Pealeht » Kosmosest » Eesti ja kosmos » ESTCube-1 projekt » Uncategorised » ESTCube-1 – esimene Eesti satelliit
Prindi

ESTCube-1 – esimene Eesti satelliit

7. mail 2013. a. toimus Kourou kosmodroomil Prantsuse Guajaanas, Põhja Ameerikas Vega kerge kanderaketi start. Rakett toimetas orbiidile 3 satelliiti: Euroopa kosmoseagentuur ESA Proba-V, Vietnami VNREDSat-1a ja Eesti ESTCube-1. Esimene Eesti satelliit kujutab endast CubeSat tüüpi nanosatelliiti, mille stardimass on ca 1 kg.

2015-05-est-estcube orbiidil small

ESTCube-1 orbiidil, kunstniku nägemus. Illustratsioon: Tavi Torim, 2013, http://www.estcube.eu kaudu.

Esimesed Eestis tehtud seadmed ehitati kosmose jaoks juba 1970-ndatel, kui NSVL-i „Saljut“ kosmosejaamade pardale paigaldati Tartu Observatooriumis ehitatud teleraadiomeetrid „Mikron“ helkivate pilvede uurimiseks. 1980-ndatel tuli nende kohale täiendatud „FAZA“ teleraadiomeeter, mis töötas „Saljut-7“ ja „Mir“ kosmosejaamade pardal. ESTCube-1 sai esimeseks Eesti täisväärtuslikuks satelliidiks. ESTCube-1 on Tartu Ülikooli üliõpilaste projekt, mida juhendasid Tartu Ülikooli ning Tartu Observatooriumi õppejõud. Projekt realiseeriti partnerluses Soome meteoroloogia instituudi, Helsingi ülikooli, Jyvasküla ülikooli, Ida-Soome ülikooli ja Saksa kosmoseagentuuriga. 

Satelliit konstrueeriti CubeSat standartide järgi. See on 1990-ndate lõpus kahe California ülikooli poolt väljatöötatud nanosatelliitide standard. Ta lubab tunduvalt lihtsustada nende ehitamist ja sobitamist kanderakettide jm liidestele. Vastavalt standardile, ehitatakse nanosatelliite plokkidest mõõtmetega ca 10x10x10 cm ja massiga kuni 1,33 kg; sellist plokki tähistatakse 1U („1 unit“, ehk „1 ühik“). On võimalikud suuremad konstruktsioonid suurusega kuni 12U. Standard on viimastel aastatel muutunud väga populaarseks, selle järgi ehitatakse kõikvõimalikud ülikoolide satelliidid, mille põhieesmärk on lubada üliõpilastele omandada praktilist kogemust kosmonautika ja kosmosetehnika valdkonnas. Samas valmistatakse CubeSat baasil ka tehnoloogiate testimiseks ja teaduseksperimentideks mõeldud satelliidid. Nende põhieeliseks võrreldes suurte satelliitidega on suhteliselt väike hind ja kõrge operatiivsus. Suurte satelliitide hinnad jäävad vahemikku miljonitest kuni sadade miljonitenite eurodeni ja nende valmistamine võib kesta üle viie aasta. Nanosatelliitide hind jääb tavaliselt alla miljoni ja neid saab valmistada 1 – 2 aastaga.

2015-05-est-estcube press big

ESTCube-1 peale valmistamist. Pilt: Riina Varol, 2013, http://www.estcube.eu kaudu.

ESTCube-1 projekt sai alguse 2008. a. suvel. Selle põhieesmärgiks oli üliõpilaste teadmiste edenemine kosmosetehnika valdkonnas. Ta lubas üliõpilastele praktiliselt kokku puutuda ja katsetada vastavaid tehnoloogiaid ja arendada oskusi, mis on vajalikud tööks kosmoseteaduse ja tehnika alal. Samas sai projekt esimeseks sammuks kosmosetööstuse arendamisel Eestis, andes nii osalejatele kui ka ühiskonnale inspiratsiooni ning andis võimaluse luua kontakte teadlastega ja inseneridega teistest riikidest. Projekti taga oli ka tähtis teaduslik eesmärk: ESTCube-1 pardale paigaldati uudse satelliitide kiirendamise tehnoloogia (nn elektriline päikesepuri) testimiseks mõeldud seade.

