قمر اصطناعي مكعب

الهيكل

من جهة ثانية، يجب أن تتميز المواد المستعملة في الهيكل بنفس معامل التمدد الحراري الخاص بجهاز النشر لمنع حدوث التشويش. على وجه التحديد، المواد المسموح بها هي أربع سبائك من الألومنيوم وهي السبائك 7075 و6061 و5005 و5052 . يعالج الألمنيوم المستعمل في الهيكل الذي يلامس وحدة( P-POD) بالأكسدة لمنع اللحام البارد، ويمكن استخدام مواد أخرى للهيكل في حال الحصول ظروف معينة.

وفي هذا الصدد، يحدد عدد الوحدات المتصلة حجم الأقمار الصناعية المكعبة، وبحسب مواصفات تصميم الأقمار الصناعية المكعبة، يمكن توسيعها على طول محور واحد فقط لتناسب أشكال نصف وحدة أو وحدة واحدة أو وحدة ونصف أو وحدتين أو ثلاث.

التصميم

ومن ناحية أخرى، لا تحدد أو تشترط أي عوامل شكل إلكترونية أو بروتوكولات اتصالات في مواصفات تصميم الأقمار المكعبة، ولكن الأجهزة الجاهزة للاستخدام التجاري (COTS) استعملت باستمرار ميزات معينة يعتبرها الكثيرون معايير في إلكترونيات تلك الفئة من الأقمار. أغلب الأجهزة الإلكترونية الجاهزة والمصممة حسب الطلب تتناسب مع الأقمار من فئة (PC/104)، الذي لم يُصمم للأقمار الصناعية المكعبة ولكنه يمثل يسمح هذا الشكل بشغل أغلب حجم المركبة الفضائية. تتيح الموصلات المتراصة على اللوحات سهولة التجميع والتوصيل الكهربائي، وأغلب مصنعي الأجهزة الإلكترونية لأقمار كيوب سات يلتزمون بنفس ترتيب الإشارة، ولكن بعض المنتجات لا تلتزم بذلك، لذا يجب توخي الحذر لضمان اتساق ترتيبات الإشارة والطاقة لمنع التلف.

ومن جهة أخرى، تتكون الأقمار الصناعية المكعبة القياسية من مصممة لتوفير ، بحيث لا يزيد وزن كل وحدة عن . أصغر حجم قياسي هو وحدة واحدة (1U)، بينما كان الشكل الأكثر شيوعًا هو ثلاث وحدات (3U)، والذي شكّل أكثر من 40% من جميع الأقمار النانوية التي أطلقت حتى الآن. تتكون الأحجام الأكبر، مثل (6 و) و (12 و)، من (3 و) مكدسة جنبًا إلى جنب. في عام 2014، أطلق قمرين صناعيين من طراز بيرسيوس-م بـ6 وحدات للمراقبة البحرية، وكانا الأكبر حجماً في ذلك الوقت. أطلقت مهمة كيوب المريخ واحد في سنة 2018 قمرين صناعيين مكعبين من فئة 6U باتجاه المريخ.

في هذا الإطار، بما أن جميع الأقمار الصناعية المكعبة على وجه التقريب هي 10×10 سم (بغض النظر عن الطول) يمكن إطلاقها ونشرها جميعًا باستخدام نظام نشر مشترك يسمى جهاز إطلاق الأقمار الصناعية متعددة البيكو (P-POD)، والذي طورته وبنته جامعة كال بولي.

