Entrevista: Nacer Chahat proyecta antenas para Mars CubeSats

Ricardo Vicente
Ricardo Vicente

Tienes un zapato de computadora que quieres usar en un vuelo a Marte. ¿Cómo te comunicas con él? La respuesta es un conjunto de antenas muy inteligente. Tuve que sentarme con Nacer Chahat, uno de los ingenieros del equipo del Laboratorio de Propulsión a Chorro, responsable del diseño de antenas en Mars Cube One (MarCO). Dos de estos CubeSats pronto se utilizarán para ayudar a un país a llegar a Marte. Hablamos sobre el trabajo en MarCO, la antena de radar desplegable en la que trabajó para el proyecto RainCube y los primeros avances en OMERA, One Meter Reflectarray.

Esta es una discusión fascinante sobre cómo abordar muchos desafíos de ingeniería, incluida la falta de espacio disponible para los componentes de la antena y los límites de potencia y peso. Mire la entrevista en video para ver cómo la gente de JPL puso todo en este y otros satélites pequeños, luego únase a nosotros a continuación para obtener más detalles.

Comunicaciones de tubería doblada

Pequeña escala de MarCO

Es difícil para los vehículos en la superficie de Marte comunicarse directamente con la Tierra, pero es mucho más fácil para los satélites en la órbita de Marte hacerlo. Ya hay un gran satélite orbitando el planeta, el Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), que entró en órbita en 2006. Está en contacto con la Tierra pero a veces no tiene línea de visión porque está detrás de Marte. Esto significa ventanas de tiempo en las que las comunicaciones no están disponibles.

La NASA planea lanzar InSight, un módulo de aterrizaje que excavará debajo de la superficie del planeta rojo, en 2018. Dos CubeSats 6U acompañarán el viaje, separándose del resto de la carga útil a medida que se acercan a Marte. Estos satélites se comunicarán con InSight durante el descenso entrante y el aterrizaje en UHF, y se comunicarán con la Tierra a través de una banda X. Esto es importante porque el MRO estará detrás de Marte durante ese tiempo, no pudiendo realizar esta tarea.

El “tubo doblado” se refiere a la capacidad de estos CubeSats de estar en contacto tanto con el módulo de aterrizaje como con la Tierra, transmitiendo datos en tiempo real a la misma velocidad que recibe del módulo de aterrizaje. Después de que el aterrizaje toque los satélites, MarCO realizará su tarea y volará a lo largo del planeta, pero no entrará en órbita.

Este es un desarrollo fascinante por varias razones. Actualmente, el MRO es capaz de comunicaciones en banda X y UHF, pero no simultáneamente. Los CubeSats, que son más baratos y más rápidos de construir, pueden comunicarse con ambas bandas al mismo tiempo y proporcionarán la retransmisión de datos durante la EDL de InSight.

Objetivo muy pequeño Distancia muy larga

En promedio, Marte está a unos 225 millones de kilómetros de la Tierra. El vínculo de comunicación que JPL construye entre los dos es del tamaño de un zapato. El CubeSat 6U mide unos 10x20x30 cm. Este es un desafío de ingeniería increíble. Los satélites deben ser autosuficientes, capaces de orientarse correctamente, poder experimentar el viaje de un planeta a otro, y tener la radio necesaria para comunicarse a través de esa distancia. Este es el equipo con el que trabaja Nacer.

Hardware MarCO actual en estado plegado Antenas MarCO CubeSat UHF MarCO-Cuba sab. Antena de banda X

Los ingenieros de antenas y los ingenieros mecánicos están colaborando con el resto de los equipos de CubeSat para diseñar y construir la placa de comunicación. En este caso, se desarrolló una nueva radio llamada IRIS para ayudar a cumplir con los límites de potencia y tamaño. Casi no quedaba espacio en el interior del vehículo para el conjunto de antenas, por lo que los reflectores se construyeron para plegarse completamente fuera del vehículo. La antena UHF, que se comunica con los vehículos terrestres de Marte, se encuentra plana en la parte inferior del satélite, pero aparece como una caja dentro de la caja.

La antena de banda X, que transmite de regreso a tierra, se pliega en tres paneles. Si se implementa, la matriz de reflectores es más ancha que alta, por lo que la fuente de señal también tiene un conjunto para usar el reflector completo. Curiosamente, el patrón que puede ver en la mesa de reflexión ayuda a que los paneles planos actúen más como un reflector parabólico. MarCO también puede obtener una cinta X de la Tierra utilizando la matriz que se ve en la cara frontal del modelo doblado de arriba. Estos CubeSats no son capaces de transmitir en la banda UHF, solo reciben las comunicaciones UHF de vehículos terrestres.

