a especificação CubeSat realiza vários objetivos de alto nível. A principal razão para a miniaturização dos satélites é a redução do custo de implantação: eles são muitas vezes adequados para lançamento em múltiplos, usando a capacidade excessiva de veículos de lançamento maiores. O projeto CubeSat minimiza especificamente o risco para o resto do veículo de lançamento e cargas úteis. Encapsulação da interface lançador-carga tira a quantidade de trabalho que seria necessário para acasalar um satélite piggyback com seu lançador. A unificação entre cargas e lançadores permite trocas rápidas de cargas e utilização de oportunidades de lançamento em curto prazo.
os CubeSats-padrão são constituídos por 10×10×11,35 cm unidades concebidas para fornecer 10×10×10 cm ou 1 litro de volume útil, pesando no máximo 1,33 kg (2,9 lb) por unidade. O menor tamanho padrão é 1U, enquanto 3U+ é composto por três unidades empilhadas longitudinalmente com um cilindro adicional de 6,4 cm de diâmetro centrado no eixo longo e estendendo-se 3,6 cm para além de uma face. A Aerospace Corporation construiu e lançou dois CubeSats de forma menor de 0,5 U para medição de radiação e demonstração tecnológica.
visto que quase todas as CubeSats são 10×10 cm (independentemente da duração) todos eles podem ser lançado e implantado por meio de um comum de implantação de sistema de chamada de um Poli-PicoSatellite Orbital Deployer (P-POD), desenvolvido e construído pela Cal Poly.
Nenhum de formulários eletrônicos ou factores de protocolos de comunicação são especificados ou exigido pelo CubeSat Especificação de Design, mas BERÇOS de hardware tem consistentemente utilizadas determinadas funções, que muitos tratam como padrões em CubeSat eletrônica. A maioria das camas e eletrônicos personalizados se encaixam na forma de PC / 104, que não foi projetado para CubeSats, mas apresenta um perfil de 90 × 96 mm que permite que a maior parte do volume da espaçonave seja ocupada. Tecnicamente, o formulário PCI-104 é a variante do PC/104 utilizado e o pinout utilizado não reflecte o pinout especificado na norma PCI-104. Stackthrough conectores nas placas permitem a montagem simples e elétricos, a interface e a maioria dos fabricantes de CubeSat eletrônica de hardware manter o mesmo sinal de arranjo, mas alguns produtos não, por isso o cuidado deve ser tomado para garantir a consistência de sinal e de alimentação providências para evitar danos.
deve ter-se cuidado na selecção electrónica para garantir que os dispositivos podem tolerar a radiação presente. Para órbitas terrestres muito baixas (LEO) em que a reentrada atmosférica ocorreria em apenas dias ou semanas, a radiação pode ser ignorada em grande parte e eletrônica padrão de consumo pode ser usado. Dispositivos eletrônicos de consumo podem sobreviver à radiação LEO por esse tempo, como a chance de um único evento chateado (SEU) é muito baixa. As naves espaciais numa órbita terrestre baixa e sustentada, com a duração de meses ou anos, estão em risco e apenas possuem equipamento de voo concebido e testado em ambientes irradiados. Missões além da órbita baixa da terra ou que permaneceriam em órbita baixa da terra por muitos anos devem usar dispositivos endurecidos por radiação. Outras considerações são feitas para operação em alto vácuo devido aos efeitos da sublimação, desgaseificação e bigodes de metal, que podem resultar em falha da missão.
diferentes classificações são usadas para categorizar tais satélites miniatura com base na massa. 1U CubeSats pertencem ao gênero de picosatellites.
- Minisatellite (100-500 kg)
- Microsatellite (10 a 100 kg)
- Nanosatellite (de 1 a 10 kg)
- Picosatellite (0.1–1 kg)
- Femtosatellite (de 0,01–0.1 kg)
Nos últimos anos um maior CubeSat plataformas têm sido desenvolvidos, mais comumente 6U (10×20×30 cm ou 12×24×36 cm) e 12U (20x20x30 cm ou 24x24x36 cm), para estender os recursos de CubeSats além de acadêmicos e tecnologia de validação de aplicações e na ciência mais complexa e de defesa nacional metas.
em 2014 dois CubeSats 6u Perseus-M foram lançados para vigilância marítima, o maior ainda na época. O lançamento de 2018 da sonda InSight lander para Marte incluiu dois CubeSats 6U chamados Mars Cube One (MarCO).
a maioria dos CubeSats transportam um ou dois instrumentos científicos como sua carga útil principal.
