Mit takar a CubeSat megnevezés?

Egy mondattal: egy vagy néhány liternyi műholdat. Persze ez az egy mondat újabb kérdéseket vet fel, például, hogy miért is ez a kis méret? A válasz az űripari mérnökképzésben keresendő: a mérnökké válás folyamatának fontos eleme, hogy a hallgatók már az egyetemi/főiskolai képzés keretei között megtanuljanak rendszerben, projektben gondolkodni. A California Polytechnic State University kidolgozott egy pikoszatellit szabványt, amelyet CubeSatnak nevezett el. A szabvány lényege, hogy méret- és tömegkorlátok közé szorítja a fejlesztendő űreszközt. A szabvány alapegységként (1U azaz 1 Unit) egy 10×10×10 cm méretű kockát maximum 1,33 kg tömeggel definiál (1. táblázat).

1. táblázat • A ma ismert CubeSat-méretek

A meggondolás célja az volt, hogy költséghatékony keretet adjon, amely egy egyetem vagy kutatóintézet, a későbbiekben akár kisebb űripari cég számára is felvállalható.

Hogy juttathatunk az űrbe CubeSatot?

A szabványosított kisműhold koncepció egyik kiemelkedő előnye, hogy manapság már könnyen illeszthetőek a piacon lévő rakétákhoz. Ehhez szükség van a műholdat a rakétával összekötő kapocsra, egy speciális adapterre. A szabvány kitér a CubeSatot pályára állító adapterre is, ami így szabványos interfészt biztosít a rakéta és a műhold között. Ilyen adapter a Poly-Picosatellite Orbital Deployer (P-POD – 1. kép), az eXperimental Push Out Deployer (X-POD). A legtöbb adapter egyszerre három darab 1U méretű CubeSatot képes pályára állítani (vagy egy darab 3U méretűt), de az újabb generációjú POD-ok már a 12U befogadására is képesek. Fontos megjegyezni, hogy napjainkban igen komoly alternatíva a Nemzetközi Űrállomásról (ISS) startolni, ahol egy nagy befogadó képességű siló (SSOD) áll rendelkezésre, de ennek a lehetőségnek komoly hátránya a műholdpályán tölthető idő, mivel az állomás pályamagassága miatt ez maximum néhány hónap. Természetesen a hordozórakéták széles palettája alkalmas már CubeSatok felbocsátására. Hogy néhányat említsek a teljesség igénye nélkül: az európai Vega (amellyel a Masat–1 is utazott), az orosz Dnyepr, az amerikai Falcon vagy az indiai Polar Satellite Launch Vehicle (PSLV).

1. kép • CubeSat a P-POD-ban (Fotó: Czifra Dávid)

CubeSatok a nagyvilágban

Űralkalmazásokat a mindennapokban aktívan használó országokban – ez az EU számos országára igaz – a műholdfejlesztés mindennapos feladat. Ezek a fejlesztési projektek elsősorban azon cégek (Alcatel, Airbus, Boeing, Lockheed Martin, Orbital Sciences stb.), klaszterek, konzorciumok köré csoportosulnak, amelyek ütőképes mérnöki gárdával rendelkeznek ezen a szakterületen. Mivel egy átlagos EU-polgár egy teljesen átlagos napján közel ötven műholdat használ – esetleg a tudtán kívül – biztosak lehetünk abban, hogy ezeknek a cégeknek és a műholdas iparágnak meghatározó szerepe van a jelenünkben és lesz a jövőnkben. Rendkívül fontos nagy hangsúlyt fektetni a fenntarthatóság érdekében ezekhez a projektekhez az utánpótlás kinevelésére. Természetesen nehéz valós tapasztalatokat szerezni hallgatók, kezdő mérnökök számára egy küldetés során. A költségeket és felelősségeket figyelembe véve ez érthető is, de erre szerencsére megoldást kínál a CubeSat-kategóriába eső kisműholdak köre. Ezek a küldetések kezdetben az oktatást szolgálták, de idejekorán felfedezték a bennük rejlő további lehetőségeket is. Egyre több küldetés szólt technológiai demonstrációról, kifejezetten tudományos kísérletről. Mindez ahhoz vezetett, hogy az ilyen léptékű műholdak startja ugrásszerűen nőtt az elmúlt években (1. ábra).