El equipo de antenas de MarCO en JPL posa con los prototipos

Focos más grandes, mismo factor de forma de 6U

Reflector RainCube Ka-band en configuración desplegada

Originalmente conocí a Nacer después de visitar el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en diciembre. Me sorprendió la antena desplegable para SMAP, un satélite de tamaño completo, y él se puso en contacto conmigo para mencionar lo increíbles que son los dispositivos desplegables en estos CubeSats. No estaba bromeando. También trabajó en el proyecto RainCube, que orbitará la Tierra recolectando precipitaciones por radar.

RainCube incluye un reflector parabólico de 0,5 metros para operación en banda Ka. El reflector todavía necesita entrar en el satélite 10x20x30 cm. En concreto, al equipo de diseño se le asignó un área de almacenamiento de 10x10x15 centímetros para el reflector y el brazo que sostiene el subreflector.

El resultado es este asombroso reflector parabólico de dos etapas que se extiende fuera del contenedor en un extremo del CubeSat y luego desarrolla una segunda etapa. El brazo subreflectivo sale entonces a la posición adecuada, a unos 0,24 metros del reflector principal. La prueba del despliegue se muestra durante la entrevista en video.

¿Llamas a eso un desafío?

Nacer Chahat posa junto a un prototipo fijo OMERA en una de las cámaras anecoicas del JPL

Parece que un reflector de medio metro no es un desafío lo suficientemente grande para el equipo de JPL. Ahora están trabajando en un proyecto llamado OMERA. Pude encontrar muy poca información disponible para este proyecto, así que me alegro de que Nacer pudiera compartirlo. Este acrónimo significa One Measure Reflector, un reflector cuadrado que mide un metro a cada lado.

El equipo construyó recientemente un modelo fijo del diseño reflectante y se puede ver a Nacer posando con el prototipo OMERA en una de las cámaras anecoicas del JPL. Este prototipo no se pliega, pero habiendo demostrado las propiedades de RF del sistema, el siguiente paso es que los ingenieros mecánicos agreguen bisagras a los quince paneles y desarrollen un sistema de despliegue. El flujo de esta matriz de reflexión debe extenderse aproximadamente 0,7 metros desde la matriz, que en sí misma no es pequeña. Esto funciona con la banda Ka, por lo que la precisión de la superficie es mucho menos tolerante que con la comunicación en banda X.

¡El trabajo en estos CubeSats es asombroso! Es sorprendente ver tanto las limitaciones a las que se enfrentan estos ingenieros como sus soluciones. Los programas cuestan menos que revisables, lo que esperamos signifique más hardware en menos tiempo. También tiene el efecto de estimular a ingenieros como Nacer que están trabajando en estos programas, porque donde quiera que vaya, encontrará un desafío nuevo y emocionante.

Si eres parte de tu propio proyecto de ingeniería increíble, también nos encantaría hablar contigo. Asegúrese de informarnos cuál es su objetivo poniéndose en contacto con nosotros en la Línea de asesoramiento de La-Tecnologia.

  • John dice:

    Antenas, los insectos tienen antenas.

    • Mike Szczys dice:

      Oh diablos, incluso busqué el plural de antena pero no noté la distinción. Gracias, actualicé el título.

      • Doug dice:

        La buena frustración no se preocupe, mucho menos que ser arrastrado a una estúpida semántica de gramática técnica por ser más inteligente de lo que afirma. Usa antenas algún día, probablemente te encontrarás con alguien que te rompería por no usar antenas, como dije, estúpido. Me gustó la entrevista. Intente encontrar a alguien para entrevistar que pueda hablar con autoridad sobre antenas fractales. Muchos expertos que se describen a sí mismos parecen confundir el tema, especialmente cuando se trata de antenas de televisión UHF.

  • mímica dice:

    Una pirámide sin propósito detrás de los entrevistadores. Illuminati confirmó, ¡despliegue el sombrero de hojalata!

    • Dave Davidson dice:

      La primera foto también tiene el estilo de una foto de boda.

  • Esteban dice:

    ¡Guau, hardware genial! Esperando ver volar estas naves espaciales …

  • Lobo dice:

    “Estos satélites se comunicarán con InSight durante un descenso y aterrizaje entrante en UHF, y se comunicarán con la Tierra a través de una banda X. Esto es importante porque el MRO estará detrás de Marte durante ese tiempo, incapaz de realizar esta tarea”.

    Esto debe ser más …
    ¿No podrían ajustar el tiempo de lanzamiento o cambiar la velocidad de un crucero para que un MRO sea visible para InSight y la Tierra durante un descenso y aterrizaje entrante desde Marte?

