Mikrokosmos

  • Lotnictwo Aviation International 12/2018
Satelita PW-Sat-2.

Satelita PW-Sat‑2.

3 lutego bie­żą­cego roku z wyrzutni szy­no­wej umiesz­czo­nej na sta­no­wi­sku star­to­wym Kappa w Uchinoura Space Center, zna­nego też jako kosmo­drom Kagoshima, została wystrze­lona rakieta SS-520 №5. Poprzez doda­nie do wyso­ko­ścio­wej rakiety son­da­żo­wej trze­ciego stop­nia, stwo­rzono minia­tu­rową rakietę nośną dla nano­sa­te­li­tów. Start powiódł się (prze­pro­wa­dzona rok wcze­śniej pierw­sza próba zakoń­czyła się nie­po­wo­dze­niem) i po zale­d­wie nie­ca­łych pię­ciu minu­tach Japonia pobiła swój wła­sny, mający 48 lat rekord, w kate­go­rii „naj­mniej­sza rakieta kosmiczna”. Masa pierw­szej, L‑4S, wyno­siła 9,4 t (udźwig 23 kg), dru­giej zaś 2,9 t (udźwig 4 kg). Nic w tym dziw­nego, Japonia od lat prze­cież sły­nęła w dzie­dzi­nie minia­tu­ry­za­cji, zwłasz­cza elek­tro­niki użyt­ko­wej.

Małe jest piękne

Wraz ze star­tem L‑4S w dniu 11 lutego 1970 r. Japonia dołą­czyła do bar­dzo wów­czas eli­tar­nej grupy państw, dys­po­nu­ją­cych moż­li­wo­ścią samo­dziel­nego wyno­sze­nia ładun­ków na orbitę – wcze­śniej doko­nały tego jedy­nie ZSRR w 1957 r., USA w 1958 i Francja w 1966. W kolej­nych latach w Kraju Kwitnącej Wiśni powstała cała gama rakiet, umoż­li­wia­ją­cych wysy­ła­nie coraz więk­szych i cięż­szych sate­li­tów. Jak jed­nak wia­domo, wraz z postę­pem tech­niki, zasto­so­wa­niem nowo­cze­snych tech­no­lo­gii i nie­by­wałą minia­tu­ry­za­cją, od kil­ku­na­stu lat na orbitę wyno­szone są sate­lity o rząd wiel­ko­ści bądź nawet wię­cej lżej­sze od swych pro­to­pla­stów, mogące jed­nak wyko­ny­wać zada­nia w takim samym zakre­sie, jeśli nie lep­szym. Jednak jak bar­dzo można minia­tu­ry­zo­wać sate­lity, by uzy­ski­wać z nich war­to­ściowe dane?
Odpowiedź na to pyta­nie dali w 1999 r. pro­fe­so­ro­wie Jordi Puig-Suari z poli­tech­niki kali­for­nij­skiej (Cal-Poly) oraz Bob Twiggs z Uniwerytetu Stanforda. Zaproponowali oni swym stu­den­tom opra­co­wa­nie naj­mniej­szego sate­lity, z moż­li­wo­ściami badaw­czymi na pozio­mie pierw­szego sztucz­nego sate­lity Ziemi, to jest radziec­kiego Sputnika z 1957 r., mają­cego masę 83,6 kg. W krót­kim cza­sie oka­zało się, że korzy­sta­jąc z ówcze­snych tech­no­lo­gii i pod­ze­spo­łów, z któ­rych część można było zaku­pić od ręki w zwy­kłych skle­pach z elek­tro­niką, można stwo­rzyć funk­cjo­nu­ją­cego sate­litę o masie około jed­nego kilo­grama i wiel­ko­ści kostki Rubika. Dość szybko opra­co­wano stan­dard, według któ­rego każdy mógł zbu­do­wać wła­snego nano­sa­te­litę. Warunkami brze­go­wymi był wymiar – 10×10×10 cm oraz masa – do 1,33 kg.
Tak zapro­jek­to­wane sate­lity, nazwane po pro­stu CubeSat, mogły zostać zapa­ko­wane do dys­pen­sera P‑POD (Poly-PicoSatellite Orbital Deployer), mogą­cego pomie­ścić do trzech sztuk. Już wów­czas prze­wi­dziano, że można będzie łączyć w obrę­bie jed­nego P‑POD kostki w pary, bądź w trójki. Każdy pod­sta­wowy ele­ment nazwano jed­nostką (unit), zatem poja­wiły się ozna­cze­nia wiel­ko­ści sate­li­tów 1U, 2U, bądź 3U. Nieco póź­niej opra­co­wano też wer­sji 0,5U i 1,5U. Jak się oka­zało, nawet w wer­sji 1U, moż­liwe było upa­ko­wa­nie wewnątrz kostki jakie­goś przy­rządu nauko­wego, sys­temu kie­ro­wa­nia, apa­ra­tury radio­wej, a na zewnątrz ogniw foto­wol­ta­icz­nych i anten. Do pierw­szego startu sate­li­tów opar­tych na tym stan­dar­dzie doszło 30 czerwca 2003 r.
Z Plesiecka wysłana została rakieta nośna Rokot z dodat­ko­wym stop­niem Briz-KM. Wśród roz­licz­nych ładun­ków znaj­do­wały się też trzy dys­pen­sery P‑POD, a w nich sie­dem nano­sa­te­li­tów – dwa ame­ry­kań­skie (jeden w wer­sji 3U, drugi 1U), dwa duń­skie, jeden kana­dyj­ski oraz dwa japoń­skie. Były to CUTE‑I zbu­do­wany z udzia­łem stu­den­tów Tokijskiego Instytutu Technologicznego oraz Cubesat XI-IV, powstały na Uniwersytecie Tokijskim. Oba kubiki słu­żyły do testo­wa­nia sate­li­tar­nej łącz­no­ści radio­ama­tor­skiej.
Dwa lata póź­niej doszło do dru­giego startu sate­li­tów opar­tych na nowym stan­dar­dzie, wśród nich znaj­do­wał się Cubesat XI‑V. Kolejne dwa japoń­skie nano­sa­te­lity były już znacz­nie bar­dziej zaawan­so­wane – pierw­szy, dwu­jed­nost­kowy Cute‑1.7 + APD II oprócz funk­cji radio­ama­tor­skich peł­nił rolę, która w japoń­skich sate­li­tach tech­no­lo­gicz­nych jest uwa­żana za jedną z klu­czo­wych, mia­no­wi­cie miał za zada­nie prze­te­sto­wać jedną z metod przy­spie­sza­nia deor­bi­ta­cji sate­li­tów. Wybrano metodę oddzie­le­nia na uwięzi ele­mentu sate­lity, dzięki czemu zaczął on sta­wiać znacz­nie więk­szy opór aero­dy­na­miczny. Drugi sate­lita (1U, Nihon University) słu­żył radio­ama­to­rom.
W kolej­nym star­cie wynie­sione zostały trzy cube­saty „made in Japan” – Hayato, Waseda-SAT2 oraz Negri. Wszystkie zbu­do­wano w wer­sji 1U, ale ich zada­nia nie były już tak pro­ste, jak u poprzed­ni­ków. Pierwszy posia­dał kamery do obser­wa­cji Ziemi w zakre­sie pro­mie­nio­wa­nia mikro­fa­lo­wego, co pozwa­lało reje­stro­wać wystę­po­wa­nie pary wod­nej w atmos­fe­rze, drugi testo­wał elek­tro­nikę, kon­kret­nie bez­po­śred­nio pro­gra­mo­walną macierz bra­mek, trzeci zaś obser­wo­wał Ziemię oraz testo­wał metodę orien­ta­cji prze­strzen­nej za pomocą wysu­wa­nych ele­men­tów („wio­se­łek”). Kolejny pakiet czte­rech japoń­skich sate­li­tów roz­miaru 1U wynie­siono w 2014 r. Były to KSAT2 (Hayato 2), OPUSAT (Osaka Prefecture University Satellite) do bada­nia sys­temu zasi­la­nia opar­tego na super­kon­den­sa­to­rach litowo-jono­wych, radio­ama­tor­ski INVADER (Interactive satel­lite for Art and Design Experimental Research, ARTSAT‑1) i tech­no­lo­giczny ITF‑1 (Imagine The Future 1, Yui). Do wyno­sze­nia wymie­nio­nych sate­li­tów uży­wano rakiet typu Kosmos-3M, Dniepr, PSLV i H‑2A.

