SkCUBE

skCUBE (výslovnosť [ˌesˈkjuːb]) je slovenská vesmírna družica. Na polárnu nízku obežnú dráhu Zeme bola vynesená 23. júna 2017 indickou nosnou raketou PSLV-XL z kozmodrómu Šríharikota.

Ide o malú družicu, tzv. nanosatelit typu CubeSat s hmotnosťou 1 056 g a štandardizovanými rozmermi 10×10×10 cm (základný modul 1U). Družicu vyvíjala od roku 2011 Slovenská organizácia pre vesmírne aktivity (SOSA). Na obežnú dráhu ju mala pôvodne vyniesť nosná raketa Falcon 9 FT spoločnosti SpaceX.

Predpokladané vypustenie satelitu, pôvodne plánované na jar roku 2016, sa v priebehu roku niekoľkokrát odsúvalo. Zrušený bol aj plánovaný štart v októbri 2016 z kozmodrómu Vandenberg v Kalifornii. Situáciu skomplikovala septembrová havária rakety Falcon 9 FT, keď počas rutinného predletového testu motorov došlo k výbuchu, pri ktorom bol zničený nosič, izraelský komunikačný satelit Amos-6 a značne poškodená bola aj štartovacia rampa. 

Jakub Kapuš dňa 18. mája 2017 na tlačovej konferencii oznámil, že SOSA dostala ponuku letieť na indickej rakete PSLV-XL s označením letu C38 a štartom, naplánovaným na jún 2017. „Túto ponuku sme sa rozhodli využiť, keďže na tomto projekte SOSA so svojimi partnermi pracuje už od roku 2011 a už viac ako rok čaká na štart do kozmu“, oznámil. Nosič, ktorého hlavný náklad tvoril indický satelit Cartosat-2E, okrem skCUBE a ďalších mikro a nanosatelitov vyniesol aj český 2U cubesat VZLUSat 1.

Prístroje a experimenty

VLF detektor 
Hlavným vedeckým experimentom mal byť prijímač veľmi dlhých rádiových vĺn (VLF), ktorý mal z obežnej dráhy detegovať signály v rozsahu , produkované okrem iného tzv. nadoblačnými (ionosférickými) bleskami (v ).

Kamera 
Kamera mala slúžiť na fotografovanie Zeme. Cieľom experimentu bolo, okrem overenia technológií, snímkovanie územia Slovenska z vesmíru. Základom kamery bol kvalitný obrazový snímač s rozlíšením 750×480 px a nízkym šumom. Optika so zorným uhlom 60° obsahovala infračervený (IR) a neutrálny (ND) filter. O spracovanie obrazu sa staral mikrokontrolér STM32F407, ktorý riešil aj celý postprocessing vrátane JPEG kompresie. Zhotovenie snímkov malo byť možné zo Zeme načasovať a uložiť ich do externej flash pamäte.

Rádioamatérsky digitálny opakovač 
Palubný digitálny opakovač (digipeater) umožňoval spojenie dvoch rádioamatérskych operátorov prostredníctvom satelitu. Odosielal tiež základné telemetrické údaje prostredníctvom Morseovho kódu pre jednoduchý priamy posluch.

 frekvencia: 437,1 MHz
 modulácia: GMSK
 výkon vysielača: 30 dBm (1 W)
 anténa: dipól (zisk 2 dBi)
 prenosová rýchlosť: 9 600 bps
 komunikačný protokol: AX.25 (packet radio)
 perióda odosielania paketov: 30 s

Experimentálny prenos na 2,4 GHz 
Vysokorýchlostný prenos záberov z kamery s využitím progresívnych metód kódovania. Rádioamatéri mali mať možnosť prijímať obrázok, označený menom skCUBE, volacím znakom OM9SAT a časovou značkou.

 frekvencia: 2 401 MHz
 modulácia: GMSK
 výkon vysielača: 24 dBm (250 mW)
 anténa: pravotočivo kruhovo polarizovaná patch anténa (zisk 6 dBi)
 prenosová rýchlosť: 40240 kbps
 komunikačný protokol: proprietárny

Antény oboch komunikačných systémov sú počas štartu zvinuté/zasunuté v ráme satelitu, k ich vysunutiu dochádza až po vypustení na obežnú dráhu, prepálením vlákna, blokujúceho teflonové dvierka.

