ETKİLEŞİMLİ MÜHENDİSLİK MÜFREDATI

PocketQube ve CubeSat Mühendisliğini Öğrenin

Hem PocketQube (1P–3P) hem de CubeSat (1U–12U) platformlarını kapsayan 12 modüllü, kendi hızınızda ilerleyen mühendislik kursu: ölçekleme yasaları ve CDS/taban plakası standartlarından yörünge mekaniği, EPS/pil yaşlanması, 3 eksenli ADCS, UHF/S/X-bant bağlantı bütçeleri ve AIT kalifikasyonuna kadar.

Müfredat tamamlanma oranı:0 / 12 (%0)

Etkileşimli 1P PocketQube ve 1U CubeSat Katmanlı Anatomisi

1P PocketQube ve 1U CubeSat yığınları arasında geçiş yapın; kütlesini, güç bütçesini ve SatWiki teknik maddesini incelemek için herhangi bir alt sistem katmanına (L1–L5) tıklayın.

1P PocketQube (50 × 50 × 50 mm · ~250 g · 42×42 mm Stack)
L1 — +Z SOLAR & ANTENNA CAPL2 — UHF / LORA TRANSCEIVER PCBL3 — OBC, FRAM & ADCS SENSORSL4 — EPS, MPPT & LI-ION PACKL5 — AL 7075-T6 BACKPLATE & KILL-SWITCH

L1 — +Z SOLAR & ANTENNA CAP

+Z Güneş Paneli ve Şerit Yay Dipol Makarası

Üç eklemli GaInP/GaAs/Ge güneş hücreleri (%30 verim) + iki adet 172 mm 437 MHz şerit yay monopolü tutan UHMWPE yakma telli makara.

Mass: 26 g · Power: +380 mW (peak)+Z Güneş Paneli ve Şerit Yay Dipol Makarası →

L2 — UHF / LORA TRANSCEIVER PCB

UHF 2-FSK / LoRa Alıcı-Verici ve LNA/PA Kartı

Si4463 / SX1268 alıcı-verici, 5. derece harmonik alçak geçiren filtre, RF anahtar ve +22 dBm güç yükselteci içeren 42 × 42 mm RF kartı.

Mass: 22 g · Power: 65 mW RX / 850 mW TXUHF 2-FSK / LoRa Alıcı-Verici ve LNA/PA Kartı →

L3 — OBC, FRAM & ADCS SENSORS

Uçuş Bilgisayarı, Çift FRAM ve Manyetometre/IMU

ARM Cortex-M4F / MSP430 FRAM mikrodenetleyici, harici bekçi zamanlayıcı (watchdog), 3 eksenli manyetometre ve gömülü PCB manyetorker bobinleri.

Mass: 20 g · Power: 38 mW continuousUçuş Bilgisayarı, Çift FRAM ve Manyetometre/IMU →

L4 — EPS, MPPT & LI-ION PACK

Elektrik Güç Sistemi (EPS), MPPT ve 9,25 Wh Li-İyon Pil

3 kanallı MPPT, aşırı akım (latch-up) koruma anahtarları, 0 °C altı şarj koruması için Kapton ısıtıcı film ve uzay taramalı Li-iyon hücre.

L5 — AL 7075-T6 BACKPLATE & KILL-SWITCH

58 × 64 mm Kızaklı Taban Plakası ve Çift Ayrılma Anahtarı

AlbaPod dağıtıcı raylarıyla temas eden sert eloksallı Al 7075-T6 / T7351 taşıyıcı taban plakası ve iki bağımsız mekanik kesme (inhibit) anahtarı.

L1 — +Z SOLAR & TURNSTILE ANTENNA

+Z Güneş Paneli ve Dört Elemanlı UHF/VHF Turnstile Anten Modülü

İki adet 30 cm² üç eklemli GaAs güneş hücresi ve yedekli yakma dirençleriyle açılan dört sarmal turnstile monopol içeren 98 × 98 mm üst panel.

