Нано/пикоспутники

[anovikov]

В интернете искал и хороших ответов не нашел, а интересно.

Какой был самый маленький из летавших спутников? Имеется в виду, конечно, не какая-то выброшенная космонавтом гайка, а законченное в себе изделие, с которым можно было связываться с Земли и получать какую-то телеметрию, по крайней мере.
А самый маленький ориентированный спутник, который мог поддерживать и произвольно задавать ориентацию в пространстве (имеется в виду не пассивная гравитационная стабилизация, а magnet torque, reaction wheels, microthrusters или какой-то другой активный способ, позволяющий именно поворачиваться, а не только поддерживать определенное положение)?
А самый маленький спутник с ДУ, позволяющий изменять орбиту?

Читал про готовящийся к запуску ориентированный спутник в формате 2xCubeSat (2кг), но он на magnet torque, т.е. время изменения положения с произвольного на произвольное - до 12 часов. Японцы вроде бы сделали спутник в 3.5 кг на reaction wheels. Меньше я не нашел. Были?

[anovikov]

Предлагаю обсудить способы ориентации спутников очень маленьких размеров и стоимости

Какие способы бывают:

1. Reaction wheels. Вроде самый мейнстрим, но весят много. Самый маленький что я нашел - 32 грамма, но у него какие-то непонятные характеристики - угловой момент 20 миллиньютон-метров, но не сказано в течение какого времени он может его создавать. Самые маленькие нормальные - с импульсом 18 миллиньютон-метро-секунд - весят 300+ граммов и явно не годятся для сверхлегких спутников, учитывая что их нужно минимум 3, а лучше 4. Вдобавок к ним нужны magnetic rods для того,чтобы после накопления внешнего импульса можно было остановить сами wheels, не допуская их разгона до предельной скорости и последующей потери ориентации аппарата.

2. Magnetic torque rods. Катушка, через нее пропускается ток, взаимодействует с магнитным полем Земли. Хорошая штука - нет движущихся частей, не ломается. Но весят много - не менее 400 граммов и главное, жутко медленные - время поворота аппарата на 180 градусов будет измеряться часами.

3. Ion microthrusters. Я так понимаю, стоят довольно дорого, в остальном хороши - создают хорошую тягу (десятки микроньютонов), которой хватает для быстрого (несколько минут) поворота маленького (единицы кг) аппарата под любым углом, жрут не сильно много мощности (единицы ватт), компактны, весят десятки граммов. Но конечно, расходуют рабочее тело, т.е. ресурс работы не безграничный, видимо измеряется десятками тысяч "полных" поворотов при разумной доле массы топлива в общей массе КА (единицы процентов).

4. Аэродинамические щитки. Не заморачивался с расчетом их характеристик, но вроде бы крутая штука. Получается эдакая рыбка с хвостом. Повернул хвост куда нужно - атмосфера сама аппарат разворачивает. Энергия берется из кинетической энергии аппарата, а ее завались.

Что есть еще?

[anovikov]

Знает ли кто-нибудь, возможна ли трехосевая стабилизация спутника с использованием только mangetic torque rods, т.е. опираясь только на магнитное поле Земли? Насколько я понимаю, стабилизация по оси, параллельной направлению силовых линий магнитного поля, невозможна, т.к. по этой оси не на что опираться. Но ведь силовые линии не будут параллельны орбите везде, их направление в конкретной точке орбиты постоянно будет меняться и эта "нулевая" ось все время будет плыть. Это значит, что если нет каких-то сильных воздействующих на спутник усилий, то стабилизация все-таки возможна? С какой точностью? насколько хитрые алгоритмы для этого применяются?

[anovikov]

http://www.stormingmedia.us/54/5458/A545804.html

Похоже это было сделано, по крайней мере в теории, примерно так как я и полагал.

Меня удивляет отсутствие реакции на посты. Имхо, нано/пикоспутники - последний писк моды в области космонавтики и единственное ее направление, доступное массам. Наверняка на форуме толпы студентов и аспирантов естественнонаучных и околокосмических специальностей - неужели это никому не интересно?

Кстати, а в России нано/пикоспутники делают?

[anovikov]

PS: Это я не на тему борьбы двух систем, просто вопрос

[andrey.fedorov]

Хотите свой спутник запустить?

