Su propio satélite: 7 cosas que debe saber antes de ir - 💡 Fix My Ideas

Su propio satélite: 7 cosas que debe saber antes de ir

Su propio satélite: 7 cosas que debe saber antes de ir


Autor: Ethan Holmes, 2019

Todo lo que pido es un lanzamiento exitoso, una señal de radio limpia y una vida lo suficientemente larga para lograr ese objetivo.

Si los globos de gran altitud no son lo suficientemente altos, si te sientes frustrado por el ritmo del desarrollo del espacio, o si realmente te gustan los cohetes y el hardware, creo que lanzar tu propio satélite es una excelente decisión. Pero primero, ¿qué quieres que haga tu satélite? Aquí hay 7 cosas clave que debe saber antes de lanzar su nave espacial personal a órbita a 17,000 millas por hora.

Aurora vista desde la EEI en órbita terrestre baja, imagen cortesía de la NASA

¿Qué es un picosatélite?

Picosatélites, por definición, son satélites extremadamente pequeños, ligeros. Cualquier picosatélite tenderá a tener estos componentes centrales:

  • Una antena
  • Un transmisor de radio para el enlace de comandos o para descargar sus datos.
  • Una computadora en un chip, como un Arduino o un Basic-X24
  • Un sistema de energía, generalmente celdas solares más una batería más un bus de energía
  • Sensores

El progenitor de la clase pico es el CubeSat, una arquitectura de código abierto que le permite empacar cualquier cosa que desee en el cubo de 10 cm x 10 cm x 10 cm.

El CubeSat es un satélite tan lindo como una calabaza. Forbes informó sobre un proveedor, Pumpkin Inc., que suministra CubeSats premade. CubeSat en sí mismo es una especificación, no una pieza de hardware comercial, por lo que Pumpkin decidió fabricar kits y venderlos. Si tienes tu propio cohete para lanzar tu CubeSat, por $ 7,500 te venderán un kit de CubeSat.

Esto se asemeja perfectamente al TubeSat de InterOrbital Systems. Los sistemas interorbitarios (IOS) tienen la ventaja en precio / rendimiento, ya que lanzan el lanzamiento por el mismo costo. Pero parece que ni IOS ni Pumpkin proporcionan premades, solo kits. Así que aún hay trabajo de aficionados involucrados, pero los kits eliminan la necesidad de ingeniería y simplemente dejan la parte divertida del ensamblaje y la integración.

TubeSat y CubeSat, dos variantes de un picosatélite, con cuartos mostrados para escala

TubeSats y CubeSats son ligeramente diferentes, por supuesto, y estoy increíblemente complacido de que ambos estén avanzando en la idea de los kits de plataforma. Este es un gran paso en la mercantilización de la investigación espacial. Incluso si el mini CubeSat parece inquietantemente similar a una caja Hellraiser Lemarchand.

¿Cuánto cuesta lanzar?

Si construyes un CubeSat, asegurar un cohete para lanzarlo no es difícil, es simplemente costoso. Un costo típico de lanzamiento de CubeSat se estima en $ 40,000. Hay varios proveedores comerciales que prometen futuros cohetes CubeSat, asumiendo que completen el desarrollo. Varios proyectos de la NASA y la Estación Espacial Internacional aceptan algunas propuestas utilizando la arquitectura CubeSat. Cada año hay más compañías que ingresan al negocio de lanzamiento privado, por lo que las perspectivas de obtener un lanzamiento son cada vez más sólidas.

La arquitectura TubeSat de InterOrbital Systems es un esquema alternativo. Actualmente solo es compatible con InterOrbital, es muy rentable. Usted obtiene los esquemas, los componentes principales de hardware y un lanzamiento en su cohete aún en desarrollo por el precio único de $ 8,000. Un TubeSat utiliza una arquitectura hexagonal ligeramente más larga, de 12 cm de longitud y 4 cm de diámetro.

