Во времена СССР при отсутствии некоторых товаров было значительное присутствие энтузиазма самодельщиков – кто-то из водопроводных труб сваривал конструкцию летающего самолета, кто-то мастерил лодки, даже подводные, а в магазинах продавали наборы «Сделай сам».
Сейчас купить можно все. Или почти все. Исключением из этого «почти» пока остаются космические аппараты. Давайте вместе попытаемся восполнить этот пробел: подумаем, можно ли сделать спутник?
Например – наноспутник, вес которого около 10 кг.
Наибольшей проблемой сегодня является стоимость, обычно это миллионы долларов, десятки или сотни миллионов. Все из-за огромной цены комплектующих спутник приборов.
Но давно известно, что в магазине можно купить почти все, что нужно для конструкции спутника, а качество китайских товаров превысило уровень «Знака качества» времен СССР.
Ниже я подорбрал данные по необходимым для наноспутника параметрам, которые обеспечивают купленные в магазине товары.
1. Система связи на основе спутникового телефона1:
Аппарат должен быть защищен от попадания влаги, пыли. Корпус выполнен из композитных материалов (поликарбонатов) с алюминиевым напылением и резиновыми прокладками для обеспечения качественной защиты.
Аппарат поддерживает функцию пакетной передачи данных GmPRS, позволяющую обмениваться SMS-сообщениями и электронной почтой, а также заниматься веб-серфингом на скорости до 15 Кб/с при передаче данных и до 60 Кб/с при приёме.
Технические характеристики:
• Степень защиты от пыли и влаги по стандарту IP54/IK03;
• Передача данных (dial-up) и факсимильных сообщений на скорости 9,6 kbps;
• Параметры GmPRS:
- Загрузка - до 60 кбит/сек;
- Отгрузка - до 15 кбит/сек;
• Языковая поддержка 12 языков;
• USB інтерфейс;
• Служба коротких сообщений (SMS)
• Ответ на звонок нажатием любой кнопки;
• Время работы в режиме разговора через спутниковый канал до 6 часов;
• Время ожидания - до 80 часов;
• Определения координат по GPS с сохранением последних 10 показаний GPS;
• PC интерфейс для загрузки данных местонахождения с GPS (необходим кабель);
• Передача данных с GPS;
• Bес 0,193 кг;
• Габаритные размеры (ВхШхГ), мм - 128 x 53 x 26,5;
• Мощность терминала - 2 W.
1Например, спутниковый телефон Thuraya XT
2. Спутниковый терминал2:
* Стандарт святи - L-диапазон: 1,5-1,6 ГГц;
* Поддерживаемые функции:
- Подключение к ПК в качестве факс-модема;
- Короткие текстовые сообщения/SMS;
- Доступ в Интернет<B< td>;
* Технология передачи данных:
- Режим Потокового IP с гарантированной скоростью (передача:16,32,64,128,256 или 384 kbps, прием:16,32,64,128,256 или 384 kbps)
- Режим Фонового IP через общий канал (передача:до 444 kbps, прием:до 444 kbps)<B< td>;
* Поддерживаемые протоколы:
- VPN доступ;
- Фильтрация MAC адресов;
- WEO шифрование;
- Контроль трансляции SSID;
- DHCP;
- VOIP;
- FTP;
- WLAN 802.11 a/b (WiFi);
- TCP/IP;
- PPP<B< td>;
* Интерфейс:
- USB;
- WLAN;
- Ethernet ( RJ-45)<B< td>;
* Антенна – штатная интегрированная;
* Количество каналов – 1;
* Количество SIM карт на канал – 1;
* Управление:
- WEB;
- Клавиатура на корпусе<B< td>;
* Индикация - Жидкокристаллический дисплей;
* Аккумулятор – LiIon;
* Время работы в режиме ожидания, ч. – 36;
* Время работы в режиме приема-передачи данных на максимальной скорости, ч. – 1;
* Питание – 12 В постоянного тока;
* Габаритные размеры (В х Ш х Д), мм - 50 x 225 x 158;
* Вес нетто приемо-передающего устройства, кг. – 1,3;
* Гарантийный срок, год – 1;
2Например, спутниковый модем Thuraya IP (Hughes 9103)
Общий вес системы приема-передачи данных (спутниковый телефон, терминал, Ethernet-кабель (RJ-45), USB-кабель<B< td>, элементы крепления, бортовое зарядное устройство), кг – 1,6 кг.
Ориентировочная общая стоимость – $ 8600.
3. Камеры наблюдения орбитального пространства3.
В изделии применены три камеры:
- одна камера расположена вертикально вверх (наблюдение созвездий для идентификации положения изделия по карте звездного неба);
- три камеры равномерно расположены под углом 120о для обзора горизонта на орбите.
Технические характеристики:
* Тип - Интернет-видеокамера с возможностью работы в режиме фотоапарата;
* Возможности - Создание и отправка по E-mail видеороликов и цифровых фотографий;
* Разрешение светочувствительного элемента - 2 миллиона пикселей;
* Размер кадров в режиме фотосъемки - 8 миллионов пикселей (интерполированное разрешение);
* Размер кадров в режиме видеосъемки - До 1600 x 1200 пикселей;
* Частота кадров в режиме видеосъемки - До 30 кадров/сек;
* Угол обзора – 75о;
* Фокусировка – Автоматическая;
* Интерфейс - USB 2;
* Особенности - Оптическая система Carl Zeiss;
* Размеры (Ш х Д х В), ММ - 90 х 116 х 40
* Вес ОДНОЙ КАМЕРЫ, КГ - 0,19
* Общий вес трех камер и крепления, кг – 0,7.
* Ориентировочная стоимость – $ 100.
3Например, интернет-камера Logitech "HD Pro Webcam C910" 960-000642
4. Видеокамера наблюдения земной поверхности4.
Устанавливается под углом 70о к вертикальной оси изделия.
Технические характеристики:
* Тип – цифровая видеокамера;
* Формат записи - Видео (HD): MPEG4-AVC/H.264 AVCHD
- Видео (STD): MPEG2-PS
- Фото: JPEG (Exif 2.2, DCF 2.0, MPF Baseline);
* Светочувствительный элемент - 1 CMOS матрица 1/4";
- 7,1 миллиона пикселей (максимальное);
- 4,2 миллиона пикселей (общее);
- Эффективное для видео: 2.65 миллиона
пикселей (16:9);
- Эффективное для фотографий: 2.65 миллиона пикселей (16:9), 3.54 миллиона пикселей (4:3);
* Объектив - f = 2.9 - 34.8 мм (эквивалент для пленки 35 мм: 29.8 - 357.6 мм (16:9), для фотографий 27.4 - 328.8 (4:3))
- F = 1 : 1.8 - 3.4;
* Увеличение - 12X оптическое;
- 17/160X цифровое;
* Фокусировка – автоматическая;
* Широкоформатная съемка - 16:9;
* Выдержка - 1/8 - 1/1000 сек;
* Стабилизация изображения - SteadyShot (оптическая);
* Скорость записи - HD/SD, FX/FH, HQ/LP;
* Носитель информации - Встроенный жесткий диск 160 ГБ, карты памяти Memory Stick Duo / Memory Stick Pro Duo, SDXC;
* Разъемы - Аудио/видео выход, mini-HDMI, miniUSB, питание;
* Аккумуляторная батарея - Аккумуляторная батарея NP-FV50;
* Размеры (Ш х В х Д), мм - 58 х 67 х 125.
* Общий вес с аккумулятором и креплением, кг – 0,5.
* Ориентировочна стоимость -$ 900.
4Например, видеокамера HDD Sony "Handycam HDR-XR350E/B" (7.1Мп, 1CMOS, 12x, 3лк, 160ГБ, ЖК 2.7")
5. Система стабилизации и ориентации.
Исполнительный механизм системы стабилизации и ориентации строится на двух перпендикулярно расположенных мотор-редукторов с маховиками, которые располагаются в центре тяжести изделия, продольные оси мотор-редукторов лежат в горизонтальной плоскости изделия. Команды на включение мотор-редукторов подаются с бортового контроллера (бортовой ЭВМ) после анализа полученного снимка звездного неба вертикальной видеокамерой для совмещения изображения с картой звездного неба в памяти ЭВМ.
Вращение маховиков мотор-редукторов обеспечит поворот конструкции спутника в двух плоскостях, что достаточно для ориентации в пространстве и стабилизации его положения.
Технические характеристики мотор-редуктора5 (планетарный мотор-редуктор на редкоземельных магнитах):
* Напряжение питания, В – 12, постоянный ток;
* Потребляемая мощность 160 W;
* Температура эксплуатации, оС - -30 - +140;
* Количество оборотов, 1/мин - 66;
* Развиваемый на валу момент, Н/м – 17;
* Длина, мм – 240;
* Диаметр мах, мм – 90;
* Вес, кг – 1,5 кг.
На валу каждого мотор-редуктора крепится маховик весом 0,1 кг.
* Общий вес исполнительного механизма системы ориентации и стабилизации составляет, кг – 3,2 кг.
* Ориентировочная стоимость исполнительного механизма - $ 1000.
5Например, планетарный мотор-редуктор NDP120/522 120/240 PERMANENT MAGNETS D.C. PLANETARY GEARMOTORS ECP
6. Солнечные батареи6.
Элементы солнечных батарей крепятся на наружной поверхности конструкции спутника. Всего модулей – четыре.
Технические характеристики солнечного модуля:
* Мощность, W – 10;
* Ток при напряжении максимальной мощности, А – 0,6;
* Напряжение при максимальной мощности, В – 17;
* Напряжение «холостого хода», В – 21;
* Габариты (В х Ш х Г), мм – 425 х 232 х 28;
* Вес, кг – 1,6.
* Контроллер заряда 12V, 5A. TY-BASE:
Технические характеристики:
Размеры – 115х58х34 мм.
Вес – 185гр.
Рабочее напряжение нагрузки – 12 V.