L2 — UHF + S-BAND PC/104 TRANSCEIVER

Tam Çift Yönlü V/U Alıcı-Verici ve 2,2 GHz S-Bant Verici Kartı

9,6 kbps GMSK UHF komuta hattı ile 2 Mbps'ye kadar +30 dBm S-bant (2200–2290 MHz) QPSK görev yükü vericisini birleştiren 90 × 96 mm PC/104 kartı.

L3 — 3-AXIS REACTION WHEEL & ADCS MODULE

3 Eksenli Tepki Tekerlekleri, Manyetorkerler ve Hassas Güneş Algılayıcıları

Üç fırçasız tepki tekerleği (2–10 mN·m·s), momentum boşaltımı için manyetik tork çubukları ve <0,2° yönelim doğruluğu sağlayan entegre CubeSat ADCS bloğu.

L4 — OBC & 30 WH 18650 BATTERY EPS

ARM/Linux Uçuş Bilgisayarı ve 2S2P 18650 Li-İyon Güç Paketi (30–40 Wh)

104 pinli PC/104 veri yolu üzerinde hata toleranslı Cortex-R/M7 + Linux işlemci, 4 hücreli 18650 Li-iyon batarya paketi (30–40 Wh), MPPT ve Kapton ısıtıcılar.

L5 — CDS REV. 14.1 RAILS & SEPARATION SPRINGS

Al 6061-T6 / 7075-T6 8,5×8,5 mm Sert Eloksallı Raylar ve Ayrılma Pimleri

6,5 mm ray çıkıntılarına, MIL-A-8625 Tip III sert eloksal kaplamaya, uçuş öncesi sökülür (RBF) pime ve ayak kesme anahtarlarına sahip 100 × 100 × 113,5 mm ana şasi.

12 Modüllü Temel Müfredat ve Doğrulama Soruları

Bir uyduyu 10 cm'den (1U) 5 cm'ye (1P) küçültmenin yüzey/kütle oranını, ısıl zaman sabitini ve eylemsizlik momentini neden kökten değiştirdiği.

  • Doğrusal boyut L (1:2), yüzey alanı L² (1:4) ve iç hacim L³ (1:8) oranında ölçeklenir.
  • Cauchy teoremine göre dışbükey rastgele dönen bir cismin ortalama izdüşüm alanı A_proj = A_toplam / 4'tür (1P küp için 37,5 cm²).
  • Asal eylemsizlik momenti m·L² ile ölçeklenir (~1,0×10⁻⁴ kg·m²); bu da 1P'yi manyetik torklara 20 kat daha duyarlı yapar.

Mühendislik Kontrolü

Cauchy teoremine göre yörüngede rastgele dönen 50 × 50 × 50 mm boyutlarındaki bir 1P PocketQube'ün ortalama izdüşüm alanı nedir?

Güneş eşzamanlı yörüngeler, tutulma oranları, atmosferik ölçek yüksekliği ve FCC 5 yıl kuralının pasif 1P görevlerini orta güneş etkinliğinde neden ≈560 km (güneş minimumunda ≈490–500 km) ile sınırladığı.

  • 525 km SSO yörüngede (i ≈ 97,5°) periyot ~95,1 dakika, maksimum tutulma süresi ise ~35,7 dakikadır.
  • Atmosferik sürüklenme ivmesi balistik parametre B = C_D·A / m ile doğru orantılıdır.
  • Orta güneş etkinliğinde (F10.7 = 140 sfu, Ap = 12) 250 g'lık bir 1P PocketQube (B ≈ 0,033–0,039 m²/kg) ≈560 km irtifaya kadar 5 yıl içinde pasif olarak atmosfere girerken (500 km Kennewell/IPS 1999 kalibrasyon sınırı üstü ekstrapolasyonlu), derin güneş minimumunda (F10.7 = 70 sfu, Ap = 6) bu sınır ≈490–500 km'ye düşer.

Mühendislik Kontrolü

Dış geometri sabit kalırken uydu kütlesi yarıya indirilirse yörünge ömrü nasıl değişir?

Gövdeye monte GaAs güneş hücreleri, MPPT kayıpları, tutulma deşarj derinliği (DoD) ve şarj gerilimini 4,10 V'a düşürmenin pil ömrünü neden ikiye katladığı.

