큐브샛 우주선 시장. 소규모 우주선 발사 임무를 조직하기 위한 혁신적인 형식

저자

코스모뎀얀스키 E.V. 1 *, Kirichenko A.S. 1 *, Klyushin D.I. 1 *, 코스모데먀스카야 O.V. 1 *, Makushev V.V. 1 *, Almurzin P.P. 2 **

1. 로켓 및 우주 센터 "진행", st. 러시아 사마라 Zemetsa, 18, 443009
2. 사마라 내셔널 연구 대학그들을. 학자 S.P. 러시아 사마라 34 모스크바 고속도로 Koroleva

주석

이 기사는 2013년을 포함하여 "CubeSat" 형식의 소형 나노급 우주선의 발사 통계를 제시하고 이 등급의 우주선 발사 서비스 시장의 성장과 중요성에 대해 결론을 내리고 발사체에 대해 설명합니다. 현재 FSUE GNRKTs "TsSKB-Progress"에서 생성되고 있으며 "CubeSat" 형식의 소형 우주선 임무를 지원하기 위한 개발을 제안했습니다. "CubeSat"형식의 소형 우주선을 위한 제안된 발사 장치 및 운송 및 발사 컨테이너에 대해 자세히 설명하고, 새로운 조직적 및 기술적 방법을 사용하여 이 형식의 우주선을 발사하기 위한 임무를 조직할 가능성에 대해 결론을 내립니다. 이 서비스를 제공하는 데 있어 선도적인 위치에 있습니다.

키워드:

소형 우주선, Cubesat, 범용 플랫폼, 발사기, 웹 기술, 운송 및 발사 컨테이너

서지 목록

Michael의 Cubesat 위성 임무 목록, http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php에서 사용 가능(2013년 7월 16일 액세스).
브라이언 클로파스, 앤더슨 제이슨, 레베크 카일. CubeSat 통신 시스템에 대한 설문 조사, AMSAT 저널, 2009년 11월 / 12월, pp. 23-30.
Wikipedia KR: CubeSats 목록 , http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_CubeSats에서 사용 가능(2013년 7월 16일 액세스).

Cubsats가 커질 때 2015년 4월 14일

CubeSat은 1999년 미국에서 제안된 마이크로 및 나노위성용 치수 표준입니다. 지난 15년 동안 단일 표준에 대한 아이디어는 무인 우주 비행사의 면모를 크게 바꾸어 민간 기업, 아마추어, 학생, 심지어 학생을 위한 비교적 저렴한 우주선 제작 가능성을 열어주었습니다. CubeSat 덕분에 예산이 전통적인 우주 비행사를 끌어들이지 못했던 많은 국가들이 그들의 첫 우주선을 자랑할 수 있었습니다.

CubeSat의 기능은 여러 개를 변경하는 고정 치수입니다. CubeSat 1U(단위)는 10x10x10cm의 공간 큐브이고 2U는 이미 두 개의 큐브입니다. 10x10x20 cm, 3U - 10x10x30 cm. 지금까지 도달한 한계는 6U 또는 10x20x30 cm입니다. 많은 구조적 요소, 배터리, 보드, 센서, 통신 시스템이 CubeSat 표준을 위해 개발되었습니다... 그들은 끊임없이 새로운 것을 생각해 냅니다. 승화 엔진, 또는 전자기 돛, 다음으로 플라즈마 엔진. 이제 그들은 실제 태양 돛이 장착 된 kubsat 발사를 준비하고 있습니다.

CubeSat 위성은 산업 등급 전자 장치로 만들어집니다. 지구에서의 작전을 위한 것으로 우주를 위해 준비되지 않은 것. 그럼에도 불구하고 최신 칩의 기능으로 인해 겉보기에 부적합한 조건에서도 작동할 수 있습니다. 수명이 짧을 수 있지만 최대 1년 또는 몇 배 이상 동안 장치의 성능을 보장합니다. 이제 CubeSat에 대한 전자 제품의 전체 온라인 상점이 있지만 부품으로 구입하여 어느 날 저녁에 집에서 조립할 수있는 현대 컴퓨터 수준과는 여전히 거리가 멀습니다. 마찬가지로 시스템의 호환성을 철저히 테스트하고 소프트웨어를 작성하고 납땜하고 디버그해야하며 일반적으로 여러 엔지니어의 작업으로 한 달 이상 충분합니다. Sputniks 회사의 동료들은 모든 어려움에 대해 잘 썼습니다.

