יצירת חיבורים בלוויינים

שיקולים בעת בחירת מחברים מסחריים, על מנת לענות על האתגרים הייחודיים העומדים בפני מתכנני הלווין NewSpace

בשנים האחרונות היינו עדים להתפשטותו המהירה של מגזר שנהוג לכנותו NewSpace (החלל החדש), בזמן שהיוזמה הפרטית ממשיכה להרחיב את נוכחותה בעסקים משתלמים באופן פוטנציאלי, בכל תחום, החל בתיירות חלל ועד לתקשורת מסחרית ומעקב אחר נכסים. לפי חברת מעקב השוק Euroconsult שוק זה צמח בשנה שעברה ב- 8% והוא צפוי להגיע לשווי שוק של יותר מ- 737 מיליארד דולר, תוך עשור. חלק גדול מצמיחה זו יגיע מפיתוח של לוויינים שנדרשים לפרישה של רבים מבין השירותים האלו מבוססי החלל, שצצים ומופיעים.

כתוצאה מהסביבה הייחודית שבה מערכות אלקטרוניות ללוויינים פועלות, הן מעמידות בפני המהנדסים אתגרים נוספים על אלו שבפניהם הם עומדים בעת פיתוח יישומים לשימוש על פני כדור הארץ. בין אלו אפשר למצוא, ולא בסוף הרשימה, פעולה בריק ובסביבות קיצוניות, הגנה מפני קרינה וכן, אספקה של פתרונות קשיחים אשר חייבים לפעול באמינות במשך שנים ארוכות.

בעוד שנוצרו כמה תקנים כדי לאשר את הפעולה האמינה של רכיבים בדירוג שמתאים לחלל, ההסמכה לפי תקנים אלו, בדרך כלל, היא תהליך ארוך ויקר. וטרם הזכרנו את הלחצים שניצבים כיום בפני מתכננים של לווייני NewSpace – לשפר ביצועים עד למקסימום ולקצר את זמן היציאה לשוק עד למינימום, כדי לשמר יתרון תחרותי ולהבטיח את קיום הישימות המסחרית. מובן שהמתכננים עדיין צריכים לבחור מוצרים שנבדקו לפי התקנים המתאימים לחלל, אך הם לא רוצים בהכרח להיות מוגבלים לבחירה רק של מוצרים שיש להם אישור רשמי, מפני שמצב זה יכול להוביל ליצירת מודלים בעלות מופקעת, ובה בעת גם להגבלת גישה לטכנולוגיות החדשניות, המתקדמות ביותר.

שיקולים בבחירת המחבר

האתגר ביצירת ארכיטקטורות של מערכות עמידות ביישומים לוויינים, הוא חמור באופן מיוחד כאשר מדובר במכלולים של מחברים וכבלים, שהם חלק מהמרכיבים הנפרדים המגושמים ביותר במעגל אלקטרוני (ולכן מצפים מהם לעמוד בקריטריונים מוקפדים ביותר של גודל ומשקל). כאשר המהנדסים מחפשים יותר ויותר טכנולוגיות לחיבורים פנימיים ‘מהמדף’ שיתאימו לתכנון לוויינים, חשוב להבין מהם הקריטריונים שאותם יש לקחת בחשבון, כאשר סוקרים דפי נתונים או משוחחים עם יצרן המחברים.

איור 1: יישומים פוטנציאליים עבור מחברים ביישומים של לוויינים. קרדיט: HARWIN

חוסר אווירה ועבודה בריק מעמידים בעיות בפני מתכנני לוויינים, כאלו שעמיתיהם, מי שעובדים על תכנונים הפועלים בכדור הארץ, לא צריכים להקדיש להן מחשבה. לדוגמה, קרני רנטגן (קרני X) וקרני גמה שנוצרות בחלל. מאחר שחלקיקים אלו עלולים לגרום לפגיעה או לכשל של מערכות אלקטרוניות, הבחירה או הפיתוח של פתרונות לסיכוך מפני קרינה קוסמית כאלו הופכות להיות חיוניים. המשמעות היא ככל הנראה שימוש במארזים מוליכים שימנעו את קליטה הקרינה, וכן בכבלים מסוככים שיקטינו למינימום את השפעת הקרינה על המערכת כולה.

ואולם, קרניים קוסמיות אינן מקור הקרינה היחיד לדאגה. יש לקחת בחשבון גם את ההשפעה של קרינת חום שקיימת כאשר לוויין חשוף לאור השמש, וכן את מחזור החום שמתרחש כאשר לוויינים מסתובבים, אותה קרינה שמעמידה בקביעות בתנאים של חום קיצוני וקור קיצוני את כל חלקי האלקטרוניקה שנמצאים בצד החיצוני של הלווין או קרוב אליו. ואכן, במעבר בין מצב של פנייה לכיוון השמש לבין פנייה לכיוון כדור הארץ, לוויין יכול להימצא בשינויי טמפרטורה של יותר מ- 400 °C. מצב זה הופך את ההערכה לגבי הדירוג של טמפרטורות המקסימום והמינימום של המחברים והכבלים שבהם יש לבחור, לחיונית ביותר, ובמקרים מסוימים משמעותה היא פניה לספקים, על מנת כדי להגדיר בדיקות נוספות לחיזוי חיי הפעולה בתנאי הקיצון של הטמפרטורות.

