キューブサット
Ncube-2、ノルウェーのキューブサット（10cm（3.9インチ）立方体）

キューブサットは、10cm（3.9インチ）立方体のフォームファクターを持つ小型衛星の一種です。 [ 1 ]キューブサットの質量は1ユニットあたり2kg（4.4ポンド）以下で、[ 2 ]電子機器や構造には市販の部品（COTS）が使用されることがよくあります。キューブサットは国際宇宙ステーションから軌道上に展開されるか、打ち上げ機の二次ペイロードとして打ち上げられます。[ 3 ] 2023年12月現在、2,300機以上のキューブサットが打ち上げられています。[ 4 ]

1999年、カリフォルニア州立工科大学（Cal Poly）のジョルディ・プッチ＝スアリ教授とスタンフォード大学宇宙システム開発研究所のボブ・トゥイッグス教授は、科学研究や新しい宇宙技術の探究を目的とした低軌道（LEO）向け小型衛星の設計、製造、試験に必要な技術の促進と開発を目的として、CubeSatの仕様を策定した。2013年まではCubeSatの打ち上げの大部分は学術機関によるものであったが、2013年には打ち上げの半数以上が非学術目的となり、2014年には新たに配備されたCubeSatのほとんどが商業またはアマチュアプロジェクト向けとなった。[ 3 ]

2024年12月時点での年間打ち上げキューブサット[ 5 ]

機能には通常、小型化できる実験や、地球観測やアマチュア無線などの目的に使用できる実験が含まれます。CubeSatは、小型衛星向けの宇宙船技術や、実現可能性に疑問があり、大型衛星のコストを正当化できない宇宙船技術を実証するために使用されます。基礎理論が証明されていない科学実験も、低コストで高いリスクを正当化できるため、CubeSatに搭載されることがあります。生物学研究ペイロードはいくつかのミッションで打ち上げられており、さらに計画されています。[ 6 ]月やそれ以降のいくつかのミッションでは、CubeSatを使用する予定です。[ 7 ]深宇宙に初めて打ち上げられたCubeSatは、 MarCOミッションで打ち上げられ、2018年5月に成功したInSightミッションと並行して、2機のCubeSatが火星に向けて打ち上げられました。[ 8 ]

キューブサットの中には、大学、国営企業、民間企業によって打ち上げられた、各国初の衛星となったものもあります。検索可能なナノサテライト・キューブサットデータベースには、 1998年以降に打ち上げられた、または打ち上げが予定されている4,000機以上のキューブサットが掲載されています。[ 4 ]

歴史

1Uキューブサット

カリフォルニア州立工科大学のジョルディ・プイグ＝スアリ教授とスタンフォード大学のボブ・トゥイッグス教授は、大学院生が最初の宇宙船スプートニクと同様の機能を持つ宇宙船を設計、構築、試験、運用できるようにすることを目的に、1999年にキューブサットのリファレンスデザインを提案しました[ 9 ] [10]。キューブサットは、当初提案されたように、標準となることを目指したものではなく、むしろ、出現のプロセスによって時間の経過とともに標準となりました。最初のキューブサットは2003年6月にロシアのユーロコットで打ち上げられ、2012年までに約75機のキューブサットが軌道に乗りました[ 11 ]

このような小型衛星の必要性は、スタンフォード大学宇宙システム開発研究所（SSDL）での研究成果として、1998年に明らかになった。SSDLでは、学生たちが1995年からOPAL（Orbiting Picosatellite Automatic Launcher：軌道型ピコ衛星自動発射装置）超小型衛星の開発に取り組んでいた。OPALの娘宇宙船「ピコ衛星」の打ち上げミッションは、「絶望的に複雑」で「ほとんどの場合」しか動作しない発射システムの開発につながった。プロジェクトの遅延が深刻化する中、トゥイッグスはDARPA（国防高等研究計画局）の資金援助を求め、打ち上げ機構をシンプルなプッシャープレート方式に再設計し、衛星をバネ式の扉で固定する方式とした。[ 10 ] : 151–157

OPALで経験した開発サイクルを短縮したいと考え、OPALが搭載した小型衛星にヒントを得て、トゥイッグスは「実用的な衛星でありながら、どの程度サイズを縮小できるか」を模索し始めた。OPALの小型衛星は10.1cm × 7.6cm × 2.5cm（4インチ × 3インチ × 1インチ）であり、宇宙船のすべての面を太陽電池で覆うには適さないサイズであった。店頭でビーニーベイビーズを陳列するのに使用される4インチ（10cm）立方体のプラスチック箱にヒントを得て、[ 6 ]トゥイッグスは新しいCubeSatのコンセプトのガイドラインとして、まずより大きな10cm立方体を選んだ。新しい衛星用の発射装置のモデルは、改良型OPAL発射装置で使用されていたのと同じプッシャープレートのコンセプトを用いて開発された。トゥイッグスは1999年の夏にプッチ＝スアリにこのアイデアを提示し、その後1999年11月に日米科学技術宇宙応用計画（JUSTSAP）会議で発表した。[ 10 ]：157–159

「キューブサット」という用語は、キューブサット設計仕様書に記載された基準に準拠したナノ衛星を指すために造語された。カリフォルニア州立工科大学（Cal Poly）は、航空宇宙工学教授ジョルディ・プイグ＝スアリ氏の主導のもと、この基準を公表した。 [ 12 ]スタンフォード大学航空宇宙学部のボブ・トゥイッグス氏は、現在ケンタッキー州モアヘッド州立大学の宇宙科学教授であり、キューブサットコミュニティに貢献してきた。 [ 13 ]彼の研究は、教育機関のキューブサットに焦点を当てている。[ 14 ]この仕様は、キューブサットよりわずかに大きいNASAの「MEPSI」ナノ衛星など、他の立方体型ナノ衛星には適用されない。GeneSat-1は、NASAが同サイズの衛星で行った初の完全自動化・自己完結型生物宇宙飛行実験であり、米国で初めて打ち上げられたキューブサットでもある。 NASAエイムズ研究所のジョン・ハインズが率いたこの研究は、NASAキューブサット計画全体のきっかけとなった。[ 15 ]

