כולל שירות

מה קורה כשלוויין המקיף את כדור הארץ צריך לתדלק? נעזרים בלוויינים מיוחדים לתדלוק בגובה של 36,000 ק”מ מעל קו המשווה. הכל על פיתוחם של לווייני תחזוקה, תדלוק ושדרוג

הכתבה פורסמה בגליון פברואר 2008 של כתב העת גלילאו

לוויינים המקיפים את כדור-הארץ זקוקים לדלק עבור מערכות התמרון והייצוב שלהם. על פי רוב מדובר בדלק מסוג דו-מתיל הידרזין (UDMH) המאוחסן במכל בתוך הלוויין. בין שמדובר בלוויין צילום, בטלסקופ חלל או בלוויין תקשורת – כשאוזל הדלק, הלוויין הופך לכלי אין חפץ בו, שאינו יכול לתפקד, גם אם כל שאר מערכותיו תקינות, התאים הסולאריים שלו מספקים חשמל והתקשורת עמו פועלת.

אם נזכור כי לווייני תקשורת, למשל, עולים מאות רבות של מיליוני דולרים, והם מסוגלים לפעול במשך שנים רבות (רובם מעל עשור – לדוגמה, לוויין התקשורת הישראלי הראשון, עמוס 1, שתוכנן ונבנה במפעל מבת חלל של התעשייה האווירית, פועל בהצלחה בחלל משנת 1996, ועתיד להיות מוחלף במהלך שנה זו באחיו הצעיר והחדיש עמוס 3), וכי לווייני תקשורת מרוויחים כסף רב, הרי שחבל מאוד לאבד לוויינים אלה עקב אבדן הדלק שלהם, כשהיה אפשר להשתמש בהם עוד חודשים ושנים לולא כן.

על בסיס ניתוח כלכלי וטכנולוגי, החלו כמה חברות יזמיות בתחום החלל לפתח רעיון של תדלוק לוויינים בחלל, ובפרט לווייני תקשורת, הפועלים במסלול מיוחד בגובה של 36,000 ק”מ מעל קו המשווה של כדור-הארץ. מסלול זה ידוע כמסלול גאוסטציונרי – לוויין הממוקם במסלול זה מקיף את כדור-הארץ בזמן השווה לזמן הסיבוב של כדור-הארץ סביב עצמו, וכך הוא קבוע מעל נקודה מסוימת על פני כדור-הארץ. שיגור לוויינים למסלול זה איננו משימה קלה, וחלק ניכר מהדלק המצוי בהם משמש לתמרוני הצבה במסלולם. יוצאי דופן הם לוויינים המשוגרים ישירות למסלול גאוסטציונרי, ולא למסלול מַעבר, וראוי לציין כי אחד מהלוויינים הראשונים בעולם שישוגרו בתמרון זה יהיה הלוויין עמוס 3 שבבעלות חברת חלל תקשורת הישראלית.

תחזוקה בחלל

השם המקובל לתפישת התחזוקה, התדלוק והשדרוג של לוויינים הוא OOS – On Orbit Servicing. הדוגמה הבולטת ביותר (וגם היקרה ביותר) היא משימות התחזוקה של טלסקופ החלל האבּל. טלסקופ חלל זה שוגר לחלל על-ידי נאס”א בשנת 1990, וזכה מאז לביקורים אחדים של מעבורות חלל, שהביאו עמן ציוד חדש (הוחלפו בו עם השנים התאים הסולאריים, המחשב, הג'ירוסקופים, מצלמה ומכלולי אלקטרוניקה שונים) וצוות אסטרונאוטים מיומן שביצע מספר רב של ריחופים בחלל לצורך הטיפול בטלסקופ. החיסרון הניכר של תחזוקה זו הוא עלותה הגבוהה – כל משימת שדרוג ותחזוקה עלתה מאות מיליוני דולרים, ולעתים אף למעלה מזה. היתרון – כושר האלתור, ההמצאה וההתגברות על תקלות שהפגינו האסטרונאוטים, ואשר היו מן הנמנע אילו היה מדובר במשימה רובוטית.

היערכות לשירות בחלל

כיום נבנים הלוויינים בלא יכולת תחזוקה בחלל, אלא במקרים יוצאי דופן (ובהם טלסקופ החלל האבל ולוויינים ייחודיים להדגמות טכנולוגיות). משמעות הדבר היא, למשל, שאי-אפשר לפתוח פאנלים, להחליף מכלולים בלוויינים או לתדלקם.

אחד הרעיונות שבוחנים כיום גופי מחקר שונים הוא סטנדרטיזציה של מכלול ההתחברות ללוויינים. סטנדרטיזציה כזו תאפשר פיתוח של לווייני תחזוקה שיוכלו לטפל במגוון רחב של לוויינים, ממדינות שונות וליישומים שונים. חברה גרמנית פיתחה מערכת שתוכל להתחבר לכל לוויין תקשורת במסלול גאוסטציונרי – על-ידי התחברות לנחיר הפליטה של המנוע המותקן בלוויינים אלה, ששימש אותם לתמרונים שנדרשו כדי להביאם למקומם בחגורת הלוויינים הגאוסטציונריים. לצורך ההתחברות פותחו מד-טווח לייזר רגיש במיוחד וחיישני מגע, נוסף על מנגנון נעילה מכני היכול להיצמד לנחירי הפליטה, שצורתם קונית. ניסויים שונים בטכנולוגיה זו נראים מבטיחים, ויתרונה הגדול – אי-תלות בתכן (תכנון) של לוויין ספציפי, כך שלוויין שירות אחד יוכל להתחבר לכל לוויין מטרה.


