إكويسات

تتمثل إحدى الطرق الأخرى التي يمكن لقسم هندسة الفضاء في جامعة براون من خلالها تعزيز إمكانية الوصول إلى الفضاء في تثقيف الشباب حول تصميم الأقمار الصناعية ودورها في المجتمع. ويتعاون القسم مع المدارس والمتاحف في جميع أنحاء البلاد لوضع خطة توعية تعليمية لتعريف الطلاب وعامة الجمهور بقمر EQUiSat وتأثيره، إلى جانب الأقمار الصناعية المماثلة، على التقدم العلمي للمجتمع. وقد وفرت إمكانية تحديد موقع قمر EQUiSat وسماعه ورؤيته بسهولة في سماء الليل، عند إطلاقه، عنصرًا ملموسًا هامًا لهذه الجهود التوعوية. كما يُعد توفير ملفات شفرة المصدر/التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) الخاصة بقمر EQUiSat عبر الإنترنت وسيلة أخرى للتوعية. ^{[ 7 ]}

كان نظام الوميض عبارة عن منارة بصرية تُمكّن من هم على الأرض من تتبع القمر الصناعي EQUiSat بصريًا بعد إطلاقه. وتألفت المنارة من مصفوفة من أربعة مصابيح LED شديدة السطوع (حوالي 10000 لومن لكل منها) تُومض لمدة 0.1 ثانية ثلاث مرات متتالية بسرعة كل دقيقة عندما يكون القمر الصناعي EQUiSat في سماء الليل. ^{[ 5 ]} بلغ القدر الظاهري للمصفوفة 3، وهو ما يُعادل تقريبًا شدة نجم القطب الشمالي. ولزيادة شدة الإضاءة لمن هم على الأرض، وُضعت جميع مصابيح LED عالية الطاقة على لوحة واحدة تُوجّه نحو نصف الكرة الشمالي للأرض باستخدام نظام تحكم سلبي في الاتجاه.

كان جهاز الإرسال والاستقبال الموجود على متن القمر الصناعي EQUiSat يبث إشارة في نطاق ترددات الراديو للهواة UHF 70  سم بتردد 435-438  ميجاهرتز، ويتألف من منارة تحمل نداء مسجل وبيانات من أجهزة الاستشعار. كان بإمكان هواة الراديو استقبال هذه الإشارات، كما تم نشرها على الإنترنت لتسهيل وصول عامة الناس إليها. وكان الراديو يعمل أيضًا كمنارة لتتبع موقع القمر الصناعي. وكانت المحطة الأرضية الرئيسية، التي تم إنشاؤها بالتعاون مع نادي براون لهواة الراديو، هي نقطة الاتصال الرئيسية مع EQUiSat، وكان بإمكانها قطع الاتصالات مع القمر الصناعي عند الضرورة. ^{[ 12 ]}

تم لف الهوائي استعدادًا للإطلاق، حيث تنص مواصفات كيوب سات على عدم بروز أي جزء من أجزاء القمر الصناعي من القضبان الجانبية بأكثر من 1  سم قبل الإطلاق. ولذلك، استُخدم نظام نشر يتكون من سلك نايلون يشد الهوائي. لُفّ هذا السلك حول خيوط من النيكروم، والتي ستحرق السلك بعد 30 دقيقة من النشر. ثم عاد الهوائي تلقائيًا إلى مكانه.

استخدم القمر الصناعي EQUiSat نظام تحكم مغناطيسي سلبي في الوضعية (ACS)، لا يعتمد على نظام تحديد الوضعية، ولا يستهلك طاقة من ملفات عزم الدوران أو عجلات الزخم، ولا يعتمد على الخوارزميات المعقدة اللازمة لتصحيح الدوران وتثبيت القمر الصناعي. استُخدم زوجان من قضبان التخلف المغناطيسي لتطبيق عزم دوران على القمر الصناعي لموازنة الدوران الناتج عن الإطلاق من محطة الفضاء الدولية ونشر الهوائي. لم تقتصر وظيفة هذه القضبان على تطبيق عزم الدوران فحسب، بل ساهمت أيضًا في تخفيف الاستجابة العابرة لهذا الدوران أثناء تطبيقه، مما يقلل من الدوران على مدار عدة أيام. كما يستخدم نظام التحكم المغناطيسي مغناطيسًا دائمًا لمحاذاة القمر الصناعي EQUiSat مع المجال المغناطيسي للأرض، مما أبقاه موجهًا نحو سطح الأرض في نصف الكرة الشمالي. ^{[ 5 ]}

