Siriussat 3u образовательный конструктор

Обновлено: 25.04.2024

Мы являемся наследниками космических первопроходцев. Жажда исследовать и покорять Вселенную у нас на генетическом уровне. И её надо удовлетворять новыми достижениями, свершениями и открытиями. Новое поколение инженеров, космонавтов, испытателей уже зреет и стремится постигать тайны космической инженерии. Ничто лучше практики не поможет им в этом. Но практика должна быть живой, настоящей. Им нужно творить, фантазировать и воплощать фантазии в инженерном искусстве, в космонавтике.
Для это нужен инструмент и экосистема. Инструмент - это образовательный конструктор наноспутника SiriusSat-3U. Экосистема - конкурс "Космострой". С их помощью школьники, студенты и их наставники смогут потренироваться в создании своих спутников, лучшие запустят их сначала в стратосферу, а затем и в космос.
Вот что должно вдохновить новых Циолковских, Королёвых, Глушко!

Организация и проведение финала конкурса "Космострой" с обеспечением приезда и проживания 40 участников, 10 организаторов и экспертов с разных регионов страны на одной технологической площадке с полигоном для запуска стратосферного зонда, обеспечение призового фонда в виде подготовленного лётного образца наноспутника.
Обеспечение охвата аудитории на входе на конкурс до 1200 человек: до 600 школьников, до 300 студентов, до 250 преподавателей и 50 родителей.
Повышение уровня знаний и подготовки учащихся и преподавателей в области спутниковых технологий.

Задачи

Распространение образовательных конструкторов среди школьных коллективов - до 1 октября 2021
Сбор заявок команд - до 1 октября 2021.
Сбор видеоотчетов и презентаций команд - 10 декабря 2021.
Проведение онлайн-конференции - до 18 декабря 2021.
Определение 4 команд-финалистов - 20 декабря 2021.
Подготовка к финалу участниками и организаторами - с 1 января до 28 февраля 2022.
Проведение финала - с 1 по 5 марта 2022.
Подведение итогов, награждение - 5 марта 2022.
Подготовка призового спутника к запуску совместно с командой-победителем. Постпрограммное сопровождение участников и финалистов - до конца существования спутника на орбите. Сопровождение спутника на орбите - до конца его существования.

Актуальность и общественная значимость

Космическая отрасль объединяет в себе множество научно-технических направлений. Школьникам она может объяснить прикладное значение курса физики, математики, информатики и программирования. Студенты, которые решили обучаться по аэрокосмическим направлениям и специальностям, уже с первых курсов хочется больше практики в этой области. Преподавателям нужно осваивать новые технологии и внедрять их в образовательный процесс. А родители могли бы осуществить свои детские мечты. Я так часто слышу от взрослых, которые приходят к нам в лабораторию в Сириусе и видят наши конструкторы, слова сожаления о том, что в их детстве не было такого.
И уже не первый год мы с коллегами из отрасли наблюдаем во время подготовки и проведения мероприятий по космонавтике среди школьников, что есть серьезный дефицит как заинтересованной талантливой молодёжи, так и профессиональных преподавателей, которые могли бы давать детям знания в области космической инженерии. Собрав весь опыт мы создали универсальный конструктор SiriusSat-3U для обучения как школьников со студентами, так и преподавателей. Все они смогут легко освоить учебные материалы и технологии изготовления спутника, провести с ним эксперименты и на практике закрепить изученное. А возможность запустить спутник далеко ввысь может вдохновить каждого из них и мыслями унести туда же.

Программа курса позволяет изучить инженерные дисциплины применяемые в проектировании и создании малых космических аппаратов нанокласса. Учебные материалы рассказывают о создании наноспутников, прикладном применении проектирования, схемотехники, программирования, физики, математики. Позволяют на практике проверять полученные знания.
Изучайте теорию, решайте задачи, проводите эксперименты вместе с конструктором SIRIUSSAT-3U или без него (но с ним интереснее).
Курс используется в соревновании спутникостроителей КОСМОСТРОЙ
Положение о конкурсе

Новые дисциплины и знания
Проектная деятельность
Технологии создания спутников Профессиональная ориентация

Инженерные дисциплины
Практическая реализация получаемых знаний
Проверка сил в проекте

Учебные материалы
Потенциал междисциплинарной образовательной программы
до 160 часов
Подробные инструкции и примеры
Простор для проектной деятельности

Программа разработана для самостоятельного обучения в удобное для вас время. На связи с вами будут наши специалисты для передачи обратной связи

В модуле приведена общая информация о малых космических аппаратах типа CubeSat. Описываются общие инструменты и методы проектирования основных частей спутника.
В части 1 описываются виды космических аппаратов, виды орбит спутников. Данная информация направлена на расширение кругозора обучающихся и проектирования прототипов спутников.
В части 2 приведена международная спецификация CubeSat, которая позволит лучше познакомиться с их устройством и учесть при разработке собственного проекта.

