشمل الطرق الأكثر شيوعًا الغاز البارد والكيميائي والدفع الكهربائي والأشرعة الشمسية. يعتمد دافع الغاز البارد على غاز خامل (مثل النيتروجين) الذي يتم تخزينه في خزان ويتم إطلاقه من خلال فوهة لتوليد الدفع.
كما تذهب أساليب الدفع ، هو أبسط وأكثر فائدة نظام يمكن أن تستخدمه CubeSat. كما أنها واحدة من الأكثر أمانًا أيضًا ، نظرًا لأن معظم الغازات الباردة ليست متطايرة ولا تآكل. ومع ذلك ، لديهم أداء محدود ولا يمكنهم تحقيق مناورات عالية. ولهذا السبب يتم استخدامها بشكل عام في أنظمة التحكم في الموقف ، وليس كمحركات دفع رئيسية.
تعتمد أنظمة الدفع الكيميائي على التفاعلات الكيميائية لإنتاج غاز عالي الضغط ودرجة حرارة عالية يتم توجيهه بعد ذلك من خلال فوهة لخلق الدفع. يمكن أن تكون سائلة أو صلبة أو هجينة ، وتنزل عادةً إلى مزيج من المواد الكيميائية مع محفزات أو مؤكسد. هذه الدفعات بسيطة (وبالتالي يمكن تصغيرها بسهولة) ، ولها متطلبات طاقة منخفضة ، وموثوقة للغاية.
يعتمد الدفع الكهربائي على الطاقة الكهربائية لتسريع الجزيئات المشحونة بسرعات عالية - المعروف أيضًا. الدفاعات ذات تأثير القاع ، الدفعات الأيونية ، الدفعات البلازمية النبضية ، إلخ. هذه الطريقة مفيدة لأنها تجمع بين النبضات النوعية العالية والكفاءة العالية ، ويمكن بسهولة تصغير المكونات. العيب هو أنها تتطلب طاقة إضافية ، مما يعني إما خلايا شمسية أكبر وبطاريات أكبر وأنظمة طاقة أكثر تعقيدًا.
تستخدم الأشرعة الشمسية أيضًا كوسيلة للدفع ، وهو أمر مفيد لأنه لا يتطلب أي دافع. يمكن أيضًا تغيير حجم الأشرعة الشمسية إلى أبعاد CubSat الخاصة ، وتؤدي الكتلة الصغيرة للقمر الصناعي إلى تسريع أكبر لمنطقة شراع شمسي معين.
ومع ذلك ، لا تزال الأشرعة الشمسية بحاجة إلى أن تكون كبيرة جدًا مقارنة بالقمر الصناعي ، مما يجعل التعقيد الميكانيكي مصدرًا إضافيًا للفشل المحتمل. في هذا الوقت ، استخدم عدد قليل من CubeSats شراعًا شمسيًا ، لكنه لا يزال مجالًا للتطوير المحتمل لأنه الطريقة الوحيدة التي لا تحتاج إلى دافع أو تتضمن مواد خطرة.
نظرًا لأن الدفاعات صغيرة الحجم ، فإنها تخلق العديد من التحديات والقيود التقنية. على سبيل المثال ، توجيه الاتجاه (أي جيمبالس) مستحيل مع الدفعات الأصغر. على هذا النحو ، يجب تحقيق التوجيه بدلاً من ذلك عن طريق استخدام فوهات متعددة للدفع بشكل غير متماثل أو باستخدام مكونات مدفوعة لتغيير مركز الكتلة بالنسبة إلى هندسة CubeSat.
التاريخ:
بدءًا من عام 1999 ، طورت جامعة ولاية كاليفورنيا بوليتكنيك وجامعة ستانفورد مواصفات CubeSat لمساعدة الجامعات في جميع أنحاء العالم على أداء علوم الفضاء والاستكشاف. تم ابتكار مصطلح "CubeSat" للإشارة إلى الأقمار الصناعية النانوية التي تلتزم بالمعايير الموضحة في مواصفات تصميم CubeSat.
وقد وضعها كل من أستاذ هندسة الفضاء الجوي جوردي بويغ سواري وبوب تويجز من قسم الملاحة الجوية والملاحة الفضائية بجامعة ستانفورد. وقد نمت منذ ذلك الحين لتصبح شراكة دولية لأكثر من 40 معهدًا تعمل على تطوير سواتل نانو تحتوي على حمولات علمية.
في البداية ، على الرغم من صغر حجمها ، كانت المؤسسات الأكاديمية محدودة من حيث أنها أجبرت على الانتظار ، أحيانًا سنوات ، للحصول على فرصة إطلاق. تم تصحيح هذا إلى حد ما من خلال تطوير بولي المداري بولي- PicoSatellite (المعروف باسم P-POD) ، من قبل كاليفورنيا بوليتكنيك. يتم تثبيت P-PODs على مركبة إطلاق وحمل CubeSats إلى المدار ونشرها بمجرد استلام الإشارة المناسبة من مركبة الإطلاق.
