Nafukovací anténa pro malé satelity

Nafukovací anténa zdroj: mit.edu

A máme tady další nápad, který pomalu přesunuje působiště miniaturních satelitů zvaných cubesaty z nízké oběžné dráhy do vzdálenějšího vesmíru. Díky mikroiontovém pohonu, o kterém jsme vás informovali v nedávné době, budou mít tyto drobné kosmické stroje možnost v budoucnu navštívit blízkozemní asteroidy, orbitu Měsíce a možná i další objekty ve Sluneční soustavě. Jedna věc je se do těchto míst dostat a druhá posílat odsud vědecky cenná data. Malé anténky pár set kilometrů nad Zemí stačily, pro vzdálenější kosmos jsou nepoužitelné a pouhé zvětšení kvůli omezenému prostoru v nosné raketě není možné. Naštěstí vyšla opět z dílny americké univerzity MIT (Massachusetts Institute of Technology) další úžasná technologie, která tyto problémy řeší.

Echo 1 - skupinové foto zdroj:upload.wikimedia.org

Echo 1 – skupinové foto
zdroj:upload.wikimedia.org

 

Balóny na oběžné dráze

Tou technologickou novinkou jsou nafukovací antény. Ne snad, že by se nikdy v historii nafukovací anténa v kosmu neobjevila. Naopak jedním z prvních satelitů na oběžné dráze byl vlastně velký nafukovací balón, sloužící k pasivnímu odrazu radiového signálu. Jestli  tipujete, že tím satelitem bylo ECHO 1 vypuštěné v roce 1960, hádáte správně. U něj se však nejednalo o anténu v pravém slova smyslu. Do našich dnů se ještě několik podobně koncipovaných satelitů do vesmíru podívalo. Spočítali byste je však na prstech obou rukou. Ty starší se podobaly ECHU, ty novější už byly blíže dnes zmiňované koncepci, kdy se jednalo o skutečnou nafukovací anténu. Pořád ale šlo o satelity

Anténa v elektromagnetické komoře zdroj:img.mit.edu

Anténa v elektromagnetické komoře
zdroj:img.mit.edu

velkých rozměrů a hmotností.

Aktuální vynález, jak jsme si nastínili v úvodu, je mnohem skromnějších rozměrů než objemní předchůdci. Prototyp atakuje v nafouknutém stavu 1 metr. Finální verze by mohla být ještě větší. Záleží na tom, jak dobře se ji povede do cubesatu vměstnat. Ve složeném stavu, kdy čeká uvnitř satelitu, nesmí její rozměry přesáhnout 10 centimetrů kubických.

Magický prášek

Původní nafukovací satelity používaly systémy tlakových ventilů plnících daný balón či anténu. Toto těžkopádné a objemné zařízení se pro miniaturní satelity příliš nehodí. Navíc cubesaty jsou z drtivé většiny pouhým sekundárním nákladem raket, takže v žádném

Anténa z mylaru, Alessandra Babuscia a její tým zdroj: images.iop.org

Anténa z mylaru, Alessandra Babuscia a její tým
zdroj: images.iop.org

případě nesmí ohrozit hlavní cenný náklad, což by teoreticky hrozilo, pokud by některý tlakový ventil selhal nebo dokonce explodoval. A to se vůbec nebavíme o stejné nehodě v případech, kdy se vypouští cubesat z pilotované lodi či stanice.

Týmu z MITu vedeném postgraduální výkumnou pracovnicí Alessandrou Babuscia bylo jasné, že tudy cesta nevede. Originální, lehčí a bezpečnější řešení se jim nakonec podařilo nalézt. Spočívá v sublimujícím prášku, chemické sloučenině, která se mění z pevného prášku na plyn, pokud je vystavena nízkému tlaku. „Je to skoro jako kouzlo,“ vysvětluje Babuscia. „Jakmile jste v kosmu, rozdíl v tlaku vyvolá chemickou reakci, která změní sublimující prášek z pevného skupenství na plynné, čímž nafoukne anténu.“

 

Testování antény

Válcová anténa ve vakuové komoře zdroj: web.mit.edu

Válcová anténa ve vakuové komoře
zdroj: web.mit.edu

Babuscia a její kolegové postavili dva prototypy antény. Jeden měl tvar kužele a druhý tvar válce. Oba byly z mylaru a splňovaly ve složeném stavu podmínku maximální velikosti 10 cm kubických. V tomto minimálním objemu se umístily do vakuové komory spolu s několika gramy kyseliny benzoové, což byl právě již zmiňovaný sublimující prášek. Pak snižovali tlak, až se zastavili na hodnotě o málo vyšší než panuje ve vesmíru. Prášek se při reakci změnil na plyn a nafoukl anténu do požadovaného tvaru.