В модуле приводятся прикладные инструменты по разработке и проектированию схем электрических, их тестированию в программе EasyEDA. Данная программа является онлайн-платформой для работы с электрическими схемами. Программа имеет широкий инструментарий, позволяющий изучить принципы работы электрических цепочек, создавать свои проекты и проверять их. Заложен функционал разводки электронных плат. Ресурс позволит начать развивать свои знания и навыки в схемоэлектротехнике, что очень важно при работе над проектами малых космических аппаратов.

Часть 1 содержит общую информацию о программировании блоков образовательного конструктора SiriusSat-3U в ArduinoIDE, и краткое описание основных компонентов, входящих в конструктор. Содержатся ссылки на тестовые прошивки электроники конструктора.
Часть 2 рассказывает об алгоритмическом языке ДРАКОН, который стал наследником опыта построения сложных космических систем в проекте «Энергия-Буран». Уникальный результат был достигнут коллективом разработчиков благодаря широкому привлечению высококлассных разнопрофильных специалистов. Понимание разработчиками необходимости упрощения взаимодействия между ними привело к созданию технологии формирования технических заданий для программистов графическим способом. Таким образом стало возможно привлекать к разработке качественного ПО профильных специалистов: инженеров-конструкторов, энергетиков, двигателистов и т.д.

В части 1 модуля приведена информация о маховиках спутников и методе расчёта их характеристик. Рассмотрены условия и тонкости проектирования маховиков.
В части 2 описана теория расчёта электромагнитных катушек системы ориентации и стабилизации наноспутников. Включено описание установки «Калькулятора системы разгрузки маховиков» (FUSC - FLYWHEEL UNLOADING SYSTEM CALCULATOR). Приведен пример задачи по расчёту электромагнитных катушек в части параметров для обеспечения полной разгрузки маховиков наноспутника с решением.

В части 1 говорится о применении МКА в современной ракетно-космической отрасли. Приведены конкретные примеры спутников и их миссий.
В части 2 описаны конкретные примеры полезных нагрузок, которые сейчас разрабатываются и вводятся в эксплуатацию на современных наноспутников различных форматов.
Часть 3 посвящена теории космической баллистики и небесной механики в разрезе искусственных спутников Земли.
Часть 4 рассказывает о прикладном инструменте для расчёта космических миссий – программный продукт GMAT, предназначенный для моделирования космических полётов.

электромагнитные катушки для проведения экспериментов с электромагнитными полями
кольца Гельмгольца - испытательный стенд для работы с электромагнитными катушками
счётчик Гейгера для замеров уровня радиации
камера дистанционного зондирования Земли (распознавание образов)
лазерная связь для передачи информации между несколькими SiriusSat-3U
модуль IoT SpaceLink для проведения экспериментов с интернетом вещей

Вы регистрируетесь на курс с указанием номера образовательного конструктора SiriusSat-3U, названия команды, участвующей в КОСМОСТРОЕ, или указываете их отсутствие.

Вы приступаете к самостоятельному изучению учебных материалов, инструкций, тестовых прошивок.
Порядок изучения материалов Вы можете выбирать самостоятельно.

В результате прохождения курса Вам необходимо выполнить практические кейсы и подготовить отчётную презентацию.
Участники соревнования КОСМОСТРОЙ должны собрать свои конструкторы SIRIUSSAT-3U и подготовить отчёты согласно ПОЛОЖЕНИЮ

Итоги реализации практических кейсов презентуются Вами на онлайн-конференции.
Участники соревнования КОСМОСТРОЙ участвуют в отдельной онлайн-конференции согласно ПОЛОЖЕНИЮ

В итоге успешного прохождения курса, выполнения тестов и кейсов, защиты на онлайн-конференции Вы получаете сертификат спутникостроителя.
Победители соревнования КОСМОСМОСТРОЙ получают возможность запустить свои конструкторы SIRIUSSAT-3U в стратосферу и провести эксперименты в полёте согласно ПОЛОЖЕНИЮ.

