ESTCube-1

ESTCube-1 bija pirmais Igaunijas pavadonis. Tas izstrādāts Tartu Universitātes studentu satelītu programmas ESTCUBE ietvaros. Pavadonis palaists 2013. gada maijā, tas darbojās līdz 2015. gada februārim.

ESTCube-1
ESTCube-1 mākslinieka skatījumā
KA veids	eksperimentāls pavadonis
Operators	Tartu Universitāte, Igaunija
Izgatavotāji	Tartu Universitāte
Bāzes platforma	CubeSat 1U
Starts	07.05.2013. 02:06:31 UTC
Starta vieta	Gviānas kosmiskais centrs ELA-1 Gviāna
Nesējraķete	Vega
Palaists kopā ar	Proba-V, VNREDSat-1
Aktivitātes beigas	17.02.2015.
Darbības ilgums	1 gads 9 mēneši 10 dienas
NSSDC ID	2013-021C
SCN	39161
Tīmekļa vietne	http://www.estcube.eu/en/home
Masa	1,048 kg
Enerģija	3,6 W
Orbītas elementi
Centr. ķermenis	Zeme
Orbītas veids	Saules sinhronā orbīta
Slīpums	98,13°
Periods	98,03 min
Apogejs	671 km
Perigejs	658 km

ESTCube-1 galvenais uzdevums bija kosmosā izmēģināt elektrisko saules buru, bet tas nav izdevies. Pārējie ieplānotie uzdevumi tika veikti veiksmīgi.

Projekts sākts 2008. gada vasarā. Projekta iniciators un mentors bija Tartu Universitātes optiskās meteoroloģijas asociētais profesors Marts Norma (Mart Noorma).

To pārraudzīja Tartu Universitāte un Tartu observatorija. Projektā iesaistīti bija arī Somijas meteoroloģiskais institūts, Helsinku Universitāte, Jiveskiles Universitāte, Austrumsomijas Universitāte un Vācijas kosmosa aģentūra.

Igaunijas ESTCube-1 bija sava veida kosmiskā sacensība ar kaimiņvalsts Latvijas Venta-1 par to, kura valsts pirmā palaidīs savu pavadoni. Latvijas projekts tika sākts agrāk, bet Venta-1 palaišana aizkavējās, līdz Igaunija pirmā palaida ESTCube-1.

Misija un uzdevumi

Pirmais Zemes attēls, kas uzņemts ar ESTCube-1

ESTCube-1 primārā misija bija izpildīt pasaulē pirmo Saules vēja elektriskās saules buras eksperimentu kosmosā, pārbaudot 10 m gara pavediena iztīšanu, lādēšanu un mijiedarbību ar Zemes atmosfērā esošo jonosfēras plazmu. Šai tehnoloģijai ir potenciālas iespējas uzlabot pārvietošanos Saules sistēmā, padarot kosmiskos aparātus vieglākus un lētākus, kā arī salīdzinoši ātrus, salīdzinot ar pašreiz lietotajām tehnoloģijām.

Pavediena iztīšana

Shematisks pavediena (tether) un rotācijas ass (spin axis) attēlojums

Lai nodrošinātu sekmīgu eksperimenta gaitu, pavadonis bija jāiegriež ap asi, kas perpendikulāra pavediena iztīšanas plaknei, paralēli Zemes polārajai asij. Leņķiskais ātrums ap rotācijas asi bija paredzēts aptuveni viens apgrieziens sekundē.

Pēc nepieciešamā leņķiskā ātruma sasniegšanas, izmantojot centrbēdzes spēku, tiktu iztīts viens 10 m garš, 50 μm tievs pavediens, kas tiktu novērots ar kameru. Tā kā pavediens ir pārāk tievs, lai to redzētu attēlā, tā galā bija piestiprināts neliels alumīnija elements, ko attēlos varētu saskatīt. Pavediens atrastos kosmiskā aparāta rotācijas plaknē.

Pēc tā iztīšanas eksperiments tiktu veikts virs poliem (eksperimentu vislabāk ir izpildīt virs poliem, jo nepieciešams nodrošināt, ka Zemes magnētiskā lauka līnijas ir perpendikulāras pavedienam), kur pavadoņa orbitālā ātruma vektors ir paralēls pavadoņa rotācijas plaknei, kā arī Zemes magnētiskā lauka radītā Lorenca spēka ietekme uz lādēto pavedienu, un tādējādi uz rotācijas plaknes orientāciju, ir minimāla. Eksperiments tiktu veikts, iedarbinot elektronu lielgabalu un mērot šādus lielumus:

• rotācijas ātruma izmaiņas, lai noteiktu elektriskās buras efektu;
• orbītas izmaiņas, salīdzinot ar citiem pavadoņiem, kas palaisti ar to pašu nesējraķeti, lai noteiktu bremzēšanos plazmā.

