- הקדמה
לוויין זעיר הוא לוויין שנבנה על ידי מעשה אדם ומשקלו קטן מ-50 קילוגרם [1] לוויינים זעירים מקוטלגים על פי גודלם. בשל משקלם הנמוך יחסית נלווים הלוויינים הזעירים למשגר שמחובר ללוויין גדול והוא הקובע את נתוני השיגור. הלוויינים הזעירים משוגרים בדרך כלל מתוך תיבת אחסון עם קפיץ, כך שכאשר המשגר מגיע למסלולו, נשלחת פקודה על ידי המחשב שפותחת את הדלת של התיבה והקפיץ דוחף את הלוויינים הזעירים החוצה, בזה אחר זה.
המין האנושי שלח בהצלחה את הלוויין המלאכותי הראשון שלו למסלול סביב כדור הארץ ב-1957, עם דגם ה ספוטניק של ברית המועצות שמשקלו היה 84ק”ג וקוטרו 58 ס”מ . מאז ועד היום נשלחו אלפי לוויינים ו המעצמות התחרו במרוץ כדי לחקור החלל בסדרה של פרויקטים שאפתניים ומורכבים יותר ויותר.
טכנולוגיית החלל נוטה להיות יותר ויותר מתוחכמת, נגישה במיוחד לסוכנויות החלל של המדינות המפותחות ביותר בעולם או לשירות של תאגידים גדולים. “החלל החדש” מבוסס על עיקרון של יצירת לוויינים יקרים פחות בתקופות קצרות יותר של זמן, הודות לירידה גדולה במחירי המזעור של הלוויינים והתפתחות ה טכנולוגיה[1-4[.
- לוויינים ומסלולם
לוויין הוא אובייקט בחלל ש מסתובב ו מקיף עצם גדול יותר [5]. ישנם שני סוגים של לוויינים: טבעיים כגון, הירח המקיף את כדור הארץ או מלאכותיים (כגון, תחנת החלל הבינלאומית המקיפה את כדור הארץ. אבל כיום יש אלפי לוויינים מלאכותיים מעשה ידי אדם שרובם מקיפים את כדור הארץ.
.קיימים מספר מסלולי לוויינים:
מסלול לווייני נמוך (LEO – Low Earth Orbit) [4] הוא מסלול סביב כדור הארץ בגובה של עד 2,000 ק”מ. רוב הלוויינים המלאכותיים נמצאים במסלול זה והם סובבים את כדור הארץ סיבוב מלא כל 90-120 דקות. למשל, תחנת החלל נמצאת במסלול LEO בגובה ממוצע של 360 ק”מ.
מסלול לווייני בינוני (MEO – Medium Earth Orbit) הוא מסלול סביב כדור הארץ בגובה של (2000-36000) ק”מ. השימוש העיקרי של מסלול זה הוא במספר נמוך של לוויינים חדשים להפצת אינטרנט במדינות המתפתחות בעיקר בשכבות הנמוכות של המסלול ולווייני הניווט של ה-GPS ושל ארגונים אחרים בשכבות הגבוהות.
מסלול גאוסטציונרי (GEO – Geostationary Earth Orbit) הוא מסלול מעגלי סביב כדור הארץ בגובה של 36000 ק”מ. התכונה העיקרית שלו – לפי חוקי קפלר לוויין בגובה זה יכול להישאר כל הזמן מעל אותה נקודה וכך הלוויין ייראה את כדור הארץ כעצם נייח.
איור 1. סוגי מסלולים של לוויינים
- לוויינים זעירים: סיווגם, יתרונות וחסרונות
טבלה 1. סיווג משקלם של לוויינים זעירים
יתרונות הלוויין הזעיר:
- שילוח פשוט וזול
- מחירים נמוכים
- החלפה מהירה וזמינות של חלקי חילוף
- ביצוע משימות מגוונות
- משיכת בני נוער וסטודנטים למדעי החלל
חסרונות הלוויין הזעיר:
- אורח חיים קצר
- פסולת חלל גבוהה
- יש הגבלה בהספק החשמלי
- שימושים ומשימות של לווייניים זעירים
בפרק זה נציג שימושים ומשימות עיקריים של הלוויינים הזעירים.
