Matkaraportti 03.10-06.10.2002 P3E-suunnittelukokous Marburg Alustava agenda suunnittelukokoukselle on tämän näköinen: Friday, October 4th ------------------- 14:00 Official Welcome P3-E general introduction - AMSAT-DL Membership Survey - testbed for P5-A - other goals Session 1 (15:00) Launch Configuration: - ASAP5 options (P3-C like structure) - SBS options (P3-D like structure) - other ideas (ring structure?) Spacecraft Structure (physical shape and dimension): - P3-C with folded Arm - P3-D structure - spacecraft mass - fuel mass Session 2 Orbit design options: - from ARIANE 5 GTO into HEO - 63,4=B0 Inclination, Apogee/Perigee Height, Arg Of Perigee Propulsion (see Orbit): - 200N versus 400N Motor - Propulsion Flow Assembly - Fuel tanks - Liquid Ignition Unit - Arcjet? Saturday, October 5th --------------------- Session 3 (09:00) Bus Design: - IHU (StrongARM, FPGA, RTX2000, what else?) - CAN-Bus - Ethernet - Module Controller - Umbilical I/F Attitude Control: - earth, sun and star sensors (camera?) - Sensor Electronic Unit (SEU) - Magnetorquers - Nutation Dampers - 3-Axis stabilisation? Session 4 Power Production: - Solar Cells - Batteries (capacity and type) (AO-13 was 100 Wh 6kg NiCad) - Battery Charge Regulator - Power Distribution Communication payload: - Frequency Management - Uplinks - Downlinks - LEILA? - MATRIX? - RUDAK (perhaps secondary IHU?) Antennas: - gain - pattern Sunday, October 6th ------------------- Session 5 (09:00) Other Payloads: - systems, ideas (CEDEX, GPS, GALILEO?) - space available - power Thermal Design: - P3-C like structure - P3-D like structure - other structures Environmental Testing - thermal & vacuum - vibration Tämän pohjalta lähdettiin liikkeelle tällä kertaa, mutta matkan kulkuun palataksemme: Torstaiviikkoaamuna on vielä senverran aikaa, että ehdin kipaisemaan lentokenttätulliin noutamaan maanantaina JA1ATI:ltä tilaamani 35 cm:n halkaisijainen 76 GHz:n paraboloidipeilin syöttöineen. Onneksi rauta saapui näinkin pikaisesti ja maksettuani tullit + verot palaan kotiin pakkaamaan matkalaukkuni uudestaan: antenni on siis aivan pakko saada mahtumaan reissuun mukaan. Kyseessä on tietenkin ystävämme Max Impact esilletuonti AMSAT-OH:n esitelmien yhteydessä. Lisäsin vielä kalvoihini erään painoarvoltaan merkittävän seikan 76 GHz:n puolesta: antennin kapeakeilaleveys on samaa luokkaa kuin 2 m:n peilin 10 GHz:llä, jolloin millimetriaaltoalueen majakka olisi loistava simulaatio P5A-linkille ja antaisi todellasin mahdollisuuden tutkia satelliitin kolmiakseli- stabiloinnin toimintaa (P5A:ssa on tarkoitus käyttää samoja miniaty- risoituja hyrriä kuin P3E:ssäkin). Tavallisten junatoilailujen jälkeen löydän itseni Marburgista iltasella ja kerkiän juuri kirjautumaan sisään, kun ex-OH4SS huikkaa hotellin ovelta: Tero on ollut Dusseldorfissa töissä jo kohta pari vuotta ja olimme sopineet pienestä istunnosta kaupungin yöelämässä. Käymme varsin mielenkiintoisia keskusteluja mahdollisuudesta käyttää 24 GHz:n chippejä AMSAT-OH:n ehdotuksessa. Tämä tietenkin edellyttää, että avaruusaluksen runko on isompi, kuin "perinteinen" AO-13-runko, koska antennien rakentamiseen tarvittava pinta-ala on todella kortilla tässä mallissa. Sama