Novadīšana no orbītas

Pēc eksperimenta bija paredzēts, ka pavadonis tiktu novirzīts no orbītas, lai tas sadegtu atmosfērā. Taču, tā kā bija iespējams augšupielādēt jaunu programmatūru, pirms orbītas novirzīšanas varētu izpildīt citus uzdevumus, piemēram, stāvokļa kontroles eksperimentus. Kosmisko aparātu novadīt no orbītas un iznīcināt nepieciešams, lai tas nekļūtu par kosmisko atkritumu. Tā kā mūsdienās tiek būvēts un palaists arvien vairāk pavadoņu, kosmiskie atkritumi ap Zemi kļūst arvien lielāka problēma.

Papildu uzdevumi

ESTCube-1 misijai bija uzstādīti arī šādi uzdevumi:

• nodibināt sakarus ar Zemes staciju;
• veikt visu sistēmu pārbaudi, lai pārliecinātos par satelīta spēju darboties un izpildīt misijai nepieciešamos uzdevumus;
• uzņemt Zemes attēlus.

Uzbūve

Struktūra

ESTCube-1 uzbūve

Rāmja struktūras prototips

ESTCube-1 tika veidots pēc CubeSat standarta 1U ar izmēriem 10 × 10 × 11,35 cm un masu 1,048 kg. Rāmis izgatavots no viena alumīnija gabala.

Stāvokļa noteikšanas un kontroles sistēma

Induktivitātes spoles satelīta stāvokļa kontrolei

Stāvokļa noteikšanas un kontroles sistēma (angļu: Attitude Determination and Control System, ADCS) ir sistēma, kas nodrošina sekmīgu elektriskās buras eksperimentu, veicot pavadoņa iegriešanu. ADCS arī veic kosmiskā aparāta stabilizāciju, orientāciju un saistītos mērījumus ar attiecīgajiem sensoriem: magnetometri (magnētiskais lauks), saules sensori (Saules pozīcija), žiroskopi (leņķiskais paātrinājums).

Redundances nolūkos ESTCube-1 ir izvietoti divi magnetometri un leņķiskā ātruma sensori, un uz katras pavadoņa malas ir izvietots viens Saules sensors, lai Saules atrašanos varētu noteikt jebkurā brīdī (izņemot, kad satelīts atrodas Zemes ēnā, un Saule nav redzama). No šiem mērījumiem ir iespējams noteikt kosmiskā aparāta stāvokli (satelīta koordinātu sistēmas attiecību pret Zemes koordinātu sistēmu) un leņķisko ātrumu ap pavadoņa koordinātu sistēmas asīm. Satelīta atrašanās orbītā tiek noteikta no divu līniju elementiem (Two Line Elements, TLE). Pie trīs ortogonāli izvietotām pavadoņa malām ir novietotas induktivitātes spoles, kas, mijiedarbojoties ar Zemes magnētisko lauku, dod iespēju kontrolēt satelīta stāvokli trīs dimensijās. ADCS nav procesora — aprēķinus veic komandu un datu pārvaldes sistēma.

Komandu un datu pārvaldes sistēma

Komandu un datu pārvaldes sistēma (Command and Data Handling System, CDHS) bija vienas plates dators, kas kontrolēja pavadoņa sistēmas normālajā režīmā. Tā bija saistīta ar visām pārējām apakšsistēmām, jo nodrošināja gan iekšējo saziņu, gan komandu izpildi, gan drošu datu saņemšanu, apstrādi un glabāšanu. Komandu un datu pārvaldes sistēma izmantoja divus STM32F103 ARM procesorus (F1 un F2). Ja vienam procesoram gadījās kļūme, vadību pārņēma otrs. Abi koplietoja vienu ārējo atmiņu. CDHS izmantoja operētājsistēmu FreeRTOS.

Tā kā sistēma ir kritiska visās misijas fāzēs, gandrīz visi sistēmas aparatūras elementi ir dublēti. Vienā laika momentā darbojas tikai viens komandu un datu pārvaldes sistēmas modulis, kas papildus atmiņai mikrokontrolierī izmanto mazāk nekā 1,5 MB brīvpiekļuves atmiņas un 48 MB zibatmiņas.

Sakaru sistēma

Sakaru sistēma (Communication System, COM) bija paredzēta komunikācijai ar Zemes staciju — komandu un jaunas programmatūras saņemšanai. Tā darbojās radioamatieru frekvencēs: 437,250 MHz nepārtraukta viļņa radiobākai (telegrāfa režīmā), 437,505 MHz primārajam lejupielādes kanālam (radioamatieru protokolā AX.25 ar ātrumu 9600 bps) un 2401,250 MHz rezerves lejupielādes kanālam. Komandas no zemes stacijas pavadonim tika sūtītas 145 MHz frekvencē. COM mikroprocesors izmantoja operētājsistēmu TinyOS.