Космический набор SiriusSat-3U основан на платформе CubeSat-3U. Образовательный конструктор разработан для научно-образовательного проекта Фонда содействия инновациям «Space π». Наборы для сборки малых космических аппаратов в ближайшее время получат 80 исследовательских команд из разных регионов страны. Первые 20 комплектов уже отправили в российские школы.

В составе школьных конструкторских мини-бюро ребята соберут собственные спутники SiriusSat-3U, запрограммируют их и протестируют свои идеи для исследования космоса.

« Набор включает все необходимое для того, чтобы собрать собственный спутник, – рассказывает руководитель лаборатории "Космические системы и дистанционное зондирование Земли" Фонда "Талант и успех" Иван Шеков. – Это будет учебная модель для наземных экспериментов. Их проводят, чтобы создать аппараты, готовые для вывода на орбиту. Школьники научатся собирать, программировать и управлять малыми космическими аппаратами, смогут лучше изучить многие направления инженерии, методы проектирования деталей и электрических схем наноспутников. На практике попробуют себя в роли сотрудников конструкторских бюро».

В набор входит подробная инструкция по сборке и учебно-методические материалы к образовательной программе для наставников школьных команд – педагогов из школ, центров молодежного творчества и региональных центров по модели «Сириус», где есть все необходимое для таких сложных инженерных работ. Корпусные детали конструктора сделаны из того же алюминия, как и детали действующих спутников. Платы и электронные компоненты изготоивли российские производители высокоточной электроники.

Первыми получат конструктор спутника из «Сириуса» победители конкурса «Открытый космос» программы «Дежурный по планете». Несколько месяцев ребята в составе конструкторских мини-бюро в регионах прорабатывали идеи для будущих космических экспериментов на базе спутниковых платформ CubeSat-3U. Экспертная комиссия определила лучшие 80 проектов. Теперь ребятам предстоит собрать свой спутник, создать полезную нагрузку для него и представить работу экспертам.

« В системе учебной модели предусмотрена возможность подключения дополнительного оборудования, различных датчиков, плат, поэтому у ребят невероятный простор для экспериментов, они могут реализовать практически любую свою задумку и протестировать ее», – поясняет Иван Шеков.

Весной 2021 года «Сириус» получил лицензию Роскосмоса на космическую деятельность, подтверждая право разрабатывать и испытывать автоматические космические аппараты и электронику для них, проверять готовность к запуску в космос. Два первых школьных наноспутника SiriusSat-1 и SiriusSat-2, созданных участниками программ Образовательного центра, были на орбите Земли 2,5 года, аппараты исследовали космическую погоду. Этой весной новый спутник воспитанников «Сириуса» отправлен в космос. Еще один космический аппарат формата CubeSat-3U, разработанный учениками профильных классов, прошел первые испытания. В сентябре «Сириус» запустит дистанционную платформу для обучения проектных команд, получивших космический набор SiriusSat-3U. Образовательная программа будет разделена на несколько треков, по итогам каждого школьникам предстоит выполнить практические задания. Самые успешные команды организаторы программы «Дежурный по планете» отметят призами, а лучшие решения молодых инженеров будут реализованы в реальных космических миссиях научно-образовательного проекта «Space π». Первые 3 спутника уже выведены на орбиту Земли в марте 2021 года. Еще 20 отправятся в космос этой осенью. А всего таких малых аппаратов будет 100.

Тестовые прошивки для всех систем идут в комплекте, написаны на Processing, либо ДРАКОН. Через предоставленную прошивку nrf_reciev_SD.ino для блока связи можно связать все модули и получать на SD-карту состояние всех систем.

Подключив Arduino Uno с радиомодулем к ПК и залив tonedemo_nrf.ino, можно общаться с радиомодулем спутника, например, запросить телеметрию. Так же у них в комлпекте идёт скрипт Sputnik_GUI.py, который даёт возможность вводить/выводить информацию через графический интерфейс. Общение с наземной станцией, по сути, происходит с помощью bitlash - шелл-скрипта для ардуино.

