3U/6U CubeSat 3 Eksenli Tepki Tekerlekleri, Yıldız İzleyiciler ve S/X-Bant Haberleşme

Gövdeye dizili bir 1U CubeSat (100 × 100 × 113,5 mm) her yüzeye iki adet üç eklemli GaInP/GaAs/Ge güneş hücresi (her biri 30,18 cm², η = %28–30; toplam 10–12 hücre) sığdırarak 525 km Güneş eşzamanlı yörüngede (tutulma oranı f_e = 0,36, S₀ = 1.361 W/m²) 2S1P 18650 (19 Wh) pil paketiyle 2,4–3,1 W güneşli tepe güç ve rastgele dönmede (A_izd = A_top / 4) 1,5–2,0 W (tam yerleşimde 2,39 W'a kadar) yörünge ortalaması üretir. Gövdeye dizili 3U şasiye (24–28 hücre) geçmek 2S2P (38 Wh) paketle üretimi yalnızca 6,8–8,2 W güneşli tepe ve 4,3–5,2 W (üst referans 5,71 W) yörünge ortalamasına taşır.

Menteşeli ve Güneş'e yönlendirilmiş açılır güneş kanatları elektriksel toplama alanını gövde duvar alanından koparır: çift açılır kanatlı bir 3U gövde (Güneş'e bakan 21–28 adet 30 cm² hücre) 4S2P 18650 (76 Wh) batarya ile 26–34 W güneşli tepe ve 16,5–21,8 W yörünge ortalamasına ulaşırken, dört kanatlı bir 6U gövde (48–56 hücre) 115–150 Wh (4S3P/4S4P) depolamayla 58–68 W güneşli tepe ve 37,0–43,5 W yörünge ortalaması sağlar. Sürüklenmeye duyarlı evrelerde kanatları hız vektörüne paralel kenar konumunda uçurmak güneş açıklığını balistik irtifa kaybından da ayırır.

Açılır kanatlar ve gövde panelleri farklı sıcaklıklara (−65 °C tutulma çıkışı ile +75 °C güneşli denge) ve kısmi öz gölgelenmeye maruz kaldığından, EPS kartları dizileri paralel bağlamak yerine her diziye bağımsız Azami Güç Noktası İzleme (MPPT) yükseltici/düşürücü kanalları atar. Çok kanallı MPPT katları poliimid pil koruma ısıtıcılarıyla donatılmış regülesiz 7,4 V (2S) veya 14,8 V (4S) pil barasını ve hem sürekli 3 eksenli tepki tekerlerini hem de 8–12 W DC X-bant katı hâl güç yükselteçlerini besleyen regüleli 3,3 V, 5 V ve 12 V nokta yük hatlarını sürer.

Küçük uydu yönelim kontrolü belirgin doğruluk basamaklarına ayrılır: pasif sabit mıknatıs ve histerezis kararlılaştırması (PMAC) yerel jeomanyetik vektöre ±8° ila ±15° hassasiyetle hizalanır; fluxgate/AMR manyetometre, MEMS jiroskop ve kaba fotodiyotlu aktif manyetik B-dot artı pusula kontrolü ±2° ila ±5° aralığına iner; hassas Güneş algılayıcıları (≈0,1°) ve kızılötesi Dünya ufuk algılayıcılarıyla eşleştirilen minyatür 3 eksenli tepki tekerleri (2–10 mN·m·s) ise 1U–3U gövdelerde ±0,15° ila ±0,5° doğruluk sağlar (3P Unicorn-2'de en kötü ≈5° ve 7 g, 25 mW minyatür teker gösterimi).

3U, 6U ve 12U gövdelerde 0,05° altı optik görüntüleme ve dar hüzmeli X-bant yönlendirme; üç dik veya dört eğik piramit fırçasız tepki tekerini (tipik 2–30 mN·m·s, çevik 6U/12U'da 15–50 mN·m·s, 6.000–10.000 d/dk hıza kadar 0,00023–0,3 N·m tork), çarpımsal kuaterniyon durum süzgecinde tümleştirilen düşük sürüklenmeli MEMS jiroskopları (0,15°/saat sapma kararlılığına kadar) ve 10–60 yay-saniyesi (3σ) yönelim bilgisi veren perdeli CMOS yıldız izleyiciyi (iki eksenli piezoelektrik odak düzlemi tablasıyla 6U ASTERIA uzay teleskobunda 0,5 yay-saniyesi RMS) birleştirir.

Minyatür yıldız izleyiciler gövde açısal hızı ~0,3°/s sınırını aştığında yıldız odak izlerini pikseller boyunca yayarak uzayda kayıp üçgen eşleştirmesini kaybeder; bu yüzden yıldız izleyici kilidinden önce kapalı çevrim manyetik B-dot dönme sönümlemesi zorunludur. Eşleşik rijit cisim açısal momentum korunumu altında, bir 3U CubeSat'ı (enine eylemsizlik I_xx ≈ 0,035 kg·m²) ω_manevra = 3°/s (0,052 rad/s) hızla çevirmek eksen başına h_w = I_xx · ω_manevra ≈ 1,83 mN·m·s iç teker momentumu ve ek bozucu tork payı gerektirir.

