Спецификация конструкции CubeSat
1. Введение.
CubeSat (Cube Satellite - кубический спутник, КубСат) - это малые спутники (пикоспутники) модульной кубической формы. Самый маленький имеет длину ребра 10 см и массу до 1.33кг. Более крупные спутники имеют форму и массу, кратные 1.5x, 2x, 3x одиночных модулей, состыкованным друг с другом по одной линии.
1.1 История создания
Проект CubeSat был начат в 1999 году совместными усилиями профессора Джорди Пьюг-Суари (Prof. Jordi Puig-Suari) из Калифорнийского Политехнического Университета (California Polytechnic State University), Сан Луис Обиспо (San Luis Obispo), профессором Бобом Твиггсом (Prof. Bob Twiggs) из Лаборатории Развития Космических Систем Стэнфордского университета (Stanford University’s Space Systems Development Laboratory (SSDL)). Целью проекта является создание стандартных требований к конструкции пикоспутников для уменьшение стоимости и сроков разработки, обеспечения доступности доступа в космос и осуществления частых запусков. В настоящее время в работе над проектом CubeSat участвуют более 100 международных универсистетов, школ и частных предприятий, разрабатывающих пикоспутники для научных, частных и государственных задач.
1.2 Назначение
Основное назначение проекта CubeSat - предоставить возможность запускать в космос небольшие полезные нагрузки. Основной зоной ответственности Калифорнийского Политехнического Университета, как разработчика P-POD (Poly Picosatellite Orbital Deployer - Носитель для вывода на орбиту набора пикоспутников), является обеспечение безопасности запускаемого CubeSat’а, ракеты-носителя, основной полезной нагрузки и других CubeSat’ов. Разработчики CubeSat’ов должны активно участвовать в обеспечении безопасности и успешности CubeSat миссий, применяя хорошие инженерные практики, тестирование и проверку систем. Аварии в работе CubeSat, P-POD или интерфейсных систем могут повредить ракету-носитель, основную полезную нагрузку и подвергнуть всю программу CubeSat большому риску. Все участники сообщества CubeSat обязаны обеспечить безопасную работу своих систем и соответствие требованиям к конструкции и испытаниям, описанным в данном документе. Требования, приведенные в данном документе, могут быть заменены требованиями поставщика запуска ракеты-носителя.
1.3 Процедура согласования отклонений от основных требований.
Разработчики обязаны заполнить форму “Запроса проверки отклонений от требований” DAR (Deviation Wavier Approval Request), если их CubeSat не удовлетворяет любому требованию из указанных в разделе 2 или 3 настоящего документа. Процесс согласования должен быть быстрым и простым. Его назначение - это облегчение взаимных согласований и обмена сложной документацией между CubeSat разработчиками, интеграторами P-POD, различным персоналом безопасности и поставщиком запуска ракеты-носителя. Это должно облегчить определение, а также нахождение путей решения любого вопроса, который может возникнуть до интеграции P-POD и запуска. Скачать DAR можно с сайта http://www.cubesat.org. Все запросы следует отправлять по адресу: standards@cubesat.org
При получении запроса согласования отклонений DAR интегратор P-POD рассматривает запрос, решает все возникшие вопросы, и определяет какие дополнительные действия (тесты, анализы или издержки) необходимы для выполнения процедуры согласования. При наличии дополнительных действий, разработчик на основе информации от интегратора P-POD составляет план испытаний и проводит испытания до того, как запрос будет одобрен P-POD интегратором. Запросы одобряются интегратором P-POD до того, как будет определен конкретный запуск CubeSat. Как только подробности конкретного запуска становятся известны, процедура согласования становится специфичной для запуска и отправляется на рассмотрение Менеджеру Миссии запуска ракеты-носителя (Launch Vehicle Mission Manager). Менеджер Миссии запуска имеет право утверждения запроса согласования, а также может потребовать дополнительные изменения и/или испытания перед одобрением запроса. Разработчики должны понимать, что каждое отклонение от требований уменьшает шансы найти возможность подходящего запуска.
