МНОГОРАЗОВЫЕ  МИКРОСПУТНИКИ  СТАНДАРТА  «CANSAT»  «ИННОВАЦИОННОЕ  ЗВЕНО»  ПРОРЫВНЫХ  ТЕХНОЛОГИЙ

Орманов  Берик  Адилович

студент  5  курса,  кафедры  КиИЛА  филиала  «Восход»  МАИ,  Республика  Казахстан,  г.  Байконур

E -mail:  b.kazigurt_city@mail.ru

Конысбекова  Аманкуль  Конысбеккызы

студент  1  курса,  кафедры  СЭиГН  филиала  «Восход»  МАИ,

Республика  Казахстан,  г.  Байконур

E -mail:  luknama@mail.ru

Абильдаева  Кенжегуль  Жалгасбаевна

научный  руководитель,  ст.  преподаватель  кафедры  КиИЛА  филиала  «Восход»  МАИ,  Республика  Казахстан,  г.  Байконур

Введение 

На  сегодняшний  день  разработка,  создание  и  практическое  использования  малых  космических  аппаратов  (МКА)  —  одно  из  основных  направлений  развития  мировой  и  отечественной  космонавтики.  Благодаря  их  успешному  функционированию  на  орбите  в  настоящее  время  решается  широкий  спектр  научно-исследовательских,  социально-экономических,  научно-образовательных  и  оборонных  задач. 

Основной  концепцией  создания  и  разработки  МКА   являются:

1.  Низкая  стоимость  выведения  на  орбиту.

2.  Унифицированная  космическая  платформа,  обеспечивающая  трехосную  ориентацию,  программные  повороты  КА.

3.  Достаточное  электропитание  и  современное  автоматическое  управление  полезной  нагрузкой  и  служебными  функциями.

4.  Бортовая  служебная  и  информационно-измерительная  аппаратура  создается  в  негерметичном  исполнении.

5.  Обеспечение  надежности  КА  и  длительной  автономной  работоспособности  осуществляются  как  методами  тщательной  наземной  отработки,  так  и  выбором  оптимальной  структуры  и  характеристик  бортовых  средств  управления.

6.    Осуществляется  максимально  возможное  совмещение  радиоканалов  для  основной  и  служебной  информации;  при  этом  пункты  управления  космическими  аппаратами  совмещаются  с  пунктами  (центрами)  приема  и  обработки  основной  информации.

7.  При  разработке  КА,  их  служебных  систем  и  полезных  нагрузок  в  полной  мере  должны  использоваться  передовые  технические  и  технологические  решения,  импортные  и  отечественные  комплектующие  элементы,  позволяющие  создавать  миниатюрные  массогабаритные  бортовые  устройства,

8.  Наземные  технические  средства,  служащие  для  приема  и  обработки  полезной  информации  от  малых  КА,  должны  с  максимальной  преемственностью  использовать  малые,  в  том  числе  мобильные,  станции  и  быть  оборудованы  современными  вычислительными  средствами,  позволяющими  оперативно  выполнять  первичную,  а  в  крупных  центрах  также  тематическую  обработку  спутниковой  информации  [1].

Международная  образовательная  программа  «CanSat»   представляет  собой  модель  обучающего  микроспутника  весом  от  50  до  1050  граммов,  обеспечивающую  доступный  и  интересный  практический  опыт  в  отношении  проектирования  конструкции,  изготовления  и  управления  спутником.  Все  основные  функции  спутника,  связанные  с  питанием  и  передачей  данных,  вмещаются  в  банку  из-под  колы  объемов  0,33  мл.

Данный  проект  решает  актуальную  проблему  соединения  науки  и  образования.  Имея  компактные  размеры,  она  должна  уместить  не  только  многофункциональные  устройства  со  всеми  системами,  но  и  полезную  нагрузку  в  виде  комплекта  датчиков.

В  настоящее  время  в  США  ежегодно  проводятся  несколько  экспериментальных  конкурсов  CanSat.  Один  из  них,  известный  под  названием  АРЛИСС,  аббревиатура  которого  расшифровывается  как  Проект  Ракетного  Запуска  Международного  Студенческого  Спутника,  является  очень  популярным  состязанием.  Стартовавший  в  1999-ом  году,  этот  конкурс  проводится  ежегодно  в  Блэк  Рок,  штат  Невада.  С  тех  пор  несколько  Европейских  институтов  и  университетов  выразили  интерес  в  организации  национальных  чемпионатов  CanSat  в  своих  странах.  В  Нидерландах  национальный  чемпионат  проводится,  начиная  с  2007  года.  В  прошлом  году  в  нем  участвовало  50  команд.  Европейское  космическое  агентство  поощряет  интерес  европейских  студентов  участвовать  в  состязаниях  CanSat,  проводимых  в  Европе,  и  организовало  в  2010  году  первый  Европейский  Чемпионат  для  10  команд  старшеклассников  средних  школ  на  ракетном  полигоне  Андойя,  Норвегия,  в  котором  принимали  участие  практически  все  Европейские  страны.