2017年、この標準化の取り組みは、国際標準化機構（ ISO）によるISO 17770:2017の発行につながりました。[ 16 ]この規格は、CubeSatの物理的、機械的、電気的、および運用上の要件を含む仕様を定義しています。[ 17 ]また、CubeSatと打ち上げ機間のインターフェースの仕様も規定しており、打ち上げ中および打ち上げ後の環境条件に耐えるために必要な能力が列挙されているほか、衛星を放出するために使用される標準的な展開インターフェースが説明されています。多数の宇宙船で共有される規格の開発は、CubeSatミッションの開発期間とコストの大幅な削減に貢献します。

設計

キューブサットの仕様は、いくつかの高レベルの目標を達成します。衛星を小型化する主な理由は、展開コストを削減することです。大型打ち上げ機の余剰容量を利用して、衛星を複数打ち上げるのに適している場合が多いからです。キューブサットの設計は、特に打ち上げ機の残りの部分とペイロードへのリスクを最小限に抑えます。ランチャーとペイロードのインターフェースをカプセル化することで、以前はピギーバック衛星とランチャーを結合するために必要だった作業量を削減できます。ペイロードとランチャーの統合により、ペイロードの迅速な交換と、短い通知での打ち上げ機会の活用が可能になります

標準的なキューブサットは、10 cm × 10 cm × 11.35 cm (3.94 インチ × 3.94 インチ × 4.47 インチ) のユニットで構成され、10 cm × 10 cm × 10 cm (3.9 インチ × 3.9 インチ × 3.9 インチ) または 1 L (0.22 英ガロン、0.26 米ガロン) の有効容積を提供するように設計されており、各ユニットの重量は 2 kg (4.4 ポンド) 以下です。[ 2 ]最小の標準サイズは 1U で、単一のユニットで構成されていますが、最も一般的なフォーム ファクターは 3U で、これまでに打ち上げられたすべてのナノ衛星の 40% 以上を占めています。[ 18 ] [ 19 ] 6U や 12U などのより大きなフォーム ファクターは、3U を並べて積み重ねたものです。[ 2 ] 2014年には、当時最大規模であった6UサイズのペルセウスMキューブサット2機が海洋監視用に打ち上げられた。2018年の火星キューブワン（MarCO）ミッションでは、6Uサイズのキューブサット2機が火星に向けて打ち上げられた。[ 20 ] [ 21 ]

より小型で非標準的なフォームファクタも存在します。エアロスペースコーポレーションは、放射線測定と技術実証のために0.5Uの小型キューブサット2機を建造・打ち上げました。[ 22 ]一方、スウォームテクノロジーズは、IoT通信サービスのために100機以上の0.25Uキューブサットの衛星群を建造・展開しました。[ 23 ] [ 24 ]

CubeSatのシャーシを持つ科学者

ほぼすべてのCubeSatは10cm×10cm（3.9インチ×3.9インチ）（長さに関係なく）であるため、Cal Polyによって開発および構築されたPoly-PicoSatellite Orbital Deployer（P-POD）と呼ばれる共通の展開システムを使用して打ち上げおよび展開することができます。[ 25 ]

CubeSat設計仕様では、電子機器のフォームファクタや通信プロトコルは規定または要求されていないが、COTSハードウェアは、多くの人がCubeSat電子機器の標準として扱う特定の機能を一貫して使用してきた。ほとんどのCOTSおよびカスタム設計された電子機器は、 CubeSat用に設計されたものではないが、宇宙船の容積の大部分を占めることができる90 mm × 96 mm（3.5インチ × 3.8インチ）のプロファイルを備えたPC/104形式に適合している。技術的には、PCI-104形式は使用されているPC/104の変種であり[ 26 ]、実際に使用されるピン配置はPCI-104標準で指定されたピン配置を反映していない。ボード上のスタックスルーコネクタにより、組み立てと電気的なインタフェースが簡単になり、CubeSat電子機器ハードウェアのほとんどのメーカーは同じ信号配置を維持しているが、そうでない製品もあるため、損傷を防ぐために一貫した信号と電源の配置を確保するように注意する必要がある[ 27 ] 。

電子機器の選択には注意が必要で、機器が存在する放射線に耐えられることを確認する必要がある。数日または数週間で大気圏に再突入するような超低軌道（LEO）では、放射線はほぼ無視でき、標準的な民生用電子機器を使用できる。シングルイベントアップセット（SEU）の可能性は非常に低いため、民生用電子機器はその期間中はLEOの放射線に耐えることができる。数ヶ月または数年にわたって低軌道を周回する宇宙船は危険にさらされるため、放射線環境下で設計・試験されたハードウェアのみを飛行させる。低軌道を超えるミッションや、低軌道に何年も留まるミッションでは、耐放射線性を備えた機器を使用しなければならない。[ 28 ]昇華、ガス放出、金属ウィスカーの影響によりミッションが失敗する可能性があるため、高真空での動作についてはさらに考慮する必要がある。[ 29 ]

構造

結合されたユニットの数によってキューブサットのサイズが分類され、キューブサット設計仕様によると、0.5U、1U、1.5U、2U、または3Uの形状に合わせて1つの軸に沿ってのみ拡張可能です。すべての標準サイズのキューブサットが製造され、打ち上げられており、2015年時点で打ち上げられたほぼすべてのキューブサットのフォームファクターを表しています。 [ 30 ]構造に使用される材料は、ジャミングを防ぐために、展開装置と同じ熱膨張係数を持つ必要があります。具体的には、許可されている材料は、7075、6061、5005、および5052の4つのアルミニウム合金です。P - PODと接触する構造に使用されるアルミニウムは、冷間圧接を防ぐために陽極酸化処理する必要があり、免除が得られれば他の材料を構造に使用できます。[ 19 ]冷間圧接に加えて、すべての材料が真空で使用できるわけではないため、材料の選択にはさらなる考慮が払われます構造の両端には、通常ゴム製の柔らかいダンパーが備えられており、P-POD 内の他の CubeSat への衝突の影響を軽減します。

