Den första av många CubeSats som utplacerades från den internationella rymdstationen av NanoRacks-företaget i februari 2014. Nanoracks utbyggnadssystem som innehåller en eller flera CubeSats inuti den placeras genom JAXAs Kibo-moduls luftsluss. Härifrån positionerar modulens robotarm – det japanska Experimental Module Remote Manipulator System – utlösaren för säker orientering bort från stationen för utplacering. Kredit:Nanoracks
Denna onsdag den 12 februari, ESA:s senaste uppdrag kommer att gå in i rymdens vakuum, inte ombord på en raket utan genom att släppas ut från den internationella rymdstationen. Den första uppgiften för Qarman CubeSat i skokartong är helt enkelt att falla. Medan typiska rymduppdrag motstår orbital förfall, Qarman kommer att glida ner månad för månad tills den kommer in i atmosfären igen, vid vilken tidpunkt det kommer att samla en mängd data om återinträdets eldiga fysik.
Tekniskt sett ESA:s 'QubeSat for aerothermodynamic research and measurements on ablation', Qarman, uppnådde omloppsbana den 5 december, flyger som last på SpaceX:s Dragon-kapsel till ISS. Nanosatelliten är en CubeSat som består av standardiserade 10-cm lådor:på bara 30 cm i längd monteras den enkelt ombord, lagras i det kommersiella Nanoracks CubeSat Deployment System.
Men på onsdag kommer det ambitiösa miniuppdragets nästa jättesprång. Astronauten Andrew 'Drew' Morgan kommer att ta Nanoracks-deployern och placera den genom luftslussen i Japans Kibo-modul. Härifrån kommer modulens robotarm – det japanska Experimental Module Remote Manipulator System – att positionera utlösaren för säker orientering bort från stationen, då kommer Qarman att skjutas ut i rymden.
"Därifrån tror vi att det kommer att ta ungefär sex månader att komma in i atmosfären igen - att ta reda på hur exakt vi kan förutsäga Qarmans orbitalförfall är en del av anledningen till att vi flyger uppdraget, relevant för studier av rymdskräp, " förklarar prof. Olivier Chazot, chef för Aeronautic/Aerospace Department vid Von Karman Institute i Belgien. Detta internationellt sponsrade spetskompetenscentrum för vätskedynamik utvecklade Qarman-uppdraget i samarbete med ESA:s tekniska specialister i direktoratet för teknik, Engineering and Quality på ESTEC i Nederländerna.
En CubeSat med tre enheter som ska utplaceras från den internationella rymdstationen, Qarman har designats för ESA av Belgiens Von Karman Institute. Dess namn står för QubeSat för aerodynamisk forskning och mätningar på ablation, uppdraget kommer att använda intern temperatur, tryck- och ljusstyrkasensorer för att samla in värdefulla data om de extrema förhållandena vid återinträde eftersom dess framkanter är omslutna av brännande plasma. Qarmans trubbiga front innehåller de flesta av dess sensorer, skyddas av en korkbaserad värmesköld. CubeSat förväntas överleva sitt återinträde, även om inte dess efterföljande fall till jorden - vilket gör det absolut nödvändigt att dess resultat tar sig tillbaka i tiden däremellan, använda det kommersiella satellitnätet Iridium. Kredit:Dr Gilles Bailet, University of Glasgow
Form följer funktion:Qarmans distinkta fjäderbollsliknande profil, med sin kvartett av utplacerbara solpaneler, är designad för att öka luftmotståndet på den lilla CubeSat, påskynda dess fall tillbaka till jorden.
"Sedan, när återinträdesprocessen börjar, på cirka 90 km höjd, dessa paneler kommer att hålla satellitens orientering stabil, minimera eventuella tumlande, " tillägger Prof. Chazot.
"För maximal stabilitet måste vi ha dess tyngdpunkt framåt och tryckcentrum bak, och utplacering av panelerna flyttar tryckcentrum bakåt.