También puede trabajar con una arquitectura personalizada si tiene acceso a un lanzamiento de cohetes (a través de un colegio o universidad, quizás), pero actualmente los dos jugadores principales son la especificación de CubeSat abierto y la alternativa privada de TubeSat.

¿Dónde está la órbita?

¿A dónde irá tu picosatélite? Es casi un hecho que su picosatélite irá a la órbita terrestre baja (LEO), una banda ancha que abarca desde unos 150 km hasta unos 600 km. Esta es la región que también tiene muchos satélites científicos y la Estación Espacial Internacional (ISS). Está dentro y debajo de la ionosfera, la parte muy delgada de la atmósfera que también coincide con gran parte del campo magnético de la Tierra.

El campo magnético de la Tierra nos protege de la actividad más feroz del Sol. Las partículas de alta energía, las emisiones debidas a erupciones y las eyecciones de masa coronal (CME); básicamente, manchas de material solar) son desviadas por el campo magnético antes de que puedan llegar a tierra. Donde las líneas del campo magnético se sumergen cerca de los polos, esta energía se expresa como la aurora.

Vista de la órbita terrestre baja de una aurora (imagen ISS006E18372, cortesía de la NASA)

Por encima de la ionosfera, el entorno espacial puede ser hostil debido a la actividad solar. Por debajo de ella, los riesgos de radiación son mucho menores. Es por esto que la ISS se mantiene en LEO. LEO es, en el fondo, tan seguro como el espacio puede obtener. También es donde es probable que viva su picosatélite.

Una órbita LEO típica tiene aproximadamente un período de 90 minutos. Es decir, gira alrededor de la Tierra una vez cada 90 minutos, haciendo aproximadamente 15 órbitas por día. Las órbitas se pueden colocar cerca del ecuador de la Tierra (órbitas ecuatoriales) o en bucle desde el Polo Norte hasta el Polo Sur (órbitas polares). De manera similar, las órbitas pueden ser casi circulares, o ser muy excéntricas: acercarse a la Tierra en un extremo de la órbita y luego alejarse en el otro.

¿Cuánto tiempo durará mi satélite?

Su órbita está completamente determinada por lo que su proveedor de cohetes le ha vendido. En el nivel de los aficionados, lo más probable es que obtengas una órbita casi circular de aproximadamente 250 km, tanto ecuatorial como polar. Dicha órbita dura (debido al arrastre de la tenue ionosfera) de 3 a 16 semanas antes de que el satélite sufra un reingreso ardiente.

En las masas de picosatélite, esto significa que su satélite subirá y no regresará. Tienes menos de tres meses para recopilar datos. El picosatélite luego, esencialmente, se vaporizará cuidadosamente al reingresar (¡sin riesgo de basura espacial!)

¿Cómo está el clima allá arriba?

Condiciones LEO y Viabilidad

La ionosfera se llama así porque es un plasma muy delgado de átomos cargados eléctricamente (iones) y electrones, debido a la radiación ultravioleta (UV) del sol. Técnicamente, se extiende desde unos 50 km hasta más de 1.000 km (¡gracias a Wikipedia!), Pero LEO comienza a 150 km, por debajo de eso, no se puede mantener una órbita estable. La ionosfera, como se mencionó, es impulsada por la actividad solar. La parte que mira al Sol tiene más ionización; Además, la actividad solar puede impulsar su comportamiento fuertemente. También hay caídas en la línea del campo magnético, lo que lleva a aumentos de radiación en altitudes más bajas. Hemos mencionado los polos, y las regiones como la Anomalía del Atlántico Sur (SAA) también tienen líneas de campo que descienden hacia abajo.

Si está enviando sensores, querrá asegurarse un par de cosas:

  • Tienen un nivel de sensibilidad apropiado para el nivel de señal que estás tratando de medir.
  • Tienen un rango dinámico que le permite extraer datos significativos.