2. Носитель для вывода на орбиту набора пикоспутников
Poly Picosatellite Orbital Deployer (P-POD)
2.1 Интерфейс P-POD
P-POD - это стандартизированная система для вывода на орбиту CubeSat. P-POD может нести 3 стандартных CubeSat’а и служит промежутоным звеном между CubeSat’ом и ракетой-носителем. P-POD - это прямоугольный контейнер с крышкой и пружинным механизмом. По сигналу с ракеты-носителя о начале вывода на орбиту включается освобождающий механизм P-POD’а, несколько торсионных пружин в петле открывают крышку, и CubeSat’ы выталкиваются пружиной по направляющим P-POD’а (см. рис. 3а). P-POD изготовлен из анодированного алюминия. Выталкиваемые CubeSat’ы скользят по нескольким направляющим при выводе на орбиту. CubeSat’ы совместимы с P-POD при выполнении всех требований, приведенных в данном документе. P-POD имеет обратную совместимость, поэтому CubeSat’ы, созданные в соответствии со Спецификацией конструкции CubeSat (CDS) версии 9 и выше, не будут иметь проблем с совместимостью. Разработчикам рекомендуется применять последнюю актуальную версию Спецификации конструкции CubeSat, чтобы использовать все возможности P-POD.
3. Спецификация CubeSat
3.1 Общие требования
3.1.1 CubeSat’ы с отклонениями от Спецификации конструкции CubeSat’ов должны пройти процедуру согласования отклонений и отправить запрос на согласование отклонений DAR (см. раздел 1.3 и Дополнение А).
3.1.2 Все детали CubeSat’а должны быть закреплены во время запуска, вывода на орбиту и функционирования, чтобы не создавать дополнительный космический мусор.
3.1.3 Использование пиротехники не допускается.
3.1.4 Любые двигательные системы должны быть спроектированы, установлены и протестированы в соответствии с AFSPCMAN 91-710 Volume 3.
3.1.5 Двигательные системы должны иметь как минимум 3 блокировки активации.
3.1.6 Общий запас химической энергии не должен превышать 100 Вт·Ч (360 кДж).
3.1.6.1 Примечание: допускаются большие значения, но это может ограничить возможность запуска.
3.1.7 Применяемые опасные материалы должны соответствовать требованиям AFSPCMAN 91-710 Volume 3.
3.1.8 Применяемые материалы должны удовлетворять высокой устойчивости к дегазации для предотвращения загрязнения космического аппарата во время интеграции, тестирования и запуска. Список одобренных NASA подобных материалов можно найти на http://outgassing.nasa.gov.
3.1.8.1 Применяемые материалы должны иметь общую убыль массы (Total Mass Loss) <= 1.0%.
3.1.8.2 Применяемые Материалы кубсатов должны иметь содержание летучих конденсируемых материалов (Collected Volatile Condensable Material (CVCM)) <= 0.1%.
3.1.9 Последняя версия Спецификации CubeSat является официальной версией, которой должны придерживаться разработчики. Последняя версия доступна по адресу: http://www.cubesat.org.
3.1.9.1 Калифорнийский Политехнический Университет рассылает обновления по списку подписчиков CubeSat при изменениях спецификации. Вы можете подписаться на обновления по адресу: http://www.cubesat.org/index.php/about-us/how-to-join.
3.1.10 Примечание: Некоторые ракеты-носители имеют дополнительные требования к величине магнитного поля. Кроме того сильные магниты могут помешать разделению CubeSat’ов из одного P-POD. Рекомендуется ограничить магнитное поле за пределами внешнего габарита CubeSat’а величиной не превышающей магнитное поле Земли более чем на 0.5 гс (Гаусс).
3.1.11 Конструкция CubeSat’a должна обеспечивать при подъеме вентиляцию вентилируемого объема/пространства < 2000 дюймов (50,8 метра).
3.2 Механические требования к CubeSat
Кубсаты - это пикоспутники в форме куба. Основные изображения и размеры приведены на чертеже в приложении Б. Система координат P-POD представлена ниже на Рис. 4.
Рис. 4: Координатная система P-POD
3.2.1 Система координат CubeSat должна соответствовать изображенной в приложении Б соответствующего размера. Система координат СubeSat должна совпадать с системой координат P-POD при интеграции.Точка начала системы координат CubeSat совпадает с геометрическим центром CubeSat.
3.2.1.1 Конфигурации CubeSat и физические размеры приведены в приложении Б.
3.2.1.2 Для CubeSat размера 3U+ доступен дополнительный объем, который представлен на рис 6.
3.2.2 CubeSat устанавливается в P-POD стороной -Z.
3.2.3 Никакие компоненты на сторонах, отмеченных зеленым и желтым, не должны выступать более чем на 6.5 мм по нормали к поверхности.
3.2.3.1 При проверке перечня приемки CubeSat’а (CubeSat Acceptance Checklist (CAC)) выступающие элементы измеряются от плоскости направляющих.
3.2.4 Выводимые на орбиту компоненты должны быть соединены с CubeSat’том, но не P-POD’ом.
3.2.5 Ширина направляющих должна быть не менее 8.5 мм.
3.2.6 Направляющие должны иметь шероховатость поверхности менее 1.6 мкм.
3.2.7 Кромки направляющих должны быть скруглены радиусом не менее 1 мм.
3.2.8 Торцы направляющих на на сторонах +/- Z должны иметь минимальный размер зоны контакта с направляющими соседних CubeSat’ов 6.5 мм х 6.5 мм (см. Рис 6).
3.2.9 Не менее 75% поверхности направляющих должны соприкасаться с направляющими P-POD’а. Остальные 25% направляющих могут быть утоплены, но направляющие не должны выходить за границы, указанные в спецификации.
3.2.10 Максимальная масса 1U CubeSat’а не более 1.33 кг.
3.2.10.1 Примечание: большая масса может быть рассмотрена в зависимости от конкретной миссии (запуска).
3.2.11 Максимальная масса 1.5U CubeSat’а не более 2.00 кг.
3.2.11.1 Примечание: большая масса может быть рассмотрена в зависимости от конкретной миссии (запуска).
3.2.12 Максимальная масса 2U CubeSat’а не более 2.66 кг.
3.2.12.1 Примечание: большая масса может быть рассмотрена в зависимости от конкретной миссии (запуска).
3.2.13 Максимальная масса 3U CubeSat’а должна быть 4.00 кг.
3.2.13.1 Примечание: большая масса может быть рассмотрена в зависимости от конкретной миссии (запуска).
3.2.14 Центр масс CubeSat’а должен быть расположен в пределах 2 см от его геометрического центра в направлении осей X и Y.
3.2.14.1 Центр масс 1U CubeSat’а должен быть расположен в пределах 2 см от его геометрического центра в направлении оси Z.
3.2.14.2 Центр масс 1.5U CubeSat’а должен быть расположен в пределах 3 см от его геометрического центра в направлении оси Z.
3.2.14.3 Центр масс 2U CubeSat’а должен быть расположен в пределах 4.5 см от его геометрического центра в направлении оси Z.
3.2.14.4 Центр масс 3U и 3U+ CubeSat’ов должен быть расположен в пределах 7 см от его геометрического центра в направлении оси Z.
3.2.15 Для каркаса CubeSat’а и его направляющих должен применяться Алюминий 7075, 6061, 5005, и/или 5052.
3.2.15.1 Если применяются другие материалы, разработчик должен отправить запрос согласования отклонений DAR и пройти процедуру согласования отклонений от требований спецификации.
3.2.16 Боковые поверхности направляющих и торцевые поверхности выступающих концов направляющих CubeSat’а, которые соприкасаются с P-POD и соседними CubeSat’ами, должны иметь твердое анодирование для предотвращения холодной сварки внутри P-POD.
3.2.17 CubeSat’ы 1U, 1.5U и 2U должны использовать разделительные упругие элементы для обеспечения надежного разделения.
3.2.17.1 Примечание: Характеристики рекомендуемого разделительного упругого элемента приведены ниже в Таблице 1. Эти элементы изготавливаются на заказ и доступны в Калифорнийском Политехническом Университете. Для получения разделительных упругих элементов обратитесь по адресу cubesat@gmail.com.
3.2.17.2 Разделительные упругие элементы в сжатом виде не должны выступать за пределы торцевой поверхности выступающих концов направляющих и могут быть утоплены глубже этой поверхности.
3.2.17.3 Разделительные пружины для 1U, 1.5U и 2U CubeSat’ов должны располагаться в центре торцевой части выступающего конца направляющей со стороны -Z CubeSat’а, как показано на рис. 7.
3.2.17.4 Разделительные упругие элементы не требуются для 3U CubeSat’ов.
| Характеристика | Значение |
|---|---|
| Материал толкателя | Нержавеющая сталь |
| Усилие начальное/конечное | 0.14 lbs. / 0.9 lbs. (63 г / 408 г) |
| Ход толкателя | минимум 0.16 дюйма над поверхностью отступа |
| Резьба | 8-36 UNF-2B |
Таблица 1. Свойства разделительных упругих элементов CubeSat’а.
Рис. 5: Разделительный упругий элемент (толкатель).
Рис. 6: 3U+ Дополнительный Объем (“Tuna Can”)
Рис. 7: Выключатели развертывания и разделительные упругие элементы
3.3 Электрические требования
Электронные системы должны разрабатываться с учетом следующих требований.
3.3.1 Система энергоснабжения CubeSat’а должна находиться в выключенном состоянии для предотвращения запуска и выполнения любых функций при нахождении внутри P-POD’а с момента монтажа на ракету-носитель до момента вывода на орбиту. Электрические системы CubeSat’а могут включать в себя различные подсистемы, такие как: система обработки команд и данных (Command and Data Handling (C&DH), радиосвязь (RF Communication), определение и управление положением (Attitude Determine and Control (ADC)), привод складного механизма. Системы энергоснабжения CubeSat’а включают в себя любые батарейные сборки, солнечные панели и батарейки таблеточного типа.
3.3.2 CubeSat должен иметь как минимум один выключатель развертывания на выступе направляющих, как указано на рисунке 7.
3.3.3 В нажатом состоянии переключатель развертывания CubeSat’а должен разъединять электрическую схему питания от электрических потребителей; Это относится и к часам реального времени RTC.
3.3.4 Выключатель развертывания должен находиться в нажатом состоянии в течении всего времени когда CubeSat находится внутри P-POD.
3.3.4.1 В нажатом состоянии выключатель развертывания CubeSat не должен выступать над торцевой поверхностью выступающей части направляющей CubeSat’а.
3.3.5 Если выключатель развертывания CubSat’а из нажатого состояния перейдет в отжатое и обратно, таймеры передачи и развертывания должны быть сброшены к значению t=0.
3.3.6 Стержень, вынимаемый перед полетом (Remove Before Flight pin - RBF), и все коннекторы отрывных кабелей CubeSat’а должны находиться в области окон доступа, выделенных темно-зеленым цветом в приложении Б.
3.3.6.1 Примечание: Вся диагностика и зарядка батарей будет происходить внутри P-POD при не нажатом выключателе развертывания.
3.3.7 CubeSat должен содержать стержень, вынимаемый перед полётом (RBF pin).
3.3.7.1 RBF pin должен отключать все питание спутника с момента его установки в CubeSat.
3.3.7.2 По завершению интеграции CubeSat’а в P-POD необходимо извлечь RBF pin.
3.3.7.3 Установленный в спутник RBF пин не должен выступать более чем на 6.5 мм за плоскость направляющих.
3.3.8 CubSat должен содержать цепь защиты батареи от заряда/разряда во избежание несбалансированных состояний ячеек батареи.
3.3.9 При проектировании CubeSat необходимо выполнить как минимум одно из следующих требований по предотвращению случайной передачи радиосигнала. Настоятельно рекомендуется наличие трех независимых блокировок, что может уменьшить количество необходимой документации и исследований. Блокировка - это физическое устройство между источником энергии и опасным компонентом. Таймер не считается независимой блокировкой.
3.3.9.1 CubeSat должен иметь одну блокировку включения передачи радиосигнала, и выходная мощность радиосигнала не должна превышать 1.5 Вт на входе передающей антенны.
3.3.9.2 CubeSat должен иметь две независимых блокировки передачи радиосигнала.
3.4 Требования по эксплуатации
CubeSat должен удовлетворять конкретным требованиям, зависящим от конкретного набора интегрированных CubeSat’ов и выполняемых ими функций, чтобы соответствовать правовым обязательствам и обеспечивать безопасность других CubeSat’ов.
3.4.1 Операторы должны получить и предоставить документы соответствующих лицензий на использование радиочастот.
3.4.1.1 Для использования любительских радиочастот, необходимо предоставить доказательство согласования использования частот с Международным Союзом Радиолюбителей (International Amateur Radio Union (IARU)). Формы заявлений могут быть найдены на www.iaru.org.
3.4.2 CubeSat’ы должны соответствовать государственным лицензионным соглашениям и ограничениям по использованию радиочастот.
3.4.3 Конструкции и оборудование миссий CubeSat должны соответствовать NPR 8715.6 по ограничению космического мусора.
3.4.3.1 Любой компонент кубсата должен (?) возвращаться/повторно входить/входить в атмосферу (?) с энергией менее 15 Дж.
3.4.3.2 Разработчики должны получить и предоставить документацию одобрения плана по снижению космического мусора от FCC (Federal Communication Commission - Федеральная комиссия связи (США)) (или NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration - Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы (США)) если существует ?? imager ??)
3.4.3.2.1 Примечание: Правила/Регламент любительского радио FCC можно найти по адресу http://www.arrl.org/part-97-amateur-radio.
3.4.3.3 Примечание: Анализ на соответствие вышеуказанным правилам может быть проведен с помощью Программы для оценки космического мусора NASA DAS (Debris Assessment Software), доступной по адресу http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/mitigate/das.html.
3.4.4 Все развертываемые элементы спутника, такие как штанги (фермы), антенны и солнечные панели должны иметь задержку разворачивания как минимум 30 мин после срабатывания выключателей развертывания при выталкивании из P-POD.
3.4.5 CubeSat’ не должны генерировать или передавать любые сигналы с момента интеграции в P-POD и в течении 45 минут после выхода на орбиту из P-POD’а. Тем не менее CubeSat могут питаться (?) в последующем разворачивании от P-POD (?) (возможно опечатка FORM - FROM) (?) on following deployment form the P-POD (?).
3.4.6 Частным организациям (не относящимся к Правительству США), управляемым или подпадающим под юрисдикцию США, которые предполагают использование системы (спутника) дистанционных измерений (телеметрической системы), может потребоваться лицензия в по требованиям Закона США. Для получения дополнительной информации посетите http://www.nesdis.noaa.gov/CRSRA/licenseHome.html. Нажмите на ссылку Application Process.
3.4.7 Калифорнийский Политехнический Университет произведет как минимум одну проверку соответствия, при которой оборудование разработчика будет исследовано и интегрировано в P-POD или TestPOD. Окончательная проверка соответствия будет произведена перед запуском. Для проверки соответствия спутника требованиям Спецификации используется Перечень Приемки CubeSat (CubeSat Acceptance Checklist (CAC)). Список приведен в приложении к этому документу или доступен по адресу http://cubesat.org/index.php/documents/developers.
4. Требования к испытаниям
Испытания проводятся с целью проверки соответствия всем требованиям поставщика запуска ракеты-носителя, а также любым дополнительным требованиям испытаний, необходимым для обеспечения безопасности CubeSat’ов, P-POD’а и основной миссии. Если условия работы (?) ракеты-носителя неизвестны, то для определения требований к испытаниям могут использоваться стандарты The General Environmental Verification Standard (GEVS, GSFC-STD-7000) и MIL-STD-1540. Стандарты GSFC-STD-7000 и MIL-STD-1540 являются полезной справочной информацией при определении условий испытаний и требований к испытаниям, но нет гарантий, что контрольные уровни в них полностью охватывают и удовлетворяют всем условиям испытаний ракеты-носителя. Официальными требованиями к испытаниям и контрольными уровнями считаются только предоставленные поставщиком запуска или интегратором P-POD. Требования к испытаниям от поставщика запуска имеют более высокий приоритет и заменяют собой требования из любого другого источника. P-POD испытывается подобным образом для обеспечения безопасности и качества изготовления перед интеграцией с CubeSat’ами. Все CubeSat’ы проходят как минимум все нижеприведенные испытания.
4.1 Случайные колебания (Random Vibration)
Испытание на случайные колебания проводятся в соответствии с требованиями поставщика запуска.
4.2 Термический вакуумный отжиг (Thermal Vacuum Bakeout)
Термический вакуумный отжиг проводится, чтобы убедиться в надлежащем газовыделении компонентов. Спецификацию испытаний предоставляет поставщик запуска.
4.3 Ударное испытание (Shock Testing)
Ударное испытание должно быть производится согласно требованиям поставщика запуска.
4.4 Визуальный осмотр (Visual Inspection)
Визуальный осмотр CubeSat’а и измерение критических областей производится согласно приемочному листу CubeSat’а CAC (Приложение В)
4.5 Принципы испытаний CubeSat’ов
CubeSat подвергается либо квалификационным испытаниям (проверка соответствия техническим условиям), либо испытаниям по сокращенной программе (protoflight) согласно диаграмме процесса испытаний CubeSat’ов (CubeSat Testing Flow Diagram), представленной на Рис. 8. Контрольные уровни и продолжительности определяются поставщиком запуска или интегратором P-POD.
4.5.1 Квалификационные испытания
Квалификационные испытания производятся на инженерном образце, идентичному полетной модели CubeSat’а. Квалификационные уровни определяются поставщиком запуска или интегратором P-POD. Оба стандарта MIL-STD-1540 и LSP-REQ-317.01 используются в качестве руководства при определении уровней испытаний. После этого полётная модель подвергается приемочным испытаниям в TestPOD, затем интегрируется в полетный P-POD для окончательного испытания на случайные колебания. Если конструкция CubeSat’а подверглась изменению или модификации после квалификационных испытаний, то могут потребоваться дополнительные испытания.
4.5.2 Испытание по сокращенной программе (Protoflight)
Испытание по сокращенной программе производиться на полетной модели CubeSat’а. Уровни испытаний определяются поставщиком запуска или интегратором P-POD. Оба стандарта MIL-STD-1540 и LSP-REQ-317.01 используются в качестве руководства при определении уровней испытаний. Полётная модель подвергается испытаниям по сокращенной программе в TestPOD, затем интегрируется в полетный P-POD для окончательных приёмочных испытаний, испытаний качества изготовления и испытаний на случайные колебания. После испытаний по сокращенной программе полетная модель CubeSat’а не разбирается и не модифицируется. Разборка оборудования после испытаний по сокращенной программе потребует подачи разработчиком “Запроса проверки отклонений от требований” DAR и пройти процедуру согласования отклонений перед разборкой. Если конструкция CubeSat’а подверглась изменению или модификации после испытаний по ускоренной программе, то могут потребоваться дополнительные испытания.
4.5.3 Приёмка
После доставки и интеграции CubeSat в P-POD, дополнительные испытания проводятся над всей системой P-POD с интегрированными CubeSat’ами. Данные испытания проверяет надлежащую интеграцию CubeSat’а и P-POD. Кроме того, любые неизвестные и опасные взаимодействия между CubeSat’ами могут быть выявлены во время приемочного испытания. Интегратор P-POD координирует и проводит приемочные испытания. Оба стандарта MIL-STD-1540 и LSP-REQ-317.01 используются в качестве руководства при определении уровней испытаний. С этого момента P-POD и находящиеся внутри CubeSat’ы не разделяются. При обнаружении неисправности CubeSat’а, решение о разделении P-POD принимается разработчиками CubeSat’ов в конкретном P-POD и интегратором P-POD исходя из соображений безопасности. Разработчик несет ответственность за любые дополнительные испытания, требующимися в связи с доводочными исправлениями, с разделенными P-POD и CubeSat’ами.