علاوةً على ذلك، كما يجب توخي الحذر عند اختيار الأجهزة الإلكترونية لضمان قدرتها على تحمل الإشعاع الموجود. بالنسبة للمدارات الأرضية المنخفضة جدًا (LEO) التي يحدث فيها إعادة الدخول إلى الغلاف الجوي في غضون أيام أو أسابيع فقط، يمكن تجاهل الإشعاع إلى حد كبير ويمكن استخدام الإلكترونيات القياسية من الدرجة الاستهلاكية. يمكن للأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية أن تتحمل إشعاع المدار الأرضي المنخفض خلال تلك الفترة لأن فرصة حدوث اضطراب ناتج عن حدث واحد (SEU) منخفضة للغاية. المركبات الفضائية التي تدور في مدار أرضي منخفض مستدام يستمر لأشهر أو سنوات معرضة للخطر، ولا تحمل إلا معدات مصممة ومختبرة في بيئات مشعة. يجب أن تستعمل المهمات التي تتجاوز مدار الأرض المنخفض أو التي ستبقى في مدار الأرض المنخفض لسنوات عديدة أجهزة مقاومة للإشعاع. تُؤخذ اعتبارات إضافية في الحسبان عند التشغيل في فراغ عالٍ بسبب تأثيرات التسامي، وانبعاث الغازات، والشعيرات المعدنية، والتي قد تؤدي إلى فشل المهمة.

إضافةً إلى ذلك، إن السبب الرئيسي لتصغير الأقمار الصناعية هو تقليل تكلفة الإطلاق فهي غالباً ما تكون مناسبة للإطلاق بأعداد كبيرة، باستخدام القدرة الزائدة لمركبات الإطلاق الأكبر حجماً. يقلل تصميم القمر الصناعي المكعب بشكل خاص من المخاطر التي قد تتعرض لها مركبة الإطلاق والحمولات المرافقة. إن تغليف واجهة الإطلاق والحمولة يقلل من مقدار العمل المطلوب سابقًا لربط قمر صناعي محمول على متن حامله. يتيح التوحيد بين الحمولات وقاذفات الصواريخ تبادل الحمولات بسرعة والاستفادة من فرص الإطلاق في غضون مهلة قصيرة.

ومن ناحية أخرى، توجد كذلك أشكال أصغر حجمًا وغير قياسية؛ فقد قامت مؤسسة الفضاء الجوي ببناء وإطلاق قمرين صناعيين مكعبين صغيرين بحجم نصف وحدة (0.5U) لقياس الإشعاع، بينما قامت شركة سوارم تكنولوجيز ببناء ونشر كوكبة تضم أكثر من مئة قمر صناعي مكعب بحجم ربع وحدة (0.25U) لخدمات اتصالات إنترنت الأشياء.

تاريخ

وفي هذا السياق، لقد برزت الحاجة إلى مثل هذا القمر الصناعي ذي الحجم الصغير في عام 1998 نتيجة للعمل الذي أحري في مختبر تطوير أنظمة الفضاء بجامعة ستانفورد. في مختبر SSDL، كان الطلاب يعملون على القمر الصناعي الصغير أوبال (OPAL) (اختصار: مطلق الأقمار الصناعية الصغيرة المداري التلقائي) منذ عام 1995. أسفرت مهمة أوبال لنشر الأقمار الصناعية الصغيرة التابعة عن تطوير نظام إطلاق كان معقدًا بشكل ميؤوس منه. مع تزايد التأخيرات في المشروع، سعى تويغز للحصول على تمويل من داربا، مما أدى إلى إعادة تصميم آلية الإطلاق إلى مفهوم لوحة الدفع البسيطة مع تثبيت الأقمار الصناعية في مكانها بواسطة باب زنبركي.