Temperaturas LEO

Una placa de metal en LEO realizará un ciclo de –170 ° C a 123 ° C dependiendo de su cara solar y su tiempo en la luz solar. Si su picosatélite está girando, esto igualará un poco la distribución de calor, pero ese es el rango a asumir. Una órbita tiene aproximadamente la mitad de su tiempo en luz solar y la otra mitad en la sombra de la Tierra, por lo que vale la pena modelar el comportamiento de la temperatura.

Dado que el picosatélite está girando, este rango es afortunadamente más pequeño (ya que el calor tiene tiempo para distribuir y disipar), y con una órbita de 90 minutos, debe pasar por los tres rangos: demasiado frío para registrarse; regiones de transición donde el sensor devuelve datos válidos, que cambian lentamente; y posiblemente sobresaturando en el extremo superior. Puede agregar un calentador si es necesario: los satélites han usado calentadores y enfriadores según el instrumento y el revestimiento.

Por lo tanto, un sensor térmico (como un sensor de marca MicroDig Hot) que cubre –40 ° C hasta 100 ° C será suficiente. El rango de –40 ° C a 100 ° C es un área factible para medir. En cualquier caso, más allá de ese rango, el resto de la electrónica del satélite puede tener problemas.

Luz LEO

De manera similar, es probable que un sensor de detección de luz, para un picosatélite giratorio, devuelva solo una señal binaria: el Sol super-brillante a la vista y el Sol no a la vista. Así que todo lo que medirá es el momento en que el Sol está a la vista. La función de los sensores de luz será en gran parte binaria, para capturar los ciclos de oscuridad y sol que gira, así como el ciclo general día / noche de la órbita. Si hay una ligera caída hacia el satélite, tanto mejor. Estos sensores de luz proporcionarán una medida básica de la posición y el giro del satélite. Si desea medir los niveles reales de luz, su diseño deberá garantizar que el Sol no sature su detector.

Campo magnético LEO

La ionosfera tiene una intensidad de campo del orden de 0,3–0,6 gauss, con fluctuaciones del 5%. Para una órbita polar, tendrá una mayor variabilidad y campos magnéticos más altos que una órbita ecuatorial (a medida que las líneas del campo magnético de la Tierra se sumergen cerca de los polos, por lo tanto, las auroras). Si desea medir la fluctuación, no la intensidad de campo, necesita capturar señales de gauss de 0.06–0.1. Un sensor de efecto Hall de $ 10 más un amplificador operacional podría medir variaciones de hasta 0.06 gauss si no hay un gran campo magnético externo. Debajo de eso, el ruido de los circuitos de su sensor, no el sensor, probablemente será el factor limitante.

¿Qué pasa con el daño por partículas (radiación)?

La vida de la misión es corta (menos de tres meses), por lo que no tiene que preocuparse por el daño acumulativo. Solía ​​hacer modelos de daño por radiación en la escuela, y resulta que la electrónica moderna es sorprendentemente robusta en escalas de tiempo cortas. Principalmente tendrá trastornos de un solo evento (SEP) que mezclan un sensor o una computadora, pero como probablemente no necesite un tiempo de actividad del 100%, esto no debería ser un problema. De hecho, las fallas agregarán un carácter interesante a sus datos derivados. Si encuentra, por ejemplo, una tormenta solar, será interesante ver cómo los sensores la manejan, ya sea con saturación o con señales espurias. Un contador proporcional o ersatz equivalente (como un microDig Reach) puede medir estos conteos de partículas.

Y por último, lo más importante a saber:

¿Cuál es mi misión?

¿Qué diablos quieres que haga tu picosatélite? Puede dividir las opciones típicas de picosatélite en misiones científicas, misiones de ingeniería y obras de arte. Una carga útil de ciencia mide cosas. Un hardware o software de pruebas de carga útil de ingeniería. Un proyecto de arte crea un concepto elevado. Visitaremos cada uno.

¡Ciencia!

En una misión científica, tu picosatélite medirá algo. La ciencia tiene que ver con la medición en su corazón. Hay tres tipos de misiones que puedes hacer: apuntar, in-situ y compilaciones de ingeniería.

