La nave espacial de autonomía de formación con empuje, Relnav, actitud y enlace cruzado (o FASTRAC ) es un par de nanosatélites (llamados respectivamente Sara-Lily y Emma ) desarrollados y construidos por estudiantes de la Universidad de Texas en Austin . El proyecto forma parte de un programa patrocinado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL), cuyo objetivo es liderar el desarrollo de tecnología espacial asequible. La misión FASTRAC investigará específicamente tecnologías que faciliten el funcionamiento de múltiples satélites en formación. Estas tecnologías habilitadoras incluyen navegación relativa, comunicaciones de enlace cruzado, determinación de actitud y empuje. Debido al alto costo de poner masa en órbita , existe una fuerte iniciativa para miniaturizar el peso total de las naves espaciales. La utilización de formaciones de satélites, en lugar de grandes satélites individuales, reduce el riesgo de fallas en un solo punto y permite el uso de hardware de bajo costo.
En enero de 2005, la Universidad de Texas ganó el Programa Universitario Nanosat-3 , una competencia basada en subvenciones que incluyó a otras 12 universidades participantes. [4] Como ganador, FASTRAC tuvo la oportunidad de lanzar sus satélites al espacio. El equipo dirigido por estudiantes recibió $100,000 de AFRL para la parte de competencia del proyecto y otros $100,000 para la fase de implementación. FASTRAC es la primera misión satelital desarrollada por estudiantes que incorpora navegación relativa en órbita en tiempo real, determinación de actitud en órbita en tiempo real utilizando una sola antena GPS y un propulsor de plasma de microdescarga.
FASTRAC se lanzó el 19 de noviembre de 2010 a bordo de un cohete Minotaur IV desde el Complejo de Lanzamiento Kodiak en Kodiak, Alaska . [5] Se llevó a cabo con éxito la separación de los satélites entre sí y la comunicación cruzada. [6]
FASTRAC fue desarrollado bajo el Programa de Nanosatélites de la Universidad del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU., y ocupó el puesto 32 en la lista de experimentos de naves espaciales priorizados de la Junta de Revisión de Experimentos Espaciales en 2006. Se esperaba que la nave espacial demostrara el rendimiento relativo de navegación relativa del Sistema de Posicionamiento Global y el rendimiento del propulsor de microcarga. .
La secuencia de la misión principal se compone de seis fases distintas: lanzamiento, separación del vehículo de lanzamiento, adquisición inicial, navegación relativa a bordo del GPS, determinación de la actitud del GPS de una sola antena a bordo y operación del propulsor de plasma de microdescarga, y operaciones de radioaficionados. En la primera fase, los dos nanosatélites se lanzarán en la misión STP-S26 del Programa de Pruebas Espaciales del Departamento de Defensa desde el Complejo de Lanzamiento Kodiak (KLC) en Kodiak, Alaska. Serán transportados a una órbita terrestre baja circular con una inclinación de 72 grados y una altitud de 650 km mediante un cohete Minotaur IV. Inicialmente, los dos nanosatélites estarán en una configuración apilada. Una vez que el cohete alcance la órbita deseada, los satélites serán alimentados por el vehículo de lanzamiento antes de separarse finalmente del vehículo de lanzamiento.
La tercera fase comenzará una vez que los dos nanosatélites sean expulsados del cohete. Durante esta fase, habrá un período de 30 minutos donde los satélites pasarán por un proceso de verificación e inicialización. Después de este período, los satélites comenzarán a transmitir mensajes de baliza que contienen información de telemetría que ayudará a determinar el estado de cada satélite. Durante esta fase, la estación terrestre intentará establecer el primer contacto con los satélites y realizar un procedimiento de verificación para asegurarse de que todos los subsistemas a bordo estén funcionando correctamente. Se espera que este procedimiento de verificación demore varias horas o incluso algunos días dependiendo de la duración de los pases de comunicación con la estación terrestre. Una vez que los operadores estén satisfechos con el estado de los satélites, se les ordenará desde tierra que se separen, finalizando la tercera fase de la misión.
Cuando los satélites se hayan separado con éxito, comenzará la misión principal, lo que marcará el inicio de la cuarta fase. En primer lugar, los satélites establecerán de forma autónoma un enlace cruzado, es decir, se comunicarán entre sí a través de bandas UHF / VHF . Luego, los satélites intercambiarán datos GPS a través de este enlace cruzado para calcular soluciones de navegación relativa en órbita en tiempo real. [7]
La quinta fase activará un propulsor de plasma de microdescarga con un comando desde tierra que funcionará de forma autónoma cuando el vector de empuje esté dentro de un cono de 15 grados del vector antivelocidad. El funcionamiento del propulsor dependerá de la solución de determinación de actitud GPS de antena única en tiempo real en órbita. Una vez finalizada esta fase, un comando de la estación terrestre desactivará el propulsor del FASTRAC 1.