- מחקרים מדעיים – לוויינים זעירים משמשים כמעבדות מעופפות להוכחת טכנולוגיות ובדיקת רכיבים חדשים עבור לוויינים. השילוב של קרינהחזקה, הפרשי טמפרטורה קיצוניים וריק כמעט מוחלט מקשה על רכיבים אלקטרוניים לעבוד היטב בחלל. יש לזכור שללא תכנון מתאים, רכיבים אלו עלולים להינזק, להתקלקל ואפילו להישרף. בדיקת הרכיבים במעבדות הקיימות על פני כדור הארץ עולה הון. בנוסף, רק חלק מתנאי החלל משוחזרים בהן, לכן אינן מדמות את סביבת החלל באמת. היכולת לבנות ולשגר לוויין קטן וזול מאפשרת הרכבת חלק מהרכיבים החדשים על לוויין זעיר ולבצע ניסוי בפועל בחלל.
- שיפורים טכנולוגיים בתחום התקשורת [3] – תקשורת לוויינית בין מטוסים, בין חיילים בשדה הקרב. אחד החידושים המעניינים ביותר בתחום החלל הוא השימוש בטלפונים חכמים כמחשבי משימה ומטענים ייעודיים בלוויינים זעירים.
- תצפיות – לוויינים זעירים, כמו ננו-לוויינים, קטנים מכדי להכיל עדשות ומצלמות לצילום צבאי ברזולוציה המאפשרת קירוב קטן ממטר, אך הם בהחלט יכולים לספק תמונות איכותיות של כדור הארץ בצבע וברזולוציה של כמה מטרים. תמונות אלה מצוינות ליישומים הקשורים לניטור כדור הארץ ואיכות הסביבה, כמו זיהוי זיהומי מים, כתמי שמן ונפט בים, מקורות שריפה ואפילו חקלאות חכמה.
- מחקרים ביולוגיים – בדיקת השפעות סביבת החלל על חומרים אורגניים ויצורים חיים. אחד מהלוויינים ששוגרו לחלל לטובת נושא זה שוגר על ידי נאס”א. לוויין Gene-Sat (לוויין בראשית) נועד לבדוק את קצב גידול חיידקי אי-קולי (coli) בהשפעת הקרינה אשר בחלל. הלוויין שידר תמונות של תרביות גידול החיידקים – דבר שאפשר למדענים לנתח את התוצאות בהשוואה לאוכלוסיית חיידקים זהה על פני כדור הארץ. בנוסף, לוויין Pharma-Sat (פיתוח של נאס”א) נועד לבחון יעילות של תרופות אנטיביוטיות בחיסול חיידקים בחלל.
- אתגרים טכניים בפיתוח לוויין זעיר
- כלליים
האתגרים המרובים איתם מתמודדים המהנדסים [6] הם הקטנת רכיבי הלוויין תוך שמירת אמינותם ואיכותם. לרוב, ככול שהרכיב הוא גדול יותר, קל יותר לבצע עליו בדיקות ואנליזות ושינויים לפי הצורך. כאשר מקטינים את הרכיבים יש קושי בביצוע אנליזות ובדיקות, וכל זה מקשה על שינויים ברמת הרכיב. ניקח, לדוגמא, מסנן שיושב ב אנטנת המקלט – כאשר הוא מתקלקל, יותר קל להחליף את כולו מאשר להחליף כבל או נגד בכרטיס אלקטרוני.
כשמנסים למזער את הרכיבים, נדרשים כלים מיוחדים ושעות הפיתוח שלהם גדולות מאוד ביחס לעלות הפיתוח של הלוויין עצמו.
אחד האתגרים המורכבים הוא לשלב מעבד בסדר גודל ממש קטן שיוכל למנות את כל הפונקציות החיוניות בעת שיגור הלוויין. כל הפונקציות הללו דורשות כוח ויכולת עיבוד גדולה מאוד ומהירה, לכן היה קשה לפתח מעבד קטן שיכול לתת מענה לכל הצרכים האלו.
בתחום התקשורת האתגר הכי גדול הוא בין גודל הלוויין להספק שאותו הוא מעביר. ככל שממזערים את הלוויין, כך ההספק שהוא יכול לקבל ו להעביר יורדים. זאת אחת המגבלות הגדולות עד היום.
בלוויינים זעירים מוגבלים בהספק המשודר ומפני שהפסדי הפיזור גדלים ביחס ישר לרבוע התדר יש להשתמש בתדרים נמוכים יותר כדי לקבל אות מספיק גדול במקלטים על כדור הארץ. לכן הלוויינים הזעירים משתמשים בעיקר בתחום תדרי הVHF, הנמוכים מן המקובלים בלוויינים גדולים יותר מה שמגביל את רוחב הסרט ואת קצב העברת המידע המשודרים מן הלוויינים.
איור 2. תהליך פיתוח של לוויין זעיר
ב. הזמן הדרוש לפתח ננו-לוויין חדש?