기존의 어려움에도 불구하고 CubeSat으로 작업하는 것은 전통적인 우주 비행보다 훨씬 쉬웠으며 수백 명의 학생, 수십 명의 열성팬, 과학자 및 사업가에게 우주에 대한 진정한 돌파구를 제공했습니다.

CubeSat의 표준 치수는 우주로 발사하는 절차를 크게 단순화합니다. 단지 작은 크기와 무게 때문만은 아닙니다. 일반적으로 발사 비용을 결정하는 것은 위성의 킬로그램 단위 질량이라고 믿어집니다. 그러나 1-3-9kg과 같은 중요하지 않은 지표에 관해서는 소위. 적응. 결국 위성을 로켓에 나사로 고정하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 적절한 시간, 올바른 높이와 올바른 가속도로. 일반 위성의 경우 작은 위성이라도 별도의 작업을 수행하고 특정 위성을 특정 로켓 또는 상위 스테이지와 결합할 수 있는 어댑터를 설계해야 합니다. CubeSat의 경우 특수 컨테이너를 적용하여 문제를 해결했습니다.

특정 로켓이나 부스터가 있는 컨테이너를 한 번 적용한 다음 발사할 때마다 이 구성표를 사용하는 것으로 충분합니다.

예를 들어, 러시아에서는 현재 NPO와 함께 개인 회사 "Dauria Aerospace"가 있습니다. Lavochkina는 CubeSat 컨테이너를 Fregat에 적용하는 작업을 하고 있습니다.

결과적으로 Roskosmos 로켓을 발사할 때 도중에 큐브 위성을 표시하는 것이 더 쉬울 것입니다. 이전에 러시아-우크라이나 Dnepr 로켓 변환으로 수십 개의 "큐브"가 발사되었지만 이제 Roskosmos는 러시아 제조업체에 작업을 로드하기 위해 이를 거부할 것입니다.

또한 International에서 큐브샛을 발사하는 것도 가능합니다. 우주 정거장... 이를 위해 민간 우주 기업인 NanoRacks의 특수 로봇 시스템이 미국 부문에 장착됩니다. 이 시스템은 우주비행사들이 우주로 나갈 필요가 없는 동안 큐브위성 팩을 발사할 수 있게 해줍니다.

러시아 부문에서 CubeSats는 개별적으로 그리고 고전적인 방식으로 출시됩니다.

ISS에서 발사하면 많은 문제가 해결됩니다. 로켓보다 간단하고 저렴하며 적응이나 컨테이너가 필요하지 않습니다. 대부분의 CubeSats는 스테이션에서 발사됩니다. 그러나 여기에도 문제가 있습니다. 위성은 화물선에 탑재되어 발사되기 몇 주 또는 몇 달 동안 누워 있을 수 있으며, 그 결과 온보드 배터리가 방전될 수 있으며 위성은 완전히 날아가 버릴 수 있습니다. 우주비행사들은 아무리 노력해도 모두를 부활시킬 수는 없습니다.

스테이션에서 발사하는 또 다른 문제는 위성의 짧은 수명입니다. ISS 높이에서는 지구 대기의 감속 효과가 여전히 상대적으로 강해서 작은 큐브위성도 2년 미만이고, 위성에 접이식 태양전지가 있으면 1년 동안 날지 못한다. 이것은 공간의 순도에 대해 걱정하는 모든 사람을 기쁘게 하지만 위성으로 더 오래 작업하고 장비를 테스트하고 궁극적인 기능을 찾으려는 장치 제작자를 화나게 합니다.

