STAR VIBE wkrótce na orbicie

0

Niebawem ciekawa polsko-niemiecka misja satelitarna.

Zbliża się polsko-niemiecka misja demonstracyjna. W grudniu na pokładzie rakiety Falcon 9 na orbitę zostanie wyniesiony satelita STAR VIBE, a w nim dwa instrumenty optyczne zbudowane przez firmę Scanway z Wrocławia. Jakie to będą instrumenty, jakie są cele misji STAR VIBE i jakie są dalsze kroki w działalności Scanway po tym teście?

Czym jest misja STAR VIBE?

STAR VIBE jest misją demonstracyjną dwóch innowacyjnych systemów – małego teleskopu do obserwacji Ziemi (z ang. Small Telescope for Advanced Reconnaissance) oraz systemu do inspekcji stanu satelity podczas lotu (z ang. Vision Inspection Boom Experiment). Misja odbędzie się we współpracy z niemieckim partnerem Scanway, German Orbital System (GOS), który odpowiada za strukturę satelity (CubeSat o wymiarach 6U). Warto wspomnieć, że misja jest w całości finansowana z prywatnych środków, a jej start jest przewidziany na grudzień 2022 roku na pokładzie należącej do SpaceX rakiety Falcon 9 podczas misji Transporter 6.

Zminiaturyzowany satelita formatu CubeSat zostanie umieszczony na orbicie SSO o wysokości 500 km (z ang. Sun Synchronous Orbit), czyli na orbicie heliosynchronicznej . Jest to orbita zapewniająca przelot satelity nad danym miejscem w tym samym czasie słonecznym. Umożliwia to wykonywanie zdjęć w identycznych warunkach oświetleniowych – czyli np. umożliwia to regularne wykonywanie zdjęć w południe, co ułatwia ich porównywanie oraz analizę uzyskanych danych.

Podczas misji zostanie sprawdzony wpływ warunków panujących w kosmosie (takich jak próżnia, wahania temperatur między skrajnymi wartościami, wysokie promieniowanie, mikrograwitacja) na elementy optyczne teleskopu, elektronikę znajdującą się na pokładzie, oraz na jakość zbieranych danych.

Celem misji jest przetestowanie technologii na niskiej orbicie okołoziemskiej oraz podniesienie poziomu TRL (Technology Readiness Level) do dziewiątego – najwyższego poziomu gotowości technologicznej, oznaczającym technologię gotową do wdrożenia, która może zostać wprowadzona na rynek jako pełnowartościowy produkt.

Teleskop STAR – obserwacja Ziemi z rozdzielczością 25 m/piksel

Teleskop STAR jest teleskopem działającym w spektrum światła widzialnego. Umożliwia on wykonywanie zdjęć z rozdzielczością 25 metrów na piksel, a dzięki wysokiej orbicie oraz krótkiej ogniskowej (jedynie 106,6 mm) zapewnia duże pole widzenia (102,4 x 76,8 km). Takie parametry umożliwiają szybkie zbieranie danych dla wielu celów: na przykład na temat katastrof naturalnych, zmian klimatu czy danych wspierających efektywne rolnictwo.

Pomimo znacznych możliwości, teleskop nie zajmuje dużo miejsca – mieści się w prostopadłościanie o wymiarach 210x77x100 mm (czyli ma wymiary 2U) oraz waży jedynie 1,2 kg.

System VIBE – obserwacja satelity podczas pracy na orbicie

System VIBE jest jedną z konfiguracji projektowanego przez Scanway systemu SHS Spacecraft Health Scanner. Jest to ogólna nazwa systemu służącego do autoinspekcji pojazdów kosmicznych. System ten jest oparty na sztucznej inteligencji (przetwarzanie danych będzie odbywało się na orbicie; brak konieczności wykorzystywania ograniczonego łącza danych na potrzeby analizy), która zbierając dane z czujników oraz kamer będzie w stanie wykryć potencjalne uszkodzenie obserwowanego elementu.