"Detta kommer att hjälpa till att fokusera uppvärmningen på Qarmans fyrkantiga näsa, som är gjord av kork - inte den sorten du hittar i champagneflaskor utan en noggrant skräddarsydd flygvariant, levereras av det portugisiska företaget Amorim och används i många termiska skyddssystem för rymdfarkoster."
ESA:s nästa CubeSat-uppdrag ses uthärda den brännande hettan av simulerat atmosfäriskt återinträde i världens största plasmavindtunnel. Utrustad med en korkbaserad värmesköld, sidoväggar av titan och utfällbara paneler av kiselkarbid, Qarman (QubeSat for Aerothermodynamic Research and Measurements on Ablation) CubeSat överlevde sex och en halv minuters testning i Italiens Scirocco Plasma Wind Tunnel. En bågstråle som använder upp till 70 megawatt effekt – tillräckligt för att lysa upp en stad med 80 000 människor – omvandlade luft till varm plasma vid temperaturer på flera tusen grader Celsius, som rusade mot Qarman med sju gånger ljudets hastighet. Kredit:European Space Agency
När kork värms upp sväller materialet först, sedan flagnar rödingarna till slut, bär bort oönskad värme med sig. Det är denna 'ablation'-process som Qarman-teamet vill studera.
"Ablation är en beprövad termisk skyddsmetod, används till exempel av ESA:s Intermediate Experimental Vehicle, IXV, " säger Prof. Chazot. "Vi kommer att kontrollera vår klassiska förståelse av processen mot observerad verklighet med hjälp av termoelement, trycksensorer och även en spektrometer inbäddad under korken i Qarmans näsa. När vi tittar ut med en liten kamera kommer vi att kunna mäta spektra av flödesstrålningen i chockskiktet såväl som arter som emitteras av den brinnande korken."
Stabiliteten som tillhandahålls av Qarmans sidopaneler och främre tyngdpunkt bör också göra det möjligt för CubeSat att sända sina resultat till kommersiella Iridium-telekommunikationssatelliter – planerar att sända cirka 20 minuters återinträdesdata på tre till fem minuter.
En CubeSat med tre enheter som ska utplaceras från den internationella rymdstationen, Qarman har designats för ESA av Belgiens Von Karman Institute. Dess namn står för QubeSat för aerodynamisk forskning och mätningar på ablation, uppdraget kommer att använda intern temperatur, tryck- och ljusstyrkasensorer för att samla in värdefulla data om de extrema förhållandena vid återinträde eftersom dess framkanter är omslutna av brännande plasma. Qarmans trubbiga front innehåller de flesta av dess sensorer, skyddas av en korkbaserad värmesköld. CubeSat förväntas överleva sitt återinträde, även om inte dess efterföljande fall till jorden – vilket gör det absolut nödvändigt att dess resultat tar sig tillbaka i tiden däremellan, använda det kommersiella satellitnätet Iridium. Kredit:ESA–F. Zonno
Ett inre "survival kit" som innehåller instrument och elektronik och fodrat med skyddande keramisk kolmatris med aerogelskydd kommer sannolikt att överleva återinträde men kommer inte att återvinnas, mest troligt plaska nere i havet.
"Vi har spelat en roll i många ESA-program, som IXV, den kommande återanvändbara rymdfarkosten Space Rider, såväl som bärraketerna Vega-C och Ariane 6, " noterar prof. Chazot, "men hittills har vi fokuserat på modellerings- och experimentsimuleringssidan.
"Denna typ av tester kan dock inte berätta allt vi vill veta - att verkligen validera våra koder och förstå verkligheten av den inblandade fysiken, vi måste faktiskt flyga i rymden.
"Idén kom att designa vår egen CubeSat när vi drev det EU-kommissionledda programmet QB50, som var ett internationellt CubeSat-nätverk för att utföra forskning om lägre atmosfär och återinträde. Vi designade och byggde hela uppdraget, köpa in delar och expertis efter behov, med värdefullt tekniskt och organisatoriskt stöd från ESA. Som en uppföljning är vi intresserade av att designa ett återställbart "black box"-återinträdesuppdrag."
