Co je CubeSat?

Definice malé družice není striktně určena, ale většina programů se shoduje na tom, že se jedná o družice s hmotností do 180 kg. Další obecně přijaté specifikace jsou následující

Minisatelity: 100 a více kilogramů
Microsatelity: 10-100 kilogramů
Nanosatelity: 1-10 kilogramů
Picosatelity: 01-1 kilogramů
Femtosatelity: 001-0.01 kilogramů

Nanosatelity jsou dle definice malé družice s hmotností od 1 do 10 kilogramů. Cube Sat je speciální kategorie nanosatelitu. Jedna CubeSat jednotka má rozměry stran 10x10x11 cm (Unit-Jednotka 1 – U1 max. hmotnost 1,33 kg). Jednotky se dají kombinovat a jsou dále popisovány jako U1.5, U2, U3, U6 (nejběžnější velikosti). Cube Sat je open source platforma.

Zdroj: http://n-avionics.com

Účel nanosatelitů lze rozdělit do 4 základních kategorií:

Ray Up – družice sleduje objekty nebo měří veličiny ve vesmíru;
Ray Down – družice snímkuje povrch země nebo měří vlastnosti atmosféry; pro snímkování Země je nutné získání licence;
Sat Com – Media – družice zajišťuje komunikaci, přenos dat;
Scientific – družice umožňuje měření určitých veličin nebo ověření funkčnosti hardwarových komponentů, vědeckých přístrojů, materiálů apod.

Hardwarové složení nanosatelitů

Anténa
Rádiový vysílač pro odesílání příkazů a stahování dat
Řídící jednotka – zpravidla postavená na Arduino nebo Basic-X24
Napájecí systém – solární panely, bateriový článek, napájecí sběrnice
Nosná konstrukce nanosatelitu
Funkční část nanosatelitu (různé senzory, kamery apod.)

Existuje několik výrobců, kteří nabízejí různé kity pro sestavení CubeSat nebo jednotlivé součástky.Výhodou těchto řešení je, že funkčnost těchto součástek už je ověřena pro použití v extrémních podmínkách (zejména vibrace při startu, rozdíly teplot, záření atd.). Nevýhodou může být vyšší cena. Někteří výrobci nabízejí i poradenství a kompletní řešení od prvního nápadu až po vynesení Cube Sat na oběžnou dráhu.

Oběžná dráha a typ satelitů

Finančně náročná je varianta umístění CubeSat na geostacionární oběžnou dráhu, kdy by CubeSat umožnil nepřetržité sledování vybrané oblasti. Geostacionární oběžná dráha se nachází 35 786 km na rovníkem. Náklady na konstrukci CubeSat pro geostacionární oběžnou dráhu a náklady na vynesení do této výšky jsou řádově násobně vyšší než náklady na CubeSat na nižší oběžné dráze. Ekonomicky výhodnější je tak zkonstruovat skupinu CubeSat pro nižší oběžnou dráhu, kdy cca při 10 satelitech se lze dostat na průměrnou frekvenci snímkování Brno v řádu desítek minut.

Rozdělení oběžných drah podle výšky. LEO modře, MEO zeleně a HEO červeně. Zdroj: http://upload.wikimedia.org

Většina satelitů tak míří na nízkou oběžnou dráhu (LEO), která je přibližné 150 – 600 km nad zemským povrchem. V této oblasti se pohybuje např. i ISS (400km). LEO se nachází ve stále dost silném geomagnetickém poli Země, takže objekty jsou zde chráněny přes kosmickým zářením.

Nevýhodou je, že se zde vyskytují zbytky atmosféry, které způsobují pokles dráhy těles. Pokud chceme udržet objekt na stále oběžné dráze, je nutné orbitu pravidelně zvyšovat (platí i pro ISS). U CubeSat to může být naopak výhoda, protože je oběžnou drahou dána i životnost CubeSat. CubeSat na konci své životnosti shoří v atmosféře, de facto se vypaří, aniž by zanechal jakýkoliv odpad, což je velmi žádoucí.

Rozdělení oběžných drah podle výšky. LEO modře, MEO zeleně a HEO červeně. Zdroj: http://upload.wikimedia.org

Podmínky na LEO a předpoklady pro použití senzorů

Při konstrukci CubeSat, volbě řídicí jednotky a senzorů je třeba brát v úvahu extrémní podmínky na LEO. Je třeba volit takové komponenty, které jsou pro toto použití testovány a zajistí tak dlouhodobé fungování CubeSat.