ربط النظام الإلكتروني جميع الأنظمة الفرعية الأخرى لضمان عمل القمر الصناعي بكفاءة. يتكون هذا النظام من خمس لوحات دوائر مطبوعة (PCBs) مصممة خصيصًا ، تم تركيب كل منها داخل القمر الصناعي EQUiSat. وهذه اللوحات الخمس هي:

• لوحة الفلاش : احتوت لوحة الفلاش على أربعة مصابيح LED، ونظام نشر الهوائي، وأربعة مستشعرات لدرجة الحرارة، ومستشعر الأشعة تحت الحمراء، وثنائي ضوئي.
• لوحة تشغيل مصابيح LED : تقع هذه اللوحة أسفل لوحة الفلاش مباشرةً. تحتوي على أربع دوائر تنظيم جهد، واحدة لكل مصباح LED. تسحب هذه الدوائر 60 أمبير عند 6.6 فولت من البطاريات، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى 36 فولت و2.7 أمبير لتشغيل مصابيح LED. كما تحتوي على دائرة تشغيل نظام نشر الهوائي.
• لوحة البطارية : تقع هذه اللوحة بين طبقتي البطاريات. تحتوي على دوائر إلكترونية تُجري عملية تتبع نقطة الطاقة القصوى لتحسين شحن البطارية باستمرار بناءً على إنتاج الألواح الشمسية. كما تحتوي على أدوات تحكم لإدارة إنتاج البطارية ومراقبة خصائصها.
• لوحة التحكم : احتوت لوحة التحكم على عقل القمر الصناعي، بما في ذلك معالج Atmel SAMD21J18A، والذاكرة، ووحدات فك التشفير التي تدير البيانات الواردة من جميع اللوحات الأخرى. كما تتصل لوحة التحكم بجهاز الراديو، وتحتوي على وحدة قياس بالقصور الذاتي (IMU) ومقياس مغناطيسي .
• لوحة محول الراديو : كانت هذه لوحة أبسط توفر واجهة بين الراديو ولوحة التحكم.

تم تصميم النظام الإلكتروني الفرعي واختباره وتجميعه بالكامل داخل الشركة، باستثناء تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة. جميع المكونات كانت متوفرة تجاريًا ويمكن شراؤها بسهولة عبر الإنترنت. صُممت لوحات الدوائر المطبوعة باستخدام برنامج تصميم الدوائر المطبوعة بمساعدة الحاسوب (CAD)، وتم تحميل ملفات التصميم على منصة GitHub لتسهيل الوصول إليها من قبل الجمهور. ^{[ 7 ]}

تم دعم النظام الإلكتروني الفرعي ببرمجيات تعمل على المعالج. وكان المعالج يشغل نظام تشغيل في الوقت الحقيقي مبني على FreeRTOS . يُعد استخدام نظام تشغيل في الوقت الحقيقي معيارًا في الأنظمة المدمجة الصغيرة، وقد مكّن EQUiSat من الاستجابة للأحداث بطريقة سريعة ومحددة.

كان البرنامج مسؤولاً عن جمع البيانات من أجهزة الاستشعار المذكورة في قسم النظام الإلكتروني الفرعي. ثم قام بمعالجة البيانات بعد قراءتها من محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية المدمج، وأرسلها بشكل مناسب إلى الأرض، حيث قام خادم Node.js بجمعها ومعالجتها للمراقبة الآنية. كما كان البرنامج قادراً على معالجة الإشارات الواردة من المحطة الأرضية الرئيسية.