最大寸法を超える突出は標準仕様で許可されており、各側面から最大 6.5 mm (0.26 インチ) までです。突出部分は展開レールに干渉してはならず、通常はアンテナと太陽電池パネルが占めます。CubeSat 設計仕様の改訂 13 では、3U プロジェクトで使用するために追加の使用可能容積が定義されました。この追加容積は、通常 P-POD Mk III のスプリング機構で無駄になっているスペースによって可能になりました。このスペースを利用する 3U CubeSat は 3U+ と指定され、CubeSat の一端を中心とした円筒形の容積にコンポーネントを配置できます。この円筒形の空間は最大直径 6.4 cm (2.5 インチ)、高さは 3.6 cm (1.4 インチ) 以下ですが、3U の最大値 4 kg (8.8 ポンド) を超える質量の増加は許容されません。追加容積を必要とする可能性のある最も一般的なコンポーネントは推進システムとアンテナですが、ペイロードがこの容積内にまで及ぶこともあります。寸法と質量の要件からの逸脱は、打ち上げサービスプロバイダーへの申請と交渉によって免除される可能性がある。[ 19 ]

CubeSatの構造は、打ち上げ時に展開装置によって構造的に支えられるという利点があるため、大型衛星のような強度上の懸念は全くない。[ 31 ]それでも、一部のCubeSatは、 P-PODで支えられていない部品が打ち上げ中に構造的に健全な状態を保つことを確認するために、振動解析や構造解析を受ける。[ 32 ]大型衛星のように解析を受けることは稀であるにもかかわらず、CubeSatが機械的な問題で故障することはめったにない。[ 33 ]

コンピューティング

大型の衛星と同様に、CubeSat には姿勢制御(向き)、電力管理、ペイロード操作、および主要な制御タスクなど、異なるタスクを並行して処理する複数のコンピュータが搭載されていることがよくあります。 COTS 姿勢制御システムには、通常、電力管理システムと同様に専用のコンピュータが含まれています。 ペイロードが有用であるためには、プライマリ コンピュータとインターフェイスできる必要があり、そのためには別の小型コンピュータの使用が必要になる場合があります。 これは、限られた通信プロトコルでペイロードを制御するプライマリ コンピュータの能力に制限があるため、生データの処理でプライマリ コンピュータが過負荷になるのを防ぐため、または通信など、宇宙船の他のコンピューティング ニーズによってペイロードの操作が中断されないようにするためです。 それでも、プライマリ コンピュータは、画像処理、データ分析、およびデータ圧縮などのペイロード関連のタスクに使用される場合があります。 プライマリ コンピュータが通常処理するタスクには、他のコンピュータへのタスクの委任、姿勢制御、軌道操作の計算、スケジュール設定、および能動熱制御コンポーネントの起動などがあります。 CubeSatのコンピュータは放射線の影響を非常に受けやすいため、製造業者は宇宙空間の高放射線環境下でも正常に動作するように特別な対策を講じます。例えば、ECC RAMの使用などが挙げられます。一部の衛星では、複数の主要コンピュータを搭載することで冗長性を確保しています。これは、重要なミッションにおいてミッション失敗のリスクを軽減するために実施される可能性があります。NASAのPhoneSatなど、一部のCubeSatでは、一般消費者向けスマートフォンがコンピューティングに使用されています。

姿勢制御

地球近傍小惑星スカウト構想：制御可能なソーラーセイルキューブサット

CubeSatの姿勢制御（方向付け）は、大幅な性能低下を伴わない小型化技術に依存しています。CubeSatが展開されるとすぐに、非対称な展開力や他のCubeSatとの衝突により、タンブル現象が通常発生します。一部のCubeSatはタンブル中でも正常に動作しますが、特定の方向を向く必要がある場合や、回転中に安全に動作できない場合は、タンブルを解除する必要があります。姿勢決定および制御を実行するシステムには、リアクションホイール、磁気トルカ、スラスタ、スタートラッカー、太陽センサー、地球センサー、角速度センサー、GPS受信機およびアンテナなどがあります。これらのシステムの組み合わせは、通常、各方法の利点を生かし、欠点を軽減するために用いられます。リアクションホイールは、与えられたエネルギー入力に対して比較的大きなモーメントを与えることができるため、一般的に利用されていますが、ホイールがそれ以上速く回転できなくなる飽和点のために、リアクションホイールの有用性は制限されます。 CubeSatのリアクションホイールの例としては、メリーランドエアロスペース社のMAI-101 [ 34 ]やシンクレアインタープラネタリー社のRW-0.03-4 [ 35 ]などがある。リアクションホイールは、スラスタや磁気トルカーを使用することで脱飽和させることができる。スラスタは宇宙船にカップルを与えることで大きなモーメントを提供できるが、小型推進システムの非効率性によりスラスタの燃料がすぐに枯渇する。ほぼ全てのCubeSatに共通して見られるのは磁気トルカーで、コイルに電流を流して地球の磁場を利用して回転モーメントを生み出す。姿勢制御モジュールと太陽電池パネルには通常、磁気トルカーが組み込まれている。デタンブルのみが必要なCubeSatの場合、角速度センサーや電子ジャイロスコープ以上の姿勢決定方法は必要ありません。

地球観測、軌道操作、太陽エネルギーの最大化、および一部の科学機器では、特定の方向を向くことが必要である。方向の指向精度は、地球とその地平線、太陽、または特定の恒星を感知することによって達成できる。シンクレア・インタープラネタリー社のSS-411太陽センサー[ 36 ]とST-16スタートラッカー[ 37 ]はどちらもCubeSatに応用でき、飛行実績がある。パンプキン社のコロニーIバスは、受動的な姿勢安定化のために空力翼を使用している。[ 38 ] CubeSatの位置の決定は、CubeSatにとっては比較的高価な搭載型GPSを使用するか、地球ベースの追跡システムからレーダー追跡データを宇宙船に中継することによって行うことができる。

推進

CubeSatの推進力は、冷ガス、化学推進、電気推進、ソーラーセイルの分野で急速に進歩してきました。CubeSatの推進力における最大の課題は、重要な機能を提供しながら、打ち上げ機とその主要ペイロードへのリスクを防ぐことです。 [ 39 ]大型衛星で一般的に使用されるコンポーネントと方法は禁止または制限されており、CubeSat設計仕様（CDS）では、1.2 atm（120 kPa）を超える加圧、100 Whを超える貯蔵化学エネルギー、および危険物質の免除が求められています。[ 19 ]これらの制限は、一般的な宇宙推進システムが高圧、高エネルギー密度、および危険物質の組み合わせを利用するため、CubeSatの推進システムにとって大きな課題となります。打ち上げサービスプロバイダーによって設定された制限に加えて、さまざまな技術的課題がCubeSatの推進力の有用性をさらに低下させています。ジンバル推力は、ジンバル機構の複雑さのため、小型エンジンでは使用できません。代わりに、複数ノズルの推進システムで非対称に推力をかけるか、アクチュエータ付きのコンポーネントを使用してCubeSatの形状に対する質量の中心を変更することで、推力の偏向を実現する必要があります。[ 40 ]小型モーターでは、ランデブーなどの精密操作に重要な、最大推力よりも小さい推力を可能にするスロットリング方式を使用する余地がありません。[ 41 ]長寿命が求められるCubeSatも、推進システムの恩恵を受けます。軌道維持に使用すると、推進システムは軌道の減衰を遅らせることができます。