Teplota kovových částí se pohybuje v rozmezí -170°C – 123°C v závislosti na orientaci CubeSat vůči slunci. CubeSat stráví přibližně polovinu oběžné doby na slunečním záření a polovinu ve stínu Země. Také záleží na rotaci CubeSat. V případě vyšší rotace se CubeSat zahřívá rovnoměrně ze všech stran a rozptyl mezi krajními teplotami je nižší.
Při použití světelných čidel pro měření intenzity světla je nutné využít senzory, které neovlivňuje saturace slunečního záření. Obecně světelné senzory dodávají pouze binární data – Slunce svítí x Slunce nesvítí. V závislosti na rotaci se dá tento senzor vhodně použít pro měření rotací CubeSat a pro určení polohy CubeSat na oběžné dráze.
Síla magnetického pole je 0,3 – 0,6 G (gauss). Při použití běžně dostupného senzoru a zesilovače je možné se dostat na přesnost měření až 0,06 G. Hlavní limit pro přesnost není samotný senzor, ale hluk – tedy magnetické pole vyřazované obvody v CubeSat.
Vliv radiace hodně závisí na výšce oběžné dráhy. Na nižší oběžných drahách, kdy současně počítáme s kratší celkovou životností je efekt radiace zanedbatelný. Radiace může způsobit náhodné výpadky CubeSat, pokud ale počítáme s tím, že CubeSat nebude 100% dostupný, není to pro projekt problém. U vyšších oběžných drah je vhodné instalovat ochranu proti radiaci, vedle sofistikovaných řešení se nabízí i poměrně levné a funkční řešení využívající tenké hliníkové vrstvy.

Příklady cubesat

STRaND-1 – první cubesat postavený na platformě Android, jeho cílem bylo ověřit tezi, že ve vesmíru tě nikdo neuslyší křičet. Cubesat přehrával zvuky z youtube a současně se je snažil zachytit mikrofonem
NanoSail-D2 – cubesat testoval velkou plachtu, která se po startu rozvinula a měla zvýšit tření a urychlit tak sestoupení cubesatu do atmosféry a shoření. Podobná technologie by se pak dala využít pro rychlejší likvidaci satelitů, které běžně obíhají na vyšších oběžných drahách
PharmaSat – farmaceutické účely, testování antibakteriální efektivnosti v nulové gravitaci
QuakeSat – detekování zemětřesení
GeneSat-1 – medicínský výzkum, množení bakterií v nulové gravitaci
ARKYD – minitelescope, získal financování prostřednictvím crowdfundigové kampaně
TJ3Sat – cubesat demonstrující jednoduchou komunikaci mezi zemí a cubesat, sestavený středoškoláky
LightSail-1 – testování možnosti pohybu pomocí plachty, která bude schopná zachytit sluneční vítr

České projekty cubesat

Projekt czCube

http://www.czcube.org

(zahájen v roce 2004, ukončen v roce 2014)

Logo mise czCubeProjekt czCube si kladl za cíl zkonstruovat a postavit malou amatérskou družici s modulovou koncepcí. Smyslem bylo naučit se stavět družice a ověřit si principy a díly, vhodné pro “stavebnici” nanodružice nebo nanosondy (sluneční plachetnice), dostupné i pro amatéry (finančně, organizačně i technologicky).

Projekt byl zahájen v roce 2004, ale protože během 10 let trvání projektu nebylo dosaženo vytčeného cíle, byla v roce 2014 ukončena snaha o stavbu družice czCube. V občasném provozu zůstává automatizovaná pozemní stanice czCube.

Hlavním důvodem neúspěchu byla zřejmě vysoká finanční náročnost projektu, a také nedostatek času a zkušeností členů týmu.

Pro financování CubeSatu byl (v roce 2010) stále ještě třeba rozpočet v řádu milionů Kč (řádově 100000 Euro, z toho cca 50000 Euro na nákup dílů CubeSatu a cca 50000 Euro na komerční [nesponzorované] zajištění startu). Je zřejmé, že z tohoto důvodu doba prostě ještě nedozrála na to, aby stavba a vypouštění družic bylo dostupné i pro nezávislé skupiny nadšenců. Tak vysoký rozpočet si mohou dovolit jen univerzity a další větší organizace. Pro skupiny s malým rozpočtem je zatím jediným doporučením počkat, až ceny v kosmonautice ještě dále klesnou (nebo až budou častější sponzorované starty na nosných raketách [pro americké týmy má sponzorský program NASA, ale v ESA je sponzorovaný start dostupný jen pro pár týmů jednou za několik let a ještě navíc bývá dávána přednost zavedeným univerzitním týmům]).

Druhým hlavním problémem stavby CubeSatu byl nedostatek času a zkušeností členů týmu czCube. Zvolili jsme vývoj všech částí družice “od píky”, což je sice finančně přijatelné, ale vyžaduje to příliš mnoho času a znalostí. Tento přístup byl nad síly a možnosti členů týmu czCube. Pro nadšenecké skupiny tedy raději doporučujeme přístup, založený na složení družice z komerčně dostupných modulů.