Tepki tekerleri açısal momentumu yalnızca uydu şasisiyle içsel olarak takas ettiğinden, sıfır ortalamalı olmayan dış bozucu torklar —600 km altında basınç merkezi ile kütle merkezi kaçıklığı üzerinden etkiyen aerodinamik sürüklenme, asimetrik kanatlardaki güneş ışınım basıncı ve kalıcı manyetik dipoller— rotor hızlarını tekdüze biçimde mekanik tavan olan ω_max (6.000–10.000 d/dk) sınırına sürer. Bir teker ω_max değerine ulaştığında artık o eksende tork soğuramaz; doyum gerçekleşir ve üç eksenli yönelim denetimi kaybolur.

Alçak Dünya yörüngesinde üç eksenli Permalloy tork çubukları veya gömülü PCB manyetik bobinler (0,15–15 A·m²), m_bosalt = −(k_d / ‖B‖²) · (B × (h_w − h_ref)) dipol komutunu uygulayarak yerel jeomanyetik alan vektörü B'ye tam dik τ_mag = m_bosalt × B dış torkunu üretir ve biriken teker momentumunu sürekli boşaltır. B vektörüne paralel anlık manyetik tork sıfır olduğundan, tam üç eksenli boşaltım B alanının eğik yörünge boyunca bir dolanımdaki dönmesinden yararlanır ve bobin darbeleri manyetometre örnekleme pencereleriyle zaman bölmeli çoğullanır.

Dünya manyetosferinin dışında (B → 0) manyetik bobinler hiç tork üretemez ve tepki tekerlerini boşaltamaz. R-236fa soğuk gaz iticileriyle 1,05 AB (160 milyon km) Mars geçişini başaran MarCO-A/B, 55 km Dimorphos geçişindeki LICIACube ve hidrazin iticileriyle Ay NRHO yörüngesinde çalışan 12U CAPSTONE gibi gezegenler arası ve Ay çevresi 6U–12U CubeSat'lar momentum boşaltımı için eş düzlemli olmayan soğuk gaz veya tek yakıtlı itici çiftleri taşımak zorundadır; sıkışan ya da sızdıran tek bir vana (6U OMOTENASHI'deki −80°/s fırıl dönüş gibi) minyatür tekerleri hızla doyurur.

Şasiyi 3U (340,5 mm uzunluk) ve 6U (226,3 × 100 × 366 mm) boyutlarına büyütmek D ≈ 85–92 mm net faydalı yük açıklıklarına yer açar: h = 500 km irtifada ve λ = 550 nm görünür dalga boyunda D = 90 mm katlamalı katadioptrik bir teleskop (3U Dove / Flock takım uydularındaki gibi) θ ≈ 1,22 · λ / D = 7,45 µrad dairesel açıklık kırınım sınırına ulaşarak başucu Yer Örnekleme Mesafesi tabanını GSD_kırınım = h · θ ≈ 3,7 m olarak belirler (3U yer gözlem filolarında 3,0–3,7 m; 3P Unicorn-2'de ≈24 m). Aynı sınıf 6U RainCube (0,5 m ağ çanaklı 35,75 GHz Ka-bant radar), Lemur-2 (GNSS-RO + AIS), GOMX-3 (1.090 MHz ADS-B + X-bant) ve OPS-SAT görevlerini de barındırır.

Çok gigabaytlık görüntü küplerini indirmek dar bantlı UHF kapasitesini aşar. Serbest uzay yol kaybı L_FSPL = (4πdf/c)² frekansın karesiyle (f²) artsa da, sabit D_rx çaplı bir yer parabolik çanağının açıklık kazancı G_rx = η_A(πD_rx·f/c)² de f² ile artarak bu kaybı dengeler; 3 eksenli tepki tekerleriyle hedefe yöneltilen gövde yama veya boynuz antenler (+6,5 dBi S-bant, +8,5 dBi X-bant; UHF dipolde +2,15 dBi) ilave kazanç sağlar.

h = 525 km ve 30° yükselimde (d = 954 km), 437 MHz UHF hattı (0,16 W / +22 dBm, +15,5 dBi yönlü UHF dizisi, 450 K, 9,6 kbps GMSK) 7 dakikalık geçişte 0,5 MB (+8,2 dB marj; günde ~3–4 MB); 2,22 GHz S-bant (1,0 W / +30 dBm, +6,5 dBi yama, L_FSPL = 159,0 dB, 2,4 m çanak +32,2 dBi, 135 K, 2,0 Mbps QPSK) geçiş başına 105 MB (+6,8 dB marj; 5 MHz DVB-S2 16APSK ile 15 Mbps'ye kadar); 8,025–8,400 GHz içindeki 8,20 GHz X-bant (2,0 W / +33 dBm, +8,5 dBi yama/boynuz, L_FSPL = 170,3 dB, 3,7 m çanak +47,2 dBi, 160 K, 100,0 Mbps DVB-S2 8PSK) ise geçiş başına 5,25 GB (+5,3 dB marj; SDR'lerde ≈206 Mbps, MarCO'da 8,4 GHz 29 dBi katlanır yansıtıcı dizi ve 6U TBIRD'de 200 Gbit/s / 4,8 TB lazer indirme) aktarırken, güvenli kip için çok yönlü UHF/S-bant TT&C hattı korunur.