コールドガススラスタ

コールドガススラスタは通常、加圧タンクに窒素などの不活性ガスを貯蔵し、ノズルからガスを放出して推力を発生させます。ほとんどのシステムでは単一のバルブで操作されるため、コールドガスは最も単純で有用な推進技術となっています。[ 42 ]コールドガス推進システムは、使用するガスが揮発性や腐食性である必要がないため非常に安全ですが、一部のシステムでは二酸化硫黄などの危険なガスを使用しています。[ 43 ]不活性ガスを使用できることは、通常危険物が制限されているCubeSatにとって非常に有利です。不活性ガスを使用した場合、低い性能しか達成できず、[ 42 ]低質量のCubeSatでも高インパルス操作を行うことができません。この低い性能のため、CubeSatでの主推進用としての使用は制限されており、設計者は複雑さがわずかに増加するだけでより効率の高いシステムを選択します。コールドガスシステムは、CubeSatの姿勢制御でより頻繁に使用されています。

化学推進

化学推進システムは化学反応を利用して高圧高温のガスを発生させ、ノズルから加速して噴出させる。化学推進剤は液体、固体、またはその両方のハイブリッドである。液体推進剤は、触媒を通した一元推進剤、または酸化剤と燃料を燃焼させる二元推進剤である。一元推進剤の利点は、比較的複雑さが低く推力出力が高く、電力要件が低く、信頼性が高いことである。一元推進剤モーターは比較的単純でありながら高い推力を発揮する傾向があり、信頼性も高い。これらのモーターは電力要件が低く、単純であるために非常に小型化できるため、CubeSatには実用的である。小型のヒドラジン燃料モーターが開発されているが[ 44 ]、CubeSat設計仕様で定められた危険な化学物質の制限により、飛行に免除が必要になる可能性がある。[ 19 ]有害化学物質の免除を必要としない、より安全な化学推進剤が開発されており、例えばAF-M315（硝酸ヒドロキシアンモニウム）用のモーターが設計されているか、すでに設計されている。[ 44 ] [ 45 ]「水電気分解スラスタ」は技術的には化学推進システムであり、軌道上で水を電気分解して生成した水素と酸素を燃焼させる。[ 46 ]

電気推進

Busek BIT-3グリッドイオンスラスタは、Lunar IceCube 6Uキューブサットの推進に使用されます

CubeSatの電気推進は、通常、電気エネルギーを使用して推進剤を高速に加速し、高い比推力を実現します。これらの技術の多くは、ナノ衛星で使用できるほど小型化でき、いくつかの方法が開発中です。現在CubeSatでの使用のために設計されている電気推進の種類には、ホール効果スラスタ[ 47 ] 、 [ 48 ] 、イオンスラスタ[ 48 ] 、パルスプラズマスラスタ[ 49 ] 、[エレクトロスプレースラスタ] 、[ 50 ]、レジストジェット[ 51 ]などがあります。NASAのLunar IceCubeなど、いくつかの注目すべきCubeSatミッションは電気推進の使用を計画しています。[ 52 ]電気推進に関連する高効率により、CubeSatは火星まで自力で進むことができる可能性があります。[ 53 ]電気推進システムは電力消費量に不利な点があり、CubeSatにはより大きな太陽電池、より複雑な電力分配、そして多くの場合より大きなバッテリーが必要になります。さらに、多くの電気推進方式では、推進剤を貯蔵するための加圧タンクが必要になる場合があり、これはCubeSatの設計仕様によって制限されています。

ESTCube -1は、固体ではなく電磁場を利用して帆として機能する電気太陽風セイルを採用しました。この技術は、電界を利用して太陽風から陽子を偏向させ、推進力を生み出します。これは、探査機が動作するために電力を供給するだけで済むという点で、 電気力学的テザーに似ています。

ソーラーセイル

ソーラーセイル （光帆または光子帆とも呼ばれる）は、 恒星からの放射圧 （太陽圧とも呼ばれる）を利用して大型の超薄型ミラーを高速で推進する宇宙船の推進方式であり、推進剤を必要としません。ソーラーセイルからの力はセイルの面積に比例するため、質量が小さいため、一定のソーラーセイル面積に対してより大きな加速が得られるため、キューブサットでの使用に適しています。しかし、ソーラーセイルは衛星に比べてかなり大きくする必要があり、有効なソーラーセイルを展開する必要があり、機械的な複雑さが増し、故障の原因となる可能性があります。この推進方法は、高圧、危険物質、または多大な化学エネルギーを必要としないため、キューブサット設計仕様で定められた制約に悩まされない唯一の方法です。2010年に打ち上げられた3U NanoSail -D2や、2015年5月に打ち上げられたLightSail-1など、少数のキューブサットが、深宇宙における主な推進力と安定性のためにソーラーセイルを採用しています。

ライトセイル2号は2019年にファルコン・ヘビーロケットで正常に展開されたが[ 54 ] [ 55 ]、スペース・ローンチ・システムの最初の飛行（アルテミス1号）で2022年11月に打ち上げられる予定だったキューブサットの1つは、ソーラーセイルを使用する予定だった。地球近傍小惑星スカウト（NEAスカウト）である[ 56 ] 。キューブサットは2日以内に通信が確立されなかったため、失われたと宣言された。[ 57 ]

電力

ウィングレットソーラーパネルは発電のための表面積を増加させます。

キューブサットは太陽電池を使用して太陽光を電気に変換し、充電式リチウムイオンバッテリーに蓄えます。このバッテリーは、日食時だけでなくピーク負荷時にも電力を供給します。[ 58 ]これらの衛星は、太陽電池を組み立てるための外壁の表面積が限られているため、アンテナ、光学センサー、カメラレンズ、推進システム、アクセスポートなどの他の部品と効果的に共有する必要があります。リチウムイオンバッテリーはエネルギー質量比が高いため、質量制限のある宇宙船での使用に適しています。バッテリーの充電と放電は通常、専用の電力システム（EPS）によって処理されます。バッテリーにはヒーターが搭載されている場合があります[ 59 ]。これは、バッテリーが危険な低温に達して劣化やミッションの失敗を引き起こすのを防ぐためです。[ 60 ]