tietenkin koskee kahta muutakin AMSAT-OH:n ehdotusta. Ikävä kyllä, tässä vaiheesa alkaa vaikuttamaan siltä, että AO-13-tyyppinen runko on se, johoh P3E:ssä tullaan menemään. IHU-porukka on ollut koolla jo parikin päivää ja palaveria jatketaan aamupalan jälkeen yliopiston sairaalaelektroniikan laboratoriossa (lue: AMSAT-DL:n satellittitehdas...). IHU-3-asiat alkavat olemaan kuosissa näemmä, mutta moduleiden välinen liikenne ja ohjaus on edelleen käsittelyssä. CAN-väylän tietty versio alkaa olemaan varsin vahva ehdokas telemetrian, kauko-ohjauksen ja valvonnan toteutuksessa. Tämä olisi varsin suuri askel ja riskinotto, sillä väylälle ei olisi redundanssia, joten käytettävät palikat pitäisi testata softineen erittäin, erittäin raskaasti. Aivan ensimmäinen testi olisi säteilyn- kestävyyden testaus. Ryhmä on varsin otettu ATMEL:in T89C51CC01- CAN-pohjaisesta kalikasta, joka perustuu CMOS-teknologiaan. S/H- kytkennän integroitu kapasitanssi vähän arvelluttaa, mutta sen vuoto-ominaisuudet voidaan selvittää, myös mahdolliset säteilyn aiheuttamat muutokset. Kyseinen versio on flash-mallia, mutta tuloillaan on myös maskirommiversio. Keskustelua käydään myös AMSAT-CAN-kontrollerin tekemisestä oikein määrissä muitakin satelliittiprojekteja varten. En vielä kysynyt AMSAT-OH:n alennuprosenttia :-) CAN-bussin vaihtoehtona on tziljardin johdon väylä analogisine signaaleineen kaikkineen. Kyseessä on tietenkin myös oleellinen massan vähennys. AMSAT-DL:n historiassa ei ole todistettavasti ollut vielä ainuttakaan johdotusongelmaa avaruudessa, mutta mahdol- lisuus on aina olemassa kaikessa huolimatta. Toisaalta, mikäli ko. CAN-ohjaimesta jää löytymättä jokin fataali ongelma kaikesta testauksesta huolimatta, on missio erittäin suuressa vaarassa kaatua. Toki CAN-kontrollerin implementointi olisi aivan loistava modulien rakentajien osalta, koska tällöin jokainen voisi implementoida niin paljon ohjausta ja telemetriankeruuta kuin huvittaa. Kovajohdotettu väylä on erittäin rajoitettu yhteyksien määrässä, sillä jo pelkästään paino tulee rajoituksena eteen. CAN-väylän käyttöönoton tarkoituksena olisi langoitetun väylän oleellinen yksinkertaistaminen. Toisessa vaaka- kupissa on softan raskas ponnistus - sen pitää olla yksin- kertaisesti täysin virheetön. Toisaalta AO-40:ssä käytetty CAN-väylä toimii moitteettomasti, jopa työntömoottorionnetto- muudenkin jälkeen. Aamupalaverissa päätetään äänestyksen jälkeen yksimielisesti lähteä CAN-linjalle ja tutkia sen käytettävyyttä. Tämän päätöksen jälkeen päästäänkin sitten jo piirtämän IHU-3:n strawman- tasoista lohkokaaviota, jotta nähdään mitä komponentteja joudutaan tilaamaan, sekä mitä päätöksiä joudutaan tekemään tässä palaverissa. Mm. osoitteet on lyötävä lukkoon mahdol- lisimman pian. Myös IHU-emulaattorin kirjoittamisesta keskustellaan, tai oikeastaan kahden eriversioisen emulaattorin kirjoittamisesta, sillä IHU-3-softaa kirjoi- tetaan (IPS-kielellä) sekä PC:llä, että RISC ARM-prosessorilla. IHU-3-emulaattori mahdollistaisi tietenkin enemmän geneeristen modulinohjauspalikoiden rakentamisen testausta varten tuote- kehitysvaiheessa. Jokainen modulin rakentaja voisi päästä heti testaamaan liityntäänsä IHU:uun päin "oikealla" ympäristöllä. Kaikenlaisia