[anovikov]

Дык, откуда - я же в этих вещах разбираюсь довольно слабо, на уровне домохозяек. Т.е. понимаю общие закономерности конструирования КА, но никак не детали.

Прикидываю тут Mass Budget минимального астрономического КА - учитывая что 3-axis stabilized спутники (по крайней мере, в теории - т.е. летавшие, но не работавшие или частично работавшие, без использование стабилизации) строились в формате 1xCubeSat (по крайней мере, AAU CubeSat, CanX-1 и Cute, причем 2 из них имели на борту камеры), то видимо в формате 6xCubeSat (10x20x30 см, 6 кг) сделать можно - ориентация остается та же, только работать будет медленнее, на наведение на объект будет тратиться по полвитка, питание почти то же, связь та же, attitude determination - камера с широким полем + star tracking software для грубого наведения и то же в главном фокусе для тонкого, для грубого еще можно использовать вольтметры на солнечных батареях по разным граням спутника для дублирования - точность в несколько градусов получится. Объектив - какой-нибудь Takahashi 60мм f/5.9 APO, весит 1.3 кг, с "переломанной" в штатном варианте оптической осью, общей длиной <30см, вместиться должно, занимая 4 "кубика" из 6 и менее 2кг веса вместе с приемником. Алюминиевый frame для 1xвесит 373грамма вместе с электроникой управления, разъемами и прочим, которые нужны 1 и для большого спутника. У маленького спутника 6 граней, у большого 22, значит даже если считать что электроника ничего не весит - выходит 1.4кг максимум. Итого 3.4. Начинка для связи, ADS/ACS и электропитания весит максимум 800 граммов - оно вмещалось в спутник весом 930 г при массе frame 130г, AAU CubeSat (реально сильно меньше,у меня есть его массовая сводка - лень копать). Итого 4.2кг, остается куча веса в резерве.

Например этот резерв можно использовать под Reaction Wheels, если они стоят приемлемых денег - у DynaCon есть модель в 0.7 фунтов веса, т.е. 4 штучки будут 1.3 кг (один под углом 45 градусов к остальным на случай отказа какого-то из других). И еще останется 500 грамм на дополнительные солнечные батареи, чтобы обклеить ими всю внешнюю поверхность, и дополнительную батарейку, чтобы эти Reaction Wheels кормить. Тогда будет разворачиваться на 180 градусов буквально за 10-15 секунд - при моменте 0.04н*м*с и такой-то массе. Правда, я полагаю, что Reaction Wheels стоят на самом деле диких денег, больше десятки за штучку. А уменьшить размер чтобы сделать подешевле вряд ли получится потому что по габаритам телескоп не влезет. Кто знает, бывают АПО с фокусом поменьше, так чтобы OTA получалась миллиметров 260-280 в длину, т.е. 50 мм f/5 или около того?

Вот дока по железяке - сборному комплекту для платформы CubeSat, сертифицированному по их стандартам:
http://www.cubesatkit.com/docs/cubesatkitmanual.pdf
Стоит 5 кусков. Правда, у этой конторы максимальный формат 10x10x30.

В такой телескоп в космосе-то можно увидеть довольно много - по проницанию он будет определенно лучше любого любительского, и по разрешению тоже лучше любого, кроме установленных в горах, реальные гарантированные 2'' для любого объекта - это некисло. Плюс возможность использования 24 часа в сутки - отдача на килобакс денег будет больше чем для любого любительского инструмента. Денег будет стоить примерно 150 штук за запуск (вообще 40 штук за кубик но при большом размере цена падает), и еще видимо 30-40 кусков за саму железку - т.е. в сумме где-то цена G500

[anovikov]

Прикинул что еще бывают качественные дорогие (ну тут-то это пофигу) телеобъективы с фокусом около 200мм и светосилой около 2.8, весящие в пределах килограмма. Это в принципе дает возможность уложиться в 10x10x30 формат и 3кг веса, только конечно проницание и разрешение будет уже не то - где-то 18m и 3'', но все равно еще вполне полезно. И бюджет проекта уже может быть в районе $100 K или чуть больше.

[anovikov]

Например вот этот

http://store.h1photo.com/250sa.html

Хроматизма нет, а все остальные аберрации на маленьком чипе пофигу

[hoarfrost]

http://www.stormingmedia.us/54/5458/A545804.html
Меня удивляет отсутствие реакции на посты.

