Первый украинский наноспутник PolyITAN-1 - научный подвиг лаборатории КПИ

Автор: habrahabr.ru

Спутник задумывался достаточно давно, хотя продуманного плана разработки как такового не было, можно сказать существовало желание начать разработку спутника без официальной поддержки космического агентства Украины и присутствия спутника на ранней стадии разработки в планах нашего Национального технического университета Украины «КПИ».

Об этом говорится в материале на habrahabr.ru, передает Цензор.НЕТ.

Разработка и изготовление

Желание возникло не на ровном месте, у кафедры АЭС и инженерной теплофизики на Теплоэнергетическом факультете КПИ за спиной долгая история тесного сотрудничества с космической отраслью. Так, для охлаждения и термостабилизации электроники на искусственных спутниках «Січ» и «Океан», космических зондах «Вега» и «Фобос», нескольких немецких и одном чешском спутниках использовались наши тепловые трубы. Но даже силами факультета потянуть весь спектр работ было невозможно, потому подыскивались специалисты на других факультетах - к разработке приглашались сотрудники с ФЭА, ФЭЛ, РТФ, собиралась информация, а также проводились различные консультации на конференциях, так как это, всё же, первый спутник. Часть работ, которые можно было выполнить под предлогом профильных научно-исследовательских изысканий факультета были проделаны наперед. Естественно большую часть в последствии пришлось переделывать, но опыт в таком деле лишним не бывает.

Например, первый вариант корпуса спутника, обшитый сантиметровыми сотопанелями, выглядел так:


По мере сбора информации, выяснилось, что можно избежать множества проблем, приведя спутник к формату CubeSat и оплатив место в групповом запуске с другими спутниками. Толщина сотопанелей уменьшилась почти в три раза, механизм отстыковки оказался не нужен, а сам спутник должен свободно помещаться внутри тестовой конструкции, которую называют канистрой и любезно нам предложили в фирме ISIS, г. Делфт (Голландия).

Тестовая канистра (мы предпочитаем называть это платформой) QuadPack для проверки габаритов, спутник внутри должен свободно скользить.



Работа над трехмерной моделью спутника не представляет собой проблему, в чертежи добавляется лишь космическая специфика с обязательным указанием конструкторской системы координат, связанной системы координат и орбитальной системы координат, а также указывается ориентация датчиков в этих системах координат. Алгоритмы ориентации нуждаются в правильном преобразовании результатов измерений при помощи матриц перехода из одной системы координат в другую. Кроме того трехмерная модель является самым простым способом вычислить центр масс и моменты инерции спутника с раскрытыми антеннами.

Плата бортового вычислительного комплекса (плата БВК на фото с установленным GPS приемником от «Навис-Украина» ) разрабатывалась у нас на ТЭФе специалистом по встраиваемым системам, нанятым специально для работы со спутником. В процессе тестирования мы умудрились несколько раз сжечь СОМ-порт на GPS приемнике.

Первый вариант платы БВК:




Разработкой радиолинии занимались на Радиотехническом факультете КПИ, были заложены два радиоканала: один работает в радиолюбительском УКВ диапазоне на частоте 437,675 МГц (длина волны ~70 см) и служит для передачи сигнала маяка в телеграфе (CW) и телеметрии на скорости 9600 бит/c, а другой - для передачи данных в радиолюбительском диапазоне 145 МГц.

Фото во время отработки ПО платы:



Когда она уже была рабочей, особенно радовала отработка приема/передачи данных вместе с платой БВК. В течении двух месяцев в лаборатории стоял «писк» от наземного приемника. Послушать «мелодию» можно на сайте радиолюбителя UY2RA.

Студенты с РТФ и ТЭФа занимались установкой на крыше пятого корпуса КПИ антенного оборудования и прокладкой кабелей с крыши на седьмой этаж, где у нас находится центр управления.

Наше антенное хозяйство:


Плата подсистемы энергоснабжения с выемками для проводов. Разрабатывалась аспирантом факультета электроники КПИ, он же выбирал LiFePO3 аккумуляторы и писал ПО для своей платы:


Все платы изготавливались на «Киевском заводе Радар».

Собрав платы вместе, довольно долго отрабатывали различные алгоритмы и режимы спутника. Обычное состояние рабочего места: блок питания при помощи полуразобранного устройства, имитирующего солнечные батареи с попаданием в тень Земли, питает спутник с аккумуляторами. Проверяли, в каких режимах аккумуляторы успевают заряжаться, а в каких нет.

