W nocy z 17 na 18 stycznia 2022 w ziemskiej atmosferze spłonął satelita badawczy KRAKsat. W ten sposób zakończyła się trzydziestomiesięczna misja urządzenia zbudowanego przez studentów Akademii Górniczo-Hutniczej i Uniwersytetu Jagiellońskiego. I chociaż głównych założeń misji nigdy nie udało się spełnić, to projekt wciąż jest sporym zastrzykiem wiedzy i doświadczenia dla całego zespołu, który nad nim pracował.

Żeby z powodzeniem kontrolować swoją orientację w przestrzeni kosmicznej, mikrosatelity muszą obecnie korzystać z mechanicznych kół zamachowych. W ten sposób mogą odpowiednio pozycjonować się względem Słońca i Ziemi, by np. pozyskiwać energię słoneczną, sfotografować wyznaczone cele, bądź też komunikować się ze stacją naziemną. Takie systemy jednak bywają zawodne, gdyż zbudowane są z ruchomych części, które łatwo mogą ulec awarii np. poprzez zatarcie.

Tu z pomocą chciał przyjść polski zespół, który planował przetestować, czy możliwe mogło być wykorzystanie jako koła zamachowego ferrofluidu, czyli ciekłej substancji silnie oddziaływującej z polem magnetycznym. Osiem cewek miałoby na przemian włączać się i wyłączać w celu wprawienia ferrofluidu w ruch i tak wytwarzana fala teoretycznie powinna zacząć obracać znajdującym się w mikrograwitacji satelitą.

Gdyby ta technologia się sprawdziła, mogłaby stanowić niemałą rewolucją w dziedzinie budowy mikrosatelitów. Rozwiązanie z wykorzystaniem ferrofluidów byłoby bowiem tańsze i prostsze w budowie niż obecnie wykorzystywane mechanizmy, nie mówiąc już o większej niezawodności tego pomysłu.

Mając już obrany cel, 15-osobowa ekipa studentów zabrała się do działania. Zbudowanie KRAKsata zajęło im łącznie 22 miesiące, a efektem tych prac był CubeSat w standardzie 1U, czyli sześcienne urządzenie o boku 10 cm i całkowitej wadze około 1.3 kilograma. Wewnątrz CubeSata zaś znajdowało się ferrofluidowe koło zamachowe zbudowane ze 8 cewek i zaledwie 12 ml cieczy magnetycznej.

KRAKsat został wyniesiony w kosmos 17 kwietnia 2019 roku z ośrodka Wallops Flight Facility w amerykańskiej Wirginii. Stało się to na pokładzie rakiety Antares 230, która miała dostarczyć towarowy statek Cygnus do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Polski satelita był jednym z ładunków znajdujących się wewnątrz tego statku. Odkąd dwa dni później Cygnus zacumował do ISS, KRAKsat spokojnie oczekiwał na wypuszczenie go w kosmos.

Nastąpiło to dwa miesiące później, a dokładniej mówiąc 3 lipca 2019 roku o 13:50. Wtedy to KRAKsat oraz inny polski satelita, Światowid, zostały wystrzelone w kosmos z pokładu japońskiego modułu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. I tak naprawdę od tego momentu zaczęły się problemy.

Bardzo długo nie udawało się skomunikować z satelitą. Stało się to dopiero prawie dwa tygodnie później, 16 lipca, kiedy odebrano pierwszą wiadomość za pomocą SatNOGS, czyli sieci amatorskich naziemnych stacji satelitarnych. Informacje, które wtedy odczytano, wskazywały, że nastąpił jakiś przejściowy problem z systemem zasilania, który uniemożliwił poprawne włączenie się urządzenia. Bateria była bowiem w pełni naładowana, a komputer pokładowy nie był uruchamiany od dnia zakończenia składania satelity. Na całe szczęście układ zasilania się odblokował i twórcy KRAKsata mogli w końcu odczytać informacje o stanie poszczególnych modułów satelity. I niestety, nie znaleźli tam dobrych informacji.

Jak się okazało, KRAKsat pobierał więcej energii, niż jego panele słoneczne były w stanie dostarczyć. W efekcie bilans energetyczny urządzenia był ujemny i jego bateria powoli się rozładowywała. Nie pomagało nawet wyłączenie wszystkich podsystemów satelity – napięcie zasilania wciąż spadało. W końcu, 30 lipca napięcie spadło poniżej granicznego poziomu i satelita wyłączył się całkowicie. Wtedy też satelita zaczął w końcu się ładować, napięcie chwilowo podskoczyło i w rezultacie urządzenie zostało natychmiast uruchomione.