VZLÚ CubeSat

http://www.vzlu.cz/cs/vzlu-pripravuje-nanosatelit-typu-cubesat-c429.html

V pátek 23. června 2017 v ranních hodinách byla nanodružice VZLUSAT-1 dopravena na oběžnou dráhu Země pomocí indického raketového nosiče PSLV-C38 (Polar Satellite Launch Vehicle). Raketa odstartovala z indického kosmodromu SDSC (Satish Dhawan Space Centre) v 5:59 SEČ. Kosmodrom SDSC se nachází na ostrově Šríharikota v Bengálském zálivu. Český satelit byl vypuštěn na polární dráhu do výšky 505 km a byla mu udělena rychlost 7 km/s. Společně s družicí VZLUSAT-1 bylo vypuštěno dalších 29 nanosatelitů ze 14 zemí.

VZLUSAT-1 o velikosti 20 cm x 10 cm x 10 cm a hmotnosti 2 kg je první česká technologická družice. Jejím úkolem je ověření nových výrobků a technologií na orbitě Země. Družice byla vyvinuta Výzkumným a zkušebním leteckým ústavem (VZLÚ) ve spolupráci s českými ﬁrmami a univerzitami.

Nanodružice byla postavena na bázi standardizované platformy CubeSat. Technologická nanodružice VZLUSAT-1 nese na palubě tři experimenty: miniaturizovaný rentgenový dalekohled, nový typ kompozitního materiálu pro stínění kosmické radiace a vědecký přístroj FIPEX pro měření koncentrace kyslíku v termosféře.

Vývoj miniaturizovaného rentgenového dalekohledu vedla ﬁrma Rigaku Innovative Technologies Europe společně s HVM PLASMA a Ústavem technické a experimentální fyziky Českého vysokého učení technického v Praze. Kompozitní materiál pro stínění radiace vyvinula ﬁrma 5M společně s ﬁrmou TTS. Pro měření vlastností tohoto materiálu jsou použita čidla ﬁrmy Innovative Sensor Technology. Na řízení družice pomocí pozemní radiové stanice se podílí Katedra aplikované elektroniky a telekomunikací Západočeské univerzity v Plzni. Hlavní integrátor družice VZLÚ spolupracoval při vývoji i se studenty z obou univerzit.

Vědecký přístroj FIPEX je součástí mezinárodní mise QB50, v rámci které byla vypuštěna konstelace 50 nanodružic z celého světa. Mezinárodní mise QB50 je podporována Evropskou komisí prostřednictvím projektu 7. Rámcového programu EU.

Na ﬁnancování vývoje a vypuštění družice se podílela Technologická agentura České republiky v rámci programu Alfa (projekty TA03011329 a TA04011295), dále pak Ministerstvo průmyslu a obchodu prostřednictvím institucionální podpory VZLÚ. Zhruba jedna třetina ﬁnančních prostředků pochází z vlastních zdrojů ﬁrem, které jsou spoluřešiteli projektu.

Životnost družice je odhadována na dva roky. Po tuto dobu bude možné provádět výše zmíněné experimenty a ověřování nových technologií v kosmu. Projekt VZLUSAT-1 je příkladem úspěšné spolupráce českých výzkumných pracovišť s průmyslem. Účast na misi QB50 přispívá k zapojení České republiky do mezinárodních kosmických aktivit.

Bližší informace také na www.vzlusat1.cz

Pilsen Cube II

http://pilsencube.cz

tak se jmenuje unikátní projekt, jenž vzniká ve spolupráci města Plzně a Západočeské univerzity v Plzni. Univerzita sestrojí spolu se studenty funkční pikosatelit, který bude vyslán do vesmíru. Studenti středních škol navrhnou experimenty, jež instalují do družice, a vytvoří sadu zájmových kroužků pro plzeňské Centrum robotiky. Projekt, který město podpořilo částkou 1,5 milionu korun, je součástí konceptu Smart City Plzeň. Ten přináší nejen chytrá řešení pro pohodlnější život občanů, ale podporuje právě například i aktivity v oblasti technického vzdělávání dětí a mladých lidí.

Projekt je rozdělen na tři fáze. Nejprve studenti středních škol navrhnou vlastní experiment – tzv. payload družice, v dalším kole sestaví jeho prototyp a ti úplně nejúspěšnější se pak budou podílet na dokončení letového kusu a zabudování svého experimentu do družice. „Dle zadávací dokumentace mohou studenti tvořit různě složité experimenty, od jednoduchých analogových nebo digitálních senzorů napojených na vnitřní subsystémy družice až po vlastní subsystém družice. Jedná se například o senzory pro měření prostorové orientace satelitu a jeho rotace, testování odolnosti základních součástek proti podmínkám vesmíru (radiace, rozsah teplot, vakuum) nebo senzory měřící základní parametry satelitu (osvit družice, napájecí napětí, atd.). Soutěž, kterou řešitelé k realizaci projektu otevřeli se neomezuje jen na experimenty elektronické, je možné pracovat i na měřitelných pokusech například z oblasti biologie, fyziky, strojírenství a další.

Základní velikost satelitu CubeSat je 100 x 100 x 113 mm s hmotnostním limitem do 1,33 kg, kostra se standardně vyrábí ze slitiny hliníku. Satelit bude vynesen do výšky 400 až 600 km a podle předpokladu z něj studenti budou čerpat data zhruba jeden až dva roky.