Лично мне написать нечего... А вот читать - очень интересно! Спасибо! (Вот интересно, что "народ" про "мой" MRO думает?)

[anovikov]

>Вот интересно, что "народ" про "мой" MRO думает?

Ку из ит?

[hoarfrost]

>Вот интересно, что "народ" про "мой" MRO думает?

Ку из ит?

Это который Mars Reconnaissance Orbiter. 

[anovikov]

А почему твой?

[hoarfrost]

А почему твой?

Потому что в кавычках.

[bobyl]

Какой был самый маленький из летавших спутников?

А какой был самый большой из летавших спутников? И каково нынешнее распределение спутников по массе? Я это к тому, что мне жалко, когда Новиков простаивает.

[ALexpert]

А какой был самый большой из летавших спутников?

Таковыми можно считать связки третьей ступени Saturn-V (S-IVB) и кораблей Apollo весом более 130 тонн, это если говорить о модульных КА, выводимых за один пуск. Если говорить о многомодульных конструкциях, то таковой являлась станция "Мир", и является нынешнаяя МКС. Если же говорить о моноблочных объектах, то таковым будет американский Space Shattle.

to anovikov:

Вы не подскажете, можно ли создать космическую РН, которая выводила бы на LEO 185 км груз массой 1 кг. Пусть даже это будет масса последней ступени РН после выработки топлива без ПН?

Какова вообще минимальная масса, которую можно вывести на такую LEO? Имеется ввиду масса конечной ступени в связке с ПН.

[anovikov]

Если конечная ступень будет маленькой ТТ - то нижнего предела практически нет. Я слышал весьма квалифицированную оценку, что с профессиональными технологиями построения РН "на переднем крае" (линейные модульные ЖРД внешнего расширения, баки, поддерживающие форму на давлении и т.п.) можно создать ракету, последняя ступень которой выйдет на орбиту, весом 0.5-1 тонна, на 4-5 ступенях (верхние - разумеется маленькие ТТ). С "любительским" уровнем технологий - около 5 тонн, т.е. любой аппарат X-Prize класса может послужить первой ступенью ракеты, выводящей свою верхнюю ступень на орбиту. При этом если вторая ступень "профессиональная" на водороде массой 0.5-1т, то она может быть даже одна, "любительские" на перекиси или ТТ - 2-3. В обоих случаях можно рассчитывать даже на вывод на орбиту какой-то нагрузки порядка килограмма.

[anovikov]

Но конечно, реальные нано/пикоспутники выводятся на орбиту попутным грузом на больших РН - так называемый P-POD (контейнер в 16 или 36 кубиков) весом около 60 кило вместе с самими спутниками крепится к боковой поверхности верхней ступени и вперед. Компания-собственник "большой" ракеты имеет на этом 150-300 кусков, эти деньги раскидываются на 5-10 собственников нано/пикоспутников и делается некоторый навар. Учитывая минимальную стоимость реального запуска в ~3 лимона и то, что прибыль от него составляет для launch operator процентов 20, т.е. штук 600, дополнительная прибыль в 150-300 штук нахаляву - это очень существенная цифра.

[anovikov]

Ценность X-Prize как первой ступени весьма велика: с его помощью можно добиться того, чтобы верхняя ступень/ступени были неориентированными. т.е. он разгоняется вертикально вверх (как при обычном X-Prize полете), после отработки движков на высоте 50-60 км, как только позволит падающее атмосферное давления, чтобы аэродинамическая нагрузка не оказалась слишком высока, разворачивается под нужным углом и выпускает по направлению запуска предварительно раскрученные верхние ступени, которые набирают только горизонтальную скорость. При этом между 1 и 2 верхними ступенями делается баллистическая пауза, которая дает возможность аппарату (уже имеющую большую горизонтальную скорость) в апогее подняться не на X-Prize-овские 100км, а выше.

Собственно, если нагрузку выводить не надо - одной верхней ступени на керосине с массовым числом 10 (для верхней ступени небольшим) и уе. 335-340с, что легко достижимо для вакуумного двигателя даже открытого цикла, вполне хватит. См. модификацию Merlin для второй ступени Falcon V - двигатель открытого цикла, сделанный какими-то новичками, сидящими почти без денег, а дает 340с в вакууме.

[ALexpert]

А если создавать классическую РН с наземным стартом, то какая минимальная стартовая масса у нее будет?