StructureEdit
O número associado unidades classifica o tamanho de CubeSats e de acordo com o CubeSat Especificação de Design são escaláveis apenas, ao longo de um eixo para caber as formas de 0.5 U, 1U, 1.5 U 2U ou 3U. Todos os tamanhos padrão de CubeSat ter sido construído e lançado, e representam os fatores de forma para quase todos os lançou CubeSats como de 2015. Os materiais utilizados na estrutura devem apresentar o mesmo coeficiente de expansão térmica que o implante para evitar o empastelamento. Especificamente, materiais permitidos são quatro ligas de alumínio: 7075, 6061, 5005 e 5052. O alumínio utilizado na estrutura que entra em contato com o p-POD deve ser anodizado para evitar a soldagem a frio, e outros materiais podem ser usados para a estrutura se for obtida uma renúncia. Para além da soldadura a frio, é dada maior atenção à selecção do material, uma vez que nem todos os materiais podem ser utilizados em vazios. Estruturas muitas vezes apresentam amortecedores macios em cada extremidade, tipicamente feitos de borracha, para diminuir os efeitos de impacto de outros CubeSats no p-POD.As saliências para além das dimensões máximas são permitidas pela especificação padrão, até um máximo de 6,5 mm para além de cada lado. Quaisquer protrusões podem não interferir com os trilhos de implantação e são tipicamente ocupados por antenas e painéis solares. Na Revisão 13 da especificação de design CubeSat foi definido um volume extra disponível para uso em projetos 3U. O volume adicional é possível pelo espaço normalmente desperdiçado no mecanismo de mola do p-POD Mk III. CubeSats 3U que utilizam o espaço são designados 3U+ e podem colocar componentes em um volume cilíndrico centrado em uma extremidade do CubeSat. O espaço cilíndrico tem um diâmetro máximo de 6,4 cm e uma altura não superior a 3,6 cm, não permitindo qualquer aumento de massa para além do máximo de 4 kg da 3U. Sistemas de propulsão e antenas são os componentes mais comuns que podem exigir o volume adicional, embora a carga útil às vezes se estende para este volume. Os desvios em relação à dimensão e aos requisitos de massa podem ser anulados após a aplicação e negociação com o prestador de serviços de lançamento.
estruturas CubeSat não têm todas as mesmas preocupações de força que os satélites maiores, como eles têm o benefício adicional do implante apoiá-los estruturalmente durante o lançamento. Ainda assim, alguns CubeSats serão submetidos a análise de vibração ou análise estrutural para garantir que os componentes não apoiados pelo p-POD permaneçam estruturalmente sólidos durante todo o lançamento. Apesar de raramente passar pela análise que os satélites maiores fazem, os CubeSats raramente falham devido a problemas mecânicos.
ComputingEdit
Como satélites maiores, CubeSats, muitas vezes apresentam vários computadores manipulação de diferentes tarefas em paralelo, incluindo o controle de atitude (orientação), a gestão de energia, carga de operação e de controle primário tarefas. Os sistemas de controle de atitude COTS normalmente incluem seu próprio computador, assim como os sistemas de gerenciamento de energia. Payloads deve ser capaz de interface com o computador primário para ser útil, o que às vezes requer o uso de outro computador pequeno. Isto pode ser devido a limitações na capacidade do computador primário de controlar a carga útil com protocolos de comunicação limitados, para evitar sobrecarregar o computador primário com tratamento de dados brutos, ou para garantir que a operação da carga continua ininterrupta por outras necessidades de computação da nave espacial, tais como a comunicação. Ainda assim, o computador primário pode ser usado para tarefas relacionadas com a carga útil, que podem incluir processamento de imagem, Análise de dados e compressão de dados. Tarefas que o computador primário normalmente lida incluem a delegação de tarefas para os outros computadores, controle de atitude (orientação), cálculos para manobras orbitais, agendamento e ativação de componentes de controle térmico ativo. Os computadores CubeSat são altamente suscetíveis à radiação e os construtores tomarão medidas especiais para garantir o bom funcionamento da alta radiação do espaço, tais como o uso de aríete ECC. Alguns satélites podem incorporar redundância através da implementação de múltiplos computadores primários, isso poderia ser feito em missões valiosas para reduzir o risco de falha da missão. Smartphones de consumo têm sido usados para computação em alguns CubeSats, como Fonesats da NASA.
