Розробка та запуск першого українського наносупутника

POLYTAN-1

Коваленко Євген

Аспірант, інженер

Національний Технічний Університет України

«Київський Політехнічний Інститут»

Cтудентський наносупутникPolyITAN-1, перша версія

PolyITAN-1 являє собою

малий космічний апарат

(штучний супутник Землі),

який має форму прямого

паралелепіпеда. Габаритні

розміри корпусу НС

140х140х120мм, вага

близько 1 кг.

2

Конструкція першого варіанту супутника

3

Структурна схема системи живлення

СБ

Підвищую-чий ШІП

АКБ

Блок вихідних

понижуючих ШІПів

Мікроконтроллер

ШІМ

Живлення МК

Керування

3.3В

3.3В

1.8В

5В

RXDTXD

Дані на ЦП

Система резервування

та балансування

заряду АКБ

Система запуску

Напруга,струм

Напруга,струм

Формувач двополярного

живлення

-5В

4

Вимірювач напруги елементів АКБ

АКБ 1

АКБ 2

АКБ N

Система керованих

комутаторів

ЄмністьВихідний

комутатор

Мікроконтроллер

АЦП

5

Система резервування АКБ

АКБ 1

АКБ 2

АКБ N

ДрайвериМікроконтро-

ллер

Ключі на MOSFET

Ключі на MOSFET

Зворотні діоди

Зворотні діоди

6

Була здійснена імітація наступних умов космосу:

• Вакуум (10-5)

• Скидання тепла на кріоекрани (-192°С)

• Імітація сонця

7

Зовнішній вигляд супутника та його розташування у вакуумній

камері

8

Фотографії плати процесора та АКБ

Термодатчики

Інтерфейс діагностики, виведений

зовні камери

9

Методика випробувань

Обертання НС навколо осі камери: А - вихід НС з тіньової орбіти;

В - перехід НС в тіньову орбіту; С - максимальне випромінювання

Сонця і Землі

10

Зміна температури поверхонь граней 1

та 3

Зміна температур елементів

наносупутника

12

Результати перших експериментів

• Підтверджений загальний принцип побудови схеми

• Перевірена елементна база

• Перевірена стабільність роботи АЦП процесора• Перевірена стабільність роботи понижуючих

перетворювачів

• Перевірена робота АКБ

• Перевірений ККД роботи підвищуючого перетворювача для заряду АКБ (95%)

• Перевірені теплові режими роботи елементів з навантаженням та без

По платі: -10…+40

По АКБ: -5…+30

13

Перевірка системи орієнтації

14

Радіаційні тести

15

Друга версія супутника, сумісна зі стандартом CUBESAT

16

Структурна схема супутника17

Конструкція

Унікальні вуглепластикові сотопанелі, які захищаютьакумулятори та плати від теплового впливу Сонця; а в тіні -забезпечують оптимальний температурний режим.

18

Система бортової обробки даних(Модуль центрального процесора)

• Багатошарова плата з 32-розрядним процесором ARM Cortex-M4

• ПЗ для циклограми, сплячий режим• Маяк для радіоаматорів з

телеметрією• 3 Датчика положення Сонця, 3

електромагніти орієнтації, 2 x RS-485

19

Прийомо-передаюча система

• Плата і ПО розробки КПІ• Резервні канали, режими низького енергоспоживання• Протокол AX.25 з інкапсульованим протоколом Modbus• Апаратна реалізація забезпечує високу якість вихідного сигналу

Чутливість приймача 145 МГц -110 dBm

Потужність передавача 437 МГц 33 dBm

Швидкість передачі в діапазоні 437 МГц

До 10 кБит/с

Напруга живлення, В 5 В, 3.3 В

Споживана потужність:

- режим очікування

- Сеанс зв'язку:

-передача, канал 437 МГц, Вт

0,056 Вт

4,5 Вт

20

• Заряд акумуляторів в оптимальній точці вольтамперниххарактеристик всіх сонячнихбатарей.

• ККД перетворювальної частини: не менше 90%

• ККД сонячних батарей: 16.2-18.4%• Кількість сонячних батарей: 5 шт.• Загальна потужність СБ: до 1.5 Вт• Вихідні канали: (3x3.3 В; 2x5 В)• Загальна вихідна потужність: до

10 Вт• Тип АКБ: Літій-залізні• Ємність АКБ: 30 Вт•год (3.3 В, 9.2

А•год)