Ďalšie moduly a experimenty 
 senzor pozície Slnka Súčasťou projektu bol vlastný mikro senzor pozície Slnka, o rád presnejší než sú bežne dostupné na trhu. Funkčne je založený na dvojosovom PSD detektore a následnom spracovaní pomocou A/D prevodníka. Testovanie malo byť zamerané na verifikáciu funkcionality, presnosti a odolnosti tohto senzora.
 rotačno-pozičné riadenie Satelit po vypustení riadil svoju orientáciu voči Zemi pomocou elektromagnetických akčných cievok, interagujúcich so zemským magnetickým poľom (magnetorquer). Senzory stabilizačného systému sú: MEMS magnetometer, MEMS gyroskop, senzor pozície Slnka, senzor pozície Zeme (termokamera s rozlíšením 16×4 px).
 napájací systém Redundantne zabezpečuje elektrickú energiu pre satelit. Získava ju zo Slnka pomocou fotovoltaických panelov, uskladňuje ju v akumulátoroch a rozdeľuje ju jednotlivým modulom. Dokáže detegovať zvýšený odber niektorého zariadenia a včas na takúto udalosť reagovať. Pri nedostatku energie dokáže odpájať systémy, ktoré nie sú nutné pre základné fungovanie satelitu. Komplexný modul s vyše 1 000 súčiastkami na 6-vrstvovej DPS získal na veľtrhu EloSyS cenu „Unikát roka 2015“.
 palubný počítač Modul riadiaceho počítača bol založený na mikrokontroléri TI MSP430 so statickou architektúrou a feroelektrickou pamäťou (FRAM), kvôli väčšej radiačnej odolnosti. Bol navrhnutý redundantne, tzn. v prípade zlyhania jedného preberie riadenie záložný systém.
 operačný systém Súčasťou projektu bol vlastný real time operating system (RTOS), založený na štandarde Misra-C pre bezpečnostne kritické systémy. Testované mali byť všetky vlastnosti systému ako správa úloh, riešenie chýb, komunikačné protokoly, atď.
 samoopravný komunikačný protokol Verifikácia spoľahlivosti FEC LDPC komunikačného protokolu, navrhnutého na prenos obrázkov.
 radiačné poškodzovanie pamäte Test radiačnej odolnosti počítačových systémov pomocou detekčnej metódy bit-flip.
 radiačná odolnosť technologických komponentov Test odolnosti, najmä DC-DC konvertorov, meračov odporu, spínacieho tranzistoru, RAM, FRAM a FLASH pamäte.
 redundancia komponentov Na palube je redundantný energetický zdroj s vysokým stupňom odolnosti. Test mal byť zameraný na overenie funkčnosti konceptu v relevantnom prostredí.
 pozemná stanica Súčasťou projektu bola aj pozemná stanica, ktorá prijímala, dekódovala a ukladala údaje z družice. Primárna pozemná stanica sa budovala pri Šamoríne, kde mala zastupovať rádioamatérske združenie SOSA (rádioklub OM3KAA, vedúci operátor OM1LD). Vybavená je precíznym riadením orientácie antény (0,1° pri hmotnosti paraboly 100 kg) a príjmom signálov v pásme nad 1 GHz. Sekundárna pozemná stanica má vzniknúť v priestoroch vedecko-technologického parku Žilinskej univerzity.

Priebeh misie 
Štart nosiča PSLV-XL sa uskutočnil 23. júna 2017 o 3:59 UTC (5:59 SELČ). Vypúšťanie nanosatelitov bolo spustené podľa plánu približne 20 minút po štarte. Úspešné vypustenie a aktivita skCUBE na obežnej dráhe boli predbežne potvrdené o 5:28 UTC (7:28 SELČ), kedy signál zo satelitu na frekvencii 437,1 MHz zachytil rádioamatér Dmitrij Paškov (R4UAB) z ruského mesta Ružajevka. Prijatie dátových paketov z družice následne o 10:00 SELČ potvrdila aj SOSA.

Nasledujúce dva týždne satelit priebežne odosielal dátové pakety štyroch typov:
 ADCS – Attitude Determination and Control Subsystem: stavové údaje rotačno-pozičného riadenia (gyroskop, magnetometer, sun senzor, magnetorquer)
 CDHS – Command and Data Handling System: stavové údaje hlavného palubného počítača
 COM – Communication: stavové údaje komunikačného modulu
 PWR – Power: stavové údaje napájacej sústavy (zdroj, fotovoltické panely, akumulátory)

Z údajov bolo možné dedukovať úspešnú stabilizáciu – postupné aktívne spomaľovanie počiatočnej rotácie (ktorá bola podľa extrapolovaného odhadu 1,1 °/s v osi X a 1,5 °/s v osi Y, pre os Z neboli získané zmysluplné údaje; stabilizácia trvala približne 2 dni) a funkčnosť všetkých uvedených systémov.

Porucha hlavného počítača 
V noci zo 7. na 8. júla 2017, približne 15 dní po vypustení, došlo na satelite k poruche, ktorá sa z vonkajšieho pohľadu prejavila stratou komunikácie medzi komunikačným modulom (COM) a hlavným palubným počítačom (CDHS), pričom prostredníctvom hlavného počítača prebiehala aj komunikácia s ostatnými modulmi a vedeckými experimentmi na palube družice.

SOSA za pravdepodobnú príčinu poruchy pokladá poškodenie hardvéru alebo softvéru palubného počítača kozmickým žiarením a deklarovala snahu nasimulovať poruchu na duplicitnom module počítača na Zemi a eventuálne nájsť možné riešenie problému. Doteraz (október 2017) však o prípadnej zmene stavu družice neinformovala.

Nakoľko hlavné experimenty, ktoré mala družica na obežnej dráhe realizovať (VLF detektor, prenos záberov z kamery), boli plánované až na ďalšie týždne, neboli v dôsledku poruchy zrealizované. Vitálne systémy družice (napájanie, stabilizácia, komunikačný modul) zostávajú aj naďalej funkčné, rozsah jej využitia je však oproti plánovanému výrazne zredukovaný – na priebežné zasielanie telemetrie komunikačného modulu a príležitostne aktivované rádiomatérske experimenty (morzeovka, digitálny opakovač). Medzi alternatívne aktivity, naplánované po poruche, patrí aj mapovanie úrovne rušenia v pásme 70 cm v závislosti od času a polohy satelitu s využitím údajov z komunikačného modulu.

Strata kontaktu 
V noci z 12. na 13. januára 2019 (569. deň na orbite) došlo k strate rádiového kontaktu s družicou. SOSA uviedla, že k zlyhaniu došlo pravdepodobne v oblasti juhoatlantickej anomálie, kde sa vnútorný Van Allenov radiačný pás nachádza najbližšie k zemskému povrchu a kde mali podľa tvrdenia organizácie telemetrické údaje už dlhšie naznačovať nadmerné prehrievanie satelitu. Organizácia predpokladá, že stav je trvalý, situáciu však plánuje naďalej monitorovať.

Nefunkčná družica by mala na obežnej dráhe stráviť ešte rádovo roky. Z pôvodnej výšky približne 500 km nad povrchom bude postupne klesať, pričom zhruba po piatich rokoch by mala zhorieť v atmosfére.

Kritika 
Financovanie a prezentácia družice boli verejne kritizované viacerými slovenskými vedeckými pracovníkmi, novinármi a občianskym združením Slovenská spoločnosť pre vesmírnu politiku. Kritika sa týkala výšky a spôsobu financovania (bez verejnej súťaže), spornej vedeckej relevantnosti organizácie SOSA aj samotnej družice a nadnesenej mediálnej prezentácie projektu.

Aleš Kučera, do konca mája 2017 riaditeľ Astronomického ústavu SAV (AsÚ SAV) na margo projektu pre portál DSL.sk vyhlásil: „Čo sa týka prezentácie projektu, jeho dôležitosť je neprimerane, nadnesene prezentovaná, keď si uvedomíme, že na Slovensku sa vyrobilo a aj sa stále vyrába vo vedeckých ústavoch SAV, na univerzitách a aj v priemyselnom sektore množstvo ďaleko kvalitnejších a náročnejších kozmických aparatúr, ktoré reálne získavajú vedecké informácie (dáta) alebo zabezpečujú technologické experimenty ... Fotografovanie Zeme a pár meraní, budú demonštrovať funkčnosť satelitu, ale z hľadiska vedeckého nemajú žiadnu hodnotu. Podobné kocky vypúšťajú štandardne študenti vysokých a stredných škôl a aj žiaci základných škôl“. Podľa Kučeru tiež chýbajú transparentné informácie, ako sa použilo 315,7 tisíc EUR z verejných zdrojov. Ostrú kritiku projektu družice, organizácie SOSA, jej predsedníčky a podpredsedu zverejnil v marci 2017 aj v 22-stranovom vyjadrení na stránke AsÚ SAV a v troch rozhovoroch.

Financovanie projektu kritizoval aj astronóm Peter Vereš: „Samotný projekt by som nikdy nekritizoval a dokonca bol ochotný priamo podporiť, keby ostal v rovine amatérskej snahy a bol financovaný zo súkromných zdrojov. Žiaľ, veľké množstvo financií získali zo štátneho rozpočtu, bez verejnej súťaže, priamymi dotáciami, pričom vedci musia o podobné financie súťažiť v transparentnej súťaži“.

SOSA v reakcii na kritiku argumentovala účasťou viacerých úspešných vedcov „s doktorátmi v astrofyzike a astrobiológii získanými na zahraničných univerzitách a so stážami v NASA, tiež jeden zahraničný profesor molekulárnej biológie ako aj celá rada elektrotechnických a telekomunikačných inžinierov“. Na kritiku stavebnicovej koncepcie a triviálnosti družice reagovali poukázaním na množstvo na mieru vyvinutých riešení a modulov: „význam a náročnosť projektu prvej slovenskej družice skCUBE nie sú dobre pochopené, ak je prirovnávaný k aktivitám pre stredoškolákov, resp. panuje presvedčenie, že je možné si takúto družicu objednať na mieru v zahraničnom cubesat-shope. Naša družica je totiž navrhnutá úplne jedinečne; hoci navonok má štandardizované rozmery 10×10×10 cm, vo vnútri – takpovediac „pod kapotou“ – obsahuje celý rad technologických inovácií a experimentálnych technológií.“. Spotrebované finančné prostriedky pokladá SOSA za nízke v porovnaní s podobnými zahraničnými projektami a poukazuje tiež na množstvo dobrovoľníckych aktivít a crowdfundingových zdrojov.

Referencie

Iné projekty

Externé odkazy 

 Oficiálna stránka
 Technický popis prístrojov a experimentov na ESA eoPortal
 Ako prijímať signály z skCUBE
 Prvý štvrťrok skCUBE na orbite – zhrnutie doterajšieho priebehu misie a výsledkov (2017)
 Skutočný príbeh družice skCube: Od nápadu až po smrť na orbite – rozhovor s podpredsedom SOSA Jakubom Kapušom (2019)
 Elementy dráhy skCUBE vo formáte TLE
 On-line tracking pomocou satview.org

Slovenské umelé družice
Umelé družice Zeme
Vedecké družice
CubeSat
Kozmonautika v 2017