Űrvilág űrkutatási hírportál (http://www.urvilag.hu)

 

Épül az első magyar műhold (3. rész)
(Rovat: Masat-1, Álmuk a világűr - 2009.06.28 09:00.)

Mindegy, hogy kicsi vagy nagy, de egy műholdat meg kell tervezni!

A tervezés lépései
A nagy projektekhez hasonlóan a Masat tervezése is egy úgynevezett top-to-bottom (magas szintről lefele) modellt követ. Az első lépés a Mission Requirement Document (Küldetés-specifikáció) elkészítése. Fel kell vázolni, hogy a műhold mit fog csinálni. Ha ez elkészült, a következő állomás a System Requirement Document (Rendszer-specifikáció), mely megadja, hogy az adott feladatot milyen rendszerek tudják, illetve fogják végrehajtani, ehhez milyen alrendszereket kell használni, mely egységekből állnak az alrendszerek, milyen alkatrészekből lehet felépíteni az egységeket és így tovább az utolsó ellenállásig. Minden elkészült ilyen fázis után készítenek egy Preliminary Design Review-t (Megvalósíthatósági tanulmány), melyet a résztvevők közösen elemeznek, számba véve a lehetőségeket és az esetleges hibákat (az előzetes tervben szereplő kísérletet egy ilyen elemzést követően cserélték le a jelenlegire). Ezek után a megtervezett áramköröket deszkamodellekben meg kell valósítani tesztelés céljából, hogy kiderüljön, tényleg a tervezésnek megfelelően működik-e minden. Ha tökéletesre csiszolták a hardvert, a végleges alkatrészeket meg kell rendelni, a nyomtatott áramköröket (NYÁK) le kell adni gyártásba (ezt egy nagynevű magyar cég ingyen vállalta), majd az alkatrészeket be kell ültetni (erre van lehetőség az egyetemen is) és kezdődhet a kvalifikációs tesztelőkészítés. A végleges változatot az EET tisztaszobájában laminális szekrényben szerelik össze.

A részegységek
Egy CubeSat alapvetően öt fő rendszerre épül: energiabiztosítás, kommunikációs egység, hőháztartást figyelő és beavatkozó rendszer, fedélzeti számítógép, ADCS (Attitude Determination and Control Subsystem – pozíció-meghatározó és vezérlő rendszer), valamint a szokásos kísérlet, mely a műhold célját adja. Ezeket kártyákon helyezik el, melyek egymás fölé vannak pakolva. A Masaton 5-6 ilyen kártyát helyeznek el egy keretbe, ez adja a kocka formát. Az energiaellátó rendszer önmagában majdnem 3 kártya, a kommunikációs rendszer egy teljes kártya, a fedélzeti számítógép szintén egy, és ezek mellett még minden alrendszer mellé kell house-keeping (viselkedés-figyelő) rendszer is.

A kísérlet
Az ilyen pikoműholdakon bevett szokás egy kísérletet is telepíteni az alaprendszerek mellé, funkció gyanánt. A Masat-1 esetében a legfontosabb kísérlet a műhold forgását ellenőrző és beállító félaktív mágneses stabilizáló rendszer megvalósítása, ami az ADCS része. A műhold tartalmaz egy állandó mágnest, amivel az antenna irányát fogják beállítani. Ezen az állandó mágnesen kívül alkalmaznak még két tekercset, amik az állandó mágnesre is és egymásra is páronként merőlegesen helyezkednek majd el. Ez lesz az egyetlen nem redundáns egység a műholdban. A működési elv a Biot–Savart-törvényen alapul, amely szerint egy tekercsen átfolyó áram mágneses mezőt hoz létre, mely erőt fog kifejteni a föld mágneses mezejével szemben, így a perdület megváltoztatására, azaz a forgás megszüntetésére alkalmas. De elképzelhető olyan alkalmazása is, amivel a műhold keringési pályájának sugara növelhető. (Esetleg megfordítva: a keringési sugár csökkentésének árán energia nyerhető a tekercsekben indukálódó áramokból.)

A másik kísérlet a Nap pozíciójának meghatározására alkalmas ún. napszenzor megvalósítása lesz. Jelen állás szerint biztosan lesz a kocka minden oldalán egy-egy infratartományra érzékeny pn-átmenet. Ha megfelelő hullámhosszúságú fény éri őket, akkor töltésáramlás indul meg bennük. A hat különböző irányba néző dióda más-más erősségű fényt fog kapni a Nap pozíciójától függően, az eltérő megvilágítás eltérő mértékű töltésáramlást, azaz áramot jelent. Ezeket mérve következtetni lehet a Nap helyzetére. Egy másik, még kísérleti fázisban levő módszer is létezik a feladat elvégzésre, egy érzékelő lapka (olyan, mint a touchpad, csak fényre érzékeny) felett egy lyukat vágnak a burkolaton, amin keresztül a beeső napfény egy pontot rajzol a lap felületére. Ezt a pontot ez az eszköz detektálja és meg tudja mondani, hogy melyik részén érzékelte (x-y koordináták formájában). Ha ez a pont elmozdul (változik a Nap helyzete), akkor változik a koordináta is.