バッテリーの劣化速度は、充放電サイクル数と放電深度に依存します。平均放電深度が深いほど、バッテリーの劣化は速くなります。低軌道ミッションの場合、放電サイクル数は数百回程度になると予想されます。

サイズと重量の制約により、機体搭載型太陽電池パネルを搭載して低軌道を飛行する一般的なキューブサットは、10W未満の電力しか発電していない。[ 61 ]より高い電力を必要とするミッションでは、姿勢制御を利用して太陽電池パネルが太陽に対して最も効果的な方向を維持するようにすることができる。また、軌道上でより広い領域に展開可能な展開型太陽電池アレイを追加し、その向きを調整することで、さらなる電力需要を満たすことができる。最近の技術革新には、衛星の放出と同時に展開するスプリング式太陽電池アレイや、指令に応じてパネルを展開するサーマルナイフ機構を備えたアレイなどがある。キューブサットは、打ち上げから展開までの間は電力供給を受けることはできず、P-PODへの搭載中に動作しないように、すべての電力を遮断する「飛行前取り外しピン」を備えている必要がある。さらに、機体がP-PODに搭載されている間は展開スイッチが作動し、宇宙船への電力供給が遮断される。P-PODから排出されると、このスイッチは非作動となる。[ 19 ]

通信

CubeSat（RaInCube）搭載レーダー用Ka帯（27～40GHz）展開式高利得メッシュ反射アンテナ

キューブサットの低コスト化により、小規模な機関や組織にとって前例のない宇宙へのアクセスが可能になりましたが、ほとんどのキューブサットでは、通信アンテナの範囲と利用可能な電力は約2Wに制限されています。[ 62 ]

回転と低い電​​力範囲のため、無線通信は課題です。多くのCubeSatは、市販の巻尺を使用して構築された全方向性モノポールまたはダイポールアンテナを使用しています。より厳しいニーズ向けに、一部の企業はCubeSat用の高利得アンテナを提供していますが、その展開および指向システムははるかに複雑です。[ 62 ]例えば、MITとJPLは、昇華粉末で膨らませたマイラースキンをベースにしたインフレータブルディッシュアンテナを開発しており、範囲が7倍に向上し、月に到達できる可能性があると主張していますが、微小隕石衝突後の生存性については疑問が残ります。[ 63 ] JPLは、MarCO [ 64 ] [ 65 ]およびRadar in a CubeSat（RaInCube ）ミッション用のXバンドおよびKaバンドの高利得アンテナの開発に成功しました。[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]

アンテナ

従来、低軌道キューブサットはUHFおよびSバンドでの通信用にアンテナを使用しています。太陽系のさらに奥深くまで進出するには、深宇宙ネットワーク（XバンドおよびKaバンド）に対応した、より大きなアンテナが必要です。JPLのエンジニアは、MarCO [64] [69] および地球近傍小惑星スカウト [70] 向けに、6Uクラスのキューブサット [68] と互換性のある展開可能な高利得アンテナをいくつか開発しました。JPLのエンジニアはまた、Kaバンドで動作し、DSN [ 64 ] [ 69 ] [ 71 ]と互換性のある0.5m （ 1フィート8インチ）のメッシュ反射アンテナも開発しました。これは1.5Uの収納スペースに折りたたむことができますMarCOのために、JPLのアンテナエンジニアは、6Uキューブサットバスに収まる折りたたみパネル反射アレイ（FPR）[ 72 ]を設計し、1AUで8kbit/sのXバンド火星-地球通信をサポートしています。

熱管理

CubeSatの各コンポーネントはそれぞれ許容温度範囲が異なり、この範囲を超えると一時的または恒久的に動作不能になる可能性があります。軌道上の衛星は、太陽から直接放射され地球に反射される放射熱と、機体コンポーネントから発生する熱によって加熱されます。CubeSatはまた、宇宙空間へ、あるいは地球表面（宇宙船よりも温度が低い場合）へ熱を放射することで冷却する必要があります。CubeSatの軌道と日食の時刻が分かっている限り、これらの放射熱源と放射熱シンクはすべてほぼ一定であり、非常に予測可能です。

CubeSat で温度要件を満たすために使用されるコンポーネントには、多層断熱材とバッテリー用のヒーターがあります。小型衛星におけるその他の宇宙船の熱制御技術には、コンポーネントの予想される熱出力に基づいた特定のコンポーネントの配置や、まれにルーバーなどの展開された熱デバイスが含まれます。宇宙船の熱モデルの分析とシミュレーションは、熱管理コンポーネントと技術を適用する上で重要な決定要因です。特定の展開メカニズムやペイロードに関連することが多い特別な熱的懸念事項のある CubeSat は、打ち上げ前に熱真空チャンバーでテストされる場合があります。CubeSat は熱真空チャンバー内に全体が収まるほど小さいため、このようなテストではフルサイズの衛星よりも高い保証が得られます。温度センサーは通常、CubeSat のさまざまなコンポーネントに配置されており、特定の部分への直接的な熱放射を回避または導入して冷却または加熱できるように機体の向きを変えるなど、危険な温度範囲を回避するための措置を講じることができます。

コスト

キューブサットは、ペイロードを軌道に乗せるための費用対効果の高い独立した手段です。[ 12 ]インターオービタルシステムズなどの低コストの打ち上げ機の導入が遅れたため、[ 73 ]打ち上げ価格は1機あたり約10万ドルでしたが、[ 74 ] [ 75 ]新しい事業者はより低い価格を提供しています。[ 76 ]フルサービス契約（エンドツーエンドの統合、ライセンス、輸送などを含む）で1Uキューブサットを打ち上げる典型的な価格は、2021年に約6万ドルでした

キューブサットの中には、 LightSail-1のように複雑な部品や機器を搭載しているものもあり、その構築コストは数百万ドルに達する。 [ 77 ]しかし、基本的な1Uキューブサットの構築コストは約5万ドルである。[ 78 ]このため、キューブサットは一部の学校、大学、中小企業にとって現実的な選択肢となっている。