VIBE jest systemem optycznym służącym do autonomicznej diagnostyki satelity – jest to kamera znajdująca się na rozkładanej belce. Dobrym porównaniem obrazującym czym jest taka kamera, będzie popularny selfie stick – z tym, że zdecydowanie bardziej zaawansowany i przystosowany do pracy w kosmosie. Kamera jest połączona z komputerem pokładowym, który przechowuje obrazy oraz umożliwia analizę danych za pomocą sztucznej inteligencji. Sztuczna inteligencja jest w stanie np. analizować uszkodzenia paneli słonecznych – zarówno wynikających z naturalnej degradacji powstających wraz z czasem trwania misji, ale również tych wynikających z niespodziewanych uszkodzeń, np. uderzeń mikrometeorytów czy śmieci kosmicznych.

System SHS do autoinspekcji / Credits – Scanway

Wcześniejsza współpraca Scanway z GOS

Należy wspomnieć, że misja STAR VIBE nie jest pierwszą współpracą Scanway z GOS. W 2017 roku wrocławska firma podjęła się projektu badawczego prototypu obserwacyjnego nanosatelity ScanSAT, który zawierał autorski system optyczny. Celem projektu było zaprojektowanie teleskopu zdolnego do obserwacji Ziemi z satelity typu CubeSat, integracja satelity oraz testy na wysokim poziomie dojrzałości technologicznej (wysokie TRL). Podczas tego projektu podpisano list intencyjny z GOS, który przewidywał możliwość wysłania nanosatelity na orbitę księżyca. 

Projekt został uznany za sukces, a jego rezultatem było zdobycie cennej wiedzy na temat atermalizacji optyki, czyli projektowania jej w taki sposób, żeby cykliczne zmiany temperatury (a co za tym idzie zmiany wymiarów spowodowane rozszerzalnością cieplna) nie wpływały na układ optyczny.

Teleskop zaprojektowano w sposób umożliwiający jego łatwe skalowanie oraz działanie w wielu spektrach promieniowania elektromagnetycznego. Stworzony teleskop cechował się rozdzielczością 4 metrów na piksel (na orbicie o wysokości 500 km), co odpowiada najlepszym teleskopom w swojej klasie wielkości.

Potrzeba kontroli wynikająca ze specyfiki branży

Testowanie komponentów jest bardzo ważne w przemyśle kosmicznym. Po wystrzeleniu komponentu nie ma możliwości wprowadzenia zmian (nie licząc skrajnych przypadków, np. takich jak pierwsza naprawa teleskopu Hubble w roku 1993), ani dokonania żadnych napraw. Z tego względu dokonano wielu testów w warunkach dalekich od warunków ziemskich, a tych przypominających warunki kosmiczne – niskie ciśnienie, niska temperatura oraz podwyższone promieniowanie.

Szacuje się, że w ciągu kolejnych dziewięciu lat na orbitę trafi czterokrotnie więcej satelitów, niż w poprzednich 9 latach. Biorąc pod uwagę fakt, że około 80% awarii wynika z błędów projektowych, ważna i potrzebna jest możliwość sprawdzenia „co poszło nie tak”. W związku z tym, systemy kontroli takie jak SHS, mają przed sobą bardzo szeroki rynek i wiele potencjalnych zastosowań, które mogą pomóc w diagnostyce satelitów.

Przykładowym przypadkiem użycia systemu SHS jest problem techniczny, na który napotkała wysłana w 2021 roku sonda Lucy, której celem jest zbadanie planetoid trojańskich. Podczas rozkładania paneli słonecznych napotkano na awarię – jeden z nich nie został całkowicie rozłożony i zablokowany w przewidzianej pozycji. Potwierdzenie braku pełnego otwarcia paneli i przeanalizowania awarii wymagało wiele pracy, z racji na to, że żadna kamera nie obejmowała paneli. Badanie wymagało zmierzenia wibracji (wywołanych silnikami manewrowymi), a następnie porównanie uzyskanych danych z dokładnym modelem silniczka otwierającego panele. Umożliwiło to zmierzenie sztywności częściowo rozłożonego panelu, a co za tym idzie stopnia jego rozłożenia. Posiadanie kamer skierowanych na tę część satelity umożliwiłoby znacznie szybsze i prostsze potwierdzenie zaistniałej sytuacji.