На фото сразу два спутника, в разных вариантах собранности:


Для управления ориентацией в столь малых спутниках обычно используют магнитные катушки, которые взаимодействуют с магнитным полем Земли и поворачивают спутник. Интересно, что для их расчета использовалась старенькая книга более чем 35 летней давности авторства Коваленко А. П. «Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами» 1975 г. На этапе отладки вместо катушек припаивались резисторы с двухцветными диодами, которые можно обнаружить на фото выше.

Если говорить о сложности программного обеспечения БВК, то проще перечислить реализованные задачи:

• бортовые часы реального времени с уточнением по GPS;
• режимы спутника и их переключение на основании различных данных;
• модуль работы с циклограммами;
• работа с приемником GPS/ГЛОНАСС по протоколу BINR;
• протокол MODBUS;
• работа с энергонезависимой флеш-памятью для хранения телеметрии;
• модуль сбора и хранения телеметрии в архиве;
• алгоритмы навигации (расчет и уточнение орбиты по данным GPS);
• алгоритм ориентации и стабилизации;
• модуль управления катушками;
• работа с датчиками магнитного поля, угловых скоростей, направления на Солнце;
• взаимодействие с платами энергоснабжения и радиолинии;
• механизм перевода ядра в спящий режим для снижения энергопотребления, когда нет исполняемых задач;

Необходимый объем программного кода для нужд спутника на программировании его трех плат не заканчивается. Для отработки навигации, ориентации и стабилизации в матлабе был написан имитатор полета спутника по орбите с симулированием измерений датчиков угловых скоростей, магнитометров и датчиков направления на Солнце. Наземный центр управления тоже требует ПО для разбора и хранения архивов полной телеметрии спутника, для создания циклограмм и оправки их на спутник, для управления перенастраиваемыми параметрами спутника, и всё это через протокол MODBUS. Поручать программирование наземной станции студентам за 3-4 года до запуска оказалось не лучшим решением. Код впоследствии один раз полностью переписывался с нуля, а закончившие обучение студенты, из-за занятости по основной работе, не могли найти время для поддержки созданного ими ПО. Кроме того для радиолюбителей необходима маленькая программа разбора телеметрии из пакетов радиомаяка.

Датчик направления на Солнце. Разработкой и изготовлением занимались у нас в КПИ. Если в двух словах описывать устройство датчика, то это маленькая солнечная батарея с четырьмя участками съема тока, накрытая непрозрачной панелью с двумя взаимно перпендикулярными прорезями. Выходы от фотоэлемента идут на микросхему для усиления сигнала, который в дальнейшем можно измерить АЦП на плате БВК. После обработки снятых данных можно получить вектор, указывающий на Солнце.

Фотоэлемент нашего датчика.


Сам датчик с закрытой панелью, с обратной стороны находится микросхема усилителя сигнала:



Как ни странно, самой большой проблемой по отработке датчика было найти для него двухосный поворотный стенд с разметкой углов. За качество освещения отвечал наш имитатор заатмосферного солнечного излучения, тот же что и на термовакуумных испытания нашего спутника. О чем будет немного ниже по тексту.

Разыскиваемый стенд:


В процессе калибровки не стоит забывать, что планета Земля тоже успешно отражает свет и должна учитываться в погрешностях:


Датчики для постоянного отслеживания вектора направления на Солнце должны находиться на каждой грани спутника, но в нашем случае их меньше.

Испытания

Виброиспытания. Испытание на оборудовании еще советского производства. Спутник должен выдержать вибрации и не развалиться. Информация по перегрузкам зависит от ракетоносителя и в нашем случае имела следующие значения: осевая продольная перегрузка - 7.5 g, поперечная перегрузка - 0.8 g, интегральная акустическая нагрузка - 140 dB.

Фото вибростенда к сожалению только с мобильного:


Термо-вакуумные испытания. Проводились полностью собственными силами нашей кафедры на одном из подразделений www.lab-hp.kiev.ua. В ходе испытаний моделировались условия и влияние факторов космического пространства: низкой температуры, вакуума, солнечного и земного излучения, черноты пространства, которые влияют на температурный режим электронной аппаратуры и её надежность. Теплоэнергетический факультет как раз и специализируется на подобном, потому испытания проводили собственными силами с подробным описанием программ, методик и выпуском научных статей. PolyITAN-1 защищен от холода космического пространства нашими сотопанелями, представляющими собой облегченный алюминиевый сотовый заполнитель (соты высотой 5 мм из фольги толщиной 0,023 мм), обклеенный с двух сторон углепластиковыми обшивками с диэлектрической полиимидной пленкой.