Controlo da atitude
o Controle de atitude (orientação) para CubeSats depende de tecnologia de miniaturização sem degradação significativa do desempenho. Tumbling tipicamente ocorre assim que um CubeSat é implantado, devido a forças de implantação assimétricas e batendo com outros CubeSats. Alguns CubeSats funcionam normalmente ao cair, mas aqueles que requerem apontar em uma determinada direção ou não podem operar com segurança durante a fiação, devem ser desorientados. Os sistemas que realizam a determinação e controle de atitude incluem rodas de reação, magnetorquers, propulsores, batedores de estrelas, sensores de sol, sensores de terra, sensores de taxa angular, e receptores GPS e antenas. As combinações destes sistemas são tipicamente vistas a fim de pegar as vantagens de cada método e mitigar suas deficiências. As rodas de reação são comumente utilizadas para a sua capacidade de transmitir momentos relativamente grandes para qualquer entrada de energia dada, mas a utilidade da roda de reação é limitada devido à saturação, o ponto em que uma roda não pode girar mais rápido. Exemplos de rodas de reação CubeSat incluem o Maryland Aerospace MAI-101 e o Sinclair Interplanetary RW-0.03-4. As rodas de reação podem ser dessaturadas com o uso de propulsores ou magnetorquers. Os propulsores podem fornecer grandes momentos, transmitindo um casal na espaçonave, mas ineficiências em pequenos sistemas de propulsão fazem com que os propulsores fiquem sem combustível rapidamente. Comumente encontrados em quase todos os CubeSats são magnetorquers que executar eletricidade através de um solenóide para tirar proveito do campo magnético da Terra para produzir um momento de viragem. Módulos de controle de atitude e painéis solares tipicamente possuem magnetorquers embutidos. Para CubeSats que só precisam de se desfazer, não é necessário nenhum método de determinação de atitude para além de um sensor de taxa angular ou giroscópio electrónico.
apontar em uma direção específica é necessário para a observação da Terra, manobras orbitais, maximização da energia solar, e alguns instrumentos científicos. A precisão de orientação pode ser alcançada através da detecção da terra e do seu horizonte, do sol ou de estrelas específicas. Sinclair Interplanetarian’s SS-411 sun sensor and ST-16 star tracker both have applications for CubeSats and have flight heritage. O autocarro da colónia I de abóbora usa uma asa aerodinâmica para estabilização de atitude passiva. A determinação da localização de um CubeSat pode ser feita através do uso de GPS de bordo, que é relativamente caro para um CubeSat, ou através da transmissão de dados de rastreamento de radar para a nave a partir de sistemas de rastreamento baseados na Terra.
