Nanospacecraft for technology demonstration and science missions

Abstract

Kosmost on vaadeldud ja uuritud aastatuhandeid, kuid kosmosemissioonid lubasid seda esimest korda kohapeale uurima minna alles 64 aastat tagasi. Satelliidid võimaldavad teha toiminguid, mis maapealsete uuringutega on võimatud, näiteks maanduda teistele taevakehadele, tuua Maale neilt võetud proove vaadelda lähedalt komeete, ja asteroide ning saada paremaid vaatlusandmeid galaktikate, päikesesüsteemide, eksoplaneetide ja muude objektide kohta.. Ajalooliselt korraldasid kosmosemissioone suured riiklikud kosmoseagentuurid, kuid viimase 20 aasta jooksul on valdkond avanenud ka väikeettevõtetele, ülikoolidele ja pea kõigile teistele, kes on satelliidi kosmosesse saatmisest huvitatud. See on saanud võimalikuks tänu kuupsatelliitide standardiseerimisele. Tavaliselt peame kuupsatelliitide all silmas 1–10 kg nanosatelliite. Selle väitekirja autor on aidanud kaasa planeedimissioonide ja -instrumentide miniaturiseerimisele, töötades välja missioone ja missioonikontseptsioone ning arendades selliseid koormused ja simulatsioonivahendeid, mis aitaksid kaasa pikaajalisele eesmärgile uurida kosmost nanosatelliitidega. Lõputöö esimene osa keskendub uuenduslikule kosmosereiside tehnoloogiale: Coulomb Drag Propulsionile. Seda saab kasutada, et madalalt Maa orbiidilt kosmoseprügi eemaldada (plasmapidur) või kosmoses liikuda, kandmata Maalt kaasa võetud raketikütust (elektriline päiksepuri). Kõnealune tõukejõutehnoloogia on paigaldatud satelliitidele ESTCube-2 ja FORESAIL-1, mis peagi kosmosesse lennutatakse. Samuti analüüsib doktoritöö ideed külastada elektrilise päiksepurje juhitava kuupsatelliidilaevastikuga sadu asteroide. Lõputöö teises osas antakse ülevaade jätkuvast protsessist eesmärgiga arendada kaamera Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) ja Jaapani Kosmoseuuringute Agentuuri (JAXA) ellu viidavale Komeedipüüduri (Comet Interceptor) missioonile. Missiooni sondid viib 2029. aastal kosmosesse rakett Ariane 6. Kaamera on varustatud periskoobiga, et kaitsta seda ohtliku keskkonna eest, mistõttu kannab see nime Optical Periscopic Imager for Comets või OPIC. Nimi viitab ühtlasi Eesti astronoomile Ernst Öpikule, kes pakkus esimesena välja, et Päikesesüsteemi ümber asub kauge komeedipilv, mida tänapäeval tuntakse Öpiku–Oorti pilvena. OPIC-u väljatöötamist toetab spetsiaalselt selleks arendatud simulatsioonitööriist SISPO, mida kirjeldatakse doktoritöö viimases osas.

Humans have been observing and exploring the cosmos for millennia, yet space missions enabled in-situ examination only during the last 64 years. Artificial satellites enable opportunities unfeasible for ground-based studies, such as landing on other planetary bodies, sample return, close observations of comets and asteroids, and improved observations of galaxies, solar systems, exoplanets, etc. Historically, space missions were operated by large space agencies, but in the last twenty years, the field expanded to small enterprises, universities and practically anyone interested in launching a satellite. This was partially enabled by the standardisation of cubesats, typically 1–10 kg nanosatellites. The author of this dissertation has contributed to the miniaturisation of planetary missions and instruments by developing missions, mission concepts, payloads and simulation tools that commit to the long-term aims of cosmic exploration with nanospacecraft. The first part of the thesis focuses on innovative technology for space travel – Coulomb Drag Propulsion. It can be utilised to remove space debris from Low Earth Orbit (named plasma brake) or travel in space without carrying the propellant from the Earth (named E-sail). This propulsion is accommodated on the ESTCube-2 and FORESAIL-1 satellites, to be launched soon. The dissertation also analyses the concept of visiting hundreds of asteroids with a fleet of cubesats driven by E-sail. The second part of the thesis presents an ongoing camera development for the ESA-JAXA Comet Interceptor mission to be launched in 2029 by the Ariane 6 rocket. The camera is equipped with a periscope to protect it from a hazardous environment. It is therefore named Optical Periscopic Imager for Comets or OPIC shortly, also referring to the Estonian astronomer Ernst Öpik, who was the first to propose the existence of a distant comet cloud around the Solar System, known today as the Öpik–Oort cloud. The development of the OPIC instrument is supported by a custom-made open-source simulation tool called SISPO, described in the last part.