Сотопанели правда с алюминиевыми обложками:


Имитатор солнечного излучения должен обеспечивать 1400 Вт на метр квадратный, для больших объектов он иногда может быть похожим на панель солярия и помещаться в вакуумную камеру вместе с испытуемым объектом. В нашем же случае имитатор внешний. Источник света проникает в вакуумную камеру сквозь небольшой иллюминатор и окно в криопанели - азотном экране с температурой -193 °С и степенью черноты больше 0.93.

Белые наклейки это всего лишь термопары для контроля температуры:


Открытая термовакуумная камера, видно внутренний азотный экран с термопарами, из прорези иллюминатора выглядывает старый вариант спутника.


На фото общий вид оборудования, слева - пушка имитатор солнечного излучения, а вакуумную камеру с иллюминатором сложно не узнать.



Результаты испытаний показали колебание температуры на гранях солнечных батарей наноспутника от -32 °С в тени и до 65 °С под Солнцем. Температурный режим внутри спутника был в пределах допуска для аппаратуры. Аккумуляторы держались в границах +5 … +9 °С, микроконтроллер грелся от +5 до +23 °С.

Воздействие радиации. Испытания проводились на микротроне М-30 Института электронной физики НАН Украины г. Ужгород. Испытывалась степень деградации электронных компонентов и солнечных батарей наноспутника. Из того что мне рассказали, дело обстоит так: из микротрона вылетают электроны с энергией 7 МэВ и выбивают из экрана гамма-излучение, которое уже попадает на работающие платы и солнечные батареи. Облучение продолжительностью около трех часов (в два подхода 5578 с + 5578 с) имитирует воздействие радиации на протяжении 18 месяцев в околоземном пространстве. Платы стали сбоить к окончанию первых 1.5 часов испытаний. Степень деградации солнечных батарей была всего лишь 3-5% и рассчитывалась на основании снимаемого тока до и после испытаний при одинаковом световом потоке.

Фото микротрона М-30 с сайта ИЭФ:


Калибровка датчиков. Абсолютно все датчики на спутнике должны проходить калибровку. Часть из них наиболее важна, так как используется в ориентации и стабилизации. Это магнитометры, датчики угловых скоростей (ДУСы), датчики направления на Солнце. Остальные в большей степени относятся к состоянию спутника: датчики температуры, а также реализованные на платах условные датчики раскрытия антенн, заряда аккумуляторов, тока от солнечных батарей, потребляемого тока различных подсистем. Про датчик направления на Солнце было рассказано выше, калибровка же остальных датчиков необходимых для ориентации, проводилась вне КПИ. В нашем спутнике используется дублирование, итого двенадцать датчиков ДУСов и магнитометров. Все они являются электронными компонентами на плате БВК. Из недостатков, можно упомянуть крайнюю неточность ДУСов на малых скоростях, а магнитометры в идеале должны находиться снаружи, а не внутри спутника, отчего к их погрешности добавляется искажения от конструкции спутника.

Тестирование приемника GPS/ГЛОНАСС и наших алгоритмов навигации. Компания «Навис-Украина» в городе Смела предоставила нам возможность проводить испытания нашей навигационной подсистемы на их оборудовании. Для нас было важным проверить достоверность математического расчета и уточнения орбиты на реальных данных от приема GPS/ГЛОНАСС сигнала на антенне и до использования полученных расчетных данных для ориентации спутника. Имитатор GPS/ГЛОНАСС позволяет симулировать сигнал, приходящий от навигационных спутников, как будто мы летим по заданной нами орбите. Такое устройство довольно дорогое и к нему в комплекте должно идти ПО, переводящее значения последовательных точек орбиты или же точек наземного маршрута в файл данных для имитатора. Для указанного участка времени (орбиты или маршрута) рассчитываются орбиты выбранных навигационных спутников, после чего для каждого спутника рассчитываются исходящие сигналы и время их прихода на точки орбиты с учетом СТО. Полученные данные для имитации записываются на флэшку, которую уже используют в имитаторе сигналов GPS/ГЛОНАСС. Выход имитатора подключают вместо антенны приемника и запускают на исполнение.