من جهة ثانية، صيغ مصطلح الأقمار الإصطناعية المكعبة (كيوبسات) (CubeSat) للدلالة على الأقمار النانوية التي تلتزم بالمعايير الموضحة في مواصفات تصميم الكيوبسات التي وضعها. نشرت جامعة كال بولي المعيار القياسي لتلك الأقمار في جهد قاده أستاذ هندسة الطيران والفضاء جوردي بويغ سواري. ساهم بوب تويغز، من قسم هندسة الطيران والفضاء في جامعة ستانفورد، والعضو الحالي في هيئة التدريس بقسم علوم الفضاء في جامعة مورهد ستيت في كنتاكي، في مجتمع الكيوبسات. وقد ركزت جهوده على الأقمار الصناعية المكعبة (كيوب سات) التابعة للمؤسسات التعليمية. لا تنطبق المواصفات على الأقمار النانوية الأخرى الشبيهة بالمكعب مثل القمر النانوي ميسبي (MEPSI) التابع لناسا، والذي هو أكبر قليلاً من القمر النانوي المكعب. كان جين سات-1 أول تجربة فضائية بيولوجية مؤتمتة بالكامل ومكتفية ذاتيًا تابعة لناسا على قمر صناعي بهذا الحجم. وكان كذلك أول قمر صناعي مكعب يطلق من الولايات المتحدة. أصبح هذا العمل، الذي قاده جون هاينز في مركز أبحاث ناسا أميس، بمثابة الحافز لبرنامج ناسا كيوب سات بأكمله.

علاوةً على ذلك، في سنة 2017، أدت جهود التقييس هذه إلى نشر معيار ISO 17770:2017 من قبل المنظمة الدولية للتقييس. يحدد هذا المعيار مواصفات الأقمار الصناعية المكعبة (CubeSats) بما في ذلك متطلباتها الفيزيائية والميكانيكية والكهربائية والتشغيلية. كما يوفر مواصفات للواجهة بين القمر الصناعي المكعب ومركبة الإطلاق الخاصة به، والتي تسرد القدرات المطلوبة للقمر للبقاء صالحًا في ظل الظروف البيئية أثناء وبعد الإطلاق وتصف واجهة النشر القياسية المستعملة لإطلاق الأقمار الصناعية. يساهم تطوير المعايير المشتركة بين عدد كبير من المركبات الفضائية في تقليل وقت وتكلفة تطوير مهمات الأقمار الصناعية المكعبة بدرجة كبيرة.

إضافةً إلى ذلك، اقترح البروفيسور جوردي بويغ سواري من جامعة ولاية كاليفورنيا للفنون التطبيقية والبروفيسور بوب تويغز من جامعة ستانفورد التصميم المرجعي للأقمار المكعبة في عام 1999بهدف تمكين طلاب الدراسات العليا من تصميم وبناء واختبار وتشغيل مركبة فضائية في الفضاء بقدرات مماثلة لتلك الخاصة بالمركبة الفضائية الأولى، سبوتنيك. لم يكن الهدف من تصميم الأقمار المكعبة، كما اقترح في البداية، أن تصبح معيارًا؛ بل أصبح معيارًا بمرور الوقت من خلال عملية الظهور. أطلق أول قمر مكعب في يونيو 2003 على متن صاروخ يوروكوت الروسي، ودخل ما يقرب من 75 كيوب سات المدار بحلول عام 2012.

ومن جهة أخرى، رغبةً في تقصير دورة التطوير التي تمت تجربتها في أوبال ومستلهمًا من الأقمار الصناعية الصغيرة التي حملتها، انطلق تويجز لمعرفة إلى أي مدى يمكنك تقليل حجم القمر الاصطناعي مع الحفاظ قابلية أداءه للمهام. بلغ عدد الأقمار النانوية في برنامج أوبال ، وهو حجم لم يكن مناسبًا لتغطية جميع جوانب المركبة الفضائية بالخلايا الشمسية. استقر تويجز أولاً على المكعب الأكبر الذي يبلغ طول ضلعه عشرة سنتيمترات كدليل إرشادي لمفهوم كيوب سات الجديد. طور نموذج لمنصة إطلاق للقمر الصناعي الجديد باستخدام نفس مفهوم لوحة الدفع الذي تم استخدامه في منصة إطلاق أوبال المعدلة. عرض تويغز الفكرة على بويغ سواري في صيف عام 1999 ثم في مؤتمر اليابان-يو.مؤتمر برنامج العلوم والتكنولوجيا وتطبيقات الفضاء في نوفمبر 1999.