Elektropadeves nodrošināšanas sistēma

Saules baterijas

Elektropadeves nodrošināšanas sistēma (Electric Power System, EPS) nodrošināja elektrības padevi visām apakšsistēmām. Elektrība tika iegūta no 12 Saules baterijām, kas izvietotas uz visām kuba skaldnēm. Tās deva 3,6 W enerģijas misijas sākumposmā. Lidojuma laikā lādētās daļiņas un mikrometeorīti degradēja saules baterijas, un to atdeve pamazām samazinājās. Laikā, kad pavadonis atradās Zemes ēnā (aptuveni 30 % laika), elektrība tika ņemta no litija jonu baterijām.

EPS bija arī atbildīga par citu apakšsistēmu pārbaudi, vai tās darbojas atbilstoši un nepārtraukti. Tā kā EPS bija sistēma, bez kuras citas apakšsistēmas nespētu funkcionēt, tā arī sūtīja statusa datus uz Zemes staciju. Statusa dati galvenokārt sastāvēja no svarīgākajiem telemetrijas datiem.

Kamera

Kameras prototips

Kameras (Camera, CAM) uzdevums bija uzņemt Zemes attēlus un novērot, vai pavediens eksperimenta laikā ir iztīts. Attēlu uzņemšanai tiek izmantots 640 × 480 pikseļu CMOS sensors, tāpēc CAM spēja uzņemt augstas izšķirtspējas attēlus.

Kamera izmantoja 2 MB brīvpiekļuves atmiņas. Tā kā pārsūtāmo datu daudzums bija ierobežots, tad CAM spēja lokalizēt pavediena galā piestiprināto elementu un izgriezt no attēla tikai to daļu, kas satur nepieciešamo informāciju.

Siltuma kontroles sistēma

Siltuma kontroles sistēmas (Thermal Control System, TCS) uzdevums bija nodrošināt kosmiskā aparāta iekšējās temperatūras kontroli. Pavadonis orbītā saskaras ar skarbiem apstākļiem, tajā skaitā lielām temperatūras izmaiņām, kas var izraisīt bojājumus kosmiskā aparāta komponentēs. Lai temperatūru satelīta iekšpusē nodrošinātu viscaur vienādu un tuvu istabas temperatūrai (lielāka daļa mehānisko un elektronisko komponenšu bija paredzētas darbam istabas temperatūrā), tika izmantotas pasīvas metodes, kas siltumstarojumu no Saules un iekšējiem avotiem korpusa iekšienē sadalītu vienmērīgi. Šādas pasīvās metodes tika realizētas ar atšķirīgām virsmu apdarēm un krāsām.

Derīgā krava

Derīgā krava (Payload, PL) bija modulis, kas nepieciešamas elektriskās buras eksperimentam. Tas sastāvēja no:

• augstsprieguma ķēdes, kas pavedienu var uzlādēt līdz +/- 500 V;
• spoles ar uztītu pavedienu, tā galā piestiprināts alumīnija atsvars, kas palīdz atritināt pavedienu;
• elektrodzinēja spoles attīšanai.

Pavediens bija 10 metru garš, 20—50 mikrometru tievs, reizēm saukts par Heytether.

Uz derīgās kravas moduļa elektronikas plates bija arī uzmontēta kamera CAM.

Zemes stacija

Zemes stacijas antena

Zemes stacija (Ground Station, GS) nodrošināja saziņu starp satelītu un Zemi. Tā sastāv no antenas, radio stacijas, modema, vairākiem serveriem. Atrodas Tartu. Signālu uztveršanā piedalījās arī daudzi radioamatieri visā Eiropā.

Pavadoņa kontrolei tika izmantota programmatūra Mission Control System (MCS). Ar to reālā laikā varēja monitorēt pavadoņa orbitālo kustību, sūtīt komandas kosmiskajam aparātam un apskatīt saņemtos datus. Programmatūras pamatā bija uzņēmumā CGI Estonia izstrādātā atvērtā pirmkoda infrastruktūra Hummingbird.

Kosmiskā aparāta sagatavošana lidojumam

Testēšana

Lielu induktivitātes spoļu uztīšanas iekārta

Lai panāktu sekmīgu misiju, papildu funkcionālajām pārbaudēm tika veikti testi, kas pietuvināti atdarināja apstākļus zemajā Zemes orbītā: temperatūras, vakuuma, vibrāciju, ultravioletā starojuma, radiācijas.