U obou typů antén byly testovány jejich elektromagnetické vlastnosti. Ty napoví jak efektivně dokáže anténa přenášet signál. Nakonec o maličko lepších výsledků dosáhla anténa válcovitého tvaru. V porovnání s anténami na současných cubesatech dokáže nafukovací anténa přenést signál ze 7x větší vzdálenosti až s 10x rychlejším přenosem dat. Z geosynchronní orbity tak vysílání a příjem nepředstavuje problém, při citlivějších aparaturách můžete tuto anténu použít u Měsíce a při dalším vylepšení se můžete vydat i dál.

Ještě jednu výhodu má nová koncepce nafukovací antény oproti předchůdkyním plněným klasicky. Tím, že je vyrobena z velmi

Porovnání válcové a kuželové antény, dole zisk antén zdroj: web.mit.edu

Porovnání válcové a kuželové antény, dole zisk antén
zdroj: web.mit.edu

tenkého mylaru, jí hrozí penetrace od drobných tělísek jako jsou mikrometeoroidy nebo i pouhé prachové částice, případně drobné časem vznikající netěsnosti. Ovšem díky tomu, že je plyn doplňován z prášku chemickou reakcí při poklesu tlaku, funguje celý systém prakticky jako samočinná regulace. Při dostatečném tlaku reakce sama ustane a při dalším poklesu se opět nastartuje.

Funkční období je tak závislé na množství prášku, který bude plyn do antény postupně dodávat.  Toto bude součástí dalších pokusů ve vakuové komoře, kdy mají být do mylaru udělány dírky a bude se zkoumat míra poškození, při které je schopna anténa bez zhoršení parametrů fungovat a také množství prášku k doplňování plynu v závislosti na čase a velikosti úniků. Odhaduje se, že i když bude anténa protkána malými otvory, přesto prášek vydrží na několik let provozu.

Tyto nové testy se již nebudou provádět v laboratořích MIT, ale přesunou se do NASA, konkrétně do Laboratoře tryskových pohonů  (Jet Propulsion Laboratory – JPL), kde si je pod patronát vezme odborník na kosmické komunikační systémy Kar-Ming Cheung.

Rozkládací koncepce agentury DARPA zdroj:1.bp.blogspot.com

Rozkládací koncepce agentury DARPA
zdroj:1.bp.blogspot.com

Celé odvětví cubesatů směřuje k tomu, aby si sondy do vzdálenějšího kosmu mohly vyrábět přímo univerzity nebo menší týmy bez velkých rozpočtů. Koncept nafukovací antény není jediným, který se pro zlepšení parametrů antén cubesatů vyvíjí. Například armádní agentura

DARPA se vydala trochu jinou cestou. Koncepce firmy Tethers Unlimited, Inc. na základě zadání od DARPy připomíná s trochou nadsázky deštník. Zde se mohou využít zkušenosti nabyté při návrzích solárních plachetnic. Dá se říci, že při nízké hmotnosti cubesatu a přitom velkém objemu, který díky nafukovací či rozkládací anténě získá, se již projeví tlak slunečního záření, se kterým bude třeba počítat a případně ho využít.

Zdroje informací:
http://aeroastro.mit.edu/news-events/inflatable-antennae-could-give-cubesats-greater-reach
http://web.mit.edu/babuscia/www/Research_activity.htm
http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/sep/17/inflatable-antenna-could-send-tiny-satellites-beyond-earth-orbit
http://cs.wikipedia.org/wiki/Massachusetts_Institute_of_Technology
http://nextbigfuture.com/2013/09/structureless-antenna-and-inflatable.html