    • Mike Szczys dice:

      No pregunté específicamente cuando hablé con Nacer. Pero tengo entendido que los MRO no pueden comunicarse a través de UHF y X-Band al mismo tiempo. Por lo tanto, tendría que recopilar datos de InSight durante la EDL y luego transmitirlos a la Tierra más tarde, de lo contrario, corre el riesgo de perder los datos emitidos por el aterrizaje.

      También creo que han planeado un momento en el que MRO esté en el otro lado del planeta, por lo que no se arriesgan a golpearlo si algo falla durante la aproximación. Esta es mi propia suposición.

      • Lobo dice:

        Ya no es tiempo real, porque la comunicación de X minutos se retrasa desde Marte …
        Por lo tanto, no necesita recuperar los datos en tiempo real.

        Apuesto a que es un problema de tamaño de la memoria.

        Un MRO probablemente no tenga un búfer de memoria lo suficientemente grande para almacenar todos los datos en tiempo real de InSight durante el descenso y el aterrizaje entrantes, para su posterior transmisión a la Tierra.

        Y no querrían guardar los datos en InSight para su posterior transmisión (podría crear un nuevo cráter en Marte). 😉

        O no quieren confiar en que MRO todavía esté trabajando (mayores de 11 años) para el descenso y el aterrizaje de entrada.

        • Arena dice:

          El problema es que los MRO no pueden recopilar datos de retransmisión de InSight en UHF y transmitirlos simultáneamente en la banda X. InSight observará la Tierra durante la EDL; varios radiotelescopios podrán detectar la señal UHF. MRO estará en el lado terrestre de Marte. Recopilará una grabación muy detallada de los datos de retransmisión de InSight y la enviará al suelo después de que aterrice InSight.

  • Kalsong dice:

    No llames cebo, pero espero que el cercano satélite terrestre no sea desperdiciado por el Agente Naranja. Escuché que no le gusta que la NASA estudie el cambio climático

    • foo dice:

      lmao!

      buen punto.

    • fm` dice:

      NOAA es responsable de la investigación meteorológica. Creo que tu punto aún permanece. El Agente Naranja (risas) está lloviendo debido a muchas agencias gubernamentales.

      • TheRegnirps. dice:

        Es grande volviendo a la Luna. Por muchas razones prácticas, me haría cargo de Marte en cualquier momento.

  • TheRegnirps. dice:

    Según la serie documental “My Favorite Martian” en la década de 1960, los marcianos construían antenas. ¿Por qué no copiarlos?

  • Biomed dice:

    No Hako.

    Esto es real. Una palabra diferente usada …

    Ingenieria. Ver también: competente

  • huésped dice:

    Buena entrevista. El aspecto plegable de la antena me recordó algo que acababa de ver en PBS sobre la “revolución del origami”. Tenían un poco o dos de desplegar antenas en el espacio. También vale la pena verlo.

  • superkuh dice:

    No sé si el video logró esto, simplemente salté y no pude encontrar una explicación del mecanismo por el cual el reflector plano funciona como un reflector parabólico.

    Después de algunas investigaciones, resulta que a esto se le llama reflexión de forma. Básicamente 2 estructuras de superficie de antena sin corrientes para su frecuencia objetivo. En esta no implementación utilizan una antena de parche para los elementos resonantes. Al cambiar el tamaño de la antena de parche a ligeramente por encima o por debajo de su tamaño apropiado en la frecuencia objetivo, el tiempo requerido para la reflexión cambia ligeramente. Esto hace que la fase de la onda de radio reflejada sea manejable de acuerdo con el tamaño y la ubicación de los elementos resonadores de la antena de chip. Así que los organizan para que coincidan con lo que sería la fase en un corte 2D de la salida del haz frente a una antena de placa. Debido a esto, la reflexión del sistema de reflexión tiene un patrón que actúa como una antena parabólica a esa frecuencia exacta. Aquí hay un gráfico de “Reflectarray Antenna: Analysis, Design, Manufacturing and Measurement” que muestra la curva de respuesta sigmoidea del tamaño del parche frente al cambio de fase: http://superkuh.com/patch-reflectarray-reflected-phase-shift-vs-patch -side -longo.png

    Cosas bastante frías. Tiene una eficiencia de apertura mucho mejor que las lentes refractivas planas como las placas de cinturón. Pero en el lado negativo hay pérdidas dieléctricas significativas de los resonadores de parche en el dieléctrico. Si no usaran dieléctrico, entonces parchearían los elementos que debían ser mucho más grandes.

    • superkuh dice:

      reparación de errores tipográficos: Básicamente superficie * 2D * de estructuras de antena sin corrientes para su frecuencia objetivo.

    • Nick Leijenhorst dice:

      Este es exactamente el comentario que estaba buscando. Creo que la antena es muy interesante y parece comportarse como esperaba. ¡Realmente genial!