Elektriline päikesepuri (ingl. electric sail või e-sail) on soome teadlase Pekka Janhunen (Soome meteoroloogia instituut) leiutis, mis patenteeriti 2006. a. Leiutise idee seisneb päikesetuule ehk Päikeselt lendavate ülikiirte laetud prootonite kasutamine satelliitide kiirendamiseks. Seega erineb ta tavalisest päikesepurjest, mis kasutab kiirendamiseks päikese footonite rõhku. Elektriline päikesepuri kujutab endast positiivselt laetud juhtivat traati, mis tõukub päikese prootonitelt elektrilise elektrivälja abil. Purje laadimiseks kasutatakse elektronkahurit, mis emiteerib maailmaruumi elektrone ja tekitab sel viisil liigset positiivset laengut. Elektronkahur kompenseerib ka keskkonnast traadile tõmbuvaid positiivseid laenguid. Purje poolt tekitatud kiirendus on suunatud radiaalselt Päikeselt. Erinevalt tavalistest rakettmootoritest ei nõua puri oma tööks kütusekulu, seega lubab ta muuta kosmose missioone palju odavamaks. Selle abil on võimalik kiirendada sonde välisplaneetidele või pidurdada sonde nende teel siseplaneetidele ja Päikesele. Kuna elektrilise purje poolt tekitatud kiirendus on üliväike isegi väga pikkade traatide kasutamisel - ca 200 korda väiksem, kui traditsioonilisel päikesepurjel, saab selle abil kiirendada ainult suhteliselt väikeseid kosmosesonde. Samas ei saa mikrometeoriidid elektrilist purje nii kergelt kahjustada, kuna ta on tavalisest päikesepurjest palju peenem - traat vs kile. Leiutis on äratanud suur huvi, mid sai 1,7 mln Euro ulatuses Euroopa Liidult finantseerimist.

ESTCube-1 mõõdud on 10x10x11,35 cm, tema stardimass oli 1,048 kg. Satelliit koosneb järgmistest alamsüsteemidest.

  1. EPS (ingl. Electrical Power System – „Elektriline toitesüsteem“). Satelliidi energiaallikaks on 6 päikesepaneeli, mis paiknevad kõikidel külgedel. Iga paneel tootis missiooni alguses 2,4 W energiat (kui ta on päikesekiirtega risti). Kuna Päikese poole on samaaegselt suunatud vaid 2-3 paneeli, ja päikesekiired langevad neile erinevate nurkade all, oli satelliidi poolt toodetav keskmine võimsus on missiooni alguses ca 2,4 W – 3,6 W. Aja jooksul väheneb võimsus paneelide degradeerimise tõttu. Energia tootmise tõstmiseks EPS-is kasutatakse maksimaalse võimsuspunkti jälgimise mikroskeemi. See on väga uudne lahendus, mis on esmakordselt kosmoses kasutatud. Energia salvestamiseks kasutatakse kahte akut. EPS korjab paneelide poolt toodetud energiat, jaotab seda alamsüsteemide vahel, salvestab ülejääki akudesse, vajaduse korral kasutab akudes salvestatud energiat, jälgides samaaegselt akude optimaalset kasutust. Lisaks sellele teostab EPS teostab satelliidi juhtimist missiooni algfaasis ja hädaolukordades. Majakasignaal on ka EPS-i pädevuses.

  2. ADCS (ingl. Attitude Determination and Control System – „Orientatsiooni määramise ja juhtimise süsteem“). Koosneb päikesesensoritest, magnetomeetritest ja optilistest güroskoopidest. Süsteemis on 6 päikesesensorit (igal küljel üks), seega igal hetkel registreerib vähemalt üks nendest satelliidi orientatsiooni Päikese suhtes. Magnetpoolide abil määratakse satelliidi orientatsioon Maa magnetvälja suhtes. Güroskoopide abil mõõdetakse satelliidi pöörlemiskiirus kolme koordinaatteljede ümber. Orientatsiooni muutmine toimub poolide abil: nendes tekitatakse elektrivool, ja Maa magnetväljas ilmuv Amperi jõud kutsub esile satelliidi pööramiseks jõumomendi.