Zdroje obrázků:
http://web.mit.edu/newsoffice/images/article_images/tn/20130905164932-0.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/43/Echo-1.jpg
http://img.mit.edu/newsoffice/images/satellite-antenna-560.jpg
http://web.mit.edu/babuscia/www/Infl_cyl_vac.jpg
http://images.iop.org/objects/phw/news/17/9/14/antenna2.jpg
http://1.bp.blogspot.com/-3HcnkhGVnbA/UiEjYAlYgaI/AAAAAAAApHk/G12TwZE4mks/s1600/SLAAPS_Umbrella.png
http://web.mit.edu/babuscia/www/Infl_cyl_CAD.png
http://web.mit.edu/babuscia/www/Infl_feko_3D.png
http://web.mit.edu/babuscia/www/Infl_con_CAD.png
http://web.mit.edu/babuscia/www/Infl_feko_con.png

Pin It
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

GD Star Rating
loading...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


10 komentářů ke článku “Nafukovací anténa pro malé satelity”

  1. Jirka napsal:

    Tak ted jeste propocitat nakolik bude mit unikajici plyn vliv na osovou stabilizaci satelitu. V prostredi vakua zrejme nebude zanedbatelna a prevysi i tah iontoveho mikromotoru.
    Nebo je to jinak?

    • Tomáš Kohout napsal:

      Pokud to bude nějaká malá dírka, tak únik nebude výrazný. Tlak uvnitř bude minimální nutný k udržení antény v daném tvaru. Ono je to dánou i tím unikátním způsobem doplňování plynu.

      Co se týče stabilizace, tak to bude záviset na použité technologii. Zda se bude jednat o pouhou stabilizaci rotací nebo se použijí setrvačníky. Cubesat vybavený anténou bude muset s úniky počítat nebo by ho první perforace vyřadila z činnosti.

      Vše bude nutné nejen propočítat, ale i prakticky ověřit, což se má dít právě v JPL. I když chování v mikrogravitaci a zároveň ve vakuu se dá ověřit až na nějakém prototypu přímo v kosmu.

  2. indian22 napsal:

    Super, na to jsem ještě nenarazil.

    Zdá se, že nejsem jediný koho cubesaty nadchly. 😉

    Ideální by bylo kdyby kdyby ta anténa časem ztuhla. Ale asi nebudu jediný koho to napadlo.

    • Tomáš Kohout napsal:

      Ztuhnutí mě nenapadlo, skvělá idea. Ještě by to mohl být samoopravitelný materiál, ale není to nutné.

      • Jirka napsal:

        Montážní pěna ? 🙂

        • Tomáš Kohout napsal:

          To by asi bylo nad hmotnostní limity cubesatů. Ale ten plast by mohl vytvrdnout sám. Momentálně se mi nepodařilo najít, zda nějaký plast dokáže ztvrdnout ve vakuu, případně nízkém tlaku nebo nějakým jiným způsobem, který by se dal docílit v kosmu. Napadá mě využití nízké teploty při letu ve stínu Země, otázkou je zda by za nějakých 40 minut dokázal plast ztuhnout. Možná by se mohl při startovních přípravách udržovat na vyšší teplotě a hned po vypuštění rozvinout do tvaru antény, dokud bude plast pružný. Ale to jsou jenom momentální nápady, které při hlubším posouzení mohou být třeba nerealizovatelné.

        • Dušan Majer napsal:

          Už je to nějaký ten rok, co jsem opustil školu, ale pokud se nepletu, tak jsou plasty, které se vytvrzují působením UV záření.

  3. indian22 napsal:

    No jasně kompozitní pryskyřice. Běžně se používají třeba v UV plombách . Pravda, v té známé podobě jsou asi příliš tekuté, ale při dnešních schopnostech materiálových inženýrů…

    Možná by nadějná cesta mohla vést tudy.

    http://cs.wikipedia.org/wiki/Prepreg

  4. slappy napsal:

    A nedalo by se jako antena vyuzit propojeni dvou cubesatu leticich ve formaci? Bud pomoci nejakych vlaken eventuelne jejich siti a nebo i tou mylarovou plachtou. Nejaka perforace by se nemusela moc resit, da se vyuzit tlaku sluneciho zareni a navic se takova plachta mezi dvema cubesatama da rozvinout do dostatecnych rozmeru pro komuniaci na vetsi vzdalenosti.

    • Tomáš Kohout napsal:

      Pro zlepšení komunikačních schopností by ani nemusely být fyzicky spojené. Je to podobné poli radioteleskopů.

Zanechte komentář