Arikeln är skriven av Johnny Finnholm. Tidigare har Johnny gett en inblick i Aalto-1 och arbetet bakom den satelliten. Nu får vi en inblick i Aalto-2!
Ikväll händer det! Finlands första egna satellit skjuts upp! Eller för att vara mer specifik, ikväll, tisdag 18:e april kl 17:11 CET, skjuts förhoppningsvis OA-7 missionen till ISS upp. Inne i noskonen på den Atlas-V raketen finns en Cygnuskapsel med förnödenheter och nya experiment som skall skeppas till den internationella rymdstationen ISS. Däribland finns även en av Finlands första satelliter: Aalto-2. För tillfället vet ingen om Aalto-1 eller Aalto-2 kommer att hinna först ut i egen omloppsbana, eftersom det ännu kommer att dröja ett antal veckor innan utsläppningen av Aalto-2 står på astronauternas arbetslista. Samtidigt står Aalto-1 och väntar på skjuts till omloppsbana på en platform i södra Indien, men ett exakt datum är ännu okänt. Enligt preliminära uppgifter sker uppskjutningen i slutet av Maj, men det kan ännu ändras.
Men vad är egentligen en satellit? Wikipedia definierar ”satellit” på följande sätt:
”En satellit är ett mindre objekt som roterar runt ett annat, större objekt. För att detta ska fungera måste det roterande objektet påverkas av en centripetalkraft. För satelliter som roterar kring jorden är denna kraft gravitationskraften. Dessutom får det inte finnas något luftmotstånd eftersom det skulle leda till att satellitens hastighet minskade.”
De tre första meningarna kan väl anses vara korrekta, men det fjärde om luftmotstånd är nog något som borde rättas till. Faktum är att en mycket stor del av de satelliter som kretsar kring vår jord i allra högsta grad påverkas av luftmotstånd, och det ska vi vara glada för. Utan detta vore det redan trafikstockning och stor krockrisk i de lägre omloppsbanorna (low earth orbit, LEO).
Jordens atmosfär är av högst densitet närmast ytan och densiteten sjunker hastigt ju längre upp man kommer, men ännu många hundra kilometer över ytan finns det tillräckligt med partiklar för att påverka satelliternas framfart, både för artificiella och naturliga objekt. Detta slöar ner dem till den grad att deras omloppsbanor sjunker vartefter, och ju längre ner de kommer, desto mer inverkar atmosfären. De flesta satelliter slutar sina dar med att brinna upp i atmosfären, vilket kan ses som ”stjärnskott” från jordytan. Fenomenet orsakas av värmen som frigörs av friktionen mellan satelliten och atmosfärens partiklar när atmosfären blir tillräckligt tät, vilket sker vid drygt hundra kilometers höjd över havet. Vid cirka sextio kilometers höjd har atmosfären saktat ner det som är kvar av satelliten så mycket att friktionen inte längre bränner sönder materialen, utan resterna kommer att falla ner till jordytan. I de flesta fall är det enbart tunt stoft kvar, men emellanåt är en satellit eller delar av den så robusta att de överlever den hårda behandlingen och dimper ner på ytan.
Som Jan redan nämnde i sin förra text om Aalto-2, orsakar detta fenomen en utmaning när det gäller att kartlägga den nedre termosfären. Eftersom satelliterna som placeras i omploppsbana på denna höjd har en kort livslängd om de inte ständigt skjuts på, är det både dyrt och opraktiskt att göra in-situ mätningar med konventionella stora forskningssatelliter, och det är där svärmar av små, billiga satelliter kommer till undsättning.
Aalto-2 är en av de nanosatelliter som medverkar i QB50-konsortiumet som strävar till att med hjälp av tiotals satelliter samla in kontinuerliga mätvärden från ett större område för att bättre kartlägga och analysera just nedre delen av termosfären.
För att återgå till frågan som ställdes inledningsvis; Vad är egentligen en satellit? I folkmun är en satellit en fjärrstyrd rymdfarkost som av allmänheten betraktas som något väldigt invecklat. Visst finns det en gnutta sanning i detta, men faktum är att den mobiltelefon du har i din ficka antagligen är mera komplex än de flesta satelliter som sänds upp. Men relativt många har också varit med om att en telefon har krånglat och varit i behov av service, felande elektronik är en utmaning som i princip all elektronik kan råka ut för. Detta är något som den konventionella rymdindustrin har tacklat genom att installera flertalet redundanta system ombord och vid problem byter man helt enkelt till det sekundära systemet. Men genom att fördubbla systemen fördubblas också massan, samtidigt som kostnaderna stiger och komplexiteten ökar markant när alla gränsnitt och logik ska fungera i mångfallt flera konfigurationer. Samtidigt uppkommer även en hel drös med nya möjliga felsituationer, för någonting ombord måste ju också styra vilket system som är aktiverat och detta betyder mera komponenter och mera logik och mera mjukvara som kan innehålla fel. En stor del av den nya rymdindustrin, ”New Space”, har därför anammat en högre riskprofil och valt att utveckla sina rymdfarkoster ”Single-String”, dvs. endast ett system per uppgift och inte inkludera någon back-up. Detta möjliggör billigare satelliter, som kan tillverkas snabbare och testscenariona är färre, men detta på bekostnad av tillförlitlighet. Därför är det inte ovanligt att vissa av de mest kritiska systemen är redundanta även i satelliter tillverkade med ”New Space”-tänkande. Till exempel är Aalto-2:s centralprocessorenhet (OBC, On-Board Computer) utrustad med dubbla processorer och minnen, men allt finns på ett och samma kretskort.