    • TheRegnirps. dice:

      Gracias por comprobarlo. La apariencia de Fresnel de los parches involucró un cambio de fase y pensé que podría estar relacionado con el grosor de la PCB. ¡Bastante interesante!

  • mattadlard dice:

    Esto fue interesante, lo disfruté.
    Sin embargo, uno siempre se ha preguntado con los mini-sats por qué nadie ancló el Mini / Micro Sat a cuerpos estables como asteroides creando una especie de red de malla. Debido a que son tan baratos, podrían enviarse por multipulso y solo con energía solar. Sólo curioso.

    • Chris M. dice:

      Bueno, el hardware necesario para ese trabajo no sería barato.

      Hasta ahora, casi todos los nanosatélites (1-10 kg) se han desplegado dentro de la zona de Van Allen y, por lo tanto, están protegidos contra la mayor cantidad de radiación cósmica del campo magnético de la Tierra. Las MCU comerciales / industriales pueden tratar SEU ocasionales de LEO, pero es probable que una dosis ionizante total durante cualquier período de tiempo en el espacio profundo las freír después de semanas.

      Para diseñar una nave para que exista en el espacio profundo, necesitaría un hardware exponencialmente más caro. Sin mencionar que la parte más cara de un satélite, con la excepción de una carga útil científica poco común, son los paneles solares de triple unión. La distancia adicional requiere más ch-power, lo que requiere más capacidad de generación de energía.

      Luego, además de eso, una misión como la que mencionaste requeriría una actitud y control activos para una exhibición adecuada en el suelo para la entrega. Sin embargo, más tamaño, más potencia, un costoso rastreador de estrellas para la información de actitud y más componentes endurecidos por radio para manejar el recuento de estado y las señales de control de salida a las ruedas de reacción, que en sí mismas tienen una vida útil limitada.

      Los cubesats son increíbles. Me encantó el tiempo que pasé trabajando en ellos y no veo la hora de ver de qué cosas maravillosas son capaces estos chicos de JPL en el futuro. Dicho esto, actualmente el hardware COTS disponible no está listo para nada fuera de LEO, que es de duración prolongada.

      • Esteban dice:

        Barato en comparación con las grandes naves espaciales. Obviamente es relativo.

      • superkuh dice:

        Hasta hace poco, tenía razón, pero los sistemas de radio Iris v2 desarrollados para los cubesats en este artículo son nuevos porque admiten 2 modos Doppler y 1 modo diferentes y son capaces de mantener la posición y la navegación en el espacio profundo fuera del GPS. esfera operativa. La investigadora principal de Iris, Courtney Duncans, tiene varias presentaciones que ha hecho ante el club de radioaficionados JPL sobre este tema que lo tratan en detalle. Parece que la gente de DSN está interesada en apoyar misiones cubanas privadas (y de otro tipo) al espacio profundo con su transpondedor Iris v2 en el futuro.

        Véalo en: http://www.ham-radio.com/sbms/presentations/N5BF/courtney%20duncans%20talk.pdf

      • Un dron dice:

        Posible solución: Generadores termonucleares muy pequeños y baratos (económicos) que alimentan generadores de campo electromagnético pasivo (antenas, si se quiere). El campo electromagnético de protección se apaga cuando se produce una transmisión / recepción de explosión (sí, como una red de radioenlaces de radio de paquetes basada en disputas). Entonces, el campo de protección se enciende de nuevo. Mucha potencia utilizable para la transmisión, incluso si la antena es radiadores isotrópicos en órbita alrededor (por ejemplo) de Marte con poca o ninguna magnetosfera. ¿Problemas? Realmente ninguno desde el punto de vista de la ingeniería. Pero los generadores termonucleares económicamente pequeños realmente no existen hoy debido a la presión política no científica de los “ambientalistas”. Ya no volamos “Nuclear” en el espacio – por TODAS LAS razones INCORRECTAS. Sheesh – Dejemos que los “Hipsters” abrazen un árbol y no vacunen a sus hijos, pero manténgalos alejados de la ciencia real.

  • mattadlard dice:

    Esto es lo que a uno le gusta de la-tecnologia cuando puede recuperar una idea y obtener una respuesta coherente.

  • Nació dice:

    Por cierto, corrección, quise decir que Gallileo fue la primera antena desplegable de la “NASA”. Muchas antenas similares volaron frente a Gallileo (por ejemplo, en TDRSS).

  • J dice:

    Todo el mundo sabe que la tierra es plana y no hay espacio.

  • Ben Tang dice:

    ¿Alguien sabe dónde encontrar artículos sobre ese tipo específico de reflexión que utilizan? Nunca he visto esa lente de Fresnel como un patrón creado al cambiar el tamaño de las micro-tiras. Muchos hermosos !!!

    • Esteban dice:

      Reflectarray: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7859458

      Reflector de malla: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7440821

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