يُتيح الإشعاع الكوني إمكانية انقلاب بتٍّ ما أثناء وجود النظام في مداره. لا يُشكّل هذا مشكلةً إذا انقلب بتٌ في ذاكرة البيانات، نظرًا لكونه بتًّا متطايرًا، وبالتالي يُمكن حلّ المشكلة بإعادة تشغيل النظام. أما إذا انقلب بتٌ في ذاكرة البرنامج، فإن مؤقت المراقبة يُفعّل إعادة تشغيل النظام، حيث يقوم مُحمّل الإقلاع بالكتابة فوق ذاكرة البرنامج بنسخة مُخزّنة في ذاكرة MRAM مقاومة للإشعاع. يُعاد ضبط مؤقت المراقبة هذا إلى قيمته الأصلية عند التشغيل العادي للبرنامج، وبالتالي لا يُفعّل إعادة التشغيل إلا إذا وصل عدّه إلى الصفر نتيجةً لتلف البرنامج.

أما بالنسبة لبقية الأنظمة الفرعية لـ EQUiSat، فإن ملفات البرامج متاحة عبر الإنترنت. ^{[ 7 ]}

يشتمل نظام الطاقة على ألواح شمسية لتوليد الطاقة في الفضاء ونظامي بطاريات لتخزين الطاقة.

صُنعت الألواح الشمسية من خلايا زرنيخيد الغاليوم المُستعملة باستخدام عملية إنتاج موثقة جيدًا. ونتيجةً لذلك، كانت تكلفتها أقل بـ 35 مرة من الألواح الجاهزة ذات القدرة المماثلة. شكلت هذه الألواح خمسة جوانب من القمر الصناعي المكعب، وتكونت من تكوينات مختلفة من الخلايا الشمسية المثلثية المتقدمة وخلايا TrisolX. ونظرًا لتوقف الشركة المصنعة الأولى عن العمل أثناء مرحلة التطوير، فإن اللوحين العلوي والسفلي فقط من قمر EQUiSat يحتويان على هذه الخلايا. أما الألواح الثلاثة الأخرى، فاستخدمت خلايا TrisolX، بواقع 24 خلية بتكوين 4S6P، وثلاثة ألواح جانبية تحتوي على 20 خلية بتكوين 4S5P. صُمم اللوحان العلوي والسفلي لإنتاج 8.76 فولت بتيار يتراوح بين 140 و170 مللي أمبير، بمتوسط ​​قدرة خرج يزيد قليلًا عن 1.3 واط في ضوء الشمس الكامل. أما الألواح الأخرى، فتُنتج جهدًا مشابهًا بقدرة تتراوح بين 0.5 و0.7 واط تقريبًا.

احتوى نظام EQUiSat على مجموعتين من البطاريات: إحداهما لتشغيل نظام الفلاش، والأخرى لتشغيل نظام الراديو ووحدات التحكم الدقيقة. كانت بطاريات الفلاش من نوع A123 System 18650 LiFePO4، _بتكوين 2S2P. أما بطاريات الراديو ووحدات التحكم الدقيقة فكانت عبارة عن بطاريتين من نوع LIR2450 ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن، موصلتين على التوازي. كان نظام EQUiSat يتناوب بين نظامي البطاريات، مع إعطاء الأولوية لبطاريات LIR2450. ^{[ 5 ]}

تم تصنيع الهيكل والمكونات الأخرى داخليًا لتقليل التكاليف. تم تشكيل الهيكل من كتلة صلبة من الألومنيوم 6061 باستخدام آلة طحن CNC ثلاثية المحاور ، ومخرطة ، وصنابير . وقد وفر ذلك جسم جهاز EQUiSat ونقاط تثبيت جميع المكونات. بالإضافة إلى ذلك، تم تشكيل الكتلة التي تُثبّت فيها البطاريات الست بإحكام من مادة ديلرين . تم تحسين عملية التصنيع باستخدام الشمع القابل للتشكيل لتقليل هدر المواد.

تم تصميم الهيكل، بالإضافة إلى المكونات الأخرى المصنعة آلياً والتجميع الكامل، باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD). وتم إنتاج مسارات أدوات التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) ورمز G من هذه الملفات. ^{[ 5 ]}