더 높고 더 긴 발사를 위해서는 컨테이너와 적절한 로켓을 찾아야 합니다. 뚜껑이 있는 알루미늄 상자처럼 보이지만 용기는 비용이 많이 들고 비용이 많이 듭니다. 컨테이너와 함께 CubeSat의 출시 비용은 $ 40,000에서 $ 100,000까지 다양 할 수 있으며 이는 1U에만 해당됩니다. 그러나 이것은 위성을 발사하려는 목표가 있는 경우 치러야 하는 피할 수 없는 대가이며, 이는 장기적으로 효과가 있어야 합니다.

이제 이점에 대해. kubsat의 첫 10년은 대학의 기치 아래 지나갔다. 한 대학 또는 다른 대학(대부분 미국인 또는 영국인)의 학생들이 큐브를 수집하고 일본 라디오 아마추어가 그 뒤를이었습니다. 그리고 CubeSat에 대한 전문적인 환경에서는 어떤 응용 작업과도 양립할 수 없는 일종의 경박한 재미에 대한 고정 관념이 발전했습니다. 실제로 여기 성인 삼촌들은 몇 년 동안 1톤 이상 장치를 조립해 왔으며 일부 학생들은 몇 달 만에 킬로그램 트위터를 리벳팅했습니다.

동시에 1세대 큐브샛을 통해 많은 기술 솔루션을 개발하고 수십 가지의 다양한 구성과 레이아웃을 시도하고 페이로드 장치를 테스트할 수 있었습니다. 그리고 21세기의 두 번째 10년에 이르러 그러한 아이들조차도 진지한 일에 적합하다는 것이 밝혀졌습니다. 사실 혁명은 지금 우리 눈앞에서 일어나고 있습니다.

첫 번째 회사 중 하나는 전체 비즈니스를 큐브샛으로 구축하기로 결정한 Planet Labs였습니다. 2013년에 그들은 한 쌍의 Dove 위성을 발사하여 그들의 능력을 보여주었습니다. 크기는 3U입니다. 10x10x30 cm 이 현미경에서 우주 비행의 표준, 치수에 따라 개발자는 90mm 망원경과 포토매트릭스뿐만 아니라 3개의 플라이휠 모터와 자기 코일로 구성된 3축 방향 시스템도 배치할 수 있었습니다. 그것은 본격적인 장치로 밝혀졌습니다. 원격 감지기존 포토 미러 크기의 착지.

이제 그들의 기계는 갤러리에서 감상할 수 있는 고품질 사진을 찍고 있습니다.

비교를 위해 무게가 450kg인 "실제" 장치의 스냅샷

물론 "비둘기"의 신뢰성과 성능은 기존 위성보다 훨씬 떨어지지만 가격과 수십 개의 부품을 발사할 수 있는 능력은 큰 가능성을 열어줍니다. 동시에 새로운 세대마다 신뢰성이 높아집니다. 엔지니어는 시스템에 대한 엄청난 양의 데이터를 수신하고 신뢰할 수 없는 요소를 신속하게 교체할 수 있습니다. 저것들. 비행 테스트 및 테스트는 대형 차량보다 훨씬 빠르게 수행됩니다.

이제 Planet Labs는 거의 1억 4천만 달러의 투자를 유치했으며 이제 주요 임무는 지상 인프라를 재건하고 위성 데이터를 수익화하는 효과적인 방법을 찾는 것입니다. 그들의 목표는 매일 업데이트되는 Google 지도의 유사체입니다.

나는 이미 Planet Labs에 대해 여러 번 이야기했지만 Arduino 취미 그룹에서 성장한 회사의 또 다른 예를 좋아합니다. 그들은 처음에 KickStarter에서 ArduSat 나노위성을 만들려는 아이디어를 포기했습니다. 커뮤니티는 이 아이디어를 너무 좋아해서 위성 1개를 요청했을 때 2개를 다이얼했습니다. 그들은 모든 사람에게 유료로 위성 제어를 제공한다는 아이디어로 주목을 받았습니다. 출시 전에도 성공적인 모금 캠페인 끝에 첫 번째 투자자를 찾았습니다. Mail.Ru의 설립자이자 러시아 CEO인 Dmitry Grishin조차도 수십 대의 장치에 "단" 300,000달러를 할당했지만 여기에 투자했습니다. 웹 사이트로 판단하면 AIS 데이터를 수신하기 위한 광범위한 LEO 네트워크를 구축할 예정입니다.