  3. CDHS (ing. Command and Data Handling System – „Käsu ja andmehaldussüsteem“). See on satelliidi pardaarvuti, mis töötleb ADCS-ist ja teistest alamsüsteemidest ning Maalt saadud informatsiooni, annab käske satelliidi alamsüsteemidele, salvestab andmeid ja edastab neid Maale kommunikatsioonisüsteemi kaudu.

  4. COM (ingl. Communications – „Kommunikatsioonid“). See on satelliidi kommunikatsioonisüsteem, mis tagab sidet maapealse juhtimissektoriga. Süsteemis on üks vastuvõtukanal sagedusel 145 MHz) ja kaks ülesaatmise kanalit: üks aeglane sagedusel 437,250 MHz põhiinformatsiooni edastamiseks süsteemide seisukorra kohta; ja teine kiirem, sagedusel 437,505 MHz piltide ja eksperimentide tulemuste edastamiseks. Need kanalid vastavad amatöörraadio 2-m ja 70-cm lainepikkustega diapasoonidele. Põhiandmete ülekande toimub telegraafisignaaliga kiirusega 18 sõna minutis, andmeid edastatakse perioodiliselt iga 3 – 5 min tagant.

  5. PL (ingl. Payload – „Last“). See süsteem realiseerib elektrilise päikesepurje eksperimenti. Satelliidi pardal on pool, millele on keritud 10-meetriline traat. Traadi otsas on väike alumiiniumkera massiga 10 g, mis lihtsustab traadi väljakerimist. Traat koosneb mitmest kokku keevitud soontest läbimõõduga 25 – 50 µm, mis on tehtud vastupidavuse tõstmiseks mikrometeoriitide vastu. Väljakerimine toimub pieesoelektrilise mootori abil. Traadi väljakerimiseks pannakse satelliit kiiresti pöörlema ümber oma telje, seega tekib tsentrifugaaljõud traadi pingutamiseks. PL süsteem sisaldab kõrgpinge ahelat, mis pingestab traati kuni 500 voldini.

  6. CAM (ingl. Camera) on satelliidi pardakaamera. See lubab pildistada traadi väljakerimisprotsessi ja teha Maast pilte. Kaamera resolutsioon on 640x480 pikslit. Kaamera asub PL plaadil.

  7. STR (ingl. Structure) on satelliidi mehaaniline struktuur, mis hoiab kokku tema komponente ja kaitseb neid mehaaniliste koormuste eest stardi etapil - ülekoormus, vibratsioonid jms lennu jooksul. Raam on projekteeritud vastavalt CubSat standardile. See on optimeeritud masinprojekteerimise tarkvara abil ja on välja lõigatud ühest alumiiniumitükist vastupidavuse tõstmiseks.

 

2015-05-est-alam

ESTCube-1 alamsüsteemide paigutus. Illustratsioon: Kalde, 2013, Henri Lillmaa bakalaureuse töö kaudu.

Satelliidi töö tagamiseks on tähtis ka maapealne sektor – s.o juhtimiskeskus ja kommunikatsiooniseadmed. Side ESTCube-1-ga teostatakse nn satelliitside keskuse (ing. ground station) kaudu. Jaama seadmed, k.a antennid, paiknevad Tartu Ülikooli füüsikahoones ning ka Tartu Observatooriumis. Satelliidi juhtimine toimub veebipõhise appi MCS (ingl. Mission Control System – „Missiooni kontrollimise süsteem“) kaudu, mis on välja töötatud Tartu Ülikooli üliõpilaste poolt. Missioonijuhtimistarkvara lubab jälgida satelliidi liikumist, alamsüsteemide parameetreid (nii reaalajas kui ka salvestatuna), saada käsklusi. MCS jälgib ka maapealse sidejaama komponente. Veebipõhilisus lubab juhtida satelliiti igast punktist, kus on olemas Interneti-ühendus. Süsteem on vabavaraline, seega seda saab kasutada ka teistel satelliidiprojektidel.

2015-05-est-ESTCube-1 Ground station antena

Sidejaama antenn TÜ füüsikahoone katusel. Pilt: ESTCube/Urmas Kvell, 2012, https://commons.wikimedia.org kaudu.

ESTCube-1 sai valmis 31. detsembril 2012. a. Ennem kosmodroomile saatmist viidi läbi kõikvõimalikud testimised veendumaks selle töökindluses. 21. jaanuaril 2013. a. saadetid satelliit Delft’isse (Holland) ja paigaldati ISIS firma poolt valmistatud konteinerisse ISIPOD. Seejärel suundus konteiner satelliidiga Kourou kosmodroomile, integreerimiseks VESPA adapteriga.

2015-05-est

ESTCube-1 asetatakse konteinerisse ISIPOD. Pilt: 2013, ISIS, http://www.isispace.nl kaudu.

Start toimus 7. mail 2013. a kell 5:06 Tallinna järgi (UTC 2:06:31). See oli teine Vega kanderaketi start (tema esimene lend toimus 2012. a. alguses) ning ta toimetas orbiidile 3 satelliiti. Põhilastiks olid Euroopa Kosmoseagentuur ESA Proba-V satelliit taimestiku uurimiseks (mille valmistas ettevõtte Quinetic Space NV Belgiast) ja Vietnami VNREDSat-1a kaugseire satelliit. Mõlemad kuuluvad väikesatelliitide kategooriasse, nende massid on vahemikus 115 – 140 kg. EstCube-1 lendas sekundaarse lastina. Vega kuulub kergete kanderakettide klassi, tema mass on ca 140 t, kõrgus 30 m. Rakett koosneb neljast astmest, esimesed kolm on varustatud tahkekütusemootoritega, viimane – vedelkütusemootoriga. Teisel stardis toimetas rakett satelliidid päikesesünkroonsetele orbiitidele. Proba-V viidi orbiidile kõrgusega 850 km, Vietnami ja Eesti satelliidid toimetati orbiidile kõrgusega 665 km ja inklinatsiooniga 980. ESTCube-1 esialgne orbitaalperiood oli 1 t 38 m, peale starti registreeriti ta NORAD jälgimissüsteemiga ja sai katalooginumbri 2013-021C. Number 2013 viitab aastale, 21 on orbitaalstardi number sel aastal, C vastab objekti numbrile: tähised A ja B kuuluvad vastavalt ESA ja Vietnami satelliitidele. Kanderaketi teenuse kulud (ca 70 000 €) kaeti ESA poolt.

2015-05-est-launch

Vega kanderaketi start ESTCube-1-ga. Pilt: ESA/CNES/Arianespace/Photo Optique video du CSG/JM Guillon, 2013, http://www.spaceflightnow.com kaudu.

ESTCube-1 eraldumine raketist toimus 2 t 48 s peale starti. Seejärel avanesid kaks antenni ja lülitus sisse elektritoite alamsüsteem koos raadiosaatjaga ning algas signaali edastamine. Esimene andmetepakett võeti pardalt vastu Tõraveres kell 10:30, kui satelliit ilmus horisondi kohale. Veelgi varem registreeris signaali Venemaa radioamatöör Dmitri Paškov Mordova Vabariigist, ta saatis helifaili e-mailiga satelliidi meeskonnale. Esimene käsk saadeti pardale 9. mail. Esialgselt toimusid süsteemide testimised. 15. mail tehti esimene pilt, kaadrisse sattusid Vahemeri, Aafrika, Sahaara kõrb.

2015-05-est-1770022t81h1532

ESTCube-1 esimene Maa foto. Pilt: ESTCube, 2013, https://commons.wikimedia.org kaudu.

Varsti selgus, et satelliidi orientatsiooni muutmine on raskendatud. Eeldatavasti toimus pardal olevate metallist detailide magneetumine, mis hakkas segama satelliidi orienteerimist poolide abil. Osutus vajalikuks kulutada mitu kuud selleks, et õppida uutes tingimustes satelliiti juhtima. 2014. a. mais õnnestus Eestit pildistada.