  • Gövdeye monte hücreli bir 1P küp güneşte ~0,75–0,85 W üretir; tutulma ve MPPT verimi sonrası yörünge ortalaması ~0,50–0,55 W olur.
  • Tutulma deşarj derinliğini (DoD) %15–20 aralığında ve şarj kesme gerilimini 4,10 V'ta (20 °C) tutmak ampirik modelde ~7.700–12.100 LEO çevrimi (~1,4–2,2 yıl) sağlarken, DoD ≤ %12 sınırı >15.000 çevrime (>2,7 yıl) ulaşır.
  • Anot üzerinde metalik lityum kaplanmasını önlemek için Li-iyon piller 0 °C altında asla şarj edilmemelidir.

Mühendislik Kontrolü

Küçük uydu EPS tasarımları hücre sıcaklığı 0 °C'nin altına düştüğünde Li-iyon pil şarjını neden durdurur?

Güneş soğurganlığı (α), kızılötesi yayıcılık (ε), 1P ışıma ısıl zaman sabitinin neden τ ≈ 56 dakika (1U/3U için ~87–104 dk) olduğu ve Engelmaier lehim yorulması.

  • Isıl kapasite kütleyle, ışıma alanı ise L² ile ölçeklendiğinden, doğrusallaştırılmış ışıma zaman sabiti τ = m·c_p / (4·ε·σ·A_toplam·T₀³) 250 g'lık bir 1P PocketQube için τ ≈ 56 dakikadır (1U için ~104 dk, 3U için ~87 dk).
  • Her 35 dakikalık tutulmada 1P uydu soğuk denge sıcaklığına doğru 1 − exp(−t_ecl/τ) ≈ %46 oranında soğur (1U/3U için ~%29–33) ve yılda ~5.500 ısıl çevrime maruz kalır.
  • FR-4 kart üzerindeki seramik QFN/BGA paketlerdeki yüksek ΔT salınımları Engelmaier lehim yorulmasını hızlandırır.

Mühendislik Kontrolü

Aynı yüzey kaplamasına sahip bir 1P PocketQube, 3U CubeSat'a göre neden yörünge başına daha geniş sıcaklık salınımı yaşar?

1P uydularda kalıntı manyetik dipolün neden baskın bozucu tork olduğu, PMAC histerezis çubukları ve aktif B-dot kontrol yasası.

  • 500–550 km'de 1,5×10⁻³ A·m²'lik kaçak akım döngüsü ~6,5×10⁻⁸ N·m tork üretir ve yerçekimi gradyanı ile güneş torkunu aşar.
  • Pasif Manyetik Yönelim Kontrolü (PMAC), kalıcı mıknatısla uyduyu yer manyetik alanına hizalar ve histerezis çubuklarıyla salınımı sönümler.
  • Aktif B-dot kontrolü m = −k · (dB/dt) dipol komutuyla dönme kinetik enerjisini 1–2 yörüngede sönümler.

Mühendislik Kontrolü

Simetrik bir 1P PocketQube küpü için bumsuz yerçekimi gradyanı sabitlemesi neden etkisizdir?

Güney Atlantik Anomalisi'nde tekil olay bozulmaları (SEU/SEL), FRAM bellek ve çok katmanlı donanım bekçi (watchdog) kurtarma mimarisi.

  • LEO'daki ticari mikrodenetleyiciler toplam iyonlaştırıcı doza (1,5 mm Al arkasında ~1–3 krad/yıl) dayanır ancak SAA'da bit çevrilmelerine (SEU) uğrar.
  • Ferroelektrik RAM (FRAM) radyasyon kaynaklı bit hatalarına dirençlidir ve Flash silme gecikmesi olmadan 10¹⁴ yazma çevrimi sunar.
  • Harici donanım bekçi zamanlayıcısı (watchdog) ve EPS güç kesme döngüsü, işlemci kilitlense bile uydunun kurtarılmasını sağlar.