מלבד הגודל שלהם והעלות הנמוכים, היתרון הגדול ביותר של Nanosatellite [6] הוא פרק הזמן הקצר הנדרש לפתח כל דגם. לוויין בגודל ממוצע או גדול דורש מספר שנים כדי לזהות את הצורך ,לתכנן, לייצרו ו להציב אותו במסלול .מה ההשלכות של זה? ובכן, בין ההתחלה והסיום של הפעילות, ייתכן שהצרכים השתנו, מה שאומר שהשימושים המתוכננים בתחילה אינם מתאימים יותר לשוק. מה עוד, טכנולוגיות התקשורת משתנות ומתעדכנות כל הזמן. זה בלתי אפשרי לעדכן כל הזמן לוויינים גדולים, כלומר, הם לא יכולים להיות שונים מבחינה טכנולוגית. אבל עבור לוויין זעיר יכול לקחת פחות מ-8 חודשים עד שממקמים אותו במסלול כפי שמוצג ב טבלה 2.
ג. עלות פתוח ננו-לוויין? [6]
פיתוח לוויינים קטנים תורם להפחתה של עלויות המחקר והשלבים הטכניים. זה תורם באופן משמעותי כדי להתגבר על מחסום הכניסה לחלל, אשר הובילה לעלייה חדה עקב הפופולריות של הלוויינים הזעירים. בהתאם למפרטי Nanosatellite ניתן לבנות לוויין זעיר ולשגר אותו למסלול בעלות הרבה יותר נמוכה מלוויין גדול כפי שמוצג בטבלה 2 . ראוי להזכיר במיוחד את הופעתה של משגרי מיקרו ברחבי העולם המוקדש באופן בלעדי להצבת לוויינים קטנים במסלול – הם הורידו משמעותית את עלויות השיגור. בנוסף להתפתחותו בפועל של כל לוויין, שיגור ננו-לוויין כחלק מקונסטלציה מאפשר לסיכון הכרוך במשימת חלל כלשהי להתחלק בין מקטעים קטנים יותר. כתוצאה מכך, אם ננו-לוויין אבד או שאחת מהיחידות נכשלת, ניתן להחליפו במהירות בתוך תקופות זמן סבירות ובמחיר סביר. לעומת זאת, הכישלון של לוויין בקנה מידה גדול עלול לסכן את המשימה כולה. עלות מופחתת של Nanosatellites לא אומרת שהם פחות אמינים. עם המתודולוגיות הנכונות הן בשלבי תכנון הלוויין והן בשלבי הבדיקות, ניתן להבטיח את הצלחתה של המשימה ולהשאיר רק את הגורמים שאינם ניתנים לשליטה, ז”א אירועים כגון: תקלות שיגור, סופות שמש או ההשפעה של מטאוריט או זבל בחלל.
טבלה 2. השוואה בין לוויינים (משקל, עלות וזמן פיתוח)
- שיגור ננו-לוויין
לאחר שהלוויין הזעיר פותח ועבר את כל הבדיקות, הוא מוכן לשיגור ונדרש למקם אותו במסלול [6]. כיום יש הרבה שיטות שילוח, כולל שימוש משותף ברקטות ממשלתיות ומשגרים של חברות פרטיות. הלוויינים הזעירים כמעט ולא תופסים מקום וזה מה שהופך אותם למטען קל על המשלח . יתרה מזו, כיום יש משגרי מיקרו שמוקדשים אך ורק להצבת לוויינים זעירים במסלול. ניתן בם לשלח לוויינים זעירים באמצעות תחנת החלל הבין לאומית.
- מבט היסטורי על ספקטרום התדרים עבור הלוויינים
כשאר הלוויין הראשון “ספוטניק” שוגר באוקטובר 1957 הוא פעל ב 2 תדרים 20.005 ו-40.01 מגה הרץ.
הלוויין הראשון ששוגר ע”י ארה”ב (Explorer 1 ) פעל ב-2 תדרים 108.00 ו-108.03 מגה הרץ. שזה ממש קצת מעל תדרי ה-FM (88-108) המקובלים באותה תקופה.
תחומי תדרים השימושיים בתקשורת לוויינים:
| FREQUENCY | BAND |
| 225-390 MHz | P VHF |
| 350-530 MHz | J UHF |
| 1.53-2.7 GHz | L |
| 2.7-2.9 GHz | S |
| 3.4-6.425 GHz | C SHF |
| 7.25-8.4 GHz | X |
| 10.95-14.5 GHz | Ku |
| 17.7-31 GHz | Ka |
| 36-46 GHz | Q |
| 46-56 GHz | V |
| 56-100 GHz | W |
אנטנות בלוויינים זעירים
לוויינים זעירים בגלל המשקל והממדים הזעירים צריכים אנטנות שיכולות לעשות כמה פונקציות כגון:
טלמטריה, מעקב ופקודה הכולל את Up-Link and Down Link בתדרים שונים , תצפיות , GPS ועוד.
