PW-Sat

pierwszy polski satelita w kosmosie

Standard CubeSat

CubeSat to standard zaproponowany przez California Polytechnic State University (CalPoly). Jego głównym celem jest ułatwienie studentom z całego świata dostępu do kosmosu. Najważniejszym ograniczeniem dla studentów są koszty podsystemów satelitarnych oraz koszty samego wystrzelenia ładunku na orbitę. CalPoly zaproponowała, by redukować je poprzez seryjną produkcję niektórych podzespołów oraz wykorzystanie elementów dostępnych komercyjnie na rynku.

Dodatkowo satelity powinny być niewielkie, tak, by w czasie jednego startu rakiety nośnej umieścić na jej pokładzie kilka satelitów. Powstały ogólne wytyczne, według których typowy satelita klasy CubeSat powinien być sześcianem o wymiarach 100 × 100 × 113 mm i masie nie przekraczającej 1330 g (satelity tej wielkości nazywane są pikosatelitami).

Zarówno w czasie startu, jak i pracy na orbicie, nie mogą od niego oddzielać się żadne elementy. Zakazana jest również wszelkiego rodzaju pirotechnika (CubeSaty nie posiadają silników manewrowych) czy wykorzystanie niebezpiecznych materiałów.

Specyfikacja CubeSat narzuca bardzo ogólne ramy dla konstruktorów, pozostawiając pełną swobodę co do charakteru misji i zasadniczego ładunku satelity. W skrajnych przypadkach możliwe jest zmontowanie satelity w całości z prefabrykowanych elementów, ale również samodzielne wykonanie go od podstaw przez dany zespół. W większości przypadków cześć elementów jest kupowana, natomiast samodzielnie tworzony jest ładunek użyteczny – najważniejszy i będący kwintesencją całej misji. Właśnie w taki sposób powstał PW-Sat.

Satelita PW-Sat
co krył w sobie pierwszy polski satelita?

Bez względu na to czy wymiary satelity sięgają centymetrów czy dziesiątków metrów, musi on zawierać systemy pozwalające na zasilanie satelity, komunikację z Ziemią i funkcjonowanie ładunku użytecznego.

  • Struktura

    Integracja satelity PW-Sat. Fot. A. Kotarba

    Aluminiowy szkielet, do którego przymocowane są wszystkie elementy. Zapewnia właściwe położenie elementów w czasie startu rakiety nośnej, zabezpieczając podsystemy przed uszkodzeniem mechanicznym. Jednocześnie odgrywa ważną rolę w stabilizacji termalnej satelity. Jeśli jakiś podsystem wydziela dużo ciepła, jest ono przekazywane elementom struktury, cechującej się dużą pojemnością cieplną. Ze szkieletu nadmiar ciepła jest wypromieniowywany w przestrzeń kosmiczną. Wygląd niektórych elementów szkieletu wymusza specyfikacja CubeSat – są to cztery krawędzie sześcianu. W czasie umieszczania satelity na orbicie krawędzie te stykają się ze specjalnym kontenerem (tzw. P-POD), z którego PW-Sat będzie uwalniany

  • Zasilanie

    Integracja ogona deorbitacyjnego PW-Sata pokrytego elastycznymi panelami fotowoltaicznymi. Fot. A. Kotarba

    PW-Sat jest w całości zasilany energią słoneczną, zamienianą na prąd elektryczny w ośmiu fotoogniwach, umieszczonych na ścianach satelity. Fotoogniwa jednej ściany zapewnią prąd o mocy minimum 2 W. Prąd zostanie częściowo zużyty do ładowania akumulatora litowo-jonowego, co zapewni zasilanie w czasie, gdy satelita znajdzie się w cieniu Ziemi. Sprawność fotoogniw sięga około 27%. PW-Sat wyposażony będzie również w dodatkowe ogniwa, eksperymentalne, zamontowane na ogonie – te ogniwa nie będą podłączone do sytemu zasilania satelity, są wyłącznie częścią eksperymentu.

  • Komunikacja

    PW-Sat z rozłożonymi antenami. Fot. A. Kotarba

    Komunikacja jest niezbędna do przesyłania przez satelitę danych na Ziemię oraz odbierania komend ze stacji naziemnej. System komunikacji PW-Sata składał się z dwóch modułów: komunikacyjnego oraz antenowego. Moduł antenowy zawierał w sobie cztery anteny taśmowe, każda o długości 55 cm. W czasie startu anteny były zwinięte i rozłożyły się dopiero pół godziny po oddzieleniu satelity od rakiety nośnej. Proces rozkładania anten potrwał nie dłużej niż 3 sekundy. Łączność realizowana była na częstotliwościach 435,032 MHz (uplink; do satelity) i 145,902 MHz (downlink; z satelity).

  • Ogon deorbitacyjny

    Ogon deorbitacyjny PW-Sata. Fot. A. Kotarba

    Kilka tygodni po oddzieleniu PW-Sata od rakiety nośnej, na komendę z Ziemi satelita miał rozłożyć strukturę deorbitacyjną nazywaną ogonem. Była to ponadmetrowa sprężyna o przekroju kwadratu, której każdy z czterech boków został pokryty elastycznymi fotoogniwami. W czasie startu rakiety ogon był złożony we wnętrzu satelity. Na komendę z Ziemi miał zostać uwolniony, jednak problemy techniczne z komunikacją uniemożliwiły przeprowadzenie eksperymentu.

  • Komputer pokładowy

    Wnętrze PW-Sata. Fot. A. Kotarba

    Komputer pokładowy odpowiada za zarządzanie pracą całego satelity. Poprzez system telekomunikacji odbiera z Ziemi komendy i przekazuje ich wykonanie do innych podsystemów. Jednocześnie zbiera informacje np. o temperaturze, buforuje je i przygotowuje do przesłania do naziemnej stacji odbiorczej w czasie sesji komunikacyjnej. Głównym układem zarządzającym komputera jest 32-bitowy ARM 7. Oprogramowanie jest rozwijane w języku C.

Zespół PW-Sata
Od lewej: prof. Piotr Wolański (PW, koordynator projektu), Maciej Urbanowicz z PW-Satem w rękach (PW, koordynator projektu), Tomasz Szewczyk (CBK PAN, główny elektronik), Marcin Dobrowolski (CBK PAN), prof. Marek Banaszkiewicz (Dyrektor CBK PAN).

Od lewej: prof. Piotr Wolański (PW, koordynator projektu), Maciej Urbanowicz z PW-Satem w rękach (PW, koordynator projektu), Tomasz Szewczyk (CBK PAN, główny elektronik), Marcin Dobrowolski (CBK PAN), prof. Marek Banaszkiewicz (Dyrektor CBK PAN).

PW-Sat to inicjatywa studentów Politechniki Warszawskiej, zrzeszonych w Studenckim Kole Astronautycznym (SKA) i Studenckim Kole Inżynierii Kosmicznej (SKIK). Finalne prace nad satelitą były realizowane we współpracy z Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk (CBK PAN).

W ostatnim etapie prac nad satelitą, największy wkład w projekt miały osoby, których nazwiska znalazły się na satelicie (Zespół z roku 2011): Kamil Bobrowski, Andrzej Cichocki, Marcin Dobrowolski, Rafał Graczyk, Jerzy Grygorczuk, Marcin Iwiński, Bartosz Kędziora, Adam Kostrzewa, Jan Kostrzewa, Andrzej Kotarba, Andrzej Kotarski, Michał Kurowski, Jakub Lisowski, Marta Mordalska, Piotr Orleański, Marcin Stolarski, Tomasz Szewczyk, Marta Tokarz, Maciej Urbanowicz (kierownik projektu od roku 2010), Łukasz Wiśniewski, Piotr Wolański, Grzegorz Woźniak.

Przez lata trwania projektu powstało wiele wersji satelity, wiele jego modeli. Pracowało nad nimi kilkadziesiąt osób, poświęcając swój czas i wiedzę. Obok wyżej wymienionych, byli to: Marcin Abramowicz, Kacper Bąk, Katarzyna Dąbrowska, Edyta Dziemińska, Wojciech Frączek, Szymon Fulara, Konrad Giec, Kamil Glebowicz, Arek Glinka, Jakub Głowacki, Paweł Grudziński, Krystian Górski, Tomasz Janson, Mariusz Kędzierawski, Paweł Kicman, Marcin Kocoń, Przemysław Kryczka, Michał Kurowski, Rafał Kwaśny, Krzysztof Mellem, Piotr Michniewski, Grzegorz Misiołek, Lukasz Mosdorf, Michał Mosdorf, Grzegorz Niemirowski, Marcin Nowakowski, Przemysław Nowakowski, Luis Daniel Ortiz-Kowalczuk, Inna Ouvarova, Jan Piekarski, Krzysztof Pięta, Mateusz Piwek, Rafał Przybyła (koordynator projektu w latach 2004-2009), Sebastian Rodak, Krzysztof Rogowski, Tomasz Rybarski, Tomasz Rybus, Tomasz Stanisławski, Artur Szybiak, Natalia Ustynowicz, Mateusz Wolski, Kamil Woźniak, Marian Zastawny, Mateusz Żmuda.

Deorbitacja

Deorbitacja to inaczej zejście satelity z orbity, w następstwie którego deorbitowany obiekt wchodzi w atmosferę i jest tam niszczony. Z perspektywy obserwatora na powierzchni Ziemi, można wtedy na niebie zaobserwować bardzo jasny meteor.

Z chwilą, gdy satelita ulega zniszczeniu, okołoziemska orbita staje się nieco bezpieczniejsza. Okazuje się bowiem, że wiele satelitów po zakończeniu swych misji potrafi wciąż okrążać Ziemię nawet przez dziesiątki lat. Nieaktywne obiekty, nad którymi nikt nie ma już kontroli, stają się kosmicznymi śmieciami. Zaczynają stwarzać zagrożenie dla nowych satelitów, nieustannie wysyłanych w kosmos (w tym dla pojazdów załogowych i stacji orbitalnych). O tym, że zagrożenie jest realne mogliśmy się przekonać np. 10 lutego 2009, gdy doszło do zderzenia funkcjonującego satelity Iridium 33 z nieaktywnym rosyjskim satelitą wojskowym Kosmos 2251. W wyniku zderzenia obydwa obiekty uległy całkowitemu zniszczeniu, a co gorsza, powstały przy tym chmury małych fragmentów, zagrażających innym satelitom.

Gdyby Kosmos 2251 został wyposażony w system deorbitacji, można byłoby go usunąć z orbity, gdy satelita zakończył operacyjną służbę. Gdyby… Rosnąca ilość kosmicznych śmieci i rosnące ryzyko kolizji zmuszają do opracowania i wdrożenia technik przyśpieszających deorbitację tak, by zużyty satelita jak najszybciej był “utylizowany”.

W przypadku satelitów na niskich orbitach, czynnikiem przyspieszającym deorbitację może być atmosfera i jej szczątkowy opór. Tak jak w spadochronie otwarcie jego czasy zwiększa opór aerodynamiczny, tak zwiększenie powierzchni satelity na niskiej orbicie powoduje powolne, ale zauważalne “wyhamowywanie”. Konsekwencją jest obniżenie orbity, dalszy wzrost oporu i coraz szybsze obniżanie. Aż do (nie)szczęśliwego zakończenia.

Głównym ładunkiem PW-Sata był system powodujący zwiększenie oporu aerodynamicznego satelity. Choć może brzmieć to nieco dziwnie, PW-Sat był wysłany w kosmos po to, by jak najszybciej został z niego zepchnięty w atmosferę i zniszczony. System deorbitacji PW-Sata składał się ze struktury nazywanej ogonem. Miała ona kształt sprężyny o przekroju kwadratu i długości około metra. Boki ogona obłożone były elastycznymi fotoogniwami, przytwierdzonymi do sprężyny. Na czas startu cała struktura była złożona – wciśnięta w specjalnie przygotowaną przestrzeń wewnątrz satelity. Kilka tygodni po starcie, na komendę z Ziemi ogon miał zostać rozłożony – przepalona zostałaby nić blokująca mechanizm sprężyny i ogon “wystrzeliłby” w ułamku sekundy pozostając jednocześnie przytwierdzony na jednym końcu do satelity. Z rozłożonymi antenami oraz ogonem satelita miał wymiary około 150 x 100 x 13 cm.

Ogon deorbitacyjny PW-Sata

PW-Sat bez systemu deorbitacji pozostawałby na swej eliptycznej (300×1450 km) orbicie przez niemal cztery lata. Spodziewane zwiększenie oporu przez rozłożenie ogona skróciłoby czas życia satelity do roku. Analogiczne systemy mogłyby być montowane w nowo powstających satelitach i włączane w chwili, gdy misja dobiega końca. To pozwoliłoby na oczyszczanie orbit z niepożądanych kosmicznych śmieci.

Elastyczne fotoogniwa

Elastyczny ogon PW-Sata pokryty ogniwami fotowoltaicznymi mieścił się w niewielkiej objętości. Fot. A. Kotarba

Podstawowym sposobem zapewnienia elektryczności dla przeważającej większości satelitów i sond kosmicznych jest Słońce. Promieniowanie słoneczne zamieniane jest na prąd w fotoogniwach (panelach słonecznych), w jakie wyposażane są satelity. Im więcej prądu jest dostępne dla podsystemów, tym większe możliwości satelity. Rodzi to konieczność budowy fotoogniw wydajniejszych i o większej powierzchni. Jednak wzrost rozmiarów to chociażby problem z pomieszczeniem ładunku w rakiecie nośnej. Napotkali go przed laty konstruktorzy Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, starający się pomieścić obserwatorium i jego fotoogniwa w ładowni wahadłowca. Udało się, gdyż postanowiono panele słoneczne zrolować – na elastycznym materiale naklejano sztywne płytki fotoogniw, w takiej odległości od siebie, by całość dało się zwinąć i w kompaktowej postaci wynieść na orbitę.

A gdyby pójść o krok dalej i zamiast elastycznego podkładu ze sztywnymi fotoogniwami, same fotoogniwa były elastyczne? Właśnie takie fotoogniwa miały być przetestowane w warunkach kosmicznych w czasie misji PW-Sata. Zostały przymocowane do czterech boków ogona i miały rozpocząć prace kilka tygodni po starcie satelity. Sprawność fotoogniw wynosiła około 5%, co oznacza, że jedynie 5% energii słonecznej padającej na fotoogniwa zostaje zamieniona na prąd. To bardzo niewiele w porównaniu chociażby z głównymi fotoogniwami PW-Sata – te mają sprawność około 25% (najlepsze istniejące fotoogniwa projektowane do misji kosmicznej sprawnością sięgają 45-50% (2012)). W przypadku PW-Sata chodziło nie tyle o ilość uzyskanej energii elektrycznej (prąd z eksperymentalnych paneli nie będzie w ogóle wykorzystywany do zasilania satelity), co przetestowanie samej koncepcji elastycznych fotoogniw.

Innowacyjne fotoogniwa testowane przez PW-Sata znajdą zastosowanie zarówno w technice kosmicznej, jak i naszym życiu codziennym. Tu warto przypomnieć, że panele słoneczne, które być może są i na naszym dachu, to przykład jak technologia kosmiczna trafia nie tyle pod strzechy, co na strzechy. Nie byłoby bowiem współczesnych ogniw fotowoltaicznych bez eksploracji kosmicznej, która dostrzegła w nich ogromny potencjał i przyczyniła się do ogromnego rozwoju technologii.

  • Start

    Rakieta Vega przed startem 13 lutego 2012 r. Fot. ESA – S. Corvaja, 2012

    PW-Sat został wyniesiony podczas dziewiczego lotu rakiety Vega w 2012 roku. CubeSaty były ładunkiem dodatkowym – rola głównego pasażera rakiety przypadła włoskiemu, czterystukilogramowemu satelicie LARES (Laser Relativity Satellite). Wystrzelenie satelitów sponsorowała ESA (więcej informacji tutaj).

    Vega została zaprojektowana jako lekka i tania rakieta nośna dla niewielkich ładunków wysyłanych na niskie orbity okołobiegunowe. Typowym zadaniem dla Vegi będzie wynoszenie satelitów o masie około 1500 kg na wysokość około 700 km. Vega w wersji, która wyniosła PW-Sata miała masę 137 ton i mierzyła 30 metrów wysokości.

  • Separacja

    PW-Sat w zasobniku. Fot. A. Kotarba

    PW-Sat wraz z innymi CubeSatami został umieszczony w specjalnych kontenerach, przytwierdzonych do ostatniego stopnia rakiety nośnej. W nomenklaturze projektu CubeSat kontenery nazywane są Poly-Picosatellite Orbital Deployer (P-POD). P-POD zwykle mieści w sobie trzy satelity o wymiarach 10×10×13 cm.

    Gdy Vega osiągnęła docelową wysokość i odłączył się od niej główny ładunek (LARES), nadszedł czas, by kolejno oddzieliły się mniejsze satelity. Separacja – w skrócie – polega na otwarciu klapy kontenera, co zwalnia blokadę sprężyny wypychającej i w przestrzeń kosmiczną “wystrzeliwane” są zwykle trzy satelity.

  • Orbita robocza

    Ładunek Vegi był lżejszy, niż będzie to miało miejsce w typowych misjach, więc możliwe było umieszczenie go na wyższej orbicie (kołowej, 1450 km nad powierzchnią planety), nachylonej pod kątem 71.7 stopni do płaszczyzny równika. Na podobną orbitę trafiły pozostałe satelity Vegi, w tym PW-Sat. Różnica w stosunku do LARES-a polegała na wysokości perygeum, które sięgnęło zaledwie około 300 km (orbita była więc silnie eliptyczna). Wysokość perygeum stopniowo malała, aż satelita zszedł w gęste warstwy atmosfery i uległ zniszczeniu. Ponieważ był bardzo mały, żaden z jego elementów nie dotarł do powierzchni Ziemi.

    PW-Sat spłonął w atmosferze 28 października 2014 roku po 2 latach, 8 miesiącach i 15 dniach na orbicie.

  • Praca na orbicie

    Gdy PW-Sat znalazł się na orbicie, jego zadaniem było w pierwszej kolejności rozłożenie anten komunikacyjnych, co nastąpiło pół godziny po oddzieleniu się satelity od rakiety nośnej. Od tego momentu PW-Sat był w stanie komunikować się z Ziemią i przesyłać informacje telemetryczne – tzn. opisujące stan satelity (np. temperaturę każdej ze ścian, informacje o ilości generowanego prądu elektrycznego). Dodatkowe informacje miały pojawić się po rozłożeniu ogona z eksperymentalnymi fotoogniwami. PW-Sat nie przesyłał żadnych zdjęć – nie był wyposażony w kamery.