Mühendislik Kontrolü

Bir uydunun birincil bekçi zamanlayıcısı (watchdog) neden mikrodenetleyicinin iç zamanlayıcısı yerine harici bir donanım entegresi olmalıdır?

Al 6061-T6 ve 7075-T7351 gerilmeli korozyon çatlaması, ECSS gaz salımı sınırları (TML < %1, CVCM < %0,1) ve atomik oksijen aşınması.

  • Tüm polimer ve yapıştırıcılar ECSS-Q-ST-70-02C / ASTM E595 taramasını geçmelidir: TML < %1,0 ve CVCM < %0,10.
  • Al 7075-T6 gerilmeli korozyon çatlamasına (SCC) duyarlıdır; 7075-T7351 veya 6061-T6 ise ECSS Sınıf 1'dir.
  • 7,6 km/s hızla (~4,5 eV) çarpan atomik oksijen korumasız Kapton'u aşındırırken SiOx kaplama aşınmayı %98'den fazla azaltır.

Mühendislik Kontrolü

Uzay aracı malzemelerinin gaz salımı (outgassing) için standart ASTM E595 / ECSS-Q-ST-70-02C kabul sınırları nelerdir?

Uçtuğun gibi test et ilkesi, sinüs tarama mod araması (>200 Hz), 14,1 G_rms GEVS rastgele titreşim ve ısıl-vakum (TVAC) çevrim testleri.

  • Rastgele titreşim öncesi ve sonrası yapılan düşük seviyeli sinüs taraması (0,25–0,5 g), birinci doğal frekans f₁'in %5'ten fazla kaymadığını doğrular.
  • Basit mesnetli 50 × 50 × 1,6 mm Al 7075-T6 1P taban plakası (38 g bağlı kart kütlesiyle) f₁ ≈ 1997 Hz doğal frekansa sahiptir; 200 Hz alt sistem rijitlik eşiğinin ve 100–120 Hz fırlatma aracı sınırının çok üzerinde pay sağlar.
  • TVAC testi vakumda soğuk başlatmayı, yakma telli anten açılımını ve RF güç yükselteci ısı iletimini doğrular.

Mühendislik Kontrolü

Rastgele titreşim testinin hemen öncesinde ve hemen sonrasında neden düşük genlikli sinüs taraması (sine sweep) yapılır?

AlbaPod ve CubeSat dağıtıcı entegrasyonu, ≥30 dk mekanik açılım ve ≥45 dk RF bekleme zamanlayıcıları (CDS Rev. 14.1 §2.4.4–2.4.5), IARU/ITU başvuruları, NORAD TLE tanımlaması ve SatNOGS yer istasyonu ağı.

  • Amatör uydu bandı görevleri (435–438 MHz), fırlatmadan 9–18 ay önce IARU frekans koordinasyonu ve ITU API bildirimi gerektirir.
  • Dağıtıcı kesme anahtarları fırlatma boyunca uyduyu tamamen kapalı tutar; ayrılmadan sonra CDS Rev. 14.1 (§2.4.4–2.4.5) mekanik açılım için ≥30 dk, >1 mW RF yayını için ≥45 dk bekleme şart koşar (PocketQube Standard Issue 1 yalnızca mekaniktir; zamanlayıcıları fırlatma/dağıtıcı ICD'sine bırakır).
  • Açık SatNOGS yer istasyonları ile birincil komuta istasyonunun birlikte kullanımı, ortak fırlatmalardaki erken TLE kimlik karmaşasını çözer.

Mühendislik Kontrolü

Fırlatma sağlayıcıları ve CDS Rev. 14.1 (§2.4.4–2.4.5) dağıtıcıdan ayrıldıktan sonra anten açmadan önce ≥30 dk (ve >1 mW RF yayını öncesi ≥45 dk) bekleme zamanlayıcısını neden şart koşar?

1U–16U CubeSat'ların 100×100×113,5 mm raylardan 226,3×100×366 mm 6U dağıtıcılara ölçeklenmesi, Tip III sert eloksal, ayrılma anahtarları ve 90×96 mm PC/104 aviyonik yığını.

  • CDS Rev. 14.1 uyarınca 1U CubeSat 100,0 × 100,0 × 113,5 mm (±0,1 mm) zarfa ve 2,00 kg'a kadar kütle sınırına sahiptir; PocketQube taban plakası yerine dört adet 8,5 × 8,5 mm köşe rayı üzerinde kayar.
  • Köşe rayları P-POD, ISIPOD veya Exolaunch QuadPack dağıtıcılar içinde soğuk kaynağı önlemek için MIL-A-8625 Tip III sert eloksallı (Ra ≤ 1,6 µm) Al 6061-T6 veya 7075-T6 olmak zorundadır.
  • Klasik 1U–3U aviyonikler 104 pinli geçmeli konnektörle bağlanan 90,17 × 95,89 mm PC/104 kartlarını kullanırken, 6U/12U platformlar modüler CAN/RS-422/SpaceWire arka plakalarına yönelmektedir.

Mühendislik Kontrolü

CubeSat Tasarım Standardı (CDS) dört adet 8,5 × 8,5 mm alüminyum köşe rayında neden MIL-A-8625 Tip III sert eloksal kaplamayı zorunlu kılar?

1P manyetik sönümlemeden yay-saniye hassasiyetli yıldız izleyicilere, tepki tekerleği momentum boşaltımına, 20–60 W açılır güneş kanatlarına ve 50–150 Mbps X-bant yüksek hızlı yer gözlem hatlarına geçiş.

  • 3 eksenli tepki tekerleği dizisi açısal momentumu H = I_w · ω_w (tipik 2–30 mN·m·s) olarak depolar ve minyatür CMOS yıldız izleyici ile birlikte <0,05° nadir veya hedef takip yönelimi sağlar.
  • Güneş radyasyon basıncı ve aerodinamik sürüklenme gibi tek yönlü dış torklar zamanla tekerlekleri doyuma (saturation) ulaştırır; biriken momentumu boşaltmak için manyetorkerler τ_desat = m × B torku uygular.
  • 437 MHz UHF'den (9,6 kbps) 2,2 GHz S-banda (1–4 Mbps) ve 8,025–8,400 GHz X-banda (50–150 Mbps, DVB-S2) geçiş, 3U/6U CubeSat'ların her geçişte gigabaytlarca görüntü indirmesini mümkün kılar.

Mühendislik Kontrolü

3 eksenli tepki tekerleklerine sahip bir 3U/6U CubeSat neden aynı zamanda manyetorker çubukları (veya iticiler) taşımak zorundadır?

Yazdırılabilir Mühendislik Başvuru Kartları

CARD 01 — GEOMETRY & SCALING

1P PocketQube ve 1U CubeSat Ölçekleme

Linear ratio L_1P / L_1U
1 : 2 (50 mm vs. 100 mm)
Surface area ratio A_1P / A_1U
1 : 4 (150 cm² vs. 600 cm²)
Volume ratio V_1P / V_1U
1 : 8 (125 cm³ vs. 1000 cm³)
Max mass limit
250 g (1P) vs. 1330–2000 g (1U)
Principal inertia ratio I_1P / I_1U
≈ 1 : 21 (~1.0×10⁻⁴ vs. 2.2×10⁻³ kg·m²)
Orbit-average tumbling power
0.52 W (1P) vs. 2.15 W (1U)

CARD 02 — KEY EQUATIONS

Birinci Mertebe Tasarım Denklemleri

Mean projected area (convex tumbler)
A_proj = A_total / 4
Ballistic parameter B
B = C_D · A_proj / m [m²/kg]
Free-space path loss (FSPL)
L_fs = (4π d f / c)²
Friis carrier-to-noise density
C/N₀ = EIRP − L_path + G/T − k_B
Single-node thermal time constant
τ = m · c_p / (4 · ε · σ · A_total · T₀³)
Tsiolkovsky rocket equation
Δv = I_sp · g₀ · ln(m₀ / m_f)

CARD 03 — COMPLIANCE THRESHOLDS

Kabul ve Kalifikasyon Sınırları

Outgassing (ECSS-Q-ST-70-02C / ASTM E595)
TML < 1.00%, CVCM < 0.10%
FCC / IADC post-mission disposal
≤ 5 years in LEO (≤ ~525 km for 1P)
Li-ion charge inhibit threshold
T_cell ≥ 0 °C (heater required below 0 °C)
Minimum structural fundamental mode f₁
f₁ ≥ 100–120 Hz (launch vehicle requirement)
UHF link margin design rule
≥ 3.0 dB at 10°–20° minimum elevation
Stress-corrosion cracking (ECSS-Q-ST-70-36C)
Class 1 alloys: Al 6061-T6, Al 7075-T7351

CubeSat ve PocketQube Uçuş Mirası Zaman Çizelgesi (1999–2026)

1999

CubeSat Standard (1U = 10 cm)

CalPoly & Stanford (Puig-Suari & Twiggs)

100 × 100 × 113,5 mm P-POD konteyner arayüzünü standartlaştırarak üniversite ortak fırlatmalarının önünü açtı.

2003-06

First 6 Pioneer CubeSats in Orbit

Eurockot Launch — XI-IV, CUTE-1, CanX-1, AAUSAT, DTUsat-1, QuakeSat

Plesetsk'ten fırlatılan ilk CubeSat kümesi; Tokyo Üniversitesi'nin XI-IV ve Tokyo Tech'in CUTE-1 uyduları on yılı aşkın süre yörüngede görev yaptı.

2009

PocketQube Concept (1P = 5 cm)

Prof. Bob Twiggs & Morehead State

Fırlatma maliyetlerini düşürmek için 1U hacminin sekizde biri olan 50 mm'lik küp (1P) standardını önerdi.

2013-11

First 4 PocketQubes & FUNcube-1 / Dove-3

Dnepr Launch — $50Sat, WREN, BeakerSat-1, QubeScout-S1, FUNcube-1

İlk 4 PocketQube ile öncü 1U/3U CubeSat'ları birlikte yörüngeye bıraktı; $50Sat 22 ay, FUNcube-1 (AO-73) ise 10 yılı aşkın süre çalıştı.

2017–2018

QB50 Thermosphere Constellation, MarCO Deep-Space & PQ Standard Issue 1

36 University CubeSats (incl. BeEagleSat & HAVELSAT), MarCO-A/B at Mars

QB50 projesi BeEagleSat ve HAVELSAT dâhil onlarca üniversite CubeSat'ını termosfer araştırmasında birleştirdi; JPL'in 6U MarCO çifti Mars'tan gerçek zamanlı röle yaptı ve PocketQube Issue 1 standardı yayımlandı.

2019–2021

SMOG-P, ATL-1, SMOG-1, OPS-SAT & RainCube

1P Spectrum Monitors & 3U/6U Radar / Reconfigurable CubeSats

BME Budapeşte 1P PocketQube'lerle küresel DVB-T spektrum kirliliğini haritalarken, ESA'nın 3U OPS-SAT ve JPL'in 6U RainCube uyduları yörüngede yazılım laboratuvarı ve Ka-bant yağış radarını kanıtladı.

2022

Transporter-3 PocketQube Cluster, LICIACube & CAPSTONE

Grizu-263A, Delfi-PQ, DART LICIACube (6U) & Lunar NRHO CAPSTONE (12U)

Transporter-3 çok yıllı 1P/3P PocketQube operasyonlarını (Grizu-263A, Delfi-PQ) kanıtlarken, İtalyan 6U CubeSat'ı LICIACube 11 milyon km uzakta DART asteroit çarpışmasını görüntüledi.

2023–2026

Commercial IoT Constellations, Hera 6U Probes & 5-Year Deorbit Rule

Hello Space, FOSSA, Plan-S Connecta, ESA Milani/Juventas & FCC Mandate

LoRa/IoT takım uyduları (Hello Space, FOSSA, Plan-S Connecta), gezegenlerarası 6U CubeSat sondaları ve ≤5 yıl yörüngeden çıkış kuralı altında PocketQube ve CubeSat ekosistemlerinin yakınsaması.