Система живлення21

З’єднання сонячних батарей

MPPT1

MPPT2

MPPT3

AC

B

Переваги:• Кожна панель працює в точці

максимум потужності• Нема необхідності в послідовно

включених діодах (вищий ККД)• При виході з ладу одно панелі чи

контролера АКБ продовжуватиме заряджатись, та супутник продовжуватиме роботу

22

Концепція побудови центра керування

Наземная станція керування Центр керування польотом

437 Mhz Downlink145 Mhz Uplink

Кабелі РЧ, Керуванняповоротним пристроєм

ТрансиверAX.25 протоколАудіо

TCP/IP HTTPs/XML

Віддаленийдоступ

Сервер базиданных

Прикладнийсервер

Звіти, виборкиданих

Планування,Моніторинг, керування

Інте

рф

ейс

до

зо

вніш

ніх

пр

огр

ам

23

Наземна станція24

Інтеграція в пусковий контейнер ISI-POD (Університет DELFT, Нідерланди)

25

Напруга АКБ

2800

2900

3000

3100

3200

3300

3400

1 8

15

22

29

36

43

50

57

64

71

78

85

92

99

106

113

120

127

134

141

148

155

162

169

176

183

190

197

204

211

218

225

232

239

246

253

260

267

274

281

288

295

302

309

316

Зміна режиму роботи маяка

Початок експериментів з

підсистемами

26

Напруга, мВ

Час

Споживання ЦП

0

10

20

30

40

50

60

1 71

31

92

53

13

74

34

95

56

16

77

37

98

59

19

71

031

091

151

211

271

331

391

451

511

571

631

691

751

811

871

931

992

052

112

172

232

292

352

412

472

532

592

652

712

772

832

892

953

013

073

133

19

27

Струм, мА

Час

Струм від СБ в АКБ

0

50

100

150

200

250

300

350

1 7

13

19

25

31

37

43

49

55

61

67

73

79

85

91

97

103

109

115

121

127

133

139

145

151

157

163

169

175

181

187

193

199

205

211

217

223

229

235

241

247

253

259

265

271

277

283

289

295

301

307

313

319

28

Струм, мА

Час

Температура плати

0

5

10

15

20

25

30

35

1

13

25

37

49

61

73

85

97

109

121

133

145

157

169

181

193

205

217

229

241

253

265

277

289

301

313

325

337

349

361

373

385

397

409

421

433

445

457

469

481

493

505

517

529

541

553

565

577

589

601

613

625

Початок експериментів з

підсистемами

29

Температура,град.

Час

Висновки по роботі в космосі

• Через рік роботи на орбіті плати не були пошкоджені радіаційним випромінюванням

• Потужність СБ знизилася на 20%• Максимальна потужність СБ на орбіті відповідала

розрахунковій максимальній потужності• Було доведено ефективність попарного включення

СБ• Підтверджено використання Li-Fe AКБ в космосі• Перевірена функціональність системи живлення

супутника POLYTAN-1 НТУУ КПІ власної розробки. Цей досвід буде використаний на наступному супутнику в проекті QB50.

30

Polytan-2-SAU, інженерна модель31

Polytan-2-SAU, інженерна модель32

Polytan-2-SAU, структура33

Системи живлення супутників POLYTAN

Polytan-1 Polytan-2-SAU

34

Порівняльні характеристики систем живлення

POLYTAN-1 POLYTAN-2-SAU

Розмір плати 96x96mm 82x82mm

Ємність АКБ 22WH

Тип АКБ LiFePO3

Кількість елементів АКБ 3

Напруга та ємність АКБ 3.3V, 2.3AH

З’єднання АКБ Паралельне

Апаратний захист від перезаряду

АКБТак

Діапазон температур АКБ -20°C to +60°C

Загальна потужність СБ 1W 2,1W

Самоспоживання системи 0.06W 0.04W

Зв’язок з іншими системами 2xRTU Modbus, 115200, 8N1

Тип мікроконтролера Atmel ATXMega256A3 STM Cortex M0

Типи АЦП Вбудоване в МК (12bit)Вбудоване в МК, вбудовані в

датчики напруг і струмів

ТМП-модулі 3xHardware 5xHardware

Система здатна живити супутник

та заряджати АКБ при виході з

ладу мікроконтролера

Yes

Вихідні напруги/струми3.3V/5A (нестабілізоване), 5V/0.2A,

3.3V/0.5A, 3.3V RTC

3.3V/5A (нестабілізоване), 3.3V/2A,

5V/2A, 6.8V/1A, 3.3V RTC

35

Зняття характеристик СБ36

FIPEX (Flux Probe Experiment) - експериментальний датчик заборузустрічного потоку, здатний розрізняти і вимірюватихарактеристики атомарного і молекулярного кисню. Атомарнийкисень представлений більше інших частинок на висоті 90-380 км,його оцінка є визначальним чинником у моделі атмосфери.

Корисне навантаження37

Дякую за увагу!

Команда розробників супутника

38