Una misión señaladora es como un telescopio. Su picosatélite apunta a un objeto de interés (el Sol, la Luna, las estrellas, el fondo del cielo o la Tierra) y lo observa. Tenga en cuenta que apuntar a la Tierra requiere una licencia, no es difícil de obtener, pero la privacidad está protegida en el espacio de pasatiempos.

Puedes apuntar al azar, pero eso no parece muy útil. Puede establecer un modo de encuesta, en el que a su picosatélite se le dé una orientación específica en su órbita para que, cada órbita, recorra el cielo de una manera predecible. O bien, puede hacer un apuntado activo, haciendo que el picosatélite se vea donde quiera.

Apuntar activamente es bastante desafiante. Necesitas saber tu posición con mucha precisión. El uso de referencias inerciales (el conocimiento de la órbita inicial más la predicción interna de cómo está viajando el satélite) es inexacto para los propósitos de apuntar al sensor. Por lo tanto, señalar normalmente requiere algún tipo de rastreador de estrellas. Estos son dos o más telescopios de campo amplio que muestran el cielo y lo comparan con un catálogo a bordo de estrellas de referencia brillantes conocidas.

El seguimiento de estrellas es técnicamente complejo, y probablemente supera las limitaciones de peso y diseño de un picosatélite típico. Sin embargo, vea “Ingeniería” a continuación, para más información sobre esto.

Un uso más común de la ciencia de los picosatélites son las mediciones in situ. Este es el uso de sensores que miden la región en la que se encuentra el satélite sin necesidad de apuntar. Un termómetro es un ejemplo perfecto de un detector in situ. Mide la temperatura, y no es necesario que la apunte con precisión para saber que funciona.

Otras mediciones in situ de LEO pueden incluir el campo eléctrico y magnético en la ionosfera, la luz del Sol o el brillo de la Tierra reflejada, medir la densidad ionosférica o rastrear la cinemática de su órbita y su posición (cómo se está moviendo).

O tal vez no quieras medir algo científicamente, solo quieres construir cosas. Eso es ingeniería.

¡Ingenieria!

Un picosatélite de ingeniería utiliza la plataforma para probar algunos nuevos conceptos de hardware espacial o para darle práctica en la construcción de sus propias variantes de hardware espacial conocido.

Puedes hacer un picosatélite para probar cualquiera de los componentes de hardware.Un nuevo sistema de energía, un nuevo método de posicionamiento, un nuevo tipo de radio o comunicaciones de relé, nuevos sensores, realmente cualquier componente del satélite se puede construir y mejorar.

Tres onzas de instrumentación volable.

Algunos proyectos de picosatélites han involucrado pruebas (a pequeña escala) de nuevos conceptos de propulsión satelital, que van desde motores de iones a velas solares. ¿Quieres probar una estación espacial inflable en miniatura o ver si puedes hacer un picosatélite que se despliegue para formar un gran punto de rebote de radio de jamón? ¡Constrúyelo!

Otro motivo de ingeniería puede ser probar componentes específicos: por ejemplo, comparar un equipo electrónico personalizado con un componente comercial (COTS) para ver si los satélites (de cualquier tamaño) pueden ser más rentables. O puede probar nuevos métodos de compresión de datos o métodos alternativos para realizar operaciones a bordo.

La innovación en las operaciones es un subconjunto de objetivos de ingeniería que vale la pena explorar más a fondo. Los picosatélites podrían usarse para probar la coordinación de una constelación de satélites. Pueden ser bancos de pruebas para estudios de mecánica orbital o lecciones sobre operaciones satelitales coordinadas. Como la forma más barata de acceder al espacio, son excelentes bancos de pruebas para crear prototipos de nuevas formas de hacer trabajos satelitales antes de pasar a misiones de un millón de dólares.

Concepto de arte!