2014. a. augustis pandi ESTCube-1 pandi nurkkiirusega 841 kraadi (ehk 2,34 täispööret) sekundis. Pöörlemine toimus ümber telje, mis on paralleelne Maa pöörlemisteljega. S.o optimaalne antennide orientatsiooni vaatepunktist. Esimene katse välja kerida päikesepurje traati tehti 16. septembril 2014. a., aga pardakaameraga tehtud fotodel traadi otsas oleva kuulikese ei märgatud. Järgmiste nädalate jooksul teostatud korduvad katsed ei andnud samuti tulemust. Selgus, et kuigi vool jõuab poolimootorini, siis väljakerimissüsteem ikkagi miskipärast ei toimi. Tõenäoliseks põhjuseks peetakse mootori või lukustussüsteemi riket orbiidilelennu ajal ülitugeva vibratsiooni tõttu kanderaketi pardal. Eksperimendi teine komponent, elektronkahur, töötas korralikult.

Aja kulgemisega toimus märgatav päikesepatareide degradatsioon kosmosefaktorite mõjul - laetud osakesed, mikrometeoriidid, mille tagajärel langes tugevalt elektrisüsteemi tootlikkus. 17. veebruaril 2015. a. kuulutati missioon ametlikult lõppenuks, kuigi kommunikatsioon satelliidiga jätkus. Selleks ajaks oli ESTCube-1 on teinud ca 10 000 tiiru ümber Maa, läbides 0,4 mld km. Oli tehtud 280 pilti ja teostatud ca 5000 sideseanssi. 19. mail 2015. a. side satelliidiga katkes, kuna päikesepaneelide degradeerumise tõttu ei jätkunud energiat süsteemide funktsioneerimiseks. ESTCube-1 oli töötanud orbiidil üle kahe aasta.

2015-05-est-1b984555c3bcecb618-71516387

ESTCube-1 poolt tehtud Maa foto. Pilt: Henri Kuuste/ESTCube-1, http://forte.delfi.ee kaudu.

Vaatamata põhieksperimendi nurjumisele on ESTCube-1 missioon saanud väga oluliseks saavutuseks nii Tartu Ülikooli üliõpilaste kui ka terve Eesti kosmoseteaduse ja tööstuse jaoks. Satelliit on pidanud kosmosetingimustele vastu üle kahe aasta, on teinud sadu pilte, meeskond suutis seda kontrollida, määrata orientatsiooni täpsusega paremini kui 20, satelliidiga peeti edukalt kahepoolset side. Samuti on projektist saadud suur koostöökogemus rahvusvaheliste partneritega. Üldkokkuvõttes on projektis on osalenud üle 200 üliõpilase Tartu Ülikoolist, Tallinna Tehnikaülikoolist, Tallinna Ülikoolist, Eesti Maaülikoolist, Eesti Lennuakadeemiast.

ESTCube-1 jääb kosmosse veel ca 20 aastaks, kuni pidurdamine atmosfääri kõrgeimates kihtides viib ta orbiidilt lahkumiseni. Plaanide järgi realiseeritakse lähitulevikus Eestis teisigi nanosatelliitide projekte. Elektrilise purje eksperiment plaanitakse teostada esimene Soome satelliidi Aalto-1 pardal. Satelliit peab lendama kosmosse 2015. a. teisel poolel.See kujutab endast 3U CubeSat-i. Edu korral peab puri pidurdama satelliidi Maa atmosfääri plasmaga interaktsiooni abil ja kiirendama selle orbiidilt lahkumist.

Autor: Vladislav-Veniamin Pustõnski / Green Vironia OÜ

Allikad:
http://www.estcube.eu/
https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_sail
https://et.wikipedia.org/wiki/ESTCube-1
http://dspace.utlib.ee/dspace/bitstream/handle/10062/32445/lillmaa_henri.pdf?sequence=1
http://www.isispace.nl/cms/index.php/news/latest-news/97-estcube-1-integration
http://forte.delfi.ee/news/kosmos/paikesepaneelid-enam-ei-aita-eesti-esimene-satelliit-estcube-1-lopetas-tegevuse?id=71516221
https://wiki.aalto.fi/display/SuomiSAT/Summary
P. Družinin, L. Rosenblum, «Novosti kosmonavtiki», № 7, 2013, lk. 31 – 33.