שירותים שיינתנו ללוויינים בחלל

לווייני שירות יוכלו להגיע ללוויינים במסלולים מגוונים – החל ממסלולים נמוכים (LEO) בגובה של מאות קילומטרים, ועד למסלולים גבוהים (36,000 ק”מ). מובן שעלות השיגור והתפעול – וכנגזרת מכך עלות השירות ללקוח – תשתנה בהתאם לגובה הלוויין ולטיב השירות שיוזמן. ככלל, אפשר לחלק את סוגי השירות החללי ללוויינים לקטגוריות:

* בחינה ותצפית – לוויין השירות יתקרב אל לוויין המטרה, עד למרחק של עשרות סנטימטרים, ויבחן אותו מקרוב. תוצאות הבחינה (לרוב תמונות ברזולוציה גבוהה) יועברו אל הלקוח, שיוכל לעמוד על מצבו של הלוויין ולהעריך את השירותים הנוספים שיוזמנו, כמו החלפת מכלולים, שחרור חלקים תקועים (דוגמת אנטנה) וכיו”ב. בסוג שירות זה אין על הלוויין המעניק אותו להתחבר ללוויין היעד, אלא לבצע פעולות קרבה.

* תמרון – סוג שירות זה מורכב יותר משירותי בחינה ותצפית, והוא כולל התחברות פיזית ללוויין היעד וביצוע של שינוי במסלולו. שינוי יכול להיות העלאה של לוויין ממסלול נמוך למסלול גבוה (לדוגמה, במקרה של כשל בשיגור, ו”היתקעות” של לוויין המיועד להגיע למסלול גאוסטציונרי במסלול נמוך, שבו הוא חסר ערך); הורדת לוויין שסיים את חייו למסלול נמוך שיביא לבסוף לשרפתו באטמוספרה, לצורך שמירה על ניקיון החלל מגרוטאות ושברי לוויינים; תמרון בתוך החגורה הגאוסטציונרית והעברת לוויינים למיקום חדש ועוד.

* תחזוקה – סוג שירות זה הוא המורכב ביותר, ולכן גם עלותו תהיה גבוהה. במסגרת השירות ללוויינים, יגיע לוויין הטיפולים והתחזוקה לקרבת לוויין היעד, יבצע סריקה ואבחון, ולאחר מכן יתחבר אליו. או אז יחלו פעולות התחזוקה עצמן, שיכולות לכלול פירוק תאים סולאריים והחלפתם בחדשים, התקנת מערכות חדשות ללוויין במקום מערכות שכשלו או התיישנו, תיקון מכלולים שהתגלו בהם תקלות, וכדומה. מובן שלוויינים הדורשים תחזוקה בחלל יתוכננו מראש בהתאם, ומכלולים בני-החלפה יותקנו על מקבעים מיוחדים, בלא צורך בהלחמות או בהברגות – על מנת שלוויין השירות יוכל להוציאם מהמקום בנקל ולהחליפם במערכת חדשה שיביא עמו. יהיה צורך לתכנן ללוויין פתח למילוי דלק, שיוכל להיות מועבר מלוויין התדלוק והשירות (מערכת זו פותחה למעשה בברית-המועצות עוד בשנות השבעים, עבור תחנות החלל סאליוט, שהועבר אליהן דלק מחלליות אספקה אוטומטיות ובלתי מאוישות מסוג פרוגרס).

מיקרו-לוויינים – למשימות התחזוקה והשירות בחלל

משימות התחזוקה בחלל מתאימות במיוחד ללוויינים קטנים, המכונים מיקרו-לוויינים. לוויינים אלה מצטיינים בגודל קטן ובמשקל נמוך (בעת השיגור הם שוקלים לרוב עשרות ק”ג עד כ-150 ק”ג), בזמן פיתוח קצר יחסית ובפשטות. מיקרו-לוויינים של ארצות-הברית כבר הדגימו בשנים האחרונות את יכולתם לבצע פעילויות בקרבת לוויינים אחרים, במסגרת ניסויים של חיל האוויר האמריקני (לווייני Xss-10 ו-Xss-11) ובמסגרת נאס”א (משימתDART – Demonstration for Autonomous Rendezvous Technology).