Testy ładunków optycznych w stratosferze

W Scanway jako jedną z metod testów wybrano przeprowadzenie wielu misji stratosferycznych – ładunek zawierający badane elementy – np. materiały optyczne, komputer pokładowy, system VIBE – został podczepiony do balonu, który po napełnieniu gazem został wysłany na wysokość 30-35 km (na takiej wysokości ciśnienie atmosferyczne wynosi poniżej 1% ciśnienia przy powierzchni planety), a cieńsza warstwa atmosfery słabiej chroni przed promieniowaniem (które ma znaczący wpływ na działanie elektroniki). W testach systemu autoinspekcji przetestowano otwieranie się belki oraz wykonywanie zdjęć testowych.

Misja stratosferyczna Scanway / Credits – Scanway

Testy stratosferyczne to nie wszystko – działanie systemów zostało przetestowane również w laboratorium, a zachowanie sztucznej inteligencji analizującej przykładowe uszkodzenia paneli słonecznych zostało sprawdzone w wielu różnych warunkach oświetleniowych przypominających te, które zaistnieją na orbicie. Ponadto przeprowadzono testy wibracji w celu sprawdzenia, czy satelita będzie w stanie znieść wibracje pojawiające się w momencie startu i lotu rakiety, oraz testy w termicznej komorze próżniowej. Wszystkie przeprowadzone testy pozwoliły upewnić się, że obydwa systemy – teleskop STAR oraz system do inspekcji VIBE – działają prawidłowo. Dzięki nim inżynierowie firmy byli w stanie sprawdzić, przetestować oraz udoskonalić elementy, które finalnie trafiły do satelity i wezmą udział w grudniowym starcie, a także w innych przyszłych misjach.

Przyszłe misje Scanway

Aktualnie Scanway zajęty jest przygotowaniami do kolejnych misji, z których pierwsza trafi na orbitę już w 2023 roku. Będzie to EagleEye , który zostanie umieszczony na orbicie o wysokości 350 km – jest to największy teleskop z powodzeniem opracowany w Polsce, który umożliwia obserwację w świetle widzialnym (trzy osobne pasma – czerwone, zielone, niebieskie) oraz w podczerwieni.

System SHS zostanie również użyty w rakiecie Ariane 6 (konstruowanej przez Europejską Agencję Kosmiczną), której poprzedniczka wyniosła kosmiczny teleskop Jamesa Webba, (z ang JWST). Ariane 6 swój pierwszy lot ma odbyć już w 2023 roku. Scanway jest odpowiedzialny za skonstruowanie kamer używanych do inspekcji oraz potwierdzenia różnych procesów/wydarzeń we wnętrzu rakiety, takich jak wypuszczenie CubeSatów (duże rakiety podczas startów często „zabierają” małe satelity ze sobą) czy separacji owiewek (problemy z ich separacją opóźniły start JWST).

Model 3D systemu SHS dla Ariane 6 / Credits – Scanway

Wraz ze zmniejszającymi się kosztami wystrzelenia ładunków na orbitę oraz ze zwiększającą się liczbą umieszczanych na niej satelitów, rynek kosmicznej diagnostyki będzie się stale powiększał. Możliwość (ale również konieczność) monitorowania stanu podsystemów pojazdu jest nieoceniona dla osób nim zarządzającym. Umożliwia to przeciwdziałanie problemom, ale też ich rozwiązywanie. System SHS zaprojektowany przez Scanway jest jednym z pierwszych komercyjnych systemów umożliwiających ciągłe monitorowanie stanu satelitów oraz rakiet w prosty dla użytkownika sposób, niewymagający konieczności projektowania dedykowanego systemu pod każdą misję.Więcej o wspomnianych w artykule misjach i instrumentach optycznych na https://scanway.space/.

(Scanway)

Leave A Reply