La fase final de la misión comenzará una vez que la arquitectura de comunicación de los satélites se reconfigure desde tierra para funcionar con la red del Sistema Automático de Informes de Paquetes (APRS). Esto pondrá los satélites a disposición de los usuarios de radioaficionados de todo el mundo. Una vez que la estación terrestre pierda toda comunicación con los satélites, la misión terminará y los satélites saldrán pasivamente de órbita, quemándose en la atmósfera. El equipo FASTRAC ha estimado que tardará seis meses en lograr con éxito los objetivos de su misión.
La estructura de los satélites FASTRAC es un diseño de iso-rejilla hexagonal que se compone de dos placas adaptadoras de titanio, paneles laterales de aluminio 6061 T-6, seis columnas exteriores huecas con inserciones y seis columnas interiores. La masa de los dos nanosatélites es de aproximadamente 127 libras con todos los componentes incluidos.
La arquitectura de comunicaciones se basa en un sistema volado sobre PCSat2 . La implementación de FASTRAC consta de dos receptores, un transmisor, un controlador de nodo terminal (TNC), una placa de relé del transmisor y una placa de relé del receptor. En FASTRAC 1 "Sara Lily" se utilizan dos receptores VHF R-100 y un transmisor UHF TA-451 de Hamtronics. En FASTRAC 2 "Emma" se utilizan dos receptores UHF R-451 y un transmisor VHF TA-51 de Hamtronics. El TNC utilizado es un KPC-9612+ de Kantronics. Tanto los tableros de relés del transmisor como del receptor fueron diseñados y fabricados internamente.
El sistema de comando y manejo de datos (C&DH) está compuesto por cuatro AVR distribuidos que fueron desarrollados por la Universidad de Santa Clara . Cada AVR tiene un microcontrolador Atmega 128 y controla un subsistema individual en el satélite (es decir: COM, EPS, GPS y THR o IMU). Los AVR se comunican entre sí a través del bus I2C .
El sistema de determinación de posición y actitud GPS fue diseñado y construido por estudiantes investigadores del Laboratorio de Investigación GPS de la Universidad de Texas. El sistema utiliza mediciones de código GPS, así como la relación señal-ruido (SNR) de la antena y mediciones de magnetómetro de 3 ejes para proporcionar estimaciones de posición, velocidad y actitud. Cada satélite tendrá receptores GPS ORION redundantes, antenas duales cruzadas con conmutación de RF y hardware de división.
El sistema de energía de cada satélite está compuesto por ocho paneles solares , una caja VREG y una caja de baterías. La caja de la batería está hecha de aluminio anodizado negro y tiene capacidad para 10 celdas D Sanyo N4000-DRL proporcionadas al equipo por AFRL. Tanto los paneles solares como el tablero VREG fueron diseñados y fabricados internamente. En cada satélite, la placa VREG distribuye la energía de tres reguladores de voltaje VICOR VI-J00 y también carga las baterías con la energía recolectada de los paneles solares.
Hay dos sistemas de separación para los satélites FASTRAC, ambos diseñados y fabricados por Planetary Systems Corporation (PSC), que se utilizarán para separar los satélites en su configuración apilada del Vehículo de Lanzamiento y luego para separar los dos satélites mientras están en órbita. . El sistema de separación PSC Lightband está compuesto por dos anillos con resorte y un mecanismo de liberación motorizado.
El propulsor de plasma de microdescarga fue diseñado y construido en UT-Austin. El propulsor canaliza y sobrecalienta un gas inerte a través de una boquilla de microcanal que produce un nivel de empuje de microNewton. Utiliza un tanque compuesto hecho a medida por CTD. El funcionamiento del propulsor será automatizado por la nave espacial C&DH utilizando las mediciones de actitud proporcionadas por el sistema de determinación de actitud GPS. Después de habilitar el funcionamiento del propulsor desde tierra, solo estará activo cuando una de las dos boquillas esté dentro de un cono de 15 grados del vector antivelocidad. El subsistema de propulsión sólo está presente en FASTRAC 1 "Sara Lily".
En FASTRAC 2 "Emma", en lugar de utilizar un propulsor, se utiliza una Unidad de Medición Inercial (IMU) MASIMU01 de Micro Aerospace Solutions para medir la separación de los dos satélites.
Los satélites FASTRAC transmiten y reciben datos (GPS, Salud, etc.) en frecuencias de radioaficionado. Se recomienda a todos los operadores de radioaficionados que descarguen datos de cualquiera de los satélites y los carguen en la sección de operadores de radio en el sitio web de FASTRAC Archivado el 23 de noviembre de 2010 en Wayback Machine . [8]