Выходной ток ( заряда, нагрузки)– до 5А.
Напряжение отключение зарядки – 10 V.
Напряжение возобновления зарядки – 10,5V.
Напряжение отключение перезарядки – 14 V.
Напряжение возобновления после отключения от перезарядки – 13,5V
Подключение:
В соответствии со схемой указанной на контроллере , соблюдая полярность, підключить солнечную панель, аккумулятор, нагрузку.
Используемая солнечная панель должна иметь возможность выдавать напряжение болем 12 Вольт.
* Общий вес солнечной батареи, кг – 7 кг.
* Ориентировочная стоимость (с блоком аккумуляторов) – $ 1800.
6Например, солнечный модуль ФСЭ-10
7. Аккумулятор солнечной батареи.
Применяется дублирование – два аккумулятора: DJM 100Ah (100Ah 12 В x 2).
Кроме этого для обеспечения пусковых моментов дополнительно устанавливается шесть литий-ионных конденсаторов типа: LIC1235R 3R8406, LIC1840R 3R8107, LIC2540R 3R8207. Такие литий-ионные конденсаиоры обеспечивают (каждый) напряжение 2,2 – 3,8 В при емкости 40-200 Ф.
8. Силовой литий-полимерный аккумулятор.
Для обеспечения бесперебойной работы систем спутника, в т.ч. для вариантов ДЗЗ и связи, устанавливается дополнительно LiPo аккумулятор силовой 5000 мА/час 14.8 В 4S 25C/45C FIGHTER-5000-4S-25C заряд 5C. Вес 0,534 кг. Размеры (Д х Ш х В), мм - 129 x 44 x 40.
8. Бортовой контроллер (бортовая ЭВМ)
Бортовой контроллер создается на базе ПК типа ASUS-Lamborghini Eee PC VX6.
Технические характеристики:
• 12,1-дюймовый HD дисплей со светодиодной подсветкой (1366x768 пикселей)
• Операционная система Microsoft Windows 7 (плюс встроенная ОС Express Gate Cloud)
• Процессор/чипсет Intel Atom D525 (два ядра, 1,8 ГГц)/Intel NM10
• Графическая подсистема NVIDIA ION (N11M-PT2) с 512 Мб памяти GDDR3
• Системная память - DDR3 SO-DIMM 2/4 Гб
• Жесткий диск (320 Гб)
• Беспроводные интерфейсы - Wi-Fi: 802.11b/g/n и b/g 2,4 ГГц, Bluetooth 3.0
• 6-ячеечная литий-ионная батарея 2,6Ач (57,72 Вт/ч), время автономной работы – до 7 часов
• Камера - 1,3 млн. пикселей
• Динамики - стерео, технология Bang & Olufsen ICEpower
• Интерфейсы - 1 x VGA, 1 x HDMI, 2 x USB 3.0, 1 x USB 2.0, 1 сетевой порт (RJ-45), 2 аудиоразъема
• Кардридер - MMC/SD(SDXC)
• Размеры - 297 x 204 x 28,67 мм
• Вес - 1,45 кг (с 6-ячеечной батареей)
• Ориентировочная стоимость - $ 900.
9. Стоимость основных покупных комплектующих спутника - $ 14000. Общий вес около 17 кг.
10. Время эксплуатации спутника на орбите (при дискретной съемки и передаче данных), лет – 2-5 (уточняется при проектировании).
Выводы.
Существующие солнечные батареи имеют большой вес и габариты при низком коэффициенте полезного действия, наиболее целесообразно отказаться от них и ограничиться силовым аккумулятором. Одной зарядки аккумулятора хватит на неделю полета спутника по орбите Земли при дискретной работе приборов и оборудования (т. е. электропитание потребуется только периодически) - это возможно потому, что, например, над территорией Украины спутник летит минут десять.
В этом случае вес спутника составит 10 кг, а стоимость - порядка $ 12000 - не идет ни в какое сравнение с «традиционными» миллионами.
Это и есть малобюджетный или «народный» спутник наблюдения, пригодный для научных исследований космоса в университетах, удовлетворения любопытства и амбиций. Его можно собрать в кухне.
Спутник может, например, фиксировать облачность и использоваться в составлении прогноза погоды как космический погодный зонд.
Есть перспектива совершенствования – уже созданы «атомные» практически вечные батарейка на радиоизотопах. Пройдет немного времени, и наш наноспутник без солнечных панелей будет оставаться на орбите 2-5 лет, пока смогут функционировать купленные в магазине товары.
Сейчас наноспутники в Японии запускают бесплатно; их можно выводить на орбиту на последних, отделяющихся от основной нагрузки, ступенях ракет, в перспективе – появление большегрузных носителей, которые смогут поднимать на орбиту 53-70-140 тонн груза. Тогда реальная стоимость вывода нашего «народного спутника» будет ниже $ 28000.
Всего затрат на выход в космос сегодня – порядка $ 40000. Это цена выхода в космос из собственной кухни.
Будем работать над снижением этой стоимости и продлением срока службы самодельного спутника в космическом пространстве.