muitakin modulin rakentajan kannalta tärkeitä asioita käsitellään, joten on erinomaisen hyvä, että tulin kokoukseen hieman etukäteen. Mm. modulinrakentajien tulee ottaa huomioon mahdollisuus, että modulin käyttämättömille A/D-kanaville CAN-väylälle voidaan joudua rakentamaan modulin läheisyyteen tulevan esimerkiksi lämpötilan mittaus- anturin liitäntä. Myös mm. virranmittausanturit joudutaan reitittämään tällä tavalla geneerisen CAN-väyläohjaimen kautta. Mahdottoman pitkästi keskustellaan myös rajallisten I/O- pinnojen allokoinnista ja multipleksoinnista. SEU:ta pidetään esimerkkinä vaativimmasta modulista, koska se tarvitsee huomattavan määrän kaksisuuntaista I/O:ta, joten SEU otetaan suunnittelupohjaksi keskusteluissa. Ruokailutauon jälkeen alkaa varsinainen yleinen P3E-kokous. Osallistujia on aluksi 25 ja iltaan mennessä meitä löytyy jo kolmisenkymmentä, kymmenestä eri maasta. Aluksi käydään läpi AMSAT-DL:n lukijakyselyn tulokset, joista paljastuu paljon mielenkiintoista tietoa. Tärkeintä palautetta on tietenkin haluttujen satelliittipalveluiden maininta, mutta yhtälailla myös trendi (kysyttiin nykytilaa ja tulevaisuudet haluja) on varsin kiinnostava. Näyttäisi vahvasti siltä, että lennättämällä jokin uusi bandi tai mode, satelliittiradioamatöörit lähtevät varsin innokkaasti näitä kokeilemaan ja käyttämään. Suunniteltu rata olisi joko 12 tai 16 tuntisella kiertoajalla, inklinaation ollessa 63.4 astetta, eli kyseessä olisi tuttu voimakkaasti elliptinen korkealle nouseva Molniya-tyyppinen rata. Laukaisu tapahtuisi Ariane 5:llä, joka toimittaisi P3E:n geosynkroniselle GTO-siirtoradalle, josta siirryttäisiin omalla työntömoottorilla Molniya-HEO-radalle, jonka apogeumi olisi 36.000 km ja perigeumi yli 500 km. Alustusten jälkeen kuultiin esitelmä koskien SBS:n (hankittava) sisälle kolmiorakenteisten tukijärjestelmän päälle asetettavaa satelliittia, joka rakennettaisiin P3-C-insinöörimallin ympäri- rille. Kyseinen insinöörimalli on erinomaisessa kunnossa ja saatavissa lentokuntoon melko vaivattomasti. Tämä esitys on kiinnostava sen vuoksi, että laukaisun olisi tapahduttava vuoden 2005 korvilla (koska P5A-laukaisuikkuna, johon tähdä- tään, on 2007). Valtaosaa osallistujia harmittaa, ettei meillä yksinkertai- sesti näytä olevan aikaa ja resursseja rakentaaa P3D-tyyp- pinen satelliitti laukaistavaksi vuonna 2005, vaan joudutaan mitä ilmeisimmin saattamaan naftaliinissa oleva P3C-runko lentokuntoon ja kaiken lisäksi ilman miniatyrisoituja magneettiseen levitaatioon perustuvia uusia hyrriä, jotka eivät myöskään ehdi moiseen aikatauluun. Surullista, mutta totta: P3C-rungon potentiaalinen antennipinta-ala on varsin pieni ja tekee tiukkaa sovittaa mielessään kaikkia ehdolla olevia leluja sen kyytiin. P3D-rungon ongelmana on myös se, että polttoainesäiliöitä toimittanut venäläinen yritys ei ole enää olemassa, eikä näitä titaanisia säiliöitä yksin- kertaisesti ole tällä hetkellä varaa ostaa länsimaista. P3C-runkoon saadaan toki mahtumaan suurempitehoinen, 50 - 100 W 2.4 GHz:n lähetin + helix-antenni. Sähköbudjetti on huomattavasti parempi kuin AO-13:lla, koska aurinkopanelien hyötysuhde on parantunut hieman ja akusto, joka voitaisiin rakentaa