Имитатор GPS/ГЛОНАСС:



Проверка расчековки антенн. Единственной подвижной частью во всей конструкции спутника является механизм, отвечающий за раскрытие антенн после выведения на орбиту. Сам спутник, находящийся внутри пускового контейнера, находится в выключенном состоянии. Но уже после выброски в космос, освобождается контакт питания от аккумуляторов, включенный спутник с некоторой задержкой должен раскрыть антенны. Это довольно важный и ответственный этап в жизни любого космического аппарата.

Антенны нашего спутника похожи на ленту обычной рулетки, постоянно стремящуюся развернуться и выпрямиться. В свернутом состоянии антенны удерживаются ограничителями, при подаче тока эти ограничители перегорают и освобождают антенны.

На фото спутник с развернутыми антеннами:



Испытание расчековки антенн:

Сборка и дорога к запуску

Сборка в подвальном помещении лаборатории вместе с проверкой всех подключаемых элементов заняла больше суток. Довольно ответственная работа, выполняя которую, нужно по сборочным чертежам соединить платы, объединить проводами все элементы спутника в единую систему (платы, внешние датчики, аккумуляторы, солнечные батареи, механизм расчековки антенн, магнитные катушки управления), подсоединить радио и GPS/ГЛОНАСС антенны, правильно установить на панелях датчики направления на Солнце, сами панели прикрутить к спутнику. И в конце подготовить спутник к транспортировке:





Контрольное взвешивание показало красивое число:



В дорогу:


Вообще запуск спутника требует сильного взаимодействия с различными государственными структурами и бумажной волокиты с получением различных разрешений. Это самая неинтересная и неприятная часть в его разработке, от которой к сожалению невозможно избавиться. Если бы спутник создавали не в столице Украины, то как минимум один сотрудник жил бы командировками. Получение рабочих частот на государственном и международном уровне, а также оформление документов для прохождения таможни может растянуться на продолжительный срок. Много времени отнимает процедура международной регистрации начиная от «УкрДЦрадиочастот», «Укрспецзв`язку», «Укркосмоса» и до ITU. В Украине эта процедура по университетским любительским спутникам проводилась впервые. В дополнение к этому ITU требует начинать процедуру регистрации за два года до запуска. Оформление документов для таможни тоже является серьезным вызовом, связанным с необходимостью доказать отсутствие государственной тайны. Впрочем, наличие этих документов не освобождает от разглядывания внутренностей нашего спутника при пересечении границы, одну панель пришлось открутить.

Таким спутник предстал перед выполняющими свой долг сотрудниками пограничной службы:



Удачным моментом можно назвать неоднократный перенос пуска. От начальной запланированной даты на декабрь 2013 года до запуска 19 июня 2014 прошло полгода, что позволило нам качественно доработать на спутнике пару подсистем, но кое-что мы всё равно едва успели. Вопрос о пропуске пуска стоял достаточно остро.

Финальная наладка уже в Голландии перед загрузкой в платформу QuadPack:



Официальная и обязательная фотосессия для спутника. Фото с сайта blog.isilaunch.com



Формат наноспутника CubeSat подразумевает загрузку в стандартизированную платформу QuadPack для отстыковки спутников. На фото место в платформе под наш спутник.


Загрузка 21 спутника формата CubeSat происходила в офисе фирмы ISIS, г. Делфт в Голландии.



Здесь упакован 21 спутник формата CubeSat. После чего они отправились в Россию для установки на разгонный блок ракеты РС-20 (Днепр-1).


Установленные QuadPack`и на разгонном блоке.



Вид сверху, спутников уже больше:

Полёт

В четверг 19-го июня 2014, поздно вечером 19:11 UTC с космодрома Ясный (Оренбургская обл., Россия) стартовала ракета «Днепр-1» на борту которой находилось 33 космических аппарата. Ниже можно посмотреть видео с анимацией пуска и выведения спутников на орбиту для данного типа ракеты от корейцев.




Один из 33 аппаратов - первый украинский университетский наноспутник PolyITAN-1, полностью разработанный сотрудниками, студентами КПИ и энтузиастами. Центр управления - UT4UZB находится на Теплоэнергетическом факультете. Главное - спутник был успешно выведен на орбиту в 19:32 и был успешно принят на частоте 437.675 (+\- Доплер). Сейчас работает CW маяк и телеметрия формата FSK 9k6. Первым кто принял сигналы был Егор Касминин UY2RA.

На седьмом этаже пятого корпуса КПИ в ожидании пролета спутника:


habrahabr.ru