Finalmente, hay piezas conceptuales. Mi propio "Project Calliope" TubeSat recopila mediciones in situ de la ionosfera y las transmite a la Tierra como música, un proceso llamado sonificación. La intención es devolver un sentido del ritmo y el nivel de actividad del espacio, en lugar de datos numéricos, para que podamos tener una idea de cómo se comporta el sistema Sol-Tierra.

No eres una misión real hasta que tengas tu propio parche de vuelo.

Puedes lanzar un satélite para hacer cualquier cosa. Enviar cenizas al espacio. Enviar una bandera de oración del Himalaya. Lanza tu anillo de bodas de titanio en órbita. Cualquier idea híbrida de arte, música o arte / música / ciencia es bienvenida porque es su satélite. Solo dale un propósito o utilidad más allá del espectáculo de poder lanzar tu propio satélite.

Definiendo la ciencia (cortesía science20.com/skyday)

Resolver un problema decenal para toda la humanidad

Aquí hay un ejercicio de diseño que te pide que inventes un satélite. El punto no es si puedes construir, sino si puedes concebir y delinear una idea que vale la pena construir en primer lugar.

Elija uno de los objetivos decenales para la observación de la Tierra, la heliofísica, la astronomía o la ciencia planetaria, y diseñe un concepto de misión para cumplir esa tarea utilizando una plataforma satelital pequeña: NASA SMEX o más pequeña.

Invente su satélite y realice un lanzamiento de cinco minutos que presentaría a la NASA para solicitar financiamiento. Limítate a un satélite con uno o dos (como máximo) instrumentos. Aquí hay algunos enlaces de referencia decenales:

  • http://www.spacepolicyonline.com/national-research-council#decadal
  • http://decadal.gsfc.nasa.gov/about.html
  • http://science.nasa.gov/about-us/science-strategy/decadal-surveys/
  • http://solarsystem.nasa.gov/2013decadal/
  • http://sites.nationalacademies.org/SSB/CurrentProjects/SSB_056864
  • http://science.nasa.gov/earth-science/decadal-surveys/

Un ejemplo de un objetivo decenal, desde la observación de la Tierra, podría ser:

Cambiando las capas de hielo y el nivel del mar. ¿Habrá un colapso catastrófico de las principales capas de hielo, incluidas las de Groenlandia y la Antártida Occidental y, de ser así, qué tan rápido ocurrirá esto? ¿Cuáles serán los patrones temporales del aumento del nivel del mar como resultado?

Un buen lanzamiento podría incluir:

  • Una tabla de resumen de la misión (tipo / longitud de onda / objetivo / quién / órbita)
  • Historia de cualquier misión pasada que haya abordado esto.
  • Lista de equipamiento deseado: qué tipos de instrumentos y qué miden cada uno más si necesita o no una óptica de enfoque
  • Rango de resolución por detector (espacial, espectral, temporización, brillo)
  • Estimación de costos, basada en comparación / analogía con misiones similares

Para evaluar un buen lanzamiento, considere si:

  • Su objetivo y satélite son plausibles.
  • Su enfoque claramente parece ser el enfoque correcto para la tarea.

Esta es la habilidad tanto de las propuestas de negocios como de las académicas, donde no solo debe convencer a la audiencia de que usted es la persona adecuada para la tarea, sino también que la tarea en sí vale la pena.

La construcción de su propio picosatélite no es solo un medio para un fin, sino un objetivo que vale la pena. Incluso si nunca lo lanzas, las habilidades y la experiencia que adquieras para crear tu propio satélite real pueden ser una experiencia increíble.

Este artículo está adaptado de las plataformas de satélites DIY y de los instrumentos de bricolaje para el espacio amateur de Sandy Antunes. Esta serie, que también incluye Surviving Orbit the DIY Way, es un recurso profundo y fácil de usar para los posibles constructores de naves espaciales, disponible en Maker Shed en makershed.com. Esté atento al cuarto libro de la serie, Comunicación de datos de bricolaje para naves espaciales de aficionados, que viene este verano.



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