그 결과 바다와 바다에서 선박의 움직임에 대한 신속하게 업데이트된 지도가 생성될 것입니다. 현재 이러한 서비스가 있지만 대부분 해안 스테이션을 기반으로 작동하며 궤도에 24개 미만의 AIS 위성이 있습니다. Spire는 100을 뛰고 싶어합니다.

AIS에 대해 말하자면, 궤도에 한 쌍의 큐브위성인 Perseus-M도 있습니다. 이것은 Dauria Aerospace의 미국과 러시아 부서의 공동 개발입니다. 거기에서 우리는 일반 디자인, 레이아웃 및 소프트웨어 작성의 개발에 참여했습니다. 위성의 크기는 6U이고 페이로드도 AIS 센서로 2014년 6월부터 비행하고 있다. 탑재하중 테스트가 막 완료되었으며 위성은 세계 선박에 대한 자체 지도를 구축했습니다. 우리는 현재 상용 품질의 운영 데이터를 제공하기 위해 지상국 네트워크를 배치할 준비를 하고 있습니다.

그러나 Dauria의 목표는 AIS 사업이 아닙니다. 그러한 센서가 위성 플랫폼을 테스트하기 위해 선택되었을 뿐입니다. 거기에 카메라를 놓을 수 있다는 점을 포함해 그 가능성은 훨씬 더 큽니다. 사실 페르세우스-M을 개발하면서 얻은 경험을 바탕으로 러시아 사단 Dauria는 Roskosmos의 순서에 따라 CubeSat 표준에서 두 개의 위성을 생성합니다. 이들은 3축 방향, 다중 스펙트럼 카메라 및 고성능 Ka 대역 송신기가 있는 훨씬 더 복잡한 장치입니다.

앞으로 회사는 플랫폼을 다른 종류과학 및 응용 목적의 부하. 우리는 또한 자체 컨테이너를 개발 중이므로 누군가가 CubeSat를 시작해야 하는 경우 Roskosmos에서 곧 모든 범위의 서비스를 제공할 수 있을 것입니다. 예를 들어 Lavochkin의 "Frigate"는 화성과 금성 모두에 갈 수 있지만 통과하는 비행을 기다려야 합니다.

러시아 스타트업 린 인더스트리얼(Lin Industrial)은 큐브샛 발사를 위한 특별한 마이크로 로켓을 만들기 위해 착수했다. 10만 달러보다 싸게 나올 가능성은 희박하지만, 길을 따라 도달하거나 오랜 시간 기회를 기다리는 것이 불가능한 궤도에서는 흥미로울 수 있다.

미니 위성

3개의 마이크로위성 우주 기술 5(ST5)

미니 위성( 소형 위성; 소형 위성), 총 질량(연료 포함)은 100kg에서 500kg입니다. 또한, 소형 위성은 때때로 소위라고도 합니다. 500kg에서 1000kg 사이의 "빛 위성". 이러한 위성은 플랫폼, 구성 요소, 기존의 "대형" 위성 기술을 사용할 수 있습니다. 종종 다음과 같이 이해되는 것은 미니 위성입니다. 일반 정의"작은 위성".

마이크로위성

마이크로위성( 마이크로위성, 마이크로위성) 총 중량은 10~100kg입니다(때로는 약간 더 무거운 차량에 적용됨).

나노위성

나노위성( 나노위성, 나노위성) 1kg에서 10kg까지의 질량을 갖는다. 종종 그룹 작업을 위해 설계되었습니다( "군단"- 무리), 일부 그룹은 지구와 통신하기 위해 더 큰 위성이 필요합니다.