Niestety w oprogramowaniu modułu zasilania satelity nie zaimplementowano tzw. histerezy, czyli w tym kontekście odstępu między wartością napięcia, która wyłącza urządzenie, a wartością, która pozwala mu na ponowne włączenie się. Wskutek tego wystarczyło delikatne podładowanie baterii, by urządzenie mogło uruchomić się, w mgnieniu oka zużyć cały zapas energii na wybudzanie wszystkich swoich podsystemów i ponowne wyłączyć się z powodu niskiego napięcia. Innymi słowy, układ zasilania nie pozwalał baterii spokojnie się naładować, tylko natychmiast włączał urządzenie przy minimalnym dopuszczalnym napięciu. Efektem tego była niekończąca się pętla restartów, w którą wpadał satelita, gdy tylko jego panele były oświetlone światłem słonecznym. Około 150 restartów na każdą trwającą 90 minut orbitę wokół Ziemi.

Oczywiście mimo skrajnie niekorzystnej sytuacji twórcy KRAKsata cały czas próbowali odzyskać kontrolę nad satelitą. Niestety bardzo krótki okres działania urządzenia oraz popełnione błędy w architekturze oprogramowania nie pozwalały na szybkie zdiagnozowanie źródła problemu z zasilaniem. Każda próba wysłania komendy do satelity doprowadzała do jego przyśpieszonego restartu. Na tym etapie udało się jedynie przekonfigurować częstotliwość nadawania satelity tak, by nie wchodził on w interferencję z nadajnikami Światowida i raz udało się odebrać informację o stanie zasilania jednego z radiów.

Sytuacja delikatnie poprawiła się 19 sierpnia, kiedy przestało działać główne radio satelity. Dzięki mniejszemu zapotrzebowaniu energetycznemu KRAKsat restartował się rzadziej i kontrolerom udawało się przeprowadzić krótkie sesje komunikacyjne. Dwa razy podjęto próbę wyłączenia wszystkich podsystemów satelity, by wydłużyć jego okres działania, ale odstęp między kolejnymi restartami nigdy nie przekroczył godziny. Później zaś, od 23 sierpnia, główne radio zaczęło ponownie działać i satelita wrócić do regularnych 150 restartów na każdą 90 minut lotu.

Jeśli chodzi o główny cel misji, to eksperyment z ferrofluidowym kołem zamachowym aktywował się po każdym restarcie satelity, ale niestety przez rozmaite błędy w oprogramowaniu nie udało się ani razu pobrać wyników badania. Kiedy satelita jeszcze miał naładowaną baterię, na drodze stanął problem z czyszczeniem pamięci pokładowej. Kiedy problem już rozwiązano, było za późno na pobranie wyników, bo satelita zaczął się w kółko restartować. W okresie awarii głównego radia pobranie wyników byłoby zaś możliwe, gdyby nie fakt, że oprogramowanie zapasowego radia nie miało możliwości odczytu zawartości karty pamięci.

Jak widać twórcy KRAKsata nie mieli łatwego życia ze swoim mikrosatelitą. Na drodze do zebrania wyników eksperymentu stanęły problemy, których nie udało się w porę rozwiązać. Projekt nie przewidywał też, że moc dostarczana przez panele słoneczne może być mniejsza, niż zakładano. Dalszymi kłodami rzucanymi pod nogi były również liczne błędy i ograniczenia w oprogramowaniu. Z najważniejszych warto tu np. wspomnieć o braku możliwości aktualizacji oprogramowania satelity oraz braku opcji wybrania, które podsystemy mają się uruchamiać po włączeniu urządzenia. Zmiana tego ostatniego mogłaby teoretycznie zapobiec ciągłym restartom obiektu.

O wszystkich tych i innych błędach zespół KRAKsat pisze w swoim podsumowaniu projektu, które podlinkowane jest na dole tego newsa. I być może ta szczególna misja nie była sukcesem, ale na pewno pomogła polskim studentom wiele się nauczyć i zdobyć niezastąpione doświadczenie. Może także być przykładem dla innych przyszłych projektów, jakich błędów nie należy popełniać i na co zwracać uwagę budując swojego CubeSata.

A KRAKsat? Zanim spłonął w atmosferze, zasłynął wśród radioamatorów z tego, że po każdym ponownym uruchomieniu nadawał informację zawierającą licznik restartów. W ten sposób wiemy, że w nocy 10 grudnia 2020 roku ten mały satelita włączył się po raz milionowy, a łącznie w ciągu całego swojego życia zrobił to aż 1,713,728 razy.

https://www.kraksat.pl/space/
https://www.researchgate.net/publication/337562083_Analiza_bledow_misji_KRAKsat_PL