CanSaty – pierwszy krok w kosmos

Początek XXI w. przyniósł rewolucję w dostępie do technologii – w tym także do technologii kosmicznych. Wydawać by się mogło, że przy odpowiedniej motywacji niemal każdy może zbudować dzisiaj własnego satelitę i wysłać go w kosmos. Prawda jest oczywiście nieco inna, jednak wiele wskazuje na to, że za dekadę lub dwie słowa te nie będą brzmieć tak naiwnie i będą dotyczyć jeszcze mniejszych obiektów – CanSatów.

CanSat zespołu Kraksat 2013 przed startem. Źródło: Kraksat

CanSat zespołu Kraksat 2013 przed startem. Źródło: Kraksat

Odrobina historii

Pomysły i nadzieje na konstruowanie małych satelitów pojawiły się na początku lat dziewięćdziesiątych. Miniaturyzacja elektroniki oraz to, że w 1999 roku profesorowie z CalPoly i Uniwersytetu Stanforda zaproponowali standard CubeSat, sprawiły, że marzenie się ziściło. Pierwszy studencki CubeSat, czyli mały sześcienny satelita o boku 10 cm, znalazł się w kosmosie w 2000 roku.

Ogólnodostępna baza danych CubeSatów liczy już niema pół tysiąca misji, z czego ponad 200 to satelity studenckie. Do 2013 roku zdecydowaną większość stworzyli studenci. Duża popularność CubeSatów wpłynęła także na wyobraźnię uczniów szkół średnich.

Pomysł na opracowanie jeszcze mniejszych satelitów (tzw. pikosatelitów) wyszedł od twórców idei CubeSata i minęło niewiele czasu, gdy rozpoczęły się pierwsze testy CanSatów. Wprawdzie nie trafiły one do tej pory na orbitę, a jedynie na kilka kilometrów ponad powierzchnię Ziemi, jednak dają namiastkę pracy przy technologiach kosmicznych.

CanSat i kosmos?

Można powątpiewać w kosmiczność CanSatów, czyli małych autonomicznych urządzeń mieszczących się w objętości równej puszcze po napoju. Jednak typowy CanSat zawiera elementy znane z pełnoprawnych satelitów, spośród których warto wymienić system zasilania i komunikacji, komputer pokładowy czy różnorodne sensory. Największe znaczenie jednak ma fakt, że konstruktorami tych urządzeń najczęściej są uczniowie – i w tej perspektywie takie przedsięwzięcie jest naprawdę wyjątkowe. Żeby się o tym przekonać warto prześledzić typowy tok pracy przy projekcie CanSata konstruowanego przez uczniów szkoły średniej.

CanSat podczas testów i integracji. Źródło: Dario Cruz/ESA/Cansats in Europe

CanSat podczas testów i integracji. Źródło: Dario Cruz/ESA/Cansats in Europe

Jak zbudować CanSata

Projekt

Bardzo ważne przy projektowaniu CanSata jest zachowanie standardów zbliżonych do prawdziwego programu budowy małego satelity. Na czym to polega? Przede wszystkim już na samym początku zespół musi określić zadania i wymagania, jakie ma spełnić CanSat, zastanowić się nad możliwościami uczniów oraz gdzie mogą pojawić się problemy. Dlatego niezbędna jest również dobra organizacja pracy przez liderów i opiekuna. Jest to wprawdzie praca czysto koncepcyjna i teoretyczna, jednak z czasem przechodzi w projektowanie wybranych podsystemów, zakupy odpowiedniego sprzętu, elektroniki czy też pisanie oprogramowania. Nie są to zadania łatwe i wymagają świetnego zorganizowania, rozłożenia pracy w czasie, dokumentowania wszystkich kroków, ale również poszukiwania sponsora lub technicznych konsultacji.

Dokumentacja

Elementami, które dobitnie pokazują niemal profesjonalne podejście do projektu są przeglądy techniczne. W przypadku polskiego konkursu CanSat są one realizowane w trzech etapach, z których każdy kończy się złożeniem sprawozdania. Są to: Preliminary Design Review (PDR), Critical Design Review (CDR) oraz Final Design Review (FDR). Nazwy te nie są obce żadnemu inżynierowi, a w nieco bardziej skomplikowanej strukturze występują również podczas projektowania satelitów. Konstruktorzy podczas tworzenia poszczególnych dokumentów przedstawiają w nich historię swoich prac oraz ostateczne rozwiązania, jakie zostały zastosowane w ich projekcie. Jest to szczególnie ważne dla organizatorów, którzy muszą upewnić się, że CanSat podczas swojego lotu nie wpłynie negatywnie na rakietę lub pozostałe CanSaty. Podobnie wygląda to w przemyśle kosmicznym, gdzie operator satelity projektuje go zazwyczaj w zgodzie z wymaganiami konkretnej rakiety, na jakiej zostanie wyniesiony na orbitę. Z reguły bardzo trudno jest zmienić rakietę nośną, na której ma lecieć satelita, gdy ten jest już zaprojektowany. Taka sytuacja wiąże się często z koniecznością przeprojektowania wielu systemów w satelicie, a co nawet ważniejsze – także zmiany procedury testowej.