현대의 나노위성은 작은 크기에도 불구하고 상대적으로 기능적입니다. 응용 분야는 시도에서 우주 관측에 이르기까지 광범위합니다.

최신 기술, 방법, 소프트웨어 및 하드웨어 솔루션 개발
교육 프로그램;
환경 모니터링;
지구물리학 분야 연구
천체관측.

피코사텔라이트

피코사텔라이트( 피코사텔라이트, 피코사트)은 질량이 100g에서 1kg인 위성이라고 합니다. 일반적으로 그룹에서 작동하도록 설계되었으며 때로는 더 큰 위성과 함께 작동합니다. CubeSat 형식(cubesat)의 위성은 1리터의 부피와 약 1kg의 질량을 가지며 큰 피코사텔라이트 또는 가벼운 나노위성으로 간주될 수 있습니다. Cubsats는 한 번에 여러 대를 발사하며 발사 비용은 수만 달러입니다.

펨토 위성

펨토 위성( 펨토위성, 펨토위성) 최대 100g의 질량을 가지며 피코사텔라이트와 마찬가지로 초소형입니다. Poketsat 위성(말 그대로 포켓) 수백 또는 수십 그램 및 수 센티미터의 질량 치수를 가지며 펨토 위성 또는 가벼운 피코 위성으로 간주될 수 있습니다. 여러 pocketsat을 컴파일하고 컨테이너 위치에서 하나의 cubesat 가격, 즉 각각 수천 달러에 실행할 수 있습니다.

이러한 저렴한 비용과 플랫폼 및 구성 요소의 통합으로 대학은 물론 학교, 소규모 민간 기업 및 아마추어 협회도 큐브샛과 포켓샛을 개발하여 개인을 대상으로 출시할 수 있습니다.

또한 큐브위성 및 포켓위성 출력을 위해 초소형 발사체인 나노캐리어가 개발되고 있습니다.

애플리케이션

소형 우주선은 다음 용도로 사용할 수 있습니다.

통신 시스템 연구
레이더 및 광학 제어 시스템의 교정 대기권 밖(패시브 우주선 포함)
지구 원격 감지(ERS)
케이블 시스템 연구
교육 목적.

통계

1990년에서 2003년 사이에 30kg 미만의 소형 위성 64개가 궤도에 진입했으며 그 중 41개가 미국에서 발사되었습니다.

약간의 역사

CubeSat 위성의 역사는 1999년 Caltech와 Stanford 대학이 공동으로 소형 위성에 대한 사양을 규정한 문서를 개발하면서 시작되었습니다. 이 표준은 위성의 치수, 무게 및 기타 매개변수와 테스트 및 발사 준비 절차를 정의했습니다. 표준의 현재 버전은 http://www.cubesat.org/index.php/documents/developers에서 사용할 수 있습니다.

위성 치수

CubeSat 표준은 각각 1U 및 3U 크기 1 및 3 단위의 위성 사양을 정의합니다. 위성의 무게는 10kg을 초과하지 않으며 국제 분류에 따르면 나노위성 등급에 해당합니다. 실제로 가장 널리 퍼진 것은 다음 크기의 위성입니다.

CubeSat 위성의 크기와 무게

지정	치수(편집)	무게
1U	100x100x113.5mm	최대 1.33kg
2U	100x100x226.5mm	최대 2.67kg
3U	100x100x340.5mm	최대 4kg
4U	100x100x533.5mm	최대 5.33kg
5U	100x100x665.5mm	6.67kg
6U	100x200x340.5mm	최대 8kg

이 치수는 단순히 표준 치수에 단위 크기를 곱하여 얻습니다. 실제로 덜 일반적으로 위성 0.5U 및 1.5U의 중간 크기입니다. 표준 P-POD 발사기가 총 3U의 여러 위성을 수용할 수 있도록 치수가 조정됩니다.