過去のミッション

2014年2月25日、国際宇宙ステーションのNanoRacksキューブサット展開装置から打ち上げられるNanoRacksキューブサット

ナノサテライト＆キューブサット・データベースには、1998年以降に打ち上げられた2,000機以上のキューブサットが掲載されている。 [ 4 ]最も初期のキューブサット打ち上げの一つは、2003年6月30日にロシアのプレセツクからユーロコット・ローンチ・サービスのマルチ軌道ミッションによって行われた。これらのキューブサットは太陽同期軌道に投入され、デンマークのAAUキューブサットとDTUSat、日本のXI-IVとCUTE-1、カナダのCAN X-1、そして米国のQuakesatが含まれていた。[ 79 ]

2012年2月13日、フランス領ギアナから打ち上げられたベガロケットに搭載され、7機のキューブサットを搭載した3機のP-POD展開機がラレス衛星とともに軌道に投入された。打ち上げられたキューブサットは、 e-st@r Space（イタリア、トリノ工科大学）、Goliat（ルーマニア、ブカレスト大学）、MaSat-1（ハンガリー、ブダペスト工科経済大学）、PW-Sat（ポーランド、ワルシャワ工科大学）、Robusta（フランス、モンペリエ第2大学）、UniCubeSat-GG（イタリア、ローマ・ラ・サピエンツァ大学）、XaTcobeo（スペイン、ビーゴ大学およびINTA）であった。これらのキューブサットは、欧州宇宙機関（ESA）の「ベガ初飛行」の一環として打ち上げられた。[ 80 ]

2012年9月13日、ユナイテッド・ローンチ・アライアンス社のアトラスVロケットに搭載された「OutSat」二次ペイロードの一部として、8基のP-PODから11基のキューブサットが打ち上げられた。[ 81 ]これは、海軍大学院（NPS）が開発した新型キューブサット・ランチャー・システム（ NPSCuL ）によって実現した、これまでで最大のキューブサット数（および24Uの最大容積）を一度の打ち上げで軌道に乗せたものである。打ち上げられたキューブサットは、SMDC-ONE 2.2（ベイカー）、SMDC-ONE 2.1（エイブル）、AeroCube 4.0（×3）、Aeneas、CSSWE、CP5、CXBN、CINEMA、およびRe（STARE）である。[ 82 ]

2012年10月4日、国際宇宙ステーション（ ISS）からの小型衛星放出技術実証として、5機のキューブサット（Raiko、Niwaka、We-Wish、TechEdSat、F-1）が軌道上に投入された。これらのキューブサットはこうのとり3号機の貨物として打ち上げられ、ISSに運ばれ、ISSの宇宙飛行士が日本実験棟のロボットアームに取り付けられた放出機構の準備を行った。 [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ]

2013年4月21日、オービタル・サイエンシズ社のアンタレスロケットの初飛行で打ち上げられたシグナス質量シミュレータから、4機のキューブサットが放出された。[ 86 ]そのうち3機は、NASAエイムズ研究センターがキューブサットにおけるスマートフォンの航空電子機器としての利用を実証するために製造した1Uサイズのフォンサットである。4機目はプラネット・ラボが製造した3Uサイズの衛星「Dove-1」である。

2013年4月26日、NEE-01 ペガソが打ち上げられ、軌道上からライブビデオを送信できる初のキューブサットとなりました。また、1Uサイズとしては初めて100ワット以上の電力を設置容量として達成したキューブサットでもありました。同年11月には、NEE-02 クリサオールも軌道上からライブビデオを送信しました。どちらのキューブサットもエクアドル宇宙機関によって製造されました。

2014年2月11日、ISSから合計33機のキューブサットが放出されました。この33機のうち28機は、地球観測キューブサット群「Flock-1」の一部です。残りの5機は、米国に拠点を置く他の企業によるもの2機、リトアニアから2機、ペルーから1機です。[ 87 ]

LightSail -1は、ソー​​ラーセイルで推進する3Uキューブサットのプロトタイプです。2015年5月20日にフロリダから打ち上げられました。4枚のセイルは非常に薄いマイラーで作られており、総面積は32平方メートル（340平方フィート）です。この試験により、2016年のメインミッションに先立ち、衛星システムの完全なチェックアウトが可能になります。[ 88 ]

2015年10月5日、AAUSAT5（デンマーク、オールボー大学）がISSから放出されました。これは欧州宇宙機関の「Fly Your Satellite!」プログラムの一環として打ち上げられました。[ 89 ]

小型X線太陽分光計キューブサットは、 2015年12月6日に国際宇宙ステーションに向けて打ち上げられた3Uサイズの衛星で、2016年5月16日に放出されました。これは、キューブサットを用いた科学研究に重点を置いているNASA科学ミッション局キューブサット統合パネル[ 90 ]で打ち上げられた最初のミッションです。2016年7月12日時点で、ミッションの最低成功基準（1ヶ月間の科学観測）は達成されましたが、宇宙船は引き続き正常に動作しており、観測は継続されています。[ 91 ]

2016年4月25日、ソユーズロケットVS14号機に搭載された3機のキューブサットが、センチネル1Bと共に、フランス領ギアナのクールーから打ち上げられました。搭載された衛星は、AAUSAT4（デンマーク、オールボー大学）、e-st@r-II（イタリア、トリノ工科大学）、OUFTI-1（ベルギー、リエージュ大学）でした。これらのキューブサットは、欧州宇宙機関（ESA）の「Fly Your Satellite!」プログラムの一環として打ち上げられました。[ 92 ]

2017年2月15日、インド宇宙研究機関（ISRO）は、1機のロケットで104機の衛星を打ち上げるという記録を樹立した。PSLV -C37は、Cartosat-2シリーズと103機の共同搭乗衛星を含む単一のペイロードで打ち上げられ、総重量は650kg（1,430ポンド）を超えた。104機の衛星のうち、3機を除く全てがキューブサットであった。101機のナノ衛星のうち、96機は米国製、イスラエル、カザフスタン、オランダ、スイス、アラブ首長国連邦がそれぞれ1機ずつ搭載した。[ 93 ] [ 94 ]

