Qarman CubeSat:Falder ind i en ildkugle

Denne onsdag den 12. februar ESA's seneste mission vil gå ind i rummets vakuum, ikke ombord på en raket, men ved at blive frigivet fra den internationale rumstation. Den første opgave for den skoæskestørrelse Qarman CubeSat er simpelthen at falde. Mens typiske rummissioner modstår orbital henfald, Qarman vil glide ned måned for måned, indtil den kommer ind i atmosfæren igen, på hvilket tidspunkt det vil samle et væld af data om den brændende fysik ved genindtræden.

Teknisk set ESA's 'QubeSat for Aerothermodynamic Research and Measurements on Ablation', Qarman, nåede kredsløb den 5. december, flyver som last på SpaceX's Dragon-kapsel til ISS. Nanosatellitten er en CubeSat, der består af standardiserede 10 cm kasser:med en længde på kun 30 cm kan den nemt monteres ombord, opbevaret i det kommercielle Nanoracks CubeSat Deployment System.

Men på onsdag kommer den ambitiøse minimissions næste gigantiske spring. Astronaut Andrew 'Drew' Morgan vil tage Nanoracks deployer og placere den gennem luftslusen på Japans Kibo-modul. Herfra vil modulets robotarm – det japanske eksperimentelle modul-fjernmanipulatorsystem – placere udløseren for sikker orientering væk fra stationen, så vil Qarman blive skudt ud i rummet.

"Derfra tror vi, at det vil tage omkring seks måneder at komme ind i atmosfæren igen - for at finde ud af, hvor nøjagtigt vi kan forudsige Qarmans orbitale henfald, er en del af grunden til, at vi flyver missionen, relevant for studiet af rumaffald, " forklarer prof. Olivier Chazot, leder af Aeronautic/Aerospace Department ved Von Karman Institute i Belgien. Dette internationalt sponsorerede center of excellence for fluid dynamics udviklede Qarman-missionen i samarbejde med ESA's tekniske specialister i Direktoratet for Teknologi, Engineering og kvalitet hos ESTEC i Holland.

Form følger funktion:Qarmans karakteristiske fjerbold-lignende profil, med sin kvartet af deployerbare solcellepaneler, er designet til at øge atmosfærisk luftmodstand på den lille CubeSat, fremskynde sit fald tilbage til Jorden.

"Derefter, når genindtastningsprocessen begynder, i omkring 90 km højde, disse paneler vil holde satellittens orientering stabil, minimere enhver væltning, " tilføjer Prof. Chazot.

"For maksimal stabilitet er vi nødt til at have tyngdepunktet mod forsiden og trykcentret bagpå, og udsættelse af panelerne flytter trykcentret bagud.

"Dette vil hjælpe med at fokusere opvarmningen på Qarmans firkantede næse, som er lavet af kork - ikke den slags, du finder i champagneflasker, men en omhyggeligt skræddersyet rumfartsvariant, leveret af det portugisiske firma Amorim og brugt i adskillige rumfartøjers termiske beskyttelsessystemer."

Når kork varmer op, svulmer materialet først, så flosser forkullerne til sidst væk, fører uønsket varme med sig. Det er denne 'ablationsproces', som Qarman-teamet ønsker at studere.

"Ablation er en gennemprøvet termisk beskyttelsesmetode, bruges for eksempel af ESA's mellemliggende eksperimentelle køretøj, IXV, " siger prof. Chazot. "Vi vil kontrollere vores klassiske forståelse af processen i forhold til observeret virkelighed ved hjælp af termoelementer, tryksensorer og også et spektrometer indlejret under proppen i Qarmans næse. Når vi kigger ud med et lille kamera, vil vi være i stand til at måle spektrene af strømningsstrålingen i stødlaget såvel som arter udsendt af den brændende kork."

Stabiliteten fra Qarmans sidepaneler og forreste tyngdepunkt skulle også gøre det muligt for CubeSat at transmittere sine resultater til kommercielle Iridium-telekommunikationssatellitter - planlægger at transmittere omkring 20 minutters reentry-data på tre til fem minutter.

Et indre 'overlevelsessæt' indeholdende instrumenter og elektronik og foret med beskyttende keramisk kulstofmatrix med aerogelbeskyttelse vil sandsynligvis overleve genindtræden, men vil ikke blive gendannet, højst sandsynligt plaske nede i havet.

"Vi har spillet en rolle i mange ESA-programmer, såsom IXV, det kommende Space Rider genanvendelige rumfartøj, samt Vega-C og Ariane 6 løfteraketter, " bemærker prof. Chazot, "men indtil nu har vi fokuseret på modellering og eksperimentel simulering.

"Denne slags test kan dog ikke fortælle dig alt, hvad vi ønsker at vide - for virkelig at validere vores koder og forstå virkeligheden af ​​den involverede fysik, vi skal faktisk flyve i rummet.

"Idéen kom til at designe vores egen CubeSat, da vi kørte det EU-kommission-ledede QB50-program, som var et internationalt CubeSat-netværk til at udføre forskning i lavere atmosfære og reentry. Vi designede og byggede hele missionen, indkøb af reservedele og ekspertise efter behov, med værdifuld teknisk og organisatorisk støtte fra ESA. Som en opfølgning er vi interesserede i at designe en genoprettelig 'black box'-reentry-mission."