P-POD 발사대와 3개의 위성. 사이트 사진 http://www.spaceref.com

발사체에서 인공위성을 분리하는 데 불꽃이 사용되지 않으며, 인공위성은 스프링으로 밀어냅니다. 이것은 안전상의 이유로 수행됩니다. 일반적으로 작은 위성은 큰 위성 회사에서 통과 하중으로 궤도에 진입하기 때문입니다. 나노위성 시스템에서 발생할 수 있는 오작동으로 인해 주요 장치가 손상되어서는 안 됩니다.

위성 디자인

구조적으로 위성은 양극 처리된 알루미늄으로 만들어진 프레임을 나타냅니다. 4면은 발사체에서 분리되는 순간 위성이 미끄러지는 레일입니다. 측면은 태양 전지판으로 덮여 있습니다. 수신기와 송신기의 안테나도 거기에 있습니다.

태양 전지판 배치 옵션. 사이트 사진 http://www.clyde-space.com

케이스 내부에는 다양한 위성 시스템 및 페이로드용 인쇄 회로 기판이 있습니다.
기본 시스템은 다음과 같습니다.

CPU 모듈
라디오 채널 및 안테나 피더 장치
전원 시스템, 배터리 및 충전 컨트롤러, 태양광 패널
선택 과목. 위성 위치 확인 시스템
선택 과목. 위성 위치 보정 시스템

시스템 버스는 페이로드 카드가 연결된 기본 시스템에서 파생됩니다. 시스템 버스는 전력선과 통신 인터페이스를 포함합니다. 페이로드는 수집된 데이터를 지구로 보내기 위해 무선 채널에 액세스할 수 있습니다.

페이로드 구성

대부분의 페이로드에는 카메라와 다양한 센서가 포함됩니다. 소형 우주선은 지구의 자기장 및 중력장을 변경하고, 지구 근처 공간에서 하전 입자의 구성과 양을 측정(AAUsat2), 지진(QuakeSat)을 예측하는 데 사용됩니다. 박테리아(GeneSat1)를 이용한 생화학 실험도 CubeSat 위성에서 수행되었습니다. Nanosatellites는 종종 실제 공간에서 전자 부품, 설계 및 기술 솔루션을 테스트하는 데 사용되어 더 큰 우주선을 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 일반적으로 연구원의 상상력은 작은 우주선에 탑재된 크기, 무게 및 에너지 능력에 의해서만 제한됩니다.

문제의 가격

CubeSat 사양에는 몇 가지 가정을 기반으로 하는 개념이 하나의 이데올로기였습니다.

위성 개발 시간을 1~2년으로 단축 디자인을 표준화하여 달성했습니다.
위성 제조 비용 절감. 이것은 소위 COTS 구성 요소의 광범위한 사용으로 인해 달성할 수 있습니다. 특수 우주 전자 부품 대신 기존 전자 장치.
학부생 및 대학원생 육성의 매력.

결과적으로 Wikipedia(en.wikipedia.org/wiki/CubeSat)에 따르면 1U CubeSat 위성 개발 비용은 65-80,000달러이며 이 중 40,000달러는 위성을 궤도에 진입시키는 서비스에 해당합니다. 네덜란드 회사의 웹 사이트에서 1U 위성 조립 키트의 비용은 39,000유로입니다. 키트에는 케이스, 보드 컴퓨터 보드, 배터리가 포함된 전원 공급 시스템, 태양열 배터리 6개, 144/433MHz 트랜시버, 안테나 시스템이 포함됩니다. 우리는 이 키트를 핵심 플랫폼이라고 부릅니다. 이것은 예산이 수백만 달러로 추산되는 "재래식" 위성 비용보다 몇 배나 적은 금액입니다.

상대적으로 낮은 발사 비용으로 인해 Cubesat은 세계에서 가장 널리 사용되는 위성 플랫폼 중 하나가 되었습니다. 2003년 6월부터 2012년 2월까지 60개 이상의 Cubesat 위성이 발사되었습니다. http://www.amsat.org/amsat-new/satellites/cubesats.php http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php 소형 위성 발사의 대부분은 Plesetsk 및 Baikonur 우주 비행장에서 러시아제 로켓으로 수행되었습니다.