Таким образом, наземная станция - это Arduino Uno с модулем NRF24L01+ и соответствующей прошивкой. Процесс взаимодействия - отправка по Serial команд arduino, которая направляет их на такой же радиомодуль на спутник. На спутнике модули связаны шиной I2C. По сути все прошивки тестовые, и для нормальной работы нужно большую часть всего писать самомуСобственно, в прошивках происходит что-то непонятное, как минимум нет модульности. В итоге имеем целый переводчик в азбуку Морзе в системе электропитания.

Документация хорошая. В инструкции по сборке есть все принципиальные схемы, диаграммы и рисунки. В методических пособиях указано, как это всё прошить и вводят в Дружелюбный Русский Алгоритмический язык, Который Обеспечивает Наглядность/Надёжность (ЯП ДРАКОН), на котором написаны некоторые модули. Также на флешке есть видеозапии со сборкой спутника. Ещё в методических указаниях есть инструкции по проектированию в Компасе и набор задач, которые предлагается выполнить. К сожалению, задачи там не совсем прикладные, а скорее расчитаны на работу с модулями. Например, "Написать программу калибровки датчиков освещенности". А в последней задаче они предлагают бегать вокруг школы со спутником в руках и передавать телеметрию.

Скорее всего, основной вопрос, который появится у пользователя после сборки "а что, собственно, с этим всем делать?". В отличие от Орбикрафта, здесь не чувствуется собранность и органгизованность модели, то есть нельзя просто собрать и начать писать свою программу для полезной нагрузки, ибо сначала нужно как минимум написать/дописать прошивки остальных модулей, а как это сделать - не совсем ясно. Орбикрафт уже имеет в себе всё необходимое для управления модулями спутника, таким образом пользователю нужно думать только о задаче, которую он хочет реализовать. В СириусСате для модулей всё равно придётся писать свои прошивки, а потому нет ощущения, что можно просто кинуть это в космос и всё будет работать.

Габариты собранного конструктора 100х100х345 мм (без антенны); 250х100х345 мм (с развернутой антенной). Внутри имеется свободное пространство для размещения полезной нагрузки.
Материалы корпуса: дюралюминий Д16Т, нержавеющая сталь AISI304 и оргстекло.
Крепёжные элементы также сделаны из AISI304, детали - из пластика PLA.
Платы сделаны из текстолита, солнечные батареи на кремнии.
Аккумуляторы Li-ion ICR18650.
Электромагнитные катушки: медный провод 0,18 и 0,355 мм

По сути каждый блок - это просто микроконтроллер с обвязкой из нескольких модулей типа GPS или SD. Блок связи состоит из модуля NRF24L01+, антенна крепится снаружи. Все принципиальные схемы есть здесь. Питается спутник от блока четырёх аккумуляторов 2200 mAh, 3.7V, то есть 2 блока аккумуляторов по 7,4 В. Аккумуляторы включаются и заряжаются от солнечных батарей попеременно. Каждый модуль содержит USB-B для прошивки МК. Сами модули объединяются пинами через штырьевые разъемы. Радиоприёмники: Рабочая частота: 2400MГц ~ 2524MГц;
Модуляция: GMSK;
Максимальная мощность передачи: 20 ДБм., 50Ω;
Чувствительность приемника: 95 ДБм;
Напряжение питания: 2.7~3.6 В;
Потребление в режиме передачи max: 115 мА;
Потребление в режиме приема max: 45 мА.
Список всех электронных компонентов есть в паспорте на флешке.

Блок связи (БС). Нужен для связи с ПК, для чего содержит радиомодуль. Там же находятся модули SD и GPS
Блок управления системой ориентации и стабилизации (БУСОС). Содержит МК с IMU-модулем, который состоит из акселерометра и гироскопа. Также на плате расположен АЦП и разъемы для подключения солнечных панелей
Блок управления электроникой, механизмами и устройствами (БУЭМУ). Содержит драйверы питания, которые используются для включения/отключения других модулей
Система энергопитания (СЭП). СЭП регулирует всю цепь питания. На плате находятся разъемы для подключения к концевым кнопкам, блоку с аккумуляторами, блоку инерционной системы перемещения

В Методических указаниях лежат документы с основной инфой о спутнике, методах прошивки и т.д. В Инструкциях - инструкции по сборке. В Программном обеспечении - прошивки. Там лежат как прошивки внутренних модулей, так и наземной станции, а также они великодушно положили в комплект Калькулятор системы разгрузки маховиков с необычайно красивым дизайном

