Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 30 (vyšlo 1.září, ročník 15 (2017)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Český CubeSat létá nad našimi hlavami

Veronika Stehlíková, Ladislav Sieger

Od 23. června 2017 kolem Země krouží česká družice VZLUSAT-1. Patří do rodiny družic CubeSat a byla vyvinutá, postavená a otestovaná jako výsledek spolupráce několika českých společností. Její start byl spolufinancován projektem QB50. Tento projekt vznikl na celosvětové vlně malých satelitů, jejichž vývoj a náklady na vyslání na orbitu jsou výrazně menší než u standardních misí, zároveň však i tyto družice mohou poskytnout zajímavá vědecká data. V případě VZLUSAT-1 se jedná o technologickou družici, primárním cílem mise tedy není provádět vědecké experimenty, ale otestovat nové technologie, materiály, senzory a algoritmy. Hlavním řešitelem projektu je Výzkumný a zkušební letecký ústav v Letňanech, kde byla družice konstruována. VZLÚ poskytlo řadu specializovaných pracovišť, umožňujících simulování orbitálních podmínek a testování satelitu. Další zúčastněné subjekty poskytovaly různé části vědeckých experimentů, například senzory pro měření vlhkosti a radiace nebo miniaturní rentgenový dalekohled. Družice byla vynesena na orbitu dne 23. 6. 2017 v 3:59 UTUT – světový čas, Universal Time. Čas je dnes měřen podle standardu UTC (Universal Time Coordinated) a je totožný s pásmovým časem na Greenwichském poledníku. Do roku 1928 se označoval zkratkou GMT (Greenwich Mean Time), v té době byl odvozen od střední doby oběhu Země kolem Slunce. (5:59 SELČSEČ – středoevropský čas. SEČ je roven světovému času + 1 hodina. V období od poslední březnové neděle do poslední říjnové neděle platí tzv. letní čas (SELČ), který je roven světovému času + 2 hodiny.) z indického kosmodromu Šríharikota raketou PSLV-C38 společně s indickým satelitem Cartosat-2 series a dvaceti osmi dalšími malými satelity ze čtrnácti různých států – mimo jiné i Slovenska. Start  měla plně na starosti indická kosmická agentura ISROISRO – Indian Space Research Organisation, Indická kosmická agentura, která byla založena v roce 1969 a má na starosti indický vesmírný program. Rozpočet této státem řízené organizace je přibližně 2 miliardy USD ročně (2014). Organizace má přes 20 000 zaměstnanců. První úspěšná družice Aryabhata byla vypuštěna Sovětským svazem v roce 1975. V roce 1980 umístili Indové zcela samostatně na oběžnou dráhu Země družici Rohini. ISRO provozuje telekomunikační satelity INSAT a satelity IRS pro dálkový průzkum Země. V roce 2014 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Marsu indická sonda Mangalyaan.. V dnešním bulletinu se zaměříma na obecnou problematuiku družic CubeSat. Příště se podíváme, jak se taková družice u nás připravovala.

Družice CubeSat obíhající kolem Země. Umělecká vize ESA.

Družice CubeSat obíhající kolem Země. Umělecká vize ESAESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008..

ISRO – Indian Space Research Organisation, Indická kosmická agentura, která byla založena v roce 1969 a má na starosti indický vesmírný program. Rozpočet této státem řízené organizace je přibližně 2 miliardy USD ročně (2014). Organizace má přes 20 000 zaměstnanců. První úspěšná družice Aryabhata byla vypuštěna Sovětským svazem v roce 1975. V roce 1980 umístili Indové zcela samostatně na oběžnou dráhu Země družici Rohini. ISRO provozuje telekomunikační satelity INSAT a satelity IRS pro dálkový průzkum Země. V roce 2014 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Marsu indická sonda Mangalyaan.

Nanosatelity – satelity s hmotností kolem 1 kg a rozměry přibližně 10 cm. Jsou často vynášeny do vesmíru ve větším množství, jako tomu je například při některých startech nosných raket Vega, Atlas V nebo Delta II. Nejznámější projekt týkající se nanosatelitů je CubeSat, kde mají nanosatelity tvar krychliček o hraně 10 cm.

Kosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 1020 eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km2. Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.

