CUBESATとは何ですか？

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宇宙探査の現代の特徴的な特徴の1つは、そのオープンな性質です。かつて、宇宙はフロンティアであり、NASAとソビエト宇宙計画という2つの連邦宇宙機関しかアクセスできませんでした。しかし、新技術の出現とコスト削減策のおかげで、民間部門は現在、独自の打ち上げサービスを提供することができます。

さらに、学術機関や小国は現在、大気調査、地球の観測、新しい宇宙技術のテストを目的として独自の衛星を構築することができます。これは、費用対効果の高い宇宙研究を可能にする小型衛星、CubeSatとして知られています。

構造とデザイン：

ナノサテライトとしても知られているCubeSatは、10 x 10 x 11 cm（1 U）の標準的な寸法に構築され、立方体のような形状（したがって、名前）になっています。それらはスケーラブルで、片側で1U、2U、3U、または6Uを測定するバージョンがあり、通常、Uあたりの重量は1.33 kg（3ポンド）未満です。3U以上のCubSatが最大で、3つのユニットがスタックされていますそれらをすべて包むシリンダーで縦に。

近年、12Uモデル（20 x 20 x 30 cmまたは24 x 24 x 36 cm）を含むより大きなCubeSatプラットフォームが提案されており、CubeSatsの機能を学術研究や新しいテクノロジーのテストを超えて拡張し、より複雑な科学を組み込んでいますそして国防目標。

衛星を小型化する主な理由は、配備のコストを削減することと、衛星をロケットの余剰能力で配備できることです。これにより、追加の貨物をランチャーに便乗させなければならない任務に関連するリスクが軽減され、貨物の交換が急遽可能になります。

また、市販の電子部品（COTS）を使用して作成することもできるため、比較的簡単に作成できます。 CubeSatsのミッションは非常に低い地球軌道（LEO）で行われることが多く、わずか数日または数週間後に大気圏再突入を経験するため、放射線はほとんど無視でき、標準的な消費者向け電子機器を使用できます。

CubeSatは、特定の4種類のアルミニウム合金で構築されており、ロケットと同じ熱膨張係数を持っています。また、衛星は、ロケットと接触する表面に沿って保護酸化物層でコーティングされており、極端なストレスによって衛星が所定の位置に冷間溶接されるのを防ぎます。

コンポーネント：

CubeSatは、研究を行うため、また姿勢制御、スラスタ、および通信を提供するために、多くの場合、複数のオンボードコンピュータを搭載しています。通常、メインコンピューターが複数のデータストリームによって過負荷にならないようにするために、他のすべてのオンボードコンピューターが含まれていますが、他のすべてのオンボードコンピューターは、メインコンピューターと接続できる必要があります。

通常、プライマリコンピューターは、姿勢制御、軌道操作の計算、タスクのスケジュールなど、他のコンピューターにタスクを委任する責任があります。それでも、プライマリコンピュータは、画像処理、データ分析、データ圧縮などのペイロード関連のタスクに使用できます。

小型化されたコンポーネントは、通常、リアクションホイール、マグネトルク、スラスター、スタートラッカー、太陽センサーと地球センサー、角速度センサー、GPS受信機とアンテナで構成される姿勢制御を提供します。これらのシステムの多くは、欠点を補い、レベルの冗長性を提供するために、組み合わせて使用されることがよくあります。

地球とその地平線を感知することは地球と大気の研究を行うために不可欠である一方で、太陽と星のセンサーは方向を示すために使用されます。太陽センサーは、CubsSatが太陽エネルギーへのアクセスを最大化できるようにするのにも役立ちます。これは、CubeSatに電力を供給する主要な手段であり、太陽電池パネルは衛星の外側ケーシングに組み込まれます。

一方、推進力にはいくつかの形式があり、そのすべてに少量の特定の衝撃力を提供する小型スラスタが含まれます。衛星はまた、それらの構成要素によって生成される熱は言うまでもなく、太陽、地球、および反射太陽光からの放射加熱の影響を受けます。

そのため、CubeSatには、コンポーネントが温度範囲を超えないようにし、過剰な熱を放散できるようにするための断熱層とヒーターも付属しています。危険な温度の上昇または下降を監視するために、温度センサーが含まれていることがよくあります。

通信では、CubeSatはVHF、UHF、またはL、S、C、およびX帯域で機能するアンテナに依存できます。これらは、CubeSatのサイズが小さく、容量が限られているため、ほとんどが2Wの電力に制限されています。より洗練されたモデルが開発されていますが、ヘリカル、ダイポール、またはモノダイレクションモノポールアンテナにすることができます。

推進：

CubeSatは多くの異なる推進方法に依存しているため、多くのテクノロジーが進歩しています。最も一般的な方法には、冷ガス、化学、電気推進、ソーラーセイルなどがあります。コールドガススラスタは、不活性ガス（窒素など）を利用してタンクに貯蔵され、ノズルから放出されて推力を発生させます。

推進方法が進むにつれて、それはCubeSatが使用できる最も単純で最も有用なシステムです。ほとんどの冷たいガスは揮発性でも腐食性でもないので、これも最も安全なものの1つです。ただし、パフォーマンスが制限され、高いインパルス操作を行うことはできません。それゆえ、それらが主にスラスタとしてではなく、姿勢制御システムで一般的に使用される理由。

化学推進システムは、化学反応に依存して高圧高温ガスを生成し、その後、ノズルを通過して推力を発生させます。それらは、液体、固体、またはハイブリッドであることができ、通常、触媒または酸化剤と組み合わせた化学物質の組み合わせになります。これらのスラスタはシンプルで（したがって、簡単に小型化できます）、必要な電力が低く、信頼性が非常に高くなっています。

電気推進は、荷電粒子を高速に加速するために電気エネルギーに依存しています–別名。ホール効果スラスタ、イオンスラスタ、パルスプラズマスラスタなど。この方法は、高い比インパルスと高効率を組み合わせ、コンポーネントを簡単に小型化できるため、有益です。欠点は、追加の電力が必要になることです。これは、より大きな太陽電池、より大きなバッテリー、およびより複雑な電力システムのいずれかを意味します。

ソーラーセイルは推進の方法としても使用され、推進剤を必要としないため、これは有益です。ソーラーセールはCubSat自体の寸法に合わせてスケーリングすることもできます。衛星の質量が小さいため、特定のソーラーセールのエリアでの加速度が大きくなります。

ただし、ソーラーセイルは衛星に比べてかなり大きくする必要があるため、機械的な複雑さが潜在的な障害の原因となります。現在、ソーラーセイルを採用しているCubeSatはほとんどありませんが、推進剤を必要としない、または危険物を使用する唯一の方法であるため、開発の余地があります。

スラスタは小型化されているため、いくつかの技術的な課題と制限が生じます。たとえば、推力のベクトル化（つまり、ジンバル）は、小型のスラスタでは不可能です。そのため、代わりに複数のノズルを使用して非対称に推力するか、作動コンポーネントを使用してCubeSatのジオメトリに対して重心を変更することにより、ベクター化を実現する必要があります。

歴史：

1999年にカリフォルニア州立工科大学とスタンフォード大学がCubeSat仕様を開発し、世界中の大学が宇宙科学と探査を行うのを支援しました。「CubeSat」という用語は、CubeSat設計仕様に記載されている規格に準拠するナノ衛星を表すために作られたものです。

これらは、スタンフォード大学の航空宇宙学科の航空宇宙工学教授のJordi Puig-SuariとBob Twiggsによって設計されました。その後、科学的ペイロードを含むナノ衛星を開発している40以上の研究所の国際的パートナーシップになるまでに成長しました。

当初、それらの小さなサイズにもかかわらず、学術機関は、彼らが立ち上げの機会を待つことを、時には数年待たなければならないという点で制限されていました。これは、カリフォルニアポリテクニックによるPoly-PicoSatellite Orbital Deployer（別名P-POD）の開発によってある程度改善されました。 P-PODはロケットに搭載され、CubeSatを軌道に乗せて、ロケットから適切な信号を受信すると配備されます。

JordiPuig-Suari氏によると、この目的は「衛星開発時間を大学生のキャリアの時間枠に短縮し、多数の衛星で打ち上げの機会を活用すること」でした。つまり、P-PODは、多くのCubeSatをいつでも起動できるようにします。

大手衛星メーカーのボーイングなど、いくつかの企業がCubeSatを構築しています。ただし、開発の大部分は学界から来ており、成功したCubeSatと失敗したミッションの混合した記録があります。 CubeSatは創業以来、数え切れないほどのアプリケーションに使用されてきました。

たとえば、自動識別システム（AIS）を配備して船舶を監視したり、地球リモートセンサーを配備したり、宇宙用テザーの長期生存能力をテストしたり、生物学的実験や放射線学的実験を行ったりします。

学術および科学コミュニティ内では、これらの結果が共有され、リソースは他の開発者と直接通信してCubeSatワークショップに参加することで利用できます。さらに、CubeSatプログラムは、ペイロードを宇宙で飛行する低コストの方法を提供することにより、民間企業と政府に利益をもたらします。

2010年、NASAは「CubeSat Launch Initiative」を作成しました。これは、教育機関や非営利組織が宇宙にCubeSatを導入できるように、ローンチサービスを提供することを目的としています。 2015年、NASAは、センテニアルチャレンジプログラムの一環として、キューブクエストチャレンジを開始しました。

賞金500万ドルのこのインセンティブコンペティションは、低軌道を超えて、特に月軌道や深宇宙で動作する小型衛星の作成を促進することを目的としています。コンテストの終了時に、2018年にSLS-EM1ミッションに搭載されたCubeSatデザインを開始するために最大3つのチームが選択されます。

NASAのInSightランダーミッション（2018年に打ち上げ予定）には、2つのCubeSatも含まれます。これらは火星の接近飛行を行い、着陸船の出入り中に地球への追加のリレー通信を提供します。

Mars Cube One（MarCO）と指定されたこの実験的な6UサイズのCubeSatは、CubeSatテクノロジーに依存する最初の深宇宙ミッションになります。高利得のフラットパネルXバンドアンテナを使用して、NASAの火星偵察オービター（MRO）にデータを送信し、それが地球に中継されます。