אחד הקשיים במשימות קרבה אוטומטיות הוא הצורך לתמרן בזהירות ובעדינות רבה בקרבת לוויין היעד, מבלי לפגוע בו. משימת DART של נאס”א נכשלה, למעשה, כיוון שבאחד מתמרוני ההתקרבות פגעה החללית המתמרנת בלוויין המטרה. משימת DART יוצאת דופן במשימותיה של נאס”א, שכן מרבית ההיבטים הטכניים שלה מסווגים ולא שוחררו לידיעת הציבור. חיל האוויר האמריקני משקיע מאמצים בבחינת הטכנולוגיות של פעילות קרבה בחלל, בין היתר לשם בחינת לוויינים של מדינות אחרות, ואף פיתוח היכולת לפעול כנגדם בעת הצורך, וזאת במגוון אמצעים: התנגשות מכוונת, הסתרת שדה הראייה של לווייני צילום, יצירת עומס-יתר על הלוויין או קצר, האפלה על התאים הסולאריים שלו וכיו”ב.


Geo Ring – יזמות בתיקונים ושירותים מסלוליים ללוויינים

חברת Geo Ring היא חברה מסחרית המאגדת כמה חברות וגופים אירופיים, המפתחת תפישה של תדלוק לווייני תקשורת במסלול גאוסטציונרי. החברה מתכננת לפתח כמה לווייני שירות, ובהם מכלית, מיני-לוויין להעברת הדלק ומיקרו-לוויין לתצפית ופיקוח על תהליכי ההתקרבות, העגינה והטיפול בלוויין היעד. החברה כבר רשמה פטנטים אחדים הקשורים במערכת התדלוק והתמרון, וכבר יש לה הסכמי הבנה חתומים עם חברות ומפעילים של לווייני תקשורת – ובהם תאגיד לווייני התקשורת הערביים Arabsat שמרכזו בסעודיה.

אתר החברה מתאר את התרחישים השונים של שירות ללווייני תקשורת גאוסטציונריים, ובין היתר עולה כי החברה מתעתדת לבנות לוויין קטן שיאחז בלוויין התקשורת ויוכל להפעיל מנוע רקטי המצוי בו, על מנת להציב את לוויין התקשורת במקום חדש בחגורה הגאוסטציונרית. לוויין מסוג זה יוכל לשמש גם להעלאת לוויין תקשורת שסיים את פעולתו למסלול גבוה מאוד, על מנת לפנות מקום ללוויין אחר (כיום לוויינים גאוסטציונריים מבצעים תמרון זה לקראת סוף פעילותם, אך לעתים, בגלל תקלה, התמרון אינו מתבצע והלוויין נותר במקומו כשהוא תופס מקום יקר של לוויין חלופי, ועם הזמן, וסחיפות במסלולו, הוא עלול לסכן לוויינים שכנים).

השלכות ביטחוניות

היכולת לפעול בקרבת לוויינים, מחד גיסא, והאפשרות לבצע בהם פעילויות שונות, מאידך גיסא, יכולה ביום מן הימים להוות סיכון ללוויינים. אמנם, נקל להבין כי פעילויות שדרוג ותחזוקה בחלל יהיו נחלת מדינות מועטות, אך בעתיד תוכל טכנולוגיה זו להיות זולה יותר ולהיות בהישג ידן של מדינות שאחריות ושמירה על החוק הבינלאומי אינן בהכרח נר לרגליהן. על מפעילי הלוויינים השונים להיערך לאפשרות העתידית של מניפולציה וחבלה מכוונת בלוויינים, בין היתר על-ידי התקנת מערכת לגילוי לוויינים מתקרבים וביצוע תמרוני חמיקה מהם, או אף נטרולם.

חזון זה נדמה כמדע בדיוני או עתיד רחוק, אך הוא עלול להתממש בטווח של עשור או שניים.

הסוכנות למחקרי הגנה מתקדמים (DARPA) של ארצות-הברית, ביחד עם חברת בואינג, נאס”א וחיל האוויר האמריקני, ביצעו סדרה מוצלחת מאוד של ניסויי התקרבות, התחברות והתנתקות של שני לוויינים ייעודיים,ASTRO ו-NEXT SAT, במסגרת תכנית מחקר המכונה Orbital Express. במסגרת התכנית נדגמו יכולות ההתקרבות והעגינה האוטומטית, וכן פעולות מורכבות שבוצעו באמצעות זרוע רובוטית נשלטת מרחוק.


כמה זה עולה?

בשלב זה אין אומדנים מדויקים של עלות השירות לטיפול בלוויינים. מובן כי משימות מורכבות או משימות במסלול גבוה יעלו יותר ממשימות בחינה פשוטות במסלול נמוך. ואולם, על מנת ששימוש בלווייני שירות יהיה כלכלי, על מפתחי לווייני השירות (דוגמת מערכת הרמס של חברת Geo Ring) להגיע לנקודת איזון בין עלות המשימה לבין המחיר שייגבה מלקוחות אפשריים.

אפשר לשער, כי לוויין תקשורת שסטה ממסלולו או שכלל לא הגיע אליו עקב כשל במנוע יהיה מועמד מתאים ביותר להצבה מסלולית מחודשת (Re-Orbiting), שכן גם במחיר של עשרות מיליוני דולרים יצומצם ההפסד המוחלט במקרה של כשל. אגב, סביר להניח כי חברות ביטוח המבטחות לוויינים יהיו לקוחות של שירות מעין זה, שכן לאחר הצלת לוויין תועה והצבתו במסלול, תוכל החברה למכרו למפעיל (