En satellit kan vara uppbyggd av många olika undersystem och instrument, men i de flesta fall finns det en standarduppsättning av flygelektronik (en: avionics) i allmänhet bestående av:
-
en centralprocessorenhet (en: on-board computer, OBC)
-
en kommunikationsenhet (UHF-radio)
-
ett strömförsöjningssystem (en: electrical power system, EPS)
-
och ett peksystem (orienterings- och lägesstyrsystem, en: attitude determination and control system, ADCS)
Därtill behövs en mekanisk struktur, vars uppgift är att hålla ihop undersystemen under uppskjutningen samt överföra och balansera värmen som alstras när systemen är igång, alltmedan solen och jorden värmer upp de yttre sidor som exponeras åt respektive håll. Ovan syns alla komponenter som Aalto-2 består av, förutom nyttolasten.
Aalto-2:s nyttolast är en Langmuir probe, som är utvecklad av Universitetet i Oslo. Dess uppgift är att studera egenskaperna av plasmat som satelliten rör sig genom.
Centralprocessorenhetens uppgift är att fungera som satellitens hjärna, den samlar och hanterar största delen av all logik som krävs för att styra satelliten. Som redan nämndes är enheten designad med dubbla processorer och minnen, på bilden ovan kan man se en symmetrilinje, som i stort delar kortet i två likadana kretsar. På mitten av symmetrilinjen (till vänster på bilden) finns en svart IC-krets, en arbiter, som avgör vilken av kretsarna som styr resten av satelliten. Arbiterns enda uppgift är att följa med att den processor som för tillfället styr satelliten fungerar som den ska, och om den crashar byta till den andra. Operativsystemet som används i Aalto-2 baserar sig på FreeRTOS (http://www.freertos.org/) och är modifierat för att fungera optimalt i den omgivning som Aalto-2 bjuder på. Enheten kommunicerar med andra undersystem med flera olika protokoll, bl.a. CAN, I2C, SPI och UART.
Aalto-2:s kommunikationsenhet är en tvåvägs (duplex) UHF-radio som fungerar på radioamatörfrekvenser. Enheten baserar sig på samma hårdvara som utvecklades för Aalto-1, lätt modifierad för att passa till Aalto-2:s gränsnitt. Den skarpögde kan se att också UHF-radion har dubbla kretsar, men här finns ingen symmetrilinje, utan designen är i praktiken kopierad sida vid sida. Högst upp på bilden ses den kontakt som kopplar ihop CubeSat-kretskort när de staplas ovanpå varann. Dessa 104-pinnars kontakter löper i allmänhet genom hela CubeSat-satelliten och kopplar samman alla system med ström och kommunikationssignaler. Alla signaler kan dock inte löpa i denna kontakt, vissa signaler kräver dedikerade kablar för att integriteten skall hållas. Detta gäller främst radio-signaler (RF), längst ner på bilden syns två SMA-portar som används för att koppla in antennkablarna rakt till radion. Antennerna är för övrigt gjorda av måttband och kan ses på toppen av den andra bilden (med Aalto-2 i helbild).
Elförsörjningssystemet består normalt av tre huvudkomponenter: solpaneler, regulatorer och batterin. Aalto-2:s solpaneler konverterar cirka 30% av solenergin som träffar solcellerna till elektrisk ström. I fullt solljus konverterar varje solcell energin effektivast kring 2,4 V, detta betyder att Aalto-2:s solpaneler med fem celler vardera är effektivast om de hålls kring 12 V. Men battericellerna av litiumjontyp har en maxmimispänning på kring 4V vardera och därför måste spänningen reguleras för att systemet skall fungera optimalt. Detta sker med hjälp av en ”maximieffektspunktssökare” (en: maximum power point tracker, MPPT) av liknande typ som t.ex. används för att maximera laddningseffekten från solpaneler på sommarstugan. Denna metodologi tillåter solpanelen att hela tiden verka optimalt och kompensera för temperatur, ljus och möjlig degradering av celler. En del undersystem kan använda batterispänningen som den är, medan andra kräver en regulerad spänning, t.ex. 3,3 V eller 5 V. Dessutom innehåller elförsörjningssystemet en del brytare för att koppla på eller av strömmen till de olika systemen, endera på kommando från centralprocesseneheten eller automatiskt när något förutbestämt villkor uppfylls, t.ex. stänga av ett system om strömmen blir för stor. Batterierna är också känsliga för att frysa, därför är de ofta utrustade med värmare, som också kan ses rullade runt battericellerna i bilden.