jäljelle- jääneistä AO-40:n nikkelimetallihydridikennoista olisi kevyempi, mutta kapasiteetiltaan 13 Ah verrattuna AO-13:n 7 Ah:iin, joka oli toteutettu nikkelikadmiumkennoilla. Vaikkakin tässä vaiheessa alkaa olemaan varsin selvää, että uusi satelliittimme tulee olemaan spin-stabiloitu AO-13- tyyppinen pienehkö laite, johon oikeastaan mikään suurempi- taajuinen mikroaaltokokeilu ei kunnolla mahdu, erityisesti antennien vaatiman pinta-alan vuoksi. Iltaruokailun jälkeen kokoonnumme uudestaan yhdeksältä jatkamaan keskustelua. Tarkoituksena on saada aikaiseksi ehdotuslista ylös- ja alaslinkkitaajuuksista, joka voitaisiin sitten yölevon jälkeen ottaa lopullista käsittelyä varten esille. P3Express-tuotenimellä nyt kulkeva ratkaisu on saatu valittua muista ehdotetuista rakenteista (P3D- ja taitettu P3C-rakenne). P3D-rakenteen toteuttaminen vaatii vähintään viiden vuoden aikataulun ja taitettu P3C-rakenne on liian riskialtis mekaanisesti, puhumattakaan vaadittavasta testaus- ja kvalifiointiajasta, joka voi olla huomattavakin. Käyttämällä olemasssaolevaa P3C:n insinöörimallia, päästään erittäin lyhyellä aikataululla testaamaan lentovalmista kalustoa. Siirtyminen halutulle elliptisella, inklinoidulle radalle tapahtuisi 200 N:n kick-moottorilla. Lisäksi pitäisi suunnitella SBS:n sisälle tarvittava kolmiomainen tukirakenne laukaisuva varten. Epäkohtia tässä ratkaisussa ovat tietenkin pienempi saatavilla olevan DC-tehoa ja oleellisesti pienempi rakennuspinta-ala antenneille. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että erittäin suuritehoisia lähettimiä ei voida realistisesti toteuttaja että suuri- gainisia antenneja ei mahdu kuin korkeintaan yksi kappale avaruusaluksen +Z-akselille, jolloin myös säteilykuivio- ongelmat kasvavat oleellisesti. Tällä hetkellä lähdetään 5 - 12 dBi:n antennigaineista linkkibudjettilaskelmissa, joita suoritetaan konferenssin aikana rinnakkaisprosessina. Matjaz:in ehdottama kuppimainen antennirakenne (huomattavan paljon hallittavampi sivukeilamuoto) mahdollistaisi jopa mikroaaltotaajuisten antennien laittamisen avaruusaluksen yläpintaan. IF-kaistaleveydestäkin käydään erittäin pitkä keskustelu, sillä kompromisseissa on otettava huomioon linkkibudjetti, bandisuunnittelu, mahdollisest käyttäjämäärät jne. Toistai- seksi pidättäydytään 100 kHz:n IF-kaistaleveydessä kaikille laitteilla. Päätökseen on vaikuttaa myös mm. HELAPS-tekniikan eri ominaisuudet. Myös IF-keskitaajuus täytyy lyödä lukkoon mahdollisimman pian. Tähän liittyy tietenkin myös välitaajuusmatriisin mahdollinen tarve, puhumattakaan mahdollisesta LEILA:sta ja RUDAK:ista. 2 m alas (70 cm alas) 70 cm ylös 23 cm ylös 13 cm alas 13 cm ylös 3 cm alas 6 cm ylös mm experiment Meinzerin ehdotuksessa voitaisiin P3E:ssä lennättää P5A- linkkisimulaattori, joka olisi koherentti S-bandin vastaan- ottimen ja X-bandinn lähettimen yhdistelmä. Lähetysteho olisi 5 mW:n luokkaa, jotta linkin vastaanottamiseen tarvittaisiin oikeaa kokoluokkaa oleva maa-aseman antenni. Myös vastaanottimen antenni ja herkkyys suunnitellaan siten, että simulaattorille pääsee sisälle vain riittävällä EIRP:llä. Mars-matkalla tarvitaan 10 m:n paikoitustarkkuus 15000 m kannalla mitattavan 500 miljoonan kilometrin päässä olevan kappaleen paikan määrittämisessä. Taajuussuhde ylös- ja alaslinkillä olisi 30/7. Ionosfäärin elektronitiheys voidaan myös määritellä käytettävällä menetelmällä tarvittavan etäisyydenmittauksen lisäksi joka perustuisi perinteiseen PN-sekvenssillä tapahtuvaan kulkuaikamittaukseen. Koherentti toistin olisi ylöslinkkiin lukkiutumattomassa tilassa lukossa kyydissä olevaan Rubidium-referenssiin tai erittäin stabiiliin kideoskillaattoriin. Tällöin majakkamoodissa olisi mahdollista myös lähettää telemetriaa. Lisäksi pelkkä kyydissä oleva tarkasti tunnettu absoluuttinen taajuus mahdollistaisi erittäin tarkat ja riippumattomat Doppler- mittaukset. Martin Riehle/Astrium piti erittäin mielenkiintoisen esityksen P3E:n ja P5A:n työntömoottoriteknologioista, joita Astrium tarjoaa. Kyseinen työntömoottori olisi reilun 200 N:n kaksi- polttoaineinen laite, joka on erittäin luotettava (tyypillinen polttokapasiteetti on n. 6 tonnia polttoainetta), pieni ja säteilemällä jäähtyvä. Polttoainesäiliöongelmakin (Venäläinen titaanisia säiliöitä valmistavaa yritystä ei enää ole, eikä korvaavaakaan ole tiedossa) on työn alla ja vaihtoehtoisiakin ratkaisuja on alkanut löytymyään, tosin jotkut vaativat spin- stabilaation toimiakseen. Matjaz Vidmar:illa on raskasta asiaa useassa kohtaa konferenssia, mutta erityisesti keskusteltiin häiriötilanteiden hallinnasta aluksen sisällä ja nimenomaan jännitejakelusta ja sen toteutuksesta. Tässä vaiheessa keskustelua ryhdyttiin iteroimaan myös aluksen bussin käyttöjännitteen arvoa. Peruslähtökohtana oli 14 V tai 28 V. Pitkällisen keskustelun jälkeen tultiin siihen tulokseen, että 28 V ei ole välttämätöntä kuin ainoastaan työntömoottorin venttiilien opertointiin. Matjaz esitti mittausproseduuria, jossa kytkentämuuntajalla saadaan uutettua modulille menevästä virran- syöttölinjasta näyte linjalla näkyvästä vaihtojännitespektristä (myös kytkentätransienteista johtuva) oskilloskoopilla tai joissain tilanteissa myös spektrianalysaattorilla. Muuntaaja- kytkentä toimii myös resiprookkisesti, joten sen kautta voidaan myös syöttää jännitelinjalle muuntajalle kytkettävän generaattorin kanssa myös säädettävätaajuinen ja -tasoinen häiriöjännite, jonka vaikutuksia modulin toimintaan voidaan tutkia. Kaikkien moduleiden käyttöjännitteiden syöttö on rakennettava niin, että modulit sietävät määrättyyn rajataajuuteen saakka linjalta tulevaa häiriösignaalia (raja määritellään myöhemmin). Tässä vaiheessa tulee keskustelua myös CAN-väylän rinnalla käytettävän reset-linjan tarpeesta. Matjaz:illa on sinänsä täysin validi mielipide, että CAN-bussin perässä oleva mikrokontrolleri voi kaatua fataalisti säteilyn johdosta, jolloin sen pystyyn nostamiseksi tarvittaisiin kova resetointi. Toisaalta systeemin kompleksisuus nousee tavattomasti ja menetetään myös paljon siitä liikkumavapaudesta, jonka CAN- väylä toisi. Asiasta on paljon mielipiteitä, koska käytännössä joka ikinen moduli kytketään päälle ja pois ja komennetaan muutenkin CAN-väylän kautta, lukuunottamatta separated-tietoa, joka on kovajohdotettu tieto. Hienoa on se, että satelliitissa ei kulje enää analogisia mittauskanavia moduleiden välillä. Ainoat analogiset signaalit ovat oikeastaan komentovastaanottimien audiolinjat ja HELAPS- modulaattoreiden modulaatiojännite pääteasteille. Aurinko- panelien, antureiden, jännitesyöttöjen ja vastaavien läpiviennit on kaikki tehtävä läpivientikondensaattoreilla. Samaten kaikki RF-kaapeleiden läpiviennit on tehtävä runkoon galvaanisesti kiinnitettyjen läpivientiliittimien kautta, kuten mm. antennien syöttökaapeleissa. DC-ja matalataajuisten linjojen päälle on läpivientikondensaattoreiden jälkeen (moduleiden sisällä) käytettävä ferriittihelmiä RF-taajuisten häiriöiden pitämiseksi modulin sisällä. Periaate on se, että modulin sisällä saa haista niin pahalle kuin haluaa, mutta modulin ulkopuolella on oltava suhteellisen puhdasta. Kaikki modulit ovat alumiinista valmistettuja johtavia ja RF-tiiviitä koteloita. Meinzer: aurinkopanelit syöttävät BCR:n kautta akustoa, jotka ovat lämpötilaseurannassa jatkuvasti. Näinollen akusto ei pääse syväpurkautumaan, eikä myöskään ylilatautumaan. Perinteisesti panelit on kytketty kaikki diodeilla yhteen ja nämä syöttivät redundanttisia BCR:iä. OSCAR-10:ssä toimintalämpötila oli n. 40 astetta Celciusta, joka oli akustolle varsin huono. OSCAR-13:ssa taas toteutettiin lämpösuunnittelun kautta 10 asteen toiminta- lämpötila. OSCAR-10:ssä jouduttiin siirtymään vara-akuston käyttöön ennen aikojaan (tyypillisesti käytettiin n. 50 % kapasiteetin omaavaa akustoa pääakustoon verrattuna, logiikkana ajatus, että siinä vaiheessa kun vara-akustoa tarvitaan, on aurinkopanelien energiantuotantokapasiteetti kuitenkin pudonnut). OSCAR-13:ssa tapauksessa ei toisaalta koskaan päästy tosissaan ponnistamaan vara-akustoa. BCR-latureiden suunnittelusta ja toteutuksesta vastannut Bandi Gschwindt on tehnyt niin hyvää työtä, ettei AMSAT-DL:n projekteissa ole koskaan ollut latureiden pettämisiä, joten paineet ovat kovia redundanttisen BCR:n jättämiseksi pois P3E:n kyydistä paino- ja tilarajoitusten vuoksi. Tietenkin P5A:ssa tarvitaan aivan eri kertaluokan redundanssia. AMSAT-DL:n varastoissa on tällä hetkellä 14 V:n akustoa varten sopivia aihioita, joillaan voitaisiin toteuttaa 2.5 kiloa painava akusto, jonka kapasiteetti olisi 13 Ah. Akusto mekaniikkoineen ja antureineen painaisi siis kokonaisuudessaan alle 3 kiloa. Aurinkopanelien metsästys alkaa myös välittömästi ja Astriumia pidetään hyvänä vaihtoehtona, mikäli hinta on paikoillaan ja tavoitettavaa piipohjaista materiaalia löytyy. Lisäkustannus tulee erikoisesta lasituksesta, jonka täytyy olla 0.6 mm:n materiaalia tavanomaisen 0.1 mm:n lasituksen sijaan. Tämä erikoisentuntuinen lasin paksuusvaatimus johtuu P3E:n suun- nitellusta hyvin elliptisestä inklinoidusta radasta, jossa satelliittimme lentää joka kierroksella Van Allenin vyöhykkeiden läpi, jossa säteilyintensiteetti on kova. Rakennusprojektilista P3E:lle ja toteutusvastuulliset: IHU Lyle Johnson SEU Ulrich LIU Karl Meinzer BCR Bandi Gschwindt RUDAK Lyle ? L-RX Mirek Kasal S-RX Mirek Kasal U-RX Matjaz Vidmar HELAPS Bandi Gschwindt, William Leijenaar S-TX Matjaz Vidmar S-PA Danny Orban 2m PA Konrad Hupfer 70 cm PA Konrad Hupfer Antennas Freddy DeGuchteneire PFA Martin Riehle X-TX Matjaz Vidmar Kamera Christoph LEILA Matrix Akusto Martin B. Nut.vaim., Releet, Magnetorquer, Tankit: Oswald