Z pomocą ISS

W 2012 r. poja­wiła się nowa moż­li­wość wysy­ła­nia kostek. Zamiast mon­to­wa­nia P‑PODów na adap­te­rach na ostat­nim stop­niu rakiet nośnych, gdzieś pomię­dzy głów­nymi ładun­kami i wyno­sze­nia ich na orbity zgodne z zada­niami tychże, posta­no­wiono wyko­rzy­stać do tego celu Międzynarodową Stację Kosmiczną. Jak wia­domo, japoń­skie labo­ra­to­rium Kibo jest wypo­sa­żone w nie­wielką śluzę, umoż­li­wia­jącą wysta­wia­nie okre­ślo­nych ładun­ków na zewnątrz, a także ponowne cho­wa­nie ich do wnę­trza sta­cji.
Z chwilą wej­ścia do eks­plo­ata­cji trzech nowych bez­za­ło­go­wych trans­por­tow­ców, sta­cja mogła się stać orbi­tal­nym kosmo­dro­mem dla cube­sa­tów. Amerykańskie Dragony i Cygnusy, a także japoń­ski HTV mogą w każ­dej misji dostar­czyć na pokład ISS pewną ilość zasob­ni­ków zawie­ra­ją­cych cube­saty, które astro­nauci mogą w okre­ślo­nej chwili wyrzu­cić na zewnątrz. Istnieją dwie metody wyrzu­ca­nia nano­sa­te­li­tów z ISS. Pierwsza to japoń­ski J‑SSOD (Japanese Experiment Module (JEM) Small Satellite Orbital Deployer), druga ame­ry­kań­ski NRCSD (NanoRacks CubeSat Deployer). Japoński sys­tem pozwala na wyrzu­ce­nie w jed­nym cyklu pracy śluzy sze­ściu jed­no­stek, gdyż składa się z dwóch stan­dar­do­wych P‑PODów (2×3U). Obecnie na sta­cji uży­wany jest też ame­ry­kań­ski sys­tem który dzięki zmia­nie kon­fi­gu­ra­cji pozwala w jed­nym cyklu umie­ścić w ślu­zie aż 48 jed­no­stek (8×6U). Jako pierwsi z takiej moż­li­wo­ści wysy­ła­nia cube­sa­tów sko­rzy­stali oczy­wi­ście Japończycy.

  • Waldemar Zwierzchlejski

To jest skrócona wersja artykułu.

CZYTAJ E-WYDANIE KUP WYDANIE PAPIEROWE