Testy

Właśnie kampania testowa jest jednym z najważniejszych etapów podczas konstruowania satelitów. Podobnie jest w przypadku CanSatów, choć tu konsekwencje nieudanych prób można stosunkowo tanio i szybko cofnąć, a następnie poprawić projekt małego urządzenia. Uczniowie biorący udział w konkursie CanSat mają przed sobą szereg różnorodnych testów. Zazwyczaj bardzo trudne jest ich wykonanie podczas fazy projektowej, więc ich czas przychodzi podczas integracji poszczególnych podsystemów. Szczególnie ważny jest system komunikacji oraz spadochron – niezbędne do przesłania danych pomiarowych oraz bezpiecznego lądowania CanSata. To właśnie podczas testów udaje się odkryć nieprawidłowości w – na pierwszy rzut oka – idealnych i sprawdzonych konstrukcjach. Czasami może okazać się, że linki spadochronu się plączą, a innym razem oprogramowanie komputera może odmówić posłuszeństwa z niewiadomego powodu. Problemów może być wiele i znalezienie ich przyczyn potrafi zająć lwią część czasu poświęconego na cały projekt. To kampania testowa decyduje o pomyślności misji na wiele tygodni przed jej wykonaniem.

Nareszcie misja!

Po wielu miesiącach prac przychodzi oczekiwany moment – kampania startowa – czyli dwa dni, podczas których CanSaty realizują swoje misje na poligonie. Godziny przygotowań, nastrojenie radiostacji, ostatnie przymiarki, ładowanie akumulatorów i w ostatniej chwili zauważone poprawki w oprogramowaniu. To wszystko składa się na atmosferę panującą przed startem. W polskim konkursie CanSat planowane są dwa etapy realizacji misji. Pierwszego dnia urządzenia zostaną wypuszczone z samolotu lecącego na pułapie kilkuset metrów. Na drugi dzień zaplonowane jest wystrzelenie ich małej rakiecie sondującej na wysokość ponad 1 kilometra.

Wydawać by się mogło, że to podczas startu decyduje się sukces misji. W rzeczywistości najlepsze efekty uzyskują jednak ci, którzy już kilka tygodni wcześniej wielokrotnie przeszli całą procedurę startu i znają ją na pamięć.

Analiza danych

CanSaty startujące w konkursie mają jasno określone zadanie obowiązkowe. Jest nim zmierzenie i równoczesne przesyłanie do stacji naziemnej danych o temperaturze oraz ciśnieniu atmosferycznym podczas opadania na spadochronie. Poza tym zespoły mogą postawić sobie dowolne wyzwanie możliwe do zrealizowania za pomocą CanSata. Odebrane dane uczniowie muszą być w stanie opracować i zaprezentować przed jury konkursu. Mogą spróbować odtworzyć przebieg lotu, oszacować pułap, na jaki wzniosła się rakieta czy też udowodnić postawioną wcześniej tezę. To również poważny sprawdzian dla zespołu, ponieważ ekstremalne warunki, w jakich działał CanSat mogą w nieprzewidywalny sposób wpłynąć na zebrane dane, a tym samym zasugerować uczniom fałszywe odpowiedzi. Krytyczna ocena i rozsądek powinny tu grać kluczową rolę.

Co dalej?

Po emocjach związanych z kampanią startową przychodzi czas na obszerniejsze analizy. Młodzi projektanci powinni podsumować swoje zmagania i wyciągnąć wnioski na przyszłość. Spotkanie z innymi zespołami może dać wiele inspiracji do kolejnej edycji konkursu bądź nowych projektów. Dobrze jest także zdobyte doświadczenie zgromadzić w jednym miejscu, by skorzystać mogli z niego kolejni uczniowie. Bez względu na wynik misji warto jest pamiętać, że udział w zawodach CanSat to nie bezwzględna rywalizacja, a przede wszystkim kolejna forma nauki, dzięki której młodzi ludzie zainteresują się pracą w przemyśle kosmicznym.

Przyszłość CanSatów

Jak do tej pory żaden CanSat nie trafił na orbitę, jednak pojawiają się już propozycje, by takie urządzenia testować podczas lotów suborbitalnych. Trudno wyrokować, czy znajdą one swoją lukę w sektorze satelitarnym, jednak na razie świetnie sprawują się na całym świecie jako narzędzie do inspiracji młodych ludzi, budzenia w nich fascynacji astronautyką oraz unaoczniania realiów pracy w projekcie kosmicznym. Być może małe CanSaty w przyszłości zostaną wykorzystane jako konstelacje małych satelitów wspierające pracę głównego satelity. Wyposażone w elektryczny napęd mogłyby tworzyć sieć monitorującą z zewnątrz stan techniczny teleskopu lub stacji kosmicznej. Pomysłów na zastosowanie standardu CanSat w przyszłości nie brakuje, a przecież coraz popularniejsze dzisiaj w zastosowaniach komercyjnych CubeSaty dziesięć lat temu konstruowali tylko studenci.