Tápellátás
Az űrtechnikai energiaellátásban eddig megszerzett tapasztalatok birtokában (az Űrkutató Csoport, amely konzultációs partnerként a szakértői hátteret biztosítja a Masat-projektben, már 17 sikeres startot jegyez, melyekben a tápellátást ők tervezték) a fejlesztés viszonylag könnyen beindult. Az biztos volt, hogy két rendszert használnak majd, egy elsődlegest napelemekkel és egy másodlagost akkumulátorral. A napelemek legnagyobb nehézsége a Masat-1 esetében az, hogy lévén ez egy 1U-s CubeSat (1U a szabvány egység, a 10x10x10cm-es kocka, léteznek 20x10x10 és 30x10x10, vagyis kétszeres illetve háromszoros hosszúságú CubeSatok is), csak a kocka oldalain lehet elhelyezni őket. Ezekből viszont egyszerre legfeljebb három lát napfényt, ráadásul az egész szerkezet forog, változik a megvilágítottsága. A napelemek munkapontja erősen megvilágítottság-függő (adott feszültség és áram mellett éri el maximumát), ezért ebben a rendszerben hatszoros a redundancia, mind a hat oldalnak külön munkapont-beállító áramköre van. Az energia biztosítása azért nem olyan lehetetlen feladat, sokat segít például a Föld ~30%-os albedója (elektromágneses sugarak visszaverődési képességének mérőszáma), mely a bolygó felé néző napelemeket is meg tudja „hajtani”. A nyitható és forgatható napelem ebben a méretben elképzelhetetlen, mivel sem a paneleknek, sem a vezérlésnek nincs elég hely egy ilyen kis kockában. Nagyobb, 3U-s CubeSatokra építettek már nyitható napelemet, de ott meg állandóan ügyelni kell az orientációra, a műholdat mindig a Nap felé kell fordítani, ha erre van lehetőség, ami szintén extra energiaigényeket támaszt.

Az akkumulátor működtetéséhez megfelelő hőmérsékletet kell biztosítani, mínusz tíz fok körül már nem nagyon lehet energiát kinyerni belőle. Ezen túl az eltárolt energiát védeni kell, el kell érni, hogy az egyes alkatrészek ne vegyenek fel nagy áramokat. A műhold legenergiaigényesebb részei a stabilizációs kísérletben szereplő tekercsek és a kommunikációt biztosító rádió. Amikor a Masat-1 árnyékos részen halad át (nincs napenergia), akkor az akkumulátor biztosít elég energiát a működésre, de ez persze függ a feltöltöttségétől is.

Kommunikáció
A műhold persze semmit nem ér, ha nem tudjuk róla, hol van, mit csinál, milyen állapotban vannak az egyes részegységei. Ma erre a legelterjedtebb módszer a rádióhullámmal való adattovábbítás, azonban messze nem triviális, hogy mégis hogyan működjön. Főleg egy CubeSat esetében, ahol 10 cm-nél hosszabb antennát aligha lehet elhelyezni az eszközön. Mechanikailag persze megoldható egy kihajtogatható antenna, de ez igen sok helyet és mérnökórát igényelne, ezért (is) terjedt el a CubeSatokon a rugalmas antenna. A Masat-1-en például szalag formában felcsavarva található, amit előírás szerint csak a szállítórakétától való eltávolodás után nyit ki. Ekkortól kezdve lehetséges a műholddal kommunikálni. A kommunikációs alrendszer hidegtartalékolt, vagyis van egy tartalék egysége. Az adónak 3 üzemmódja van: leküldi a HA5MASAT hívójelet morzézva, majd leküld egy kódot FSK modulációval, aminek az a célja, hogy kézi rádióval lehessen detektálni a műholdat, majd jön a telemetria csomag. A morzéhez és a telemetriához irányított antenna kell. A telemetria tartalmazza a műhold belső egységeinek állapotát. Az adó 435 MHz-es amatőrsávban, 2-FSK modulált, 1200 bit/s adatsebességű jelet küld. Ezeket az adatokat egyszerű rádióamatőr felszereléssel is lehet fogni, a csomagok „olvasásához” pedig csak egy Java-programot futtatni képes számítógép kell hangkártyával. Ennek az adásnak a vételéhez viszont rá kell állítani az antennát a Masat-1-re. Tehát ahhoz, hogy vehessük a pályaadatokat, és ebből megtudjuk, hol van a műhold, előtte tudnunk kell, hova állítsuk az antennát, vagyis tudni kell, hol van a műhold. A helyzet persze nem ilyen kilátástalan, hiszen az amerikai NORAD (North American Aerospace Defense Command) folyamatosan követi radar segítségével a Föld körül keringő 1cm-nél nagyobb tárgyakat, az általuk biztosított adatokkal pedig egy szoftver segítségével ki lehet számolni a pozíciót.

A készítőknek frekvenciaengedélyért kellett folyamodniuk az ITU-hoz (Nemzetközi Távközlési Unió), az IARU-hoz (Nemzetközi Rádióamatőr Unió) és az NHH-hoz (Nemzeti Hírközlési Hatóság). A formanyomtatványon azonban a következő rovat is szerepelt: Adóállomás címe (utca, házszám). Ezt persze nem lehet megmondani, így annyit írtak a szövegmezőbe: tengerszint felett 670 km, napszinkron pálya. Egyelőre csak az NHH-tól kaptak engedélyt, a nemzetközire még várni kell. Ez is azt mutatja, hogy precedens értékű a fejlesztés, ami az egyetemünkön folyik.

(Folytatjuk!)

Bodó Zsófia, Perlaky Zoltán, Szabó Ádám, Zovits Ádám

Az írás az Impulzusban, a BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar Hallgatói Képviseletének lapjában jelent meg a 2008/2009-es tanév tavaszi félévében.

Teljes verzióMinden jog fenntartva - urvilag.hu 2002-2019