2018年インサイトミッション：MarCOキューブサット

インサイトの降下中のMarCO AとBのアーティストによる想像図

2018年5月に打ち上げられた静止型火星着陸船インサイトの火星周回軌道には、突入時および着陸時にインサイトから地球への追加の中継通信を提供するために火星を通過する2機のCubeSatが含まれていた。 [ 95 ]これは地球の直接軌道を外れたCubeSatの初の飛行である。このミッションのCubeSat技術はMars Cube One (MarCO)と呼ばれ、それぞれが14.4インチ×9.5インチ×4.6インチ (37cm×24cm×12cm) の6ユニットのCubeSatである。MarCOは実験的なもので、インサイトのミッションに必須ではないが、重要な期間、この場合はインサイトの大気圏突入から着陸までの 間に宇宙ミッションに中継通信を追加するためのものである。

MarCOは2018年5月にインサイト着陸機とともに打ち上げられ、打ち上げ後に分離され、その後、それぞれ独自の軌道で火星へ向かった。分離後、両方のMarCO宇宙船は2つの無線アンテナと2つの太陽電池パネルを展開した。高利得Xバンドアンテナは、電波を誘導するための平面パネルである。MarCOはインサイト着陸機とは独立して火星へ航行し、飛行中に独自の進路調整を行った。

2018年11月のインサイトの突入、降下、着陸（EDL）中、 [ 95 ]着陸機はUHF無線帯域でテレメトリを上空を飛行するNASAの火星探査機（MRO）に送信した。MROはX帯域の無線周波数を使用してEDL情報を地球に送信したが、別の帯域で送信している場合は、同時に別の帯域の情報を受信することができなかった。着陸成功の確認は数時間後に地球で受信できるため、MarCOは着陸中のリアルタイムテレメトリの技術実証となった。[ 96 ] [ 97 ] [ 98 ]

MarCOからの眺め
火星（2018年11月24日）
火星（2018年10月2日）
地球と月（2018年5月9日）

プログラム

ナノラック

キューブサット打ち上げイニシアチブ

NASAのキューブサット打ち上げイニシアチブは2010年に設立され、[ 99 ]、教育機関、非営利団体、NASAセンターにキューブサットの打ち上げ機会を提供しています。2016年現在、キューブサット打ち上げイニシアチブは28の組織から12のELaNaミッションで46のキューブサットを打ち上げ、66の組織から119のキューブサットミッションを選定しました。教育用ナノサット打ち上げ（ELaNa）ミッションには、部族大学が初めて製造したキューブサットであるBisonSat、高校が初めて製造したキューブサットであるTJ3Sat、小学校が初めて製造したキューブサットであるSTMSat-1などがあります。NASAは毎年8月に機会告知[ 100 ]を発表し、翌年2月に選定が行われます[ 101 ]

アルテミス1号

NASAは2015年にキューブクエストチャレンジを開始しました。これは、地球低軌道を超えたキューブサットの利用におけるイノベーションを促進するためのコンペティションです。キューブクエストチャレンジは、月の近くおよび月を越えて高度な運用が可能な、飛行資格を備えた小型衛星の設計、構築、提供というチャレンジの目標を達成したチームに500万ドルを提供しました。チームは月周回軌道または深宇宙で様々な賞を競いました。[ 102 ] 2022年には 、異なるチームから10機のキューブサットがアルテミス1号に搭載され、二次ペイロードとして地球近傍空間に打ち上げられました

ESA「あなたの衛星を飛ばそう！」

「Fly Your Satellite!」は、欧州宇宙機関（ ESA）教育局が現在実施しているCubeSatプログラムです。大学生はESAの専門家の支援を受けながら、CubeSatミッションを開発・実施する機会を得ます。[ 103 ]参加する学生チームは、CubeSatの設計、構築、試験から、最終的には打ち上げ・運用の可能性まで、一連のサイクルを経験することができます。[ 104 ]第4期Fly Your Satellite!プログラムの公募は2022年2月に終了しました。[ 105 ]

カナダ・キューブサット・プロジェクト

カナダ宇宙庁は2017年にカナダ・キューブサット・プロジェクト（CCP）を発表し、参加チームは2018年5月に選出されました。このプログラムは、各州および準州の1つの大学またはカレッジに資金と支援を提供し、ISSから打ち上げるキューブサットを開発します。CCPの目的は、学生に宇宙産業での直接的な実践経験を提供し、宇宙分野でのキャリアをスタートさせるための準備を整えることです。[ 106 ]

QB50

QB50は、下層熱圏（90～350 km）における多点のその場測定と再突入研究のための、50機のキューブサットからなる国際ネットワークの提案です。QB50はフォン・カルマン研究所のイニシアチブであり、第7次フレームワークプログラム（FP7）の一環として欧州委員会の資金提供を受けています。2ユニット（2U）のキューブサット（10×10×20 cm）が開発され、1つのユニット（「機能」ユニット）は通常の衛星機能を提供し、もう1つのユニット（「科学」ユニット）には下層熱圏および再突入研究用の標準化されたセンサーセットが搭載されます。世界22カ国の大学から35機のキューブサットが提供されることが想定されており、そのうち4機は米国、4機は中国、4機はフランス、3機はオーストラリア、3機は韓国です[ 107 ] 2Uまたは3UのCubeSat10機が、新しい宇宙技術の軌道上技術実証に使用される予定です。

QB50キューブサットの提案依頼（RFP）は2012年2月15日に発表された。2機の「前身」QB50衛星は2014年6月19日にドニエプルロケットで打ち上げられた。 [ 108 ] 50機のキューブサットはすべて2016年2月にサイクロン4ロケット1機で同時に打ち上げられる予定だったが[ 109 ] 、ロケットが利用できなかったため、36機の衛星が2017年4月18日にシグナスCRS OA-7で打ち上げられ、その後ISSから放出された。[ 110 ] [ 111 ]他に12機のキューブサットが2017年5月にPSLV-XL C38ミッションで打ち上げられた。[ 112 ]

打ち上げと展開

ISCコスモトラスによるドニエプルロケットの打ち上げ

フルサイズの宇宙船とは異なり、キューブサットは国際宇宙ステーションに貨物として輸送され、国際宇宙ステーションから放出される。これは、打ち上げロケットによる放出とは別に、軌道に到達するための代替手段となる。NanoRacksとMade in Spaceは、国際宇宙ステーション上でキューブサットを建造する手段を開発している。[ 113 ]