Īpaša uzmanība tika pievērsta programmatūras testēšanai — veikti gan tipiski programmatūras, gan kļūdu injekciju testi, kas simulē ārējās vides ietekmi uz aparatūru un programmu izpildi. Lai samazinātu iespējamību, ka misija neizdosies, visās apakšsistēmās īpaša uzmanība tika pievērsta redundancei — gan aparatūras, gan programmatūras līmenī. Redundance aparatūras līmenī tika nodrošināta ar šādām metodēm:

• sensoru un svarīgo aparatūras elementu dublēšana;
• autonoma barošana redundantajiem aparatūras elementiem;
• aizsardzība pret pārspriegumu un pārstrāvu.

Šādas metodes nodrošina redundanci programmatūras līmenī:

• drošas mainīgo operācijas (piemēram, aritmētiskās operācijas tiek izpildītas vairākkārt, un tiek pieņemts tas rezultāts, kurš atkārtojas visvairāk);
• datu dublēšana un kontrolsummu pārbaudīšana;
• iespējamību augšupielādēt jaunu programmatūru no Zemes stacijas.

Pirmsstarta sagatavošana

2011. gada 21. janvārī kosmiskais aparāts tika nodots palaišanas nodrošinātājam Nīderlandes uzņēmumam ISIS. Februārī to nogādāja Franču Gviānā.

Lidojuma gaita

ESTCube-1 tika palaists 2013. gada 7. maijā 02:06:31 UTC ar nesējraķeti Vega no Gviānas kosmiskā centra. Tas bija sekundārā krava Eiropas tālizpētes pavadonim Proba-V, kopā ar Vjetnamas pavadoni VNREDSat-1. No raķetes ESTCube-1 atdalījās 04:07:19 UTC.

Pavadonis izvadīts Saules sinhronā orbītā ar augstumu aptuveni 665 km un slīpumu 98,13°. Lai tas nekūleņotu, tika veikta stabilizācija. Tika izvērstas antenas, aktivizētas sistēmas un nodibināti sakari ar zemi. ESTCube-1 tika orientēts:

• antenas orientācija Zemes stacijas virzienā, lai nodrošinātu pēc iespējas labākus sakarus;
• kameras orientācija nadīra virzienā, lai uzņemtu Zemes attēlus.

Pirmais attēls uzņemts 15. maijā.

Drīz tika secināts, ka daži konstrukcijas elementi bija magnetizēti, tādēļ bija traucēta stāvokļa kontroles sistēma. Vairāku mēnešu laikā tika izstrādāti jauni vadības algoritmi.

Elektriskās buras pavediena iztīšanas operācija tika sākta augustā. Pavadonis tika iegriezts līdz 841 grādiem sekundē. Septembrī tika atbrīvota spole un iedarbināts iztīšanas dzinējs. Negaidīti dzinējs apstājās, visticamāk mehāniskas kļūmes dēļ. Visi mēģinājumi attīt pavedienu bija neveiksmīgi, un elektriskās saules buras eksperiments netika realizēts. Visticamāk attīšanas mehānisms tika bojāts starta laikā nesējraķetes vibrāciju dēļ.

Visas citas sistēmas darbojās nevainojami, tādēļ citi uzdevumi tika veikti veiksmīgi.

ESTCube-1 baterijas 2015. gada februārī jau bija tiktāl degradējušās, ka tā turpmāka darbība nebija vairs iespējama. Pēdējo ziņojumu pavadonis pārraidīja 2015. gada 17. februārī 10:27 UTC Morzes kodā:

Sveiki, Zeme! Šeit ESTCube-1. Esmu strādājis kosmosā 651 dienas par gaišāku nākotni cilvēcei. Šodien dodos pensijā, un nākamos 20 gadus lasīšu jūsu Valentīna dienas novēlējumus. Lai dzīvo Igaunija!

Pavadonim bija plānots darbības laiks 1 gads, bet tas nokalpoja 1 gadu 9 mēnešus 10 dienas. Tas orbītā paliks vēl aptuveni 23 gadu, līdz orbītas augstums pazemināsies un tas sadegs Zemes atmosfērā.

Rezultāti

Elektropadeves nodrošināšanas sistēma, sakaru sistēma un komandu un datu pārvaldes sistēma turpināja funkcionēt līdz misijas beigām. Tika uzņemti vairāk nekā 280 attēli kameras raksturošanas, augstuma noteikšanas validācijas un sabiedrības informēšanas nolūkos.

Tika identificēti konstrukcijas uzlabojumi, daudzi no kuriem tika ņemti vērā un īstenoti Somijas pavadoņa Aalto-1 izstrādē.

Satelīta izveide deva iespēju aptuveni 200 studentiem apgūt inženierzinātņu jomas, izstrādāt 20 maģistra darbus un 30 bakalaura darbus, no tiem vienu bakalaura un piecus maģistra darbus izstrādājuši studenti no Latvijas.

Skatīt arī

• ESTCUBE programma
• Elektriskā saules bura

Ārējās saites

• estcube.eu (igauniski)
• ESTCube 1 Gunter's Space page (angliski)