وكان الغرض من ذلك ، وفقًا لـ JordiPuig-Suari ، هو "تقليل وقت تطوير القمر الصناعي إلى الإطار الزمني لمهنة طالب جامعي والاستفادة من فرص الإطلاق مع عدد كبير من الأقمار الصناعية." باختصار ، تضمن P-PODs إمكانية إطلاق العديد من CubeSats في أي وقت.
قامت العديد من الشركات ببناء CubeSats ، بما في ذلك شركة بوينج لصناعة الأقمار الصناعية الكبيرة. ومع ذلك ، فإن غالبية التطوير تأتي من الأوساط الأكاديمية ، مع سجل مختلط من CubeSats المدار بنجاح والمهام الفاشلة. منذ إنشائها ، تم استخدام CubeSats لتطبيقات لا تعد ولا تحصى.
على سبيل المثال ، تم استخدامها لنشر أنظمة التعرف الأوتوماتي (AIS) لمراقبة السفن البحرية ، ونشر أجهزة استشعار الأرض عن بعد ، واختبار قابلية الحياة لأعشاب الفضاء على المدى الطويل ، وكذلك إجراء التجارب البيولوجية والإشعاعية.
ضمن المجتمع الأكاديمي والعلمي ، يتم مشاركة هذه النتائج ويتم توفير الموارد من خلال التواصل مباشرة مع المطورين الآخرين وحضور ورش عمل CubeSat. بالإضافة إلى ذلك ، يفيد برنامج CubeSat الشركات الخاصة والحكومات من خلال توفير طريقة منخفضة التكلفة لنقل الحمولات في الفضاء.
في عام 2010 ، أنشأت وكالة ناسا "مبادرة إطلاق CubeSat" ، والتي تهدف إلى توفير خدمات الإطلاق للمؤسسات التعليمية والمنظمات غير الربحية حتى تتمكن من إدخال CubeSats إلى الفضاء. في عام 2015 ، بدأت وكالة ناسا تحدي Cube Quest كجزء من برامج التحديات المئوية.
مع جائزة مالية قدرها 5 ملايين دولار ، تهدف هذه المنافسة الحافزة إلى تعزيز إنشاء أقمار صناعية صغيرة قادرة على العمل خارج مدار الأرض المنخفض - خاصة في مدار القمر أو الفضاء العميق. في نهاية المسابقة ، سيتم اختيار ما يصل إلى ثلاثة فرق لإطلاق تصميم CubeSat على متن مهمة SLS-EM1 في 2018.
وستشمل أيضًا مهمة إنسايت للهبوط التابعة لوكالة ناسا (المقرر إطلاقها في 2018) طائرتين CubeSats. سيؤدي ذلك إلى التحليق فوق كوكب المريخ وتوفير اتصالات ترحيل إضافية إلى الأرض أثناء دخول وهبوط المركبة.
وستكون هذه المكعبات التجريبية CubeSat بحجم 6U المسمى Mars Cube One (MarCO) أول مهمة في الفضاء البعيد تعتمد على تقنية CubeSat. ستستخدم هوائيًا عالي الكثافة ومسطحًا ذي لوح مسطح لنقل البيانات إلى مركبة الاستطلاع المريخ (MRO) التابعة لوكالة ناسا - والتي ستنقلها بعد ذلك إلى الأرض.
إن جعل أنظمة الفضاء أصغر وأكثر بأسعار معقولة هي واحدة من السمات المميزة لعصر استكشاف الفضاء المتجدد. كما أنها أحد الأسباب الرئيسية وراء نمو صناعة NewSpace بسرعة فائقة في السنوات الأخيرة. ومع مستويات مشاركة أكبر ، نشهد عوائد أكبر عندما يتعلق الأمر بالبحث والتطوير والاستكشاف.
لقد كتبنا العديد من المقالات حول CubeSat for Space Magazine. ها هي جمعية الكواكب لإطلاق ثلاثة أشرعة شمسية منفصلة ، أول CubeSats بين الكواكب تطلق على ناسا 2016 InSight Mars Lander ، مما يجعل CubeSats تفعل علم الفلك ، ما الذي يمكنك القيام به باستخدام مكعبات ؟، يمكن لهذه المكعبات استخدام قاذفات البلازما لمغادرة نظامنا الشمسي.
إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول CubeSat ، فراجع الصفحة الرئيسية الرسمية لـ CubeSat.
لقد سجلنا حلقة من إلقاء علم الفلك حول مكوك الفضاء. استمع هنا ، الحلقة 127: مكوك الفضاء الأمريكي.
مصادر:
- وكالة ناسا - كيوبساتس
- ويكيبيديا - CubeSat
- CubeSat - من نحن
- CubeSatkit