Družice CubeSat

CubeSaty jsou miniaturní satelity skládající se z rozměrově unifikovaných modulů 100×100×113 mm nepřevyšující hmotnost 1,33 kg. S touto myšlenkou přišli profesoři Jordi Puig-Suari z California Polytechnic State University a Bob Twiggs ze Stanfordovy univerzity. Malé satelity se používají buď jako technologické, nebo jako vědecké pro sběr dat z pozorování na nízké oběžné dráze. První CubeSaty odstartovaly v roce 2003 na polární oběžnou dráhu. Od té doby se konstrukce CubeSatu používá jako levná varianta pro vývoj kosmických technologií. Využívá se jejich malých rozměrů a hmotnosti a jsou vysílány i jako přívažek při startu komerčních družic. Vystřelovací zařízení je podobné čtvercové trubce, do níž se umístí družice CubeSat. Po dosažení oběžné dráhy povelem ze Země jsou stlačenou pružinou družice vystřeleny do kosmického prostoru. Po vystřelení všech družic je zažehnut motor posledního třetího stupně rakety a komerční náklad vynesen na vyšší (obvykle okolo 800 km) oběžnou dráhu.

Družice CubeSat vypouštěné z Mezinárodní kosmické stanice

Experiment, při němž byly dne 25. února 2014 vypouštěny družice CubeSat
z Mezinárodní kosmické staniceISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. ISS je neustále ve stavbě a potýká se s finančními problémy na ruské i americké straně. V roce 2008 byl k ISS připojen Evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán..

Stavba družic má svá specifika, která jsou dána podmínkami ve vesmírném prostoru, které není třeba v pozemských podmínkách řešit. Je to především vakuum, které nese specifické požadavky na konstrukci elektroniky, radiace nebo rychlé změny teplot. Nelze použít některé typy součástek, například elektrolytické kondenzátory, které by mohly díky zbytkovému obsahu plynů explodovat. Nefungují běžné postupy chlazení součástek (větrák), ale pouze vyzařování chladičem do volného prostoru. Významným jevem ve vakuu je outgassing (odplynění) materiálů. Téměř libovolný materiál, který není určen pro vakuum, je zdrojem unikajících plynů, vlhkosti a organického znečištění v okamžiku, kdy se dostane na oběžnou dráhu. Toto plynné znečištění se objeví v prostoru družice, a tedy i na optických senzorech. Při průletu družice stínem Země mohou senzory oslepnout, když na nich zbytkové plyny kondenzují. Proto je významným úkolem i měření zbytkové vlhkosti v podmínkách vakua na oběžné dráze.

Dalším výrazným vlivem je radiace, která ovlivňuje funkci integrovaných obvodů (CPU, RAM, senzorů…). Tok protonůProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.neutronůNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10−27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní s poločasem rozpadu 886 s (15 minut). V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. způsobuje změnu struktury integrovaných obvodů, a tím může dojít k poruchám jejich chování. Proto nejsou vhodné moderní technologie (masky 14 nm, 22 nm), které jsou náchylnější na poruchy než technologie starší (65 nm). Proton, který se trefí do buňky paměti, může přepsat její informaci. Proto se velká pozornost věnuje novým stínicím materiálům. Jednak atomárně lehkým (kompozitní materiály), jednak atomárně těžkým (dodatečné stínění, dopanty do kompozitů). Každá část je účinná proti jiné části spektra kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 1020 eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km2. Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.. Kompozitní materiály jsou navíc perspektivní náhradou za lehké konstrukční materiály družic, jakými jsou hliníkové slitiny.

Výrazným vlivem, který je pro družice na nízké oběžné dráze (200 až 600 kilometrů na Zemí) typický, je periodická změna teploty. Doba oběhu je okolo 90 minut. To je rovněž perioda, se kterou dochází k chladnutí (na odvrácené straně Země) a ohřívání (na straně přivrácené ke Slunci) družice. Teplotní změny mohou dosáhnout rozdílu až okolo 130 °C (například od −50 °C až do 80 °C) podle konstrukce družice a volby dráhy. Je tedy jasné, že konstrukce družic má svá specifika, se kterými je nutné při volbě komponent počítat. Jedině tak má zkonstruovaná družice naději na úspěch. Za týden si povíme o tom, jak česká družice vypadá uvnitř, a za 14 dní se zaměříme na to, jak tato družice, která patří do rodiny CubeSatů, vznikala.

Video ze startu rakety PSLV-C38. Družice, včetně té české, byly vypuštěny na polární kruhové orbitě ve výšce 510 km. Předpokládaná doba života v atmosféře je delší než tři roky. Zdroj: PTI News Corporation.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage