地址 :
俄罗斯罗斯克拉斯诺亚尔斯克边疆区克拉斯诺亚尔斯克市克拉斯诺亚尔斯基拉博奇嘎杰达街31号
邮政编码 : 660037
电话: +7 (391) 2919123
电邮: ums@sibsau.ru
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亲手做航空装置这是幻想还是现实?
西伯利亚国立科技大学大学 让 太空旅行 变得 可行
太空探索是
现代人类生活的
必不可少且又习以为常的
一部分
,他到底是
童话
还是
现实
?
太空
的奥秘吸引了许多
人的关注,例如:
浪漫主义者
,
梦想家
,
发明家。早在上个世纪中叶
,
很多人确信我们会征服太阳系
,
银河系
,甚至整个
宇宙。
并且
,
自尤里
·
加加林
首次人类太空旅行
以来
,
已经有
不
少于
600
人
去过
太空
了
,
但是
殖民
行星似乎
还在
很
遥远的未来
,
但是
每个人都可以迈出
自己的
一步
,
使这一
未来变得
更近一点
。
那么要怎么做呢?
西伯利亚国立科技大学大学的研究学者正在回答着这个问题。
在这里,
我们
正在进行
着
建
立
小型航
空
器
(
CubeSat
)
的工作
。
小型
航空器的理论
。
常规航天器往往是大而重
的
。这是
因为
他们需要高
动
能和大型设备
来解决他们的需要解决的任务
。这
些
装置在某些情况下可能具有数吨的
重量
。
小型
航空器是指
小于
500
公斤
的航空设备
。电子
设备
小型化已经减少了许多机载系统的尺寸和重量
,
同时
为航
空装置
的小型化
创造了可行的
道路。小型
航空器
的概念
,
在过去
15-
20
年
,
已经
获得很大的发展和普及
,
许多研究人员已经注意到
这个和传统卫星的设计理念显著不同的设计理念。
小型
航空器的特点
。
小型航空器的自身特点为我们提供了一个
充
分合理的建立模型
。
目标
任务
是具体的
而不是多重任务的
。
太空
飞行任务的持续时间是精确的
,
而不是随意延长规定
时间
的
。在设计卫星时
,我们就应该需要解决所有太空探索
任务
而进行预想出解决方案
(
材料、建筑、电子元器件等
)
。
以最小的成本实现
任务
。
小型航天器
应该具有快
速建成
和
低成本
的特点
。
也就是需要把
任务目标与
建设
成本进行比较。成本必须最小
化,但要
达到预期的结果。在小型航
空
器上解决的
问题时,往往需要集中在能否以
较低的设计成本、较低的发射成本和较低的
运营
成本来解决
问题
。通过良好的风险管理
,
我们
可以组织更多的规律性更强
的循环多次发射项目,
从而确保
太空服务
的连续性。
成熟的商业解决方案。
要想小型航空器
低成本
化
和
高速发展,我们
主要
需要
通过使用经济实惠和成熟的商业解决方案
,
而不是
通过
可靠
的
和
专为太空研发的过于
昂贵的组件。
我们可以使用
商
用
部件
,
如商用微控制器芯片、存储器、网络接口等
,
来
满足
所需需求
,
同时最大限度地减少功耗和
占用空间
。
再由
小型
航空器
运行的小轨道的
特点,同时也
补偿
了
它们的低可靠性
,
因为
外层
太空的
破坏因素的影响相对较小
,
以及它们在轨道上活跃存在的时间较短。
CubeSats
是小型航
空
器中最
显著
的例子。
CubeSats
完全符合小型航
空
器的概念
,
并且随着
它的
出现,
在小型
航空器的运作过程中也
引入了标准化和统一
化
的元素
,
这
也
已经获得了世界的认可。
图 1 – 从国际空间站发射的 CubeSat( 图片来源 : NASA)
CubeSat
类的
小型航
空
器具有标准的尺寸和重量
:
正面
为
10cm
的立方体
,
重量不超过
1kg
。
基本单位
1
U
。
CubeSat
也
可以有大尺寸,但它们必须是
1u
的倍数
,
例如
:
1U
,
2U
,
3U
,
6U
。
(
图
2
)
增加尺寸
可以
放置更多设备或更重的设备。
图
2
–
图形尺寸
.
里面有子系统的模块
,
通常由电子板组合在一个堆栈中
(
一
个架子
,
简单
来说
)
。在外侧有电池板与太阳能电池板
,
提供能量
给设备
。
在该装置中有天线和与地面控制站通信系统联系,在业余无线电频率中,这极大地方便了使用无线电通信来管理航天器的工作。
图
3 – CubeSat
的结构
(Darbali-Zamora, Rachid & Cobo Yepes, Nicolas
& Ortiz-Rivera, Eduardo & Aponte-Bezares, Erick & Rincon, Amilcar.
(2018). Applying HOL/PBL to Prepare Undergraduate Students into Graduate Level
Studies in the Field of Aerospace Engineering Using the Puerto Rico CubeSat
Project Initiative. 10.1109/FIE.2018.8659049.)
