浅谈48节AA电池和20美元的微处理器卫星

由48节AA电池和20美元的微处理器卫星展示了一种低成本减少太空垃圾的方法

卫星展示了一种低成本减少太空垃圾的方法

SBUDNIC是一颗面包面包大小的立方体卫星，带有由Kapton聚酰亚胺薄膜制成的阻力帆，由布朗大学的学生设计和制造，于去年5月由SpaceX火箭发射到太空。

常识表明，太空任务只有在数百万美元的预算、能够承受地球大气层外严酷条件的材料以及训练有素的专家所做工作的情况下才能实现。

但来自布朗大学的一组工程专业学生彻底改变了这一假设。

他们用很少的预算和在大多数五金店都能买到的现成材料制造了一颗卫星。大约10个月前，他们甚至搭乘埃隆·马斯克(Elon Musk)的SpaceX火箭，将这颗由48节劲量AA电池和一个深受机器人爱好者欢迎的20美元微处理器提供动力的卫星送入太空。

现在，美国空军航天司令部对数据的一项新分析表明，这颗卫星不仅成功运行，而且可能对减少日益严重的空间碎片问题产生深远影响，这些严重的太空碎片对当前和未来的所有太空飞行器都构成潜在危险。

据美国宇航局称，美国国防部的全球太空监视网络目前正在跟踪2.7万多块轨道碎片或太空垃圾。轨道碎片包括地球轨道上任何不再具有有用功能的人造物体，如无功能的航天器、废弃的发射级运载火箭、与任务相关的碎片和碎片碎片。它还包括在任务完成后仍在轨道上运行数十年的报废卫星。

布朗大学工程学副教授里克·弗利特(Rick Fleeter)说，考虑到大多数卫星在轨道上平均停留25年或更长时间，这是一个问题。因此，当他的学生得到一个千载难逢的机会，设计和建造他们自己的卫星发射到太空时，他们决定设计一个潜在的解决方案。

学生们在他们建造的面包大小的立方体卫星上添加了一个由Kapton聚酰亚胺薄膜制成的3d打印拖帆。根据最初的数据，在大约520公里的位置部署时(远远高于国际空间站的轨道)，帆像雨伞一样张开，帮助卫星更快地返回地球。事实上，这颗卫星远远低于与它一起部署的其他小型设备。例如，3月初，这颗卫星距离地球约470公里，而其他物体仍在轨道上，距离地球约500公里或更远。

该图显示了SBUDNIC的轨道(由粗蓝线表示)与2022年5月底至2023年3月初部署的其他设备相比低了多少。来源：布朗大学

“你可以从跟踪数据中看到，我们明显低于其他所有人，并正在加速远离他们，”弗利特说。“你可以看到，我们的卫星已经在向重返大气层的方向下降，而其他卫星仍然在更高的圆形轨道上运行。”

数据显示，这颗名为SBUDNIC的学生卫星将在五年内脱离轨道，而学生们估计，如果没有拖曳装置，它将在25到27年内脱离轨道。

弗利特和布朗大学的学生们认为，他们对公开跟踪数据的初步分析证明，这种类型的帆可以作为减少地球轨道上空间碎片数量的努力的一部分。他们希望类似的风帆可以添加到其他相同大小的设备中，或者在未来扩大到更大的项目中。

弗利特说：“这一原理的理论和物理原理已经被广泛接受。”“这次任务更多地展示了你如何实现它——如何建立一个机制来实现它，以及你如何做到这一点，使它变得轻巧、小巧和负担得起。”

该项目是布朗大学工程学院和意大利国家研究委员会的研究人员合作的结果。它还得到了D-Orbit, amsat -意大利，罗马大学和美国宇航局罗德岛太空基金的支持。这颗卫星的名字取自第一颗绕地球轨道运行的人造卫星Sputnik，也是该项目的参与者的首字母缩写。

这是近年来由布朗大学学生设计和建造的第二颗被送入轨道的小卫星。上一颗卫星EQUiSat在结束任务之前绕地球飞行了1.4万圈，并在2020年底重新进入大气层时燃烧。

然而，SBUDNIC被认为是第一个几乎完全由非太空使用材料制成的轨道，与轨道上的其他物体相比，它的成本如此之低。这颗由学生设计的立方体卫星的总成本约为1万美元。

弗利特说:“我们在新闻中听到的大型复杂太空任务令人惊叹和鼓舞人心，但它们也传达了一个信息，即太空只适合那些类型的专门项目。”“在这里，我们为更多的人打开了这种可能性……我们没有打破所有的障碍，但你必须从某个地方开始。”

卡普顿聚酰亚胺拖曳帆，连接到SBUDNIC卫星，有助于推动卫星早日返回地球。

由布朗大学的学生设计

这颗卫星是由大约40名学生在一年的时间里设计和建造的，其中一半来自布朗大学工程学院，其他人来自经济学、国际关系和雕塑等不同领域。它始于2021年春季弗利特教授的《ENGN 1760:空间系统设计》课程。

意大利航空航天公司D-Orbit接近SpaceX的猎鹰9号火箭，该火箭将在一年内发射一颗卫星。弗利特转向他的学生，他们刚刚听了他们第一次关于太空系统设计的研讨会，并向他们展示了这个机会。

从那时起，比赛开始了。

学生们从构想和设计卫星的各个子系统开始，经常与工业顾问合作，后者就其建议的可行性提供反馈和工程指导。然后，学生们将他们的计划付诸行动，管理卫星的技术方面，并协调行政工作。持续的原型设计、测试和改进需要学生花费大量的时间和脑力。

“布朗设计工作室在凌晨4点非常安静，我在这段时间去过那里的次数已经数不清了，”去年从布朗大学毕业、获得生物医学工程硕士学位、曾担任SBUDNIC总工程师的马可·克罗斯(Marco Cross)说。

学生们在当地商店和在线零售网站购买所需的材料。为了让卫星在太空中生存，他们经常不得不设计一些巧妙的变通方法。克罗斯说，这种方法通常意味着要设计出能够复制太空特定环境条件的测试设备，比如火箭发射时产生的高振动。例如，该团队在真空室中使用爬行动物加热灯来测试他们为保护卫星电子设备免受太阳照射而设计的热屏蔽。

为了获得发射许可，这颗卫星必须通过资格测试，并满足SpaceX和NASA遵守的严格规章制度。“这是一个零容忍失败的环境，”克罗斯说。“团队从未动摇过。”

在经过一系列真空、热和振动测试后，学生们获得了批准。随后，一个小组前往佛罗里达州的卡纳维拉尔角运送SBUDNIC，以便将其插入D-Orbit更大的运载卫星上，然后将其放入SpaceX火箭上。

学生们说，这个项目让他们认为自己是创造者和革新者，而这种根深蒂固的经验教训，他们将在未来很好地利用。

“我继续用我在这个项目中学到的东西在洛克希德·马丁航天公司实习，”布朗大学大四学生、该项目的负责人之一塞利亚·金达尔(Selia Jindal)说。“这个项目真正帮助我塑造了如何看待世界，并对我的本科经历产生了极大的影响。这种情绪并不是我独有的。许多团队成员，像我一样，进入SBUDNIC之前没有任何航天行业的经验，离开了这个领域。我们在整个行业都有SBUDNIC校友，从攻读博士学位到在SpaceX工作的工程师。”

除了在会议上展示他们的发现并将数据提交给出版物外，SBUDNIC团队目前正计划在罗德岛的学校进行一系列的演讲。他们希望激励未来的创新者，并让高中生更多地意识到空间工程和设计中存在的机会。

编辑：黄飞