Описание прошивок

Cs_bc
Ничего не написано об этой прошивке, но судя по всему, инициализирует радиомодуль, GPS, опрашивает моторы БУЭМУ по I2C и шлёт это, в конце отправяя 999999.99
CS_BUEMU
Управляет драйверами моторов и электромагнитных катушек. Судя по всему, просто крутит мотором в цикле
Cs_busos
Получение информации от фотодатчиков солнечных панелей БУСОС осуществляет через драйвер АЦП, управляемый с помощью SPI. Модуль IMU, предоставляющий данные об ускорениях, положении и параметрах магнитного поля, обменивается информацией с платой по протоколу i2c. Данная прошивка инициализирует АЦП, I2C, SPI, GPS, IMU, моторы (моторами может управлять как БУСОС, так и БУЭМУ) и пишет логи в сериал.
CS_SEP
Тестовая прошивка СЭП. После запуска на плате СЭП загруженной программы в порт монитора будет выводиться информация о состоянии двух пусковых кнопок. Размыкание их приведет к активации линий питания остальных блоков.
GPS_test
Тест GPS для блока БС
nrf_listen_air
Тест наземной станции, слушает всё вокруг и выводит инфу
nrf_reciev_SD
Тест модуля SD для БС
tonedemo_i2c
Можно использовать как тестер блока. Шьётся в наземную станцию, а дальше по I2C подключается к блокам спутника. Общение идёт с помощью bitlash
tonedemo_nrf
Аналогично предыдущему, но можно вести радиообмен. То есть можно отправлять радиозапросы на телеметрию и принимать радиоданные
NRF_RX
Ничего про эту прошивку не нашёл, но видимо это наземная станция для теста БС с прошивкой Cs_bc, ибо слушает всё подряд и ждёт 999999.99 как конец передачи

Почти у всех прошивок назначены прерывания на I2C, так что по идее если все CS_* прошивки залить в соответствующие модули, то по общей I2C шине можно обращаться к любому блоку.

Первыми его получат победители конкурса «Открытый космос» программы «Дежурный по планете».

«Набор включает все необходимое для того, чтобы собрать собственный спутник, – рассказывает руководитель лаборатории «Космические системы и дистанционное зондирование Земли» Фонда «Талант и успех» Иван Шеков. – Это будет учебная модель для наземных экспериментов. Их проводят, чтобы создать аппараты, готовые для вывода на орбиту. Школьники научатся собирать, программировать и управлять малыми космическими аппаратами, смогут лучше изучить многие направления инженерии, методы проектирования деталей и электрических схем наноспутников. На практике попробуют себя в роли сотрудников конструкторских бюро».

Корпусные детали конструктора сделаны из того же алюминия, как и детали действующих спутников. Платы и электронные компоненты изготовили российские производители высокоточной электроники.

«В системе учебной модели предусмотрена возможность подключения дополнительного оборудования, различных датчиков, плат, поэтому у ребят невероятный простор для экспериментов, они могут реализовать практически любую свою задумку и протестировать ее», – поясняет Иван Шеков.

Весной 2021 года «Сириус» получил лицензию Роскосмоса на космическую деятельность, подтвердив право разрабатывать и испытывать автоматические космические аппараты и электронику для них. Два первых школьных наноспутника SiriusSat-1 и SiriusSat-2, созданных участниками программ Образовательного центра, были на орбите Земли 2,5 года, аппараты исследовали космическую погоду. Этой весной новый спутник воспитанников «Сириуса» отправлен в космос. Еще один космический аппарат формата CubeSat-3U, разработанный учениками профильных классов, прошел первые испытания. В сентябре «Сириус» запустит дистанционную платформу для обучения проектных команд, получивших космический набор SiriusSat-3U. Образовательная программа будет разделена на несколько треков, по итогам каждого школьникам предстоит выполнить практические задания. Самые успешные команды организаторы программы «Дежурный по планете» отметят призами, а лучшие решения молодых инженеров будут реализованы в реальных космических миссиях научно-образовательного проекта «Space π». Первые 3 спутника уже выведены на орбиту Земли в марте 2021 года. Еще 20 отправятся в космос этой осенью. А всего таких малых аппаратов будет 100.

Читайте также: