Nutzlasten

Definition

Die Nutzlast ist der eigentliche Grund, warum ein Raumfahrzeug fliegt; alles Übrige ist der Satellitenbus, der sie am Leben hält. Bei Kleinsatelliten verschwimmt die Grenze zwischen beiden häufig: Auf einem Amateurfunk-PocketQube ist das Funkgerät zugleich Kommunikationssubsystem und der Dienst, den die Mission bereitstellt, und bei einem Technologiedemonstrator kann die „Nutzlast“ ein neuartiger Lagesensor oder ein neuer Platinenstapel sein.

Welche Nutzlasten auf PocketQubes geflogen sind

Technologiedemonstrationen dominieren die PocketQube-Population, oft kombiniert mit Amateurfunkdiensten oder Ausbildungszwecken[1]. Innerhalb dieses Rahmens hat die Größenklasse eine bemerkenswerte Bandbreite an Nutzlasten in den Orbit gebracht[2]:

Offene Nutzlast-Entwürfe

Offene Hardware hat die Einstiegshürde deutlich gesenkt. Das am NanoSat Lab der UPC entwickelte Open PocketQube Kit der IEEE Geoscience and Remote Sensing Society stellt einen vollständigen 1P-Entwurf mit Platinen für Energieversorgung, Bordrechner, Kommunikation und Lageregelung bereit — ergänzt durch Beispielnutzlasten wie eine VGA-Kamera sowie Monitore für Funkfrequenzstörungen (RFI) im L- und K-Band[3].

Volumen

Eine 1P-Platine bietet nach Abzug des Integrationsrands zu den 50-mm-Außenwänden etwa 42 × 42 mm nutzbare Fläche — rund ein Fünftel einer PC/104-CubeSat-Platine. Da Energieversorgung, Bordrechner und Funkgerät meist den Großteil des Stapels beanspruchen, besteht die Nutzlast entweder aus einer einzelnen Platine oder aus Schaltungsblöcken, die sich Platinen mit dem Bus teilen. Mehreinheiten-Formate schaffen Abhilfe beim Volumen: Der 3P-Satellit Unicorn-2 trägt eine Kamera und Reaktionsräder, die in keinem 1P Platz fänden[4].

Leistung

Das Referenz-Leistungsbudget von nadir lab. für einen 1P gesteht der Nutzlast 120 mW bei 10 % Tastverhältnis zu — also 12 mW im Bahnmittel — gegenüber einer mittleren erzeugten Leistung von rund 550 mW:

Verbraucher	Leistung im Betrieb	Tastgrad (Duty Cycle)	Mittelwert
On-board computer (mostly low-power mode)	15 mW	100 %	15,0 mW
UHF receiver (continuous listening)	30 mW	100 %	30,0 mW
UHF transmitter (0.5 W RF, 40% PA efficiency)	1.250 mW	4 %	50,0 mW
Magnetometer and IMU	10 mW	100 %	10,0 mW
Magnetorquer coils	60 mW	15 %	9,0 mW
Payload (spectrum measurement)	120 mW	10 %	12,0 mW
EPS self-consumption (MPPT, telemetry)	8 mW	100 %	8,0 mW
Mittlere Last			134,0 mW
Energie pro Umlauf
Sonnenlicht / Eklipse	59,5 / 35,7 min
Von den Solarzellen verfügbar (Mittel 0,86 W im Licht)	850 mWh
Erforderlich für Verbraucher und Nachladen nach Eklipse	221 mWh
Energiemarge	284 %
Entnahme in Eklipse / Entladetiefe (DoD)	80 mWh / 4,3 %

Batterie: 3,7 V, 500 mAh (1,85 Wh) LiPo-Zelle, 90 % Lade-/Entladewirkungsgrad.

Eine Nutzlast mit einem Leistungsbedarf im Wattbereich muss daher im Kurzzeitbetrieb aus der Batterie gespeist werden, oder der Satellit muss größer ausgelegt werden.

Downlink-Datenmenge

Das übertragbare Datenvolumen wird durch die Energie pro Bit begrenzt, die das Funksystem aufbringen kann. Für die 1P-Referenzverbindung bei 9600 bit/s mit mindestens 3 dB Verbindungsreserve ergibt sich:

Maximale Elevation	Über dem Horizont (min)	Marge ≥ 3 dB (min)	Rohdaten (kB)
10°	9,0	0,0	0
20°	10,5	0,9	68
30°	11,0	3,6	262
45°	11,4	4,6	329
60°	11,5	4,9	350
90°	11,6	5,0	362

Kanalbits vor Framing, Codierung und Protokoll-Overhead.

Eine Bodenstation in mittleren Breiten sieht eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 525 km Höhe oberhalb einer Elevationsmaske von 10° nur wenige Male pro Tag:

Stationsbreite (°)	Überflüge pro Tag	Kontakt pro Tag (min)	Mittlerer Überflug (min)	Längste Lücke (h)
41,45	3,5	21	6,0	13,0

10-Tage-Propagation mit Erdrotation. 41,45° ist die Breite der ZBEÜ-Station (Grizu-263A); 78,2° jene von Spitzbergen.

Ein einziges unkomprimiertes VGA-Bild mit 640 × 480 Pixeln bei 8 Bit Farbtiefe umfasst rund 300 kB — etwa die Rohdatenkapazität eines einzelnen guten Überflugs. Bildgebende PocketQubes komprimieren ihre Aufnahmen daher stark, übertragen zunächst Vorschaubilder (Thumbnails) oder weichen auf das S-Band aus.

Ausrichtung

Die meisten PocketQube-Nutzlasten sind so ausgelegt, dass sie ein taumelndes oder am Erdmagnetfeld ausgerichtetes Raumfahrzeug tolerieren: Spektrummonitore, Funkdienste und Laserreflektoren benötigen keine aktive Ausrichtung. Kameras und optische Verbindungen hingegen schon; deshalb hielt die Erdbeobachtung erst mit der Dreiachsen-Lageregelung von Unicorn-2 Einzug, die für den ungünstigsten Fall auf etwa 5° Ausrichtgenauigkeit spezifiziert ist[1].

Thermisches Verhalten

Eine Nutzlast auf einer 50-mm-Platine teilt die schnellen Temperaturzyklen des Busses in jeder Eklipse, und ihre eigene Verlustleistung erzeugt lokale Wärmeinseln (Hot Spots). Eine aktive Kühlung eines Instruments ist in dieser Baugröße äußerst schwierig[5]; Detektoren, die stabile Temperaturen benötigen, müssen daher driftkompensiert ausgelegt werden.

Kontamination

Optische Nutzlasten und die Retroreflektoren von Laser-Ranging-Missionen sind auf saubere Oberflächen angewiesen. In einem gemeinsam genutzten Deployer spielt auch die Ausgasung benachbarter Raumfahrzeuge eine Rolle: Ein AlbaPod v2 fasst bis zu sechs PocketQube-Einheiten, und Delfi-PQ flog eine Laserreflektor-Nutzlast, deren Leistungsfähigkeit unmittelbar von sauberen Optiken abhängt[6].

Mitgeführte Sub-Nutzlasten (Hosted Payloads)

POQUITO demonstriert ein Konzept, das besonders gut zu den kleinsten Satellitenklassen passt: Der PocketQube stellt Energieversorgung, Funkverbindung und Lageregelung bereit, während die mitgeführte Nutzlast selbst ein freifliegender ChipSat von wenigen Gramm Masse ist. Um dafür im Inneren Platz zu schaffen, druckte das Team der Universität Luxemburg die Magnetorquer-Spulen direkt in die Innenlagen der Leiterplatten[7].