PropulsionEdit
CubeSat propulsion has made rapid advancements in the following technologies: cold gas, chemical propulsion, electric propulsion, and solar sails. O maior desafio com a propulsão CubeSat é prevenir o risco para o veículo de lançamento e sua carga útil primária, ao mesmo tempo em que ainda fornece capacidade significativa. Componentes e métodos que são comumente usados em satélites maiores são excluídos ou limitados, e a especificação de projeto CubeSat (CDS) requer uma renúncia para pressurização acima de 1.2 atmosferas padrão, mais de 100 Wh de energia química armazenada, e materiais perigosos. Essas restrições representam grandes desafios para os sistemas de propulsão CubeSat, já que os sistemas de propulsão espacial típicos utilizam combinações de altas pressões, altas densidades de energia e materiais perigosos. Além das restrições estabelecidas pelos prestadores de serviços de lançamento, vários desafios técnicos ainda reduzem a utilidade da propulsão CubeSat. O impulso de Gimbal não pode ser usado em pequenos motores devido à complexidade dos mecanismos de gimbaling, o vectoramento de impulso deve ser alcançado através da propulsão assimetricamente em sistemas de propulsão de múltiplos bocais ou alterando o centro de massa em relação à geometria do CubeSat com componentes atuados. Pequenos motores também podem não ter espaço para métodos de estrangulamento que permitem menor do que totalmente em impulso, o que é importante para manobras de precisão, como o rendezvous. CubeSats which require longer life also benefit from propulsion systems, when used for orbit keeping a propulsion system can slow orbital decay.Um propulsor de gás frio normalmente armazena gás inerte, como nitrogênio, em um tanque pressurizado e libera o gás através de um bocal para produzir impulso. A operação é realizada por apenas uma única válvula na maioria dos sistemas, o que faz do gás frio a mais simples tecnologia de propulsão útil. Os sistemas de propulsão a gás frio podem ser muito seguros, uma vez que os gases utilizados não têm de ser voláteis ou corrosivos, embora alguns sistemas optem por apresentar gases perigosos, como o dióxido de enxofre. Esta capacidade de usar gases inertes é altamente vantajosa para os CubeSats, uma vez que eles são geralmente restringidos a partir de materiais perigosos. Infelizmente, apenas baixo desempenho pode ser alcançado com eles, impedindo manobras de impulso elevado, mesmo em CubeSats de baixa massa. Devido a este baixo desempenho, seu uso em CubeSats para a propulsão principal é limitado e designers escolhem sistemas de maior eficiência com apenas pequenos aumentos de complexidade. Sistemas de gás frio mais frequentemente ver o uso no controle de atitude CubeSat.
propulsionEdit químico
Sistemas de propulsão química usam uma reação química para produzir um gás de alta pressão e alta temperatura que acelera de um bocal. Propelente químico pode ser líquido, sólido ou um híbrido de ambos. Propelentes líquidos podem ser um monopropelente passado através de um catalisador, ou bipropelante que queima um oxidante e um combustível. Os benefícios dos monopropellants são relativamente de baixa complexidade/alta potência, baixo consumo de energia e alta confiabilidade. Os motores monopropellantes tendem a ter um impulso elevado, permanecendo relativamente simples, o que também proporciona alta confiabilidade. Estes motores são práticos para CubeSats devido às suas necessidades de baixa potência e porque a sua simplicidade permite que eles sejam muito pequenos. Pequenos motores alimentados a hidrazina foram desenvolvidos, mas podem exigir uma derrogação para voar devido a restrições em produtos químicos perigosos estabelecidos na especificação de design CubeSat. Estão a ser desenvolvidos propulsores químicos mais seguros que não exigiriam derrogações químicas perigosas, tais como o Af-M315 (nitrato de hidroxilamónio) para o qual estão a ser ou foram concebidos motores. Um “propulsor de eletrólise de água” é tecnicamente um sistema de propulsão química, uma vez que queima hidrogênio e oxigênio que ele gera por eletrólise em órbita da água.
Eléctrica propulsionEdit
CubeSat propulsão elétrica, normalmente, utiliza energia elétrica para acelerar o propulsor de alta velocidade, o que resulta em alto impulso específico. Muitas dessas tecnologias podem ser feitas pequenas o suficiente para uso em nanossatélites, e vários métodos estão em desenvolvimento. Tipos de propulsão elétrica atualmente sendo projetados para uso em CubeSats incluem propulsores de Efeito Hall, propulsores iônicos, propulsores de plasma pulsado, propulsores de eletrospray e resistojets. Várias missões CubeSat notáveis planejam usar propulsão elétrica, como o Icecube Lunar da NASA. A alta eficiência associada à propulsão elétrica poderia permitir que CubeSats se propelissem a Marte. Os sistemas de propulsão elétrica são prejudicados em seu uso de energia, o que requer que o CubeSat tenha células solares maiores, distribuição de energia mais complicada, e muitas vezes baterias maiores. Além disso, muitos métodos de propulsão elétrica ainda podem exigir tanques pressurizados para armazenar o propulsor, que é restrito pela especificação de projeto CubeSat.
o ESTCube – 1 usou uma vela solar-eólica elétrica, que depende de um campo eletromagnético para atuar como uma vela em vez de um material sólido. Esta tecnologia usou um campo elétrico para desviar protões do vento solar para produzir impulso. É semelhante a um tirante eletrodinâmico em que a embarcação só precisa fornecer eletricidade para operar.