A pikoműholdak szerepe
az európai űrtevékenységben

Ez az ugrásszerű térhódítás az, ami talán a legjobban sarkallta az Európai Űrügynökséget (ESA), hogy kivegye a részét ezen tevékenységekből. Először oktatási programokon keresztül kapcsolódtak be a CubeSatok világába – kiváló példa erre a Vega hordozórakéta első startja hét ilyen műholddal a fedélzeten (2. kép), köztük a Masat–1-gyel, Magyarország első műholdjával. További példa az ESA oktatási osztályának a Fly your Satellite! (azaz Reptesd a műholdadat!) programja, amely 2013 júniusában hat különböző, arra érdemes CubeSat-program kiválasztásával és felkarolásával kezdődött. Az egyes programokat négy fő fázisra osztották: építés, tesztelés, felbocsátási kampány és a műhold pályán történő üzemeltetése. Meglehet, elsőre triviálisnak tűnik a felosztás, de nagy segítség lehet az ilyen – esetleg kezdő – műholdépítő csapatoknak, ha támogatást kapnak arra vonatkozóan, hogy mind a négy fázist megfelelő súllyal kezeljék, ugyanis sok küldetés kudarcát a hiányos környezeti tesztek eredményezték. Továbbá szép számmal előfordul az a helyzet is, hogy akár egy jól működő műholdat is magára hagynak a pályán, idő vagy pénz hiányában nem fordítanak energiát az üzemeltetésre és a hasznos adatok letöltésére. Ezért fontos, hogy a tanulási folyamat része legyen a teljes műholdéletút, nem csak az építés.

2. kép • A VEGA hordozórakéta, orrkúpjában

a Masat–1-gyel (Fotó: ESA – S. Corvaja, 2012)

Végezetül, mostanra több, nem kifejezetten oktatási célú program beindítása is megtörtént. Külön csoportot hoztak létre az ESA berkein belül, amely összefogja az európai CubeSat-fejlesztéseket, és

az európai kisműholdas űrstratégia megalkotása mellett (melynek workshopjára minket is meghívtak, ami nagy megtiszteltetés volt a számunkra) komplett küldetések életre hívása is a feladataik közé tartozik. Ezen küldetések napjainkra már kevésbé oktatási, inkább kutatási és fejlesztési projektekké nőtték ki magukat.

Persze feltehetjük a kérdést, hogy mi motiválja a más projektekben akár több tonnás műholdakat is megépítő és üzemeltető Európai Űrügynökséget arra, hogy néhány kilós műholdakkal foglalkozzon, az oktatáson túlmenően? A válasz egyszerű: míg a nagyműholdak tervezési ciklusa nyolc-tizenkét évben mérhető, addig egy CubeSat küldetés kettő-öt év alatt is végigvihető, így rendkívül gyorsan adatik meg a lehetőség technológiai demonstrációk újabb és újabb generációinak in situ, az űrben történő tesztelésére; felgyorsítva ezzel ennek az egyébként új technológiákat lassan befogadó szegmensnek a technológiai fejlődését. Olyan ígéretes technológiák kipróbálására ad teret ebben az ágazatban, mint a drasztikus miniatürizálhatóság egyik példája, a System-on-a-Chip vagy új deorbitációs technológiák kipróbálása (az újítások hatással lehetnek az egyik legaktuálisabb probléma, az űrszemét megoldására is), vagy például az itthon is nagy érdeklődésnek helyet adó multipont földmegfigyelési küldetések. Ez utóbbira a nagy számban, egy időben több helyen elvégzett mérések miatt a CubeSatok egyedülálló módon alkalmasak, és a mérések nem kizárólag a Föld felszínére, de annak közvetlen környezetére is kiterjedhetnek (ionoszféra, termoszféra, magnetoszféra stb.).

Az ESA által támogatott tevékenységek köre a nanoműholdak terén két fő részre oszlik: egyrészt komplex küldetések (SIMBA, QARMAN, GOMX-3, Picasso) megvalósításán, másrészt a következő generációs CubeSatok egyes kulcstechnológiáinak kifejlesztésén dolgoznak együtt több nemzetből – köztük magyarok közül – kikerülő csapatokkal. Mi ez utóbbi együttműködés keretében fejlesztünk telemetria és telekommand adó-vevőt és fedélzeti számítógépet műholdfedélzetre, valamint a jövő kisműholdjainak vázát adó 3/6U méretű műholdszerkezetet.

Hazai CubeSat-aktivitások, előzmények

Természetesen hosszú út vezetett az ESA-együttműködéshez, kellett az előzmény is. A 2007-ben megkezdett fejlesztés végeredményeként 2012. február 13-án az Európai Űrügynökség Vega hordozórakétájának segítségével sikeresen pályára állt és megszólalt a Masat–1 műhold (3. kép).

3. kép • A Masat–1 repülő példánya

(Fotó: Czifra Dávid)

A fő célkitűzés az oktatás volt: neveljük ki a következő műholdépítő generációt! Persze a legfontosabb az volt a számunkra, hogy működjön és helytálljon, de nem szabad elfelejteni azt a referenciát sem, amit ez a küldetés jelentett, nemcsak a csapat, hanem a hazai űrközösség számára is, hiszen ez egyben a közösség sikere is volt. Ennek bizonyítéka az űrben eltöltött 1061 nap, mely alatt a rádióamatőr sávban kommunikáló Masat–1 folyamatosan küldte az adatcsomagokat, amelyek – a fotók mellett – több száz telemetria csatornán folyamatosan mért fizikai mennyiségek értékét és külön parancsokkal lekérdezhető módon további száz különböző belső változót tartalmaztak. A műhold a fedélzetén található kamerával a pályán töltött időszak alatt Földünkről több mint kétszáz felvételt készített. A redundáns alrendszerek – ami ebben a mérettartományban unikális volt – lehetővé tették, hogy a deorbitálódásig kiválóan működjön az eszköz (a pályán töltött 2. évforduló környékén a fedélzeti számítógép átkapcsolt a tartalék párjára, ezzel kiküszöbölve egy napkitörésből fakadó hibajelenséget). Mindezek predesztinálták a folytatást, meg is kezdődött nem sokkal a start után a Masat–2 előkészítése, de sajnos a program támogatottsága nem tette lehetővé a megfelelő ütemű fejlesztést. A közeljövőben az ESA teljes jogú tagjává válás természetesen pótolhatja a kimaradt lendületet majd.

Jövőkép

Már az első műholdunknál is több generációban gondolkodtunk, hiszen egy jó alappal, egy jó műholdplatformmal a hazai kutatószféra a könnyedén űrbe juttatható kísérletekkel, az űriparban is jártas – vagy éppen jártasságot szerezni vágyó – cégek pedig a technológiai kísérletek, valamint a szolgáltatási potenciált is rejtő küldetések révén bevonhatóak, és ezáltal összetettebb küldetések is megvalósíthatóvá válnak a következő években. A céljaink eléréséhez fontos megtalálnunk ezen a területen is az oktatás, a kutatás és az ipari fejlesztés szinergiáját. Ennek megvalósításához a Műegyetem inkubációja, és a tény, hogy saját és más hazai új űripari cégek, valamint kutatóintézetek is megkezdték az együttműködést ezen a területen, nagymértékben hozzájárulhat. Például – a korábban említett – az Európai Űrügynökséggel együttműködésben megkezdett 3/6U CubeSat platform (4. kép) technológiák fejlesztése is ebbe az irányba mutat. A cél olyan hazai kisműholdas platform megvalósítása, mely az univerzalitását és a CubeSat szabvány általi költséghatékonyságot kihasználva lehetővé tenné hazai kutatóintézetek kísérleteinek, valamint magyar űripari cégek technológiai fejlesztéseinek hatékony világűrbe jutatását és az ott történő üzemeltetését. Ezen alapokon pedig hazai összefogásban egy olyan, akár multipont megfigyelést is biztosítani tudó kisműholdas flotta életre hívása a cél, mely a 2020-as ciklus végére már akár fel is juthat az űrbe, és az ott gyűjtött adatok nemcsak kutatási projektekhez, de akár szolgáltatásokhoz is alapul szolgálhatnak.

4. kép • 3U CubeSat platform (Fotó: C3S Kft.)

Kulcsszavak: CubeSat, műhold, űrfelvétel, technológia, flotta
 

HIVATKOZÁSOK
www.esa.int • cubesat.bme.hu • WEBCÍM