在
CubeSat
中最复杂的
系统是定位和
维
稳系统。
困难在于硬件
设备的算法
设计
上,因为
对于
CubeSat
来说
必须
拥有
最小尺寸和
最低
功耗
的特点
。
所以
最重要的是能够开发
到
用于管理
和执行命令的
算法
上
,
以确保设备以最佳方式到
达
所需位置
。
图
4
展示
了定
位
和
维
稳系统的简化图。
图
4 –
定位系统结构的简图
设备的所需位置
,
例如由地面站的命令设置
或
由基座坐标系
来
确定。设备的实际角
度和位置
是
由对
太阳
,
恒星和地球的传感器确定的。比较
需要的
和实际
的
角度
和
位置
,
不断
计算
其
误差。为了使设备
能够按预设的定位要求去定位移动
,
必须将
误差
降低到零。
控制
系统
要以特定的
管理
方式管理
(
例如
,
最大限度地提高
定位
速度
,
最大限度地减少误差
,
最大限度地减少
定位
能耗
)
。
飞行部件要
确保航天器的
旋转和飞行
。
还有因为
磁性线圈
与
地球磁场相互作用
所以飞行器就
像一个
巨
大的罗盘针一样旋转。由于该装置是不断受到外力
(
脱离地球引力的
空气
,
地球的引力场
,
太阳风等。
),
它的位置
会
逐渐偏离
预设轨道
。因此
,
定
位
系统
要
不断
进行自我修订
工作
,
以
确保其在外
太空处在
所需的位置。
为了测试该系统的算法
,
科学家们开发了一个单轴半
独立的
支架
,
用于
定位
和
维稳
系统进行建模。它悬挂在
中心轴
上
,
并围绕
者
悬挂轴
和
旋转设备
的
平台
上
。
我们
在
SimInTech
仿真环境中开发了控制算法。在
装置
操作期间
,
控制器
会
在远程
PC
上工作
,
接收来自安装在航
空
器
上的
传感器的信号
,
从而控制
装置
的
各种工作
。
大学是
cubesat
的发展
动力
之一
。
实际
上,
CubeSat
项目是
1999
年美国和日本大学社区提出的
,
作为一个科学和教育项目。从那时起
,
这类航
空
器已被其他
航空
部门
和机构所认识
,
主要
是
商业
机构
,
但大学仍然在这一运动中发挥了突出的作用。
在
西伯利亚国立科技
大学
,
"
小型航
空
器
"
实验室正在
进行着
C
ubesat
的
开发工作
,
设计
了
3u
尺寸的
CubeSat
系统。
目前
,
该装置的几个系统已经制造
完成,例如:
集装箱运载火箭体
,
机
载计算机和电源系统。其他系统正在设计之中
,例如:
与地面站的无线电交换
通
道、定
位
和
维
稳系统
,
以及测试
CubeSat
与地面站相互
通信
的支架
系统
、测试电源的支架
系统
和测试航天器的
维
稳和定
位
算法的支架
系统
。
大
学生和
博士
生
也
参与了
西伯利亚国立科技大学
的
CubeSat
系统的开发。
在科学人员的指导下
,
他们开发
了
航
空
器在外
太空的
定位和
维
稳算法的模型和软件
,
航天器与地面站之间相互
作用
的功能支架
和
软件
,
并建立无线电控制
系统
。该项目
能够提升大家对宇宙的
兴趣
,
会
让你得到实用的知识
,
并且
,
能够提升
该国航天
专业的
大学生
的专业素质
。
还有
,
在
这些工作进行的
同时
,
这个项目也
正在
成为一个
更
为
广泛
的大众的学科
和教育课程。
该课程的教育计划涵盖了
关于
CubeSat
的设计和
建立
的主要部分
:
飞行器
在外
太
空的轨道
运行
和运行条件
,
飞行器
的所有系统的组成
,
飞行器
的预期用途
,
飞行器
在无线电
通
道上的控制
,
包括地球遥感
,
飞行器
的生命周期
,
飞行器的
设计
,
制造和发射。因此
,
该
项目
的
任务
是
用
小型航
空
器
C
ubesat
的例子
来展现
所有
太空飞行器的
工作
,
包括
在设计
,
建
立
和发射
的内容
。
国际
暑期学习班
是探讨太空探索领域
的创新
平台。
现在
该
教育计划正在积极
筹划
,
今年
是
第一次举办国际暑期
学习班
,
不仅让参与者熟悉小型
C
ubesat
航
空
器及其主要系统的设计
,
而且
该平台
还
会提供
该领域
的
理论和实践
机会并且还有与
专家交流
的机会
。
现在在外
太
空有数百颗
人造
卫星
,
但人类只是
刚
开始
自己的太空旅程
。许多问题有待回答
,
雄心勃勃的计划
也
有待执行。
"
学习号
"
卫星
项目能否
朝着大规模
太
空探索迈出
关键的
一步
,
这个问题可能没有答案。但康斯坦丁
·
爱德华多维奇
·
齐奥尔科夫斯基说
:
"
每个人都必须活
着和想着
一切
都会或迟或晚实现。
"
*
西伯利亚国立科技大学
材料制作人
В.Х. Ханов, Д.М. Зуев, А.Т. Лелеков