Aalto-2:s solpaneler har integrerade solsensorer, en på varje sida. Sensorerna är mindre än en kvarts kvadratcentimeter och ryms därför enkelt mellan solcellerna. De används av satellitens peksystem för att lokalisera hur satelliten är positionerad i förhållande till solen, och kan också användas för att uppskatta hur fort satelliten roterar.
Den egentliga navigeringen sker i peksystemet där infon från flera sensorer samlas och tolkas för att skapa en så bra uppfatttning om vartåt satelliten pekar och hur snabbt satelliten roterar och runt vilken axel. Förutom solsensorerna används också magnetometrar och gyroskop för alla tre axlar. Nuförtiden är det också vanligt att satelliter är utrustade med en GNSS-mottagare för att enklare kunna fastställa var satelliten befinner sig i sin bana, detta gäller också Aalto-2. Aalto-2 har tre stycken magnetstavar, en för varje axel, för att aktivt kunna peka åt önskat håll. Magnetstavarna skapar ett artificiellt, styrbart magnetfält, som växelverkar med jordens magnetfält och möjliggör en aktiv men relativt inexakt pekning av satelliten. För bättre nogrannhet används allmänt reaktionshjul, men eftersom nogrannheten som krävs för Aalto-2:s mission inte är mer än 10 grader räcker det med ett enklare system. Hårdvaran för peksystemet är den enda större enheten som är inköpt, resten av systemen är utvecklade av studeranden vid Aalto-universitetet.
För att hantera Aalto-satelliterna i omloppsbana krävs åtminstone en markstation för att ta emot och sända radio-signaler. På bilden ovan syns när antennerna blev uppsatta på taket vid universitetet. Till vänster syns parabolantennen som används för att ta emot S-band signalen från Aalto-1 och till höger VHF/UHF-antennen som används till både Aalto-1 och Aalto-2. Dock har Aalto-2 ett dilemma, eftersom omloppsbanan nu kommer att vara väldigt likt ISS innebär det att satelliten endast kommer att spendera några minuter över horisonten per gång, och den sammanlagda tiden som man kan kontakta Aalto-2 från markstationen i Otnäs kommer att ligga på tiotalet minuter per dag. Detta leder till en ytterst snäv link- och data-budget. För tillfället utreds möjligheter att samarbeta med något annat universitet som skulle ligga på sydligare breddgrader för att få mer kontakttid.
Aalto-2 projektet startade 2012 vid Aalto-universitetet som ett projekt för att möjliggöra praktiska fortsättningsstudier inom rymdteknik, främst för dem som jobbat med Aalto-1 och blivit utexaminerade. Aalto-universitetet har investerat i nya laboratorier och ny utrustning för att möjliggöra utvecklande och testande av små satelliter. Tack vare satellitprojekten och med hjälp av den lokala industrin och forskningsinstitut har Finland nu både kunskapen och kapaciteten att producera egna satelliter. Före året är slut lär Finland ha flertalet satelliter i omloppsbana, eftersom också startup-företagen ICEYE och Reaktor Space båda siktar på att ha sina respektive första satelliter uppskjutna i år. Detta innebär att Finland nu på allvar tar steget in i rymdåldern; Till och med våra politiker har insett att detta håller på att hända och Arbets- och Näringslivsministeriet har tillsatt en arbetsgrupp för att förbereda en rymdlag som ska diktera riktlinjerna för denna typ av verksamhet. Men de första satelliterna som skjuts upp kommer nog att vara ”laglösa”, eftersom den nya lagen är planerad att komma i kraft nån gång i början av 2018. Detta till trots kommer nog detta år när Finland fyller 100 år att minnas i historieböckerna som året då Finland på allvar blev en rymdfarar-nation, och som pricken på i, håller Aalto-universitetet också på att utveckla en satellit kallad Suomi-100, som är en del av hyllningen till det hundra-åriga fosterlandet!
Johnny Finnholm fick sin examen från Aaltouniversitetet 2015. Han är kvar i universitetes rullor, men numera som doktorand. Han är också en av ingenjörerna bakom ICEYE.
edugalaxen.com 