vela Solar
velas solares (também chamadas de velas de luz ou de fotões) são uma forma de propulsão de naves espaciais usando a pressão de radiação (também chamada pressão solar) das estrelas para empurrar grandes espelhos ultra-finos para altas velocidades, não exigindo nenhum propulsor. Força a partir de uma balança de vela solar com a área da vela, isso faz velas bem adequado para uso em CubeSats como sua pequena massa resulta na maior aceleração para uma dada vela solar área. No entanto, as velas solares ainda precisam ser bastante grandes em comparação com o satélite, o que significa que velas solares úteis devem ser implantadas, acrescentando complexidade mecânica e uma potencial fonte de falha. Este método de propulsão é o único não atormentado com restrições estabelecidas pela especificação de projeto CubeSat, uma vez que não requer altas pressões, materiais perigosos, ou energia química significativa. Poucos CubeSats empregaram uma vela solar como sua principal propulsão e estabilidade no espaço profundo, incluindo o NanoSail-D2 3U lançado em 2010, e o LightSail-1 em maio de 2015.
CubeSail está atualmente testando em órbita uma fita de vela solar de 260 metros de comprimento, de 20 m2 estendida entre dois CubeSats, que irá informar o projeto para um conceito muito maior chamado UltraSail heliogyro. LightSail-2 lançado com sucesso em um foguete pesado Falcão em 2019, enquanto pelo menos um CubeSat que planeja lançar no primeiro voo do sistema de Lançamento Espacial (Artemis 1) em 2021 está programado para usar uma vela solar: o asteroide Nea Scout (Scout Nea).
PowerEdit
CubeSats usar células solares para converter a luz solar em eletricidade, que é armazenada na bateria recarregável de lítio-ion baterias que fornecem energia durante o eclipse, bem como durante os picos de carga. Estes satélites têm uma área de superfície limitada em suas paredes externas para montagem de células solares, e tem que ser efetivamente compartilhada com outras partes, tais como antenas, sensores ópticos, lentes de câmera, Sistemas de propulsão e portas de acesso. As baterias de iões de lítio apresentam rácios de alta energia em relação à massa, tornando-as adequadas para uso em espaçonaves restritas à massa. A carga e descarga da bateria são tipicamente manuseadas por um sistema de energia elétrica específico (EPS). As baterias, por vezes, apresentam aquecedores para evitar que a bateria atinja temperaturas perigosamente baixas, o que pode causar a falha da bateria e da missão.
a velocidade de decaimento das baterias depende do número de ciclos para os quais são carregados e descarregados, bem como da profundidade de cada descarga.: quanto maior a profundidade média da descarga, mais rápida uma bateria se degrada. Para as missões de leão, o número de ciclos de descarga pode ser esperado na ordem de várias centenas.
se acontecer que a nave espacial é lançada em uma órbita sincronizada com o sol, a quantidade de tempo de eclipse diminuirá, permitindo menos interrupções de irradiação solar contínua para as células PV e, assim, reduzindo os requisitos de capacidade da bateria. Em órbitas sincronizadas com o sol de LEO, no entanto, a espaçonave nem sempre experimentará a luz solar, e assim, dependendo da época do ano, a espaçonave pode precisar de ganhar altitude para estar novamente na linha de visão para o sol. Devido a restrições de tamanho e peso, CubeSats comuns voando em LEO com painéis solares montados no corpo têm gerado menos de 10 W. Missões com requisitos de maior potência podem fazer uso do controle de atitude para garantir que os painéis solares permanecem em sua orientação mais eficaz para o sol, e mais necessidades de energia podem ser atendidas através da adição e orientação de painéis solares implantados. Inovações recentes incluem matrizes solares carregadas de mola adicionais que se implantam assim que o satélite é liberado, bem como matrizes que possuem mecanismos de faca térmica que iria implantar os painéis quando ordenado. Os CubeSats não podem ser alimentados entre o lançamento e a implantação, e devem ter um pin de remoção antes do voo que corta toda a energia para evitar a operação durante o carregamento no p-POD. Além disso, um interruptor de implantação é ativado enquanto a nave é carregada em um p-POD, cortando a energia para a espaçonave e é desativada após a saída do p-POD.