נושא אחר מטריד במיוחד הוא פליטת גזים. במצב זה, שידוע גם בשם שחרור גזים, היעדר האטמוספירה גורם לחומרי פלסטיק ולחומרים אחרים, שמשמשים במכלולים של מחברים וכבלים, לשחרר באיטיות מרכיבים נדיפים כמו גזים או אדים שעלולים, בסופו של דבר, להשפיע על פעולת הציוד. בעבר בעיה זו הובילה לפגיעה בביצועי חיישנים עם התקנים צמודי מטען (CCD) בגשושי חלל, ופגיעה בביצועי מצלמות שהושפעו, כאשר הגזים שהשתחררו התעבו על רכיבים אחרים של המערכת כגון עדשות של מצלמות, ובכך השפיעו על הביצועים שלהם או הפכו אותן לבלתי שמישות לחלוטין. לכן חשוב לבדוק את הרמות המרביות של פליטת גזים כאשר בוחרים מחברים וכבלים.

אחד ההיבטים הבסיסיים שאותם יש לשקול בעת בחירת מחבר ליישומים בלוויין קשור באמינות, שמטרתה להבטיח שהטכנולוגיה לא תוכל תעמוד לבדה בקשיים של תנאי ההמראה, אלא היא תפעל כפי שמצופה במשך שנים רבות, ללא כל אפשרות לתיקון ‘בשטח’. המשמעות היא סקירה קפדנית של מפרט המחבר ביחס ליכולתו לעמוד בתאוצה, בהלמים וברעידות, והוספה של תושבות ובריחים כפי שנדרש.

ולבסוף, תנאי לחץ, שמוכרים בכינוי SWaP-C, שמקטינים את הגודל והמשקל עד למינימום מהווים אתגר עבור מתכננים של יישומים שמשמשים בכדור הארץ, וגם למתכנני יישומים שמשמשים בחלל. עם זאת, המשמעות שלהם חשובה במיוחד כאשר המדובר ביישומי לוויינים, שבהם סביר שלכל חלק נוסף בשטח המעגל ולכל גרם נוסף תהיה השפעה ישירה על העלות. פירושו של דבר, שההשקעה בזמן לצורך איתור פתרונות מחברים שיהיו הקטנים ביותר והקלים ביותר עבור הדירוג הנתון של ביצועים ואמינות, תהיה המשתלמת ביותר.

פתרונות מסחריים

החדשות הטובות הן שקיים שוק מתרחב של טכנולוגיות מסחריות של חיבורים פנימיים, שלא רק שהן מתאימות להיבטים רבים של פרישת לוויינים, אלא שהן יותר ויותר מתוכננות במיוחד מתוך מחשבה על מטרה זו, והן מותאמות באופטימיזציה במונחים של ביצועים ועלות, תוך כדי כך שהן עומדות בכל הקריטריונים הדרושים לפעולה מוצלחת בחלל.

איור 2: מערכות שאותן ניתן לפרוש במגוון רחב של יישומים לרבות מערכות שליטה בנטייה, מודולים של הינע חשמלי בפליטה שדה (FEEP) ומצלמות מטען.קרדיט: HARWIN

למשל, מעתה אפשר למצוא מחברים מסחריים מהמדף, בעלי אמינות גבוהה, מתאימים ל- 2 אמפר ול- 3 אמפר עם מרווח של 2 מ”מ ושל 1.25 מ”מ בתצורות של שורה אחת ושתי שורות, אשר מדורגים לרעידות עד 20 G ולהלמים של עד 100 G, ואשר יכולים לעמוד בטמפרטורות נמוכות שמגיעות עד -65 °C ובטמפרטורות גבוהות עד 150 °C.

מחברים אלו, שזמינים עם בורגי חיבור, מקבעי ברגים לחיבור לפני נעילה מפלדת אל חלד או עם נעילה זעירה לקבלת עמידות מלאה ברעידות ולשחרור מאמצים מקסימלי, תואמים למפרטי NASA המחמירים ביותר מבחינת פליטת גזים, ומספקים פתרון בפרופיל נמוך ובמשקל נמוך שמתאים לכל דרישות החיבורים הפנימיים בגרסאות של לוויינים לכבל למעגל, מעגל למעגל, וכבל לכבל. בזכות כל אלו, הם פרושים ביישומים כדוגמת מודולים של הינע חשמלי בפליטה שדה (FEEP) שלהם נדרש טיפול מדוייק עם רעש נמוך, על פני טווח מלא של מידות קוטר וכן, במערכות בקרת גובה, במעקב ומדידות מרחוק, וכן במחשוב בלוויין.

באופן דומה, כשמדובר ביישומים של הספק גבוה, כגון מערכות בקרת כוח ומערכות סרוו, קיים מספר גדל והולך של אפשרויות של עמידות, שמהן יכולים לבחור מתכנני הלוויינים. פתרונות מהשורה הראשונה כוללות מחברים קומפקטיים בעלי אמינות גבוהה עם מרווח של 8.5 מ”מ שמתוכננים לפעול בטמפרטורות מ- -65 °C עד 150 °C ומספקים מארז מכוסה, שיכולים לטפל בזרם של עד 60 אמפר ובמתח גבוה עד 3,000 וולט ולעמוד ברעידות ובהלמים של 20 G ועד 100 G בהתאמה.