西伯利亚国立科学技术大学

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 .

为什么标准化是必要的？通常发射卫星对于开发人员来说是一个头痛的问题。 例如在 CubeSat 这个例子中 ， 运载火箭的尺寸标准化 和 放置在运载火箭上的发射装置 的统一化 大大减少了发射前需要解决的问题数量 ，例如只需要开发固定的机载机体。

装置的结构。 外壳通常由铝合金制成 ， 里面 是放置 着各种 设备。内部不是密封的 ， 因为现代无线电电子元件能够在真空 和 温差 巨大等等的条件下工作 。

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