При  разработке  микроспутников  предъявляются  жесткие  требования  по  проектной  документации,  учитываются  образовательная  и  техническая  ценность  проекта,  слаженность  работы  команды,  инновационные  аспекты  [2].

В  качестве  инновационного  технического  проекта  предлагается  создать  многоразовый  микроспутник  (рисунок  1),  подчиняющейся  требованиям  стандарта  CanSat,  который  в  дальнейшем  нужно  будет  испытать  и  запустить  с  помощью  ракеты  с  малой  дальностью  (1—3  км).  В  данной  статье  будет  раскрыта  только  суть  и  задачи  предлагаемого  изделия.

Рисунок  1.  Конструкция  микроспутника

Данный  микроспутник  имеет  бортовые  системы  в  виде  мнемощита,  датчика  для  измерения  температуры  и  давления,  генерирующего  аналоговый  сигнал  (рисунок  2). 

Рисунок  2.  Мнемощит

Использование  этих  датчиков  очень  важно,  так  как  с  помощью  показаний  этих  датчиков  мы  можем  рассчитать  высоту  полета  микроспутника. 

Нас  окружает  атмосфера,  которая  представляет  собой  тонкий  газообразный  слой,  опоясывающий  нашу  планету.  В  основном  атмосфера  состоит  из  азота  (78  %)  и  кислорода  (21  %).  Кроме  того,  она  включает  водяные  пары,  углекислый  газ  и  другие  незначительные  газовые  примеси.

Атмосфера  Земли  состоит  из  разных  слоев  с  различными  свойствами  (температура,  давление,  состав  и  т.  д.)

На  рисунке  3  представлены  различные  слои  наряду  с  деятельностью  человека  и  метеорологическими  явлениями  в  этих  слоях. 

Рисунок  3.  Слои  атмосферы

Большинство  спутников  работает  в  экзосфере.  Плотность  атмосферы  в  ней  очень  низкая.  Однако  проектируемый  микро-спутник  действует  в  тропосфере,  нижнем  слое.  Этот  слой  содержит  около  80  %  общей  массы  атмосферы  и  в  высоту  простирается  примерно  на  10  км.  В  этом  слое  имеют  место  все  виды  метеорологических  явлений,  например,  ветер  и  облака.

Как  видно  на  диаграмме,  существует  зависимость  между  двумя  свойствами  атмосферы,  температурой  и  давлением,  и  высотой  [3].

Существует  линейная  зависимость  между  температурой  и  высотой  в  атмосфере.  Подъем  на  1  км  в  воздухе  приведет  к  понижению  температуры  в  6,5  градусов  Цельсия.

Приведенная  ниже  формула  описывает  эту  зависимость:

h   =  h₁  +  ,  (1)

где:  T  —  температура  по  Кельвину;

Т₁   —  начальная  температура  при  высоте  h_1;

h   —  высота  в  метрах;

h ₁  —  начальная  высота;

а   —  температурный  градиент:  -  0,0065  [К/м].

Для  передачи  данных  используется  тот  же  самый  передатчик. 

В  качестве  источника  питания  используется  два  аккумулятора  напряжением  9  В  и  5  В  от  микроконтроллера.  5  В  от  микроконтроллера  могут  обеспечить  ток  силой  100  мА,  из  которых  70  мА  используется  для  основной  задачи.

Рисунок  4.  Конструкция  парашюта

Спутники  обычно  не  возвращаются  на  Землю  на  парашюте.  По  окончанию  срока  службы  спутника  он  помещается  на  другую  орбиту.  Перемещение  по  орбите  на  низкой  высоте  для  спутника  может  означать  сгорание  в  атмосфере.

По  окончанию  срока  службы  спутника  он  помещается  на  другую  орбиту.  Перемещение  по  орбите  на  низкой  высоте  для  спутника  может  означать  сгорание  в  атмосфере.  В  дальнейшем  спутники  заканчивают  свою  службу  на  парковочной  (временной)  орбите  и  навсегда  остаются  кружиться  вокруг  нашей  планеты.  Однако  иногда  космическому  летательному  аппарату  необходимо  вернуться  на  землю  с  образцами  или  астронавтами.  Одним  из  решений  является  спуск  на  парашюте.