כל פונקציות האלו דורשות לעיתים מספר אנטנות שונות.
האתגרים של בחירת אנטנה ללוין זעיר
בשל הסביבה המיוחדת של החלל והדרישות לוויין זעיר האנטנות נזקקות לעיצוב מיוחד ועומדות מאחורי אתגרים רבים:
- אנטנות חייבות להיות אמינות ביותר, מכיוון שקשה להחליף אנטנה בחלל.
- אנטנה חייבת להיות בעלת מסה נמוכה מאוד ויעילה מאוד.
- אנטנה חייבת להיות חזקה מכנית ומסוגלת לעמוד בפני רעידות וזעזועים במהלך השיגור.
- העיצוב הטרמי ועמידה בפני טמפרטורות קיצוניות.
- אנטנה חייבת לשרוד את הקרינה הקשה בסביבת בחלל כמו קרינה מייננת, קרינה קוסמית ועוד.
סוג חדש של לוויינים קטנים פותח ע”י מכוני מחקר עם משקל פחות ממאה גרם: Femto-satellites. בהשוואה ל- CubeSat., עיצובים אלה פשוטים – אולי רק כמה חיישנים משמשים כמטען המשא. גורם צורה כה קטן מצריך חשיבה מחודשת על כל אחת מתת-מערכות הלוויין המסורתיות, ואולי גם מבטלת חלק מהן לחלוטין. מתקיימים מאמצי מחקר לפיתוח הוכחות-מושגים, שיגור אבות-טיפוס, חקר מכניקת מסלול ההצעה והצעה של יעדי משימה חדשניים עבור Femto-satellites.
איור 3: דוגמא של לוויין FEMTOSA
CUBESAT. 7.
בפרק זה נביא לדוגמא את אחד מסוגי הלוויינים הזעירים הפופולריים בשוק – ה-CUBESAT
קיובסאט (CUBESAT) הוא שם כללי לפלטפורמה לוויינית זעירה, שפותחה במקור על ידי אוניברסיטת סטנפורד מארצות הברית. התצורה של הלוויין הבסיסי היא קובייה, בעלת גודל של 10 ס”מ x 10 ס”מx 10 ס”מ.
לוויין הקיובסאט הראשון פותח בשיתוף פעולה בין אוניברסיטת סטנפורד והמכון הפולי טכני של קליפורניה ככלי שיאפשר לסטודנטים לשגר לוויין במהירות ובזול. עלות של לוויין סטודנטים נמדדת בעשרות אלפי דולרים בלבד במקום מיליונים עבור לוויין רגיל. היום נפוץ בהרבה השימוש בערכת לוויין מוכנה מראש, שבאה במגוון גדלים ועיצובים. למעשה, התכן של הקיובסאט יצר פלטפורמה לתחום הלוויינים הזעירים – רוב מוחלט של לוויינים אלה מבוססים על הקיובסאט.
ניקח לדוגמא לוויין CUBESAT ישראלי בשם דוכיפת 1, שהוא מסוג פיקו-לוויין, שנבנה במעבדת החלל בהרצליה בשיתוף עם תלמידי בית ספר תיכון ו מהנדסים מן התעשייה. לוויין זה שוגר לגובה של 600 ק”מ במסלול לווייני נמוך על גבי משגר מאתר השיגור דומברובסקי ברוסיה. משקלו בעת השיגור היה 853 גרם. הדוכיפת 1 עבד בתחום תדרים של VHF ו-UHF.
הלוויין בנוי בתצורה של קובייה של 10x10x10 ס”מ בתקן קיובסאט. למרות גודלו הקטן, הלוויין כולל את תת-המערכות ההכרחיות כמו בלוויין גדול, לרבות מערכת בקרת אנרגיה, מערכת שידור-קליטה ועיבוד מידע, ומערכת בקרה תרמית. מטרת הלוויין העיקרית היא קליטת אותות מצוקה על ידי שידורי רדיו, במיוחד משדרי רדיו קטנים וזולים המשומשים על ידי מטיילים המאפשרים את חילוצם.