Telecomunicações
o baixo custo dos CubeSats permitiu um acesso sem precedentes ao espaço para instituições e organizações menores, mas, para a maioria das formas CubeSat, a gama e a potência disponível é limitada a cerca de 2W para suas antenas de comunicação.
devido à queda e baixa potência, as radiocomunicações são um desafio. Muitos CubeSats usam um monopolo omnidirecional ou antena dipole construída com fita de medição comercial. Para necessidades mais exigentes, algumas empresas oferecem antenas de alto ganho para CubeSats, mas seus sistemas de implantação e apontamento são significativamente mais complexos. Por exemplo, MIT e JPL estão desenvolvendo uma antena parabólica insuflável com um alcance útil para a Lua, mas parece ser pouco eficiente. A JPL desenvolveu com sucesso antenas de alto ganho de banda X e Ka para MarCO e Radar em missões CubeSat (RaInCube).
Antenasedit
tradicionalmente, cubos de órbita terrestre baixa usam antenas para fins de comunicação em UHF e Banda S. Para se aventurarem mais no sistema solar, são necessárias antenas maiores compatíveis com a rede de espaço profundo (banda X e banda Ka). Os engenheiros da JPL desenvolveram várias antenas de alto ganho compatíveis com CubeSats de classe 6U para MarCO e Asteroid Scout. Os engenheiros da JPL também desenvolveram uma antena refletora de 0,5 m operando em banda Ka e compatível com a DSN que dobra em um volume de estiva de 1,5 U. Para MarCO, os engenheiros de antenas da JPL projetaram um Refletarray de Painel dobrado (FPR) para caber em um barramento Cubesat 6u e suporta telecomunicações de banda X de Marte-Terra em 8kbit/s em 1AU.
gestão térmica edit
diferentes componentes de cubos possuem diferentes intervalos de temperatura aceitáveis, além dos quais podem tornar-se temporariamente ou permanentemente inoperáveis. Satélites em órbita são aquecidos pelo calor radiativo emitido pelo sol diretamente e refletido fora da terra, bem como pelo calor gerado pelos Componentes da embarcação. Os CubeSats também devem arrefecer irradiando calor para o espaço ou para a superfície da terra mais fria, se esta for mais fria do que a nave espacial. Todas estas fontes de calor e sumidouros radiativos são bastante constantes e muito previsíveis, desde que a órbita do CubeSat e o tempo de eclipse sejam conhecidos.
os componentes utilizados para garantir o cumprimento dos Requisitos de temperatura nos cubos incluem isolamento multicamadas e aquecedores para a bateria. Outras técnicas de controle térmico de espaçonaves em pequenos satélites incluem a colocação de componentes específicos com base na saída térmica esperada desses componentes e, raramente, dispositivos térmicos implantados, como louças. A análise e simulação do modelo térmico da nave espacial é um fator determinante importante na aplicação de componentes e técnicas de gestão térmica. CubeSats with special thermal concerns, often associated with certain deployment mechanisms and payloads, may be tested in a thermal vacuum chamber before launch. Tal teste fornece um maior grau de segurança do que satélites de tamanho completo pode receber, uma vez que CubeSats são pequenos o suficiente para caber dentro de uma câmara de vácuo térmica em sua totalidade. Os sensores de temperatura são normalmente colocados em diferentes componentes do CubeSat, de modo a que possam ser tomadas medidas para evitar intervalos de temperatura perigosos, tais como reorientar a embarcação, a fim de evitar ou introduzir radiação térmica directa para uma parte específica, permitindo-lhe assim arrefecer ou aquecer.
CostsEdit
CubeSat forms a cost-effective independent means of getting a payload into orbit. Após atrasos de lançadores de baixo custo, como Sistemas Interorbitais, os preços de lançamento foram de cerca de US $100.000 por unidade, mas os operadores mais recentes estão oferecendo preços mais baixos.
Alguns CubeSats ter complicado ou componentes de instrumentos, tais como LightSail-1, que empurra o seu custo de construção em milhões, mas um conhecimento básico de 1U CubeSat pode custar cerca de us $50.000 para a construção de tão CubeSats são uma opção viável para algumas escolas e universidades; bem como as pequenas empresas para desenvolver CubeSats para fins comerciais.