Предлагаемый  проект  микроспутник  будет  иметь  устройство  для  замедления  спуска,  иначе  он  разобьется  об  землю.  Более  того,  нам  хотелось  бы,  чтобы  микроспутник  спускался  в  вертикальном  положении.  Особенно  это  важно  для  антенны.  Эти  функции  выполняются  парашютом  (рисунок  4).  Перед  изготовлением  парашюта,  необходимо  вычислить  его  размер.  Если  более  конкретно:  какова  должна  быть  площадь  парашюта  для  удовлетворения  требованиям?

Логично,  что  чем  больше  парашют,  тем  медленнее  объект  будет  спускаться  вниз.  Несмотря  на  то,  что  это  выгодно  для  выполнения  задачи,  существует  ограничение.  По  соображениям  безопасности  и  по  требованиям  стандарта  установлена  минимальная  скорость  снижения  (8  м/с).  Данное  ограничение  установлено  для  того,  чтобы  микроспутник  приземлился  на  участке,  близком  к  зоне  запуска.  Если  скорость  снижения  будет  слишком  низкой,  микроспутник  может  отнести  ветром  на  километры  в  сторону  [4].

Телеметрия  представляет  собой  технологию,  позволяющую  выполнять  измерения  дистанционно.  Само  слово  «телеметрия»  произошло  от  греческих  слов  «теле»,  что  означает  «удаленный»  или  «дистанционный»,  и  «метрон»,  что  означает  «измерение».  Телеметрия  является  основной  частью  технологии,  имеющей  непосредственное  отношение  к  ракетам  и  спутникам.  Это  беспроводная  передача  информации  преимущественно  с  использованием  радиоволн.  На  земле  эти  сигналы  собираются  приемными  станциями.

Микроспутник  будет  оснащен  бессчетными  количествами  датчиков,  измеряющих  внутренние  или  внешние  параметры.  В  качестве  параметров  могут  выступать  температура,  давление,  высота,  использование  электроэнергии  и  многое  другое.  Информация,  полученная  от  этих  датчиков,  называется  «служебной».  Она  используется  для  контроля  за  состоянием  спутника  и  является  необходимой  для  функционирования  системы. 

Телеметрия  микроспутника  имеет  три  отдельных  компонента:  передача,  прием  и  обработка  информации.  Плата  передающего  устройства  внутри  микроспутника  собирает  информацию  и  отправляет  радиосигнал.  Этот  сигнал  ловится  наземной  станцией  и  передается  в  ноутбук,  где  сохраняются  полученные  данные  [3]. 

Также  необходимо  обеспечить  оснащение  микроспутника  наземной  инфраструктурой  бортовой  системы  для  обработки  телеметрической  информации.  Но  это  уже  будет  предусмотрено  в  дальнейших  этапах  разработки. 

Заключение

Можно  с  полной  уверенностью  сказать,  что  в  будущем  разработка  МКА  только  и  будет  набирать  обороты.  Это  связано  многими  достоинствами  самих  МКА  —  ценовая  привлекательность,  которая  дополняется  реальной  возможностью  быстро  его  продать  или  сдать  в  аренду.  А  низкая  цена  позволяет  формировать  целые  спутниковые  системы  и  осуществлять  различные  виды  зада,  связанные  с  мониторинг  земной  поверхности,  телекоммуникацией  и  т.  д.  а  создание  узкоспециализированных  аппаратов,  на  примере  стандарта  CanSat,  которые,  могут  использоваться  для  многоспутниковых  систем  КА,  являются  «экспериментальной  базой»  для  достижения  дальнейших  инновационных  технологий.  Технологический  цикл  разработки,  создания,  отработка  таких  подобных  спутников,  поможет  не  только  пробудить  интерес  у  молодежи,  показать  увлекательность  самого  процесса  проектирования,  но  и  обеспечит  трансфер  профессиональных  знаний  и  опыта  молодому  поколению,  обеспечит  занятость,  что  может  привести  и  сокращению  социальных  проблем.

Список  литературы:

1.Алавердов  В.В.,  Бодин  Б.В.,  Головко  А.В.,  Место  МКА  в  решении  задач  Федеральной  космичнской  программы  России.  —  С.  16—27.

2.Бобылев  В.В.,  Кузьминов  В.К.,  Кучеров  С.А.,  Хегай  В.М.  Перспективы  развития  МКА  с  учетом  потребностей  рынка.  —  С.  362—368.

3.Организационный  документ  чемпионата  «CanSat».

4.Феоктистова  К.П.  Космические  аппараты,  К71  М.:  Воениздат,1983.  —  319  с.