איור 4: חלקיו של לוויין CUBES
איור 5: הפנים של לוויין CUBESAT
- תחזיות בתחומי הלוויינים הזעירים ומסקנות
השימוש בלוויינים זעירים גרם להישגים רבים בתחום הלוויינים. התפתחות של הלוויינים הזעירים תרמה רבות למטרות צבאיות ואזרחיות. כמו כן, אי אפשר להתעלם מהתרומה שלהם לחובבי הרדיו. חובבות הרדיו היא תחביב מדעי וחברתי שהתפתח במאה העשרים. לאורך השנים חובבות הרדיו מטפחת את הקשר החברתי בעולם, ומשתתפת בסיוע לשירות הציבור והמדינה; אך תועלתה העיקרית היא בקידום הטכנולוגיה, על ידי ניסוי והפעלה של שיטות ואמצעים חדשים. חובבי הרדיו מתקשרים ביניהם במספר דרכים, ומניינם בעולם עומד על מיליונים.
בזכות התועלת הרבה והמחיר הנמוך יחסית סטודנטים ותלמידים רבים תכננו ובנו את הלוויינים הנ”ל – דבר אשר גרם לתרומה בהתפתחותם והשכלתם. בשנים האחרונות ישראל, אשר הבינה את המשמעות הרבה בתחום הלוויינים הזעירים, הגבירה את ההשקעה בפיתוח שלהם.
בעתיד נראה עוד ועוד קבוצות של לוויינים קטנים שעובדים יחד כדי לבצע משימות. היתרונות הגדולים הם כיסוי מרחבי וזמני של כדור הארץ. ארכיטקטורות חדשות מאפשרות רב-תלותיות ואמינות רבה יותר, והשימוש ברכיבי אלקטרוניקה חדישים משפר את הביצועים עד שני עשורים. אם יש הרבה לוויינים קטנים בארכיטקטורות חדשות, חלק מהם, למשל, יכולים להיות מוקדשים למדידות, בעוד שאחרים יכולים לתקשר נתונים לכדור הארץ. גם אם חלק מהלוויינים נכשלים לבצע את המשימה שלהם, עדיין יש הרבה במסלול כדי להשלים המשימות הדרושות.
אופטימיות נוספת ניתן לשאוף מקרן אילן רמון , שהינה עמותה רשומה שנוסדה בשנת 2010 על ידי רונה רמון ואישים מובילים בחברה הישראלית. העמותה מנציחה את מורשתו של בעלה של רונה, אילן רמון, האסטרונאוט הישראלי הראשון, שנספה באסון מעבורת החלל קולומביה ב-2003, ושל בנם אסף רמון, טייס בחיל האוויר שנספה בתאונת אימונים בספטמבר 2009, זאת באמצעות פעילויות חינוכיות מתקדמות בנושאי מנהיגות, תעופה וחלל.בנוסף הקרן מפיקה כנסיי חלל מקצועיים בשיתוף הסוכנות החלל הישראלית, הרצאות העשרה בבתי הספר ותחרויות ארציות בנושאי חלל להנצחת אילן ואסף רמון ת כולל תכנון ,בנייה והפעלת לוויינים זעירים כדי להשפיע על חלק הנוער הישראלי להתעניין ,ללמוד ולהצטיין ב מדעי החלל החשובים בין תחומי המדע להובלה למצוינות ועליונות טכנולוגית של מדינת ישראל.
ביבליוגרפיה
[1] https://www.nlr.org/article/the-bright-future-of-small-satellites/
[2] https://www.new- techonline.com/
[3] יעקב גוון ,”לוויינים קשר התקשורת”, עיתון מדע של מכון וייצמן, ספטמבר 1984.
[4] www.nasa.gov/
[5] J.N.Pelton, R.S.Jakhy, “Small satellites and their regulations”, Springer books, 2013.
[6] https://alen.space/basic-guide-nanosatellites/
[7] Comtech- Aeroastro, “Focus the Power of the Pico-satellites”, Sat. Magazine, 1.11.2013
[8] פרופ’ יעקב גוון ואירינה ברונפמן, “סקירה של לוויינים קטנים וזעירים ממבט של מהנדסי תקשורת רדיו”, חשמל ואנשים, SEEEI, גיליון 48 תדצמבר2013 PP76-83)
[9] ג’ויס נעמי פרץ, שיאל פנחסי ,אירנה ברונפמן ופרופ’ יעקב גוון , “לוויינים זעירים וחשיבותם: עבר, הווה ועתיד”, New Tech MW Magazine פברואר 2017,PP(88-93) .
[10] נופר אינדפורקר, אור פרי, MSC אירנה ברונפמן, ד”ר אירית יובילר ו פרופ. יעקב גוון, ” לוויינים למטרות צבאיות” New Tech. Military Magazine ,אוגוסט 2017.
[11].Daukantas, “CubeSat. Tiny Platforms for Orbiting Optics”, Optics& Photonics, Jan2019,(PP(28-35),