既存の打ち上げシステム

NASAのCubeSat打ち上げイニシアチブは、2016年までの数年間にELaNaミッションで46機以上のCubeSatを打ち上げ、今後数年間で57機の打ち上げが計画されていました。[ 114 ] CubeSatは、どれほど安価で多用途であっても、はるかに大型の宇宙船を打ち上げる大型ロケットに二次ペイロードとして搭載する必要があり、2015年時点での価格は10万ドル程度から始まります。 [ 115 ] CubeSatはP-PODなどの展開システムによって展開されるため、事実上あらゆる打ち上げ機に統合して打ち上げることができます。しかし、一部の打ち上げサービスプロバイダーは、すべての打ち上げまたは特定の打ち上げのみでCubeSatの打ち上げを拒否しており、2015年時点での2つの例としては、ILSとSea Launchが挙げられます。[ 116 ]

SpaceX、[ 117 ] [ 118 ] Exolaunch、[ 119 ] [ 120 ]およびSpace BD [ 121 ] [ 122 ]は、CubeSatを二次ペイロードとして商業的に打ち上げている最近の3社ですが、打ち上げのバックログはまだ存在しています。 さらに、インドのISROは、2009年から二次ペイロードとして外国のCubeSatを商業的に打ち上げています。 2017年2月15日、ISROは、様々な外国企業向けにPolar Satellite Launch Vehicleに103のCubeSatを搭載して打ち上げ、世界記録を樹立しました。[ 123 ] ISC KosmotrasとEurockotもCubeSatの打ち上げサービスを提供しています。[ 124 ] SpaceXは、2021年にTransporter-1（宇宙飛行）で143の宇宙船を軌道に乗せ、記録を更新しました。 Rocket Labは、ニュージーランドからElectronでCubeSatを打ち上げることを専門としています。 [ 125 ]

将来および提案されている打ち上げシステム

2015年5月5日、NASAはケネディ宇宙センターを拠点として超小型衛星を打ち上げるために設計されたロケットのクラスを開発するプログラム、NASAベンチャークラス打ち上げサービス（VCLS）[ 115 ] [ 126 ] [ 127 ]を発表した。これは各ランチャーで30kgから60kgのペイロード質量を提供する。[ 126 ] [ 128 ] 5か月後の2015年10月、NASAは3つの異なる新興打ち上げ会社にそれぞれ1回の飛行に対して合計1,710万ドルを授与した。Rocket Lab（エレクトロンロケット）に690万ドル、 Firefly Space Systems（アルファロケット）に550万ドル、 Virgin Galactic（LauncherOneロケット）に470万ドルである。[ 129 ] VCLS契約による3回の飛行のペイロードはまだ割り当てられていない。[ 129 ]キューブサットと小型ペイロードを搭載する小型衛星打ち上げシステムの開発も進められており、インターオービタル・システムズのネプチューンシリーズロケット、ガーベイ・スペースクラフトのナノサット打ち上げ機、[ 130 ] 、 SPARKロケットなどがその例である。KSFスペースのような従来の打ち上げ機や支援機に加えて、ジェネレーション・オービット・ローンチ・サービスとボーイング（小型打ち上げ機） は、軌道投入のための空中打ち上げ機の開発を進めている。

CubeSatの構造、推進力、材質、コンピューティングと通信、電力、追加の特定の機器や測定デバイスなど、CubeSatの多くの側面は、地球の軌道外でのCubeSat技術の使用に課題をもたらします。[ 131 ]これらの課題は、過去10年間で国際機関によってますます検討されるようになりました。たとえば、2012年にNASAとジェット推進研究所によって提案されたINSPIRE宇宙船は、深宇宙CubeSatの運用能力を証明するために設計された宇宙船の最初の試みです。[ 132 ]打ち上げ日は2014年と予想されていましたが、[ 133 ]まだ行われておらず、日付はNASAによって未定とされています。[ 132 ]

展開

統合および起動前のP-PODの隣にあるCSSWE

P-POD（ポリピコ衛星軌道展開装置）は、キューブサットを搭載し、二次ペイロード用の共通プラットフォームを提供するために設計されました。[ 25 ] P-PODは打ち上げロケットに搭載され、キューブサットを軌道上に運び、打ち上げロケットから適切な信号を受信すると展開します。P-POD Mk IIIは、1Uキューブサット3個、または0.5U、1U、1.5U、2U、3Uキューブサットの組み合わせを最大3Uまで搭載可能です。[ 134 ] CubeSat展開装置は他にも存在し、国際宇宙ステーションのNanoRacks CubeSat Deployer (NRCSD)は、2014年現在、CubeSat展開の最も一般的な方法です。[ 3 ] CubeSat展開装置は、ISIPOD (Innovative Solutions In Space BV)やSPL (Astro und Feinwerktechnik Adlershof GmbH)などの企業によって作成されていますが、国際宇宙ステーションのX-POD (トロント大学)、T-POD (東京大学)、J-SSOD ( JAXA )など、政府やその他の非営利団体によって作成されたものもあります。[ 135 ] P-PODは最大3Uキューブサットの打ち上げに制限されているが、NRCSDは6U（10cm×10cm×68.1cm（3.9インチ×3.9インチ×26.8インチ））キューブサットを打ち上げることができ、ISIPODは異なる形式の6Uキューブサット（10cm×22.63cm×34.05cm（3.94インチ×8.91インチ×13.41インチ））を打ち上げることができる。

ほぼすべてのCubeSatは打ち上げロケットまたは国際宇宙ステーションから展開されるが、主要ペイロード自体によって展開されるものもある。たとえば、FASTSATは3UのCubeSatであるNanoSail-D2を展開した。これは、アンタレスロケットの初飛行で主要ペイロードとして打ち上げられたCygnus Mass Simulatorでも行われ、4つのCubeSatを搭載し、後に展開された。地球の軌道を越えたCubeSatのアプリケーションでは、主要ペイロードから衛星を展開する方法も採用される。アルテミス1号では10個のCubeSatが打ち上げられ、月の近くに配置された。火星着陸船のInSightも、中継通信衛星として使用するために、CubeSatを地球の軌道を超えて送信した。MarCO AおよびBとして知られるこれらは、地球-月系の外側に送られた最初のCubeSatである。

チャスキ2014年に国際宇宙ステーションでの船外活動中に手動で展開されたとき、ユニークな展開プロセスを目にしました。

参照

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