לוויין קטן שלי…

עד לאן אפשר לקדם את המגמה של הקטנת הלוויינים והאם יש מחיר להקטנת הלוויין? על ננו-לוויינים ומקומם בחקר החלל בימינו ובעתיד

טל ענבר, פורסם בגלילאו – אפריל 2008

לוויינים, הנעים במסלוליהם סביב כדור-הארץ זה 51 שנים, נחשבים למכשירים מורכבים ביותר. הלוויינים מצוידים במערכות שונות, המאפשרות להם לבצע את משימותיהם: מקור חשמל, מחשב, מערכות בקרה, מערכות הנעה, מצלמות, ציוד תקשורת, ציוד לבקרת טמפרטורה – וזו כמובן רק רשימה חלקית ביותר.

דומה היה במשך שנים שלוויינים יהיו תמיד גדולים, כבדים ויקרים. עם התפתחות מזעור הרכיבים האלקטרוניים, ובראשם מעבדי המחשב, החלו הלוויינים (בחלקם) “להתכווץ”. ההקטנה של לוויינים מסוימים פתחה דרך למשימות חלל תכופות יותר, בעלויות נמוכות, ולשימוש במשגרי לוויינים קטנים וחלשים יותר – שהוזילו אף הם את עלותה הכוללת של משימת החלל.

עד לאן אפשר לקדם את המגמה של הקטנת הלוויינים? האם יש מחיר להקטנת הלוויין? נציג כאן את תחום הלוויינים הזעירים, המכונים לרוב ננו-לוויינים, ונראה מה מקומם בחקר החלל בימינו ולאילו יישומים אפשריים הם יכולים להתאים בעתיד.

מיני-מיקרו-ננו

החלוקה לגדלים של לוויינים משתנה, ותלויה במגדיר. יש המחלקים לוויינים לגדלים לפי משקל, יש שעושים כן על פי עלות המשימה. חרף ההבדלים, ההגדרה הנפוצה והמקובלת בקהילת החלל בעולם היא זו:

• לוויין גדול – משקלו מעל 1,000 ק”ג
• לוויין בינוני – משקלו בין 500 ק”ג ל-1,000 ק”ג
• מיני-לוויין – משקלו בין 100 ק”ג ל-500 ק”ג
• מיקרו-לוויין – משקלו בין 10 ק”ג ל-100 ק”ג
• ננו-לוויין – משקלו בין 1 ק”ג ל-10 ק”ג
• פיקו-לוויין – משקלו בין 100 גרם ל-1 ק”ג
• פֶמטו-לוויין – משקלו נמוך מ-100 גרם

יש לזכור שחלוקה זו אינה בגדר חוק בל יעבור, וכי לוויינים שונים מוגדרים באופן שונה על-ידי מפתחיהם. כאן נתרכז בננו-לוויינים.

סיפורו של הקיובסאט

קיובסאט (Cubesat) הוא שם כללי לפלטפורמה לוויינית זעירה, שפותחה בשיתוף פעולה בין אוניברסיטת סטנפורד והמכון הפוליטכני של קליפורניה, כשיטה חדשנית שתאפשר לסטודנטים לשגר לוויין במהירות ובזול. התצורה של הלוויין הבסיסי במשפחה זו היא קובייה, שאורך פאתה 10 ס”מ.

לוויין קיובסאט הראשון פותח בעלות של לוויין סטודנטים – עשרות אלפי דולרים בלבד. בתחילת השימוש בלווייני קיובסאט נבנו הלוויינים עצמם, על תכולתם, בידי מי שחפץ בכך, על פי תכניות שסופקו לו. כיום נפוץ בהרבה השימוש בערכת לוויין מוכנה מראש, הנמכרת במגוון גדלים ועיצובים. למעשה, התכן של הקיובסאט יצר סטנדרטיזציה בתחום הלוויינים הזעירים, באשר רוב מוחלט של לוויינים אלה מבוססים על פלטפורמת קיובסאט.

שיגור לווייני קיובסאט מתבצע באמצעות משגר גנרי, מעין תיבה שלתוכה מוכנסים עד שלושה לוויינים בבת-אחת. משהגיע המשגר לחלל, נפתח המארז וקפיץ הודף את הלוויינים החוצה, לחלל. ככלל, ננו-לוויינים – וקיובסאט בתוכם – אינם משוגרים כמטעד ייעודי ויחידי, אלא כמטען נלווה לשיגורים שונים ברחבי העולם. חלק ניכר משיגורי לווייני קיובסאט עד כה בוצע באמצעות משגר הלוויינים הרוסי דנייפר. שיגורים נוספים התבצעו באמצעות המשגר הרוסי קוסמוס 3. גם הודו מאפשרת שיגור לחלל של לוויינים אלה בטיל PSLV (ששימש בינואר 2008 לשיגור לוויין המכ”ם הישראלי טכסאר).
הגדלת הנגישות לחלל

כוונתם של מפתחי פלטפורמת קיובסאט היתה להוריד למינימום את מחיר מרכב הלוויין, ולפטור את המעוניינים בשיגור לוויין מחקר זעיר מן הצורך לתכנן את גוף הלוויין וחלק ממערכת ההפעלה שלו, המגיעה כיום יחד עם הגוף. עשרות לווייני קיובסאט שוגרו עד כה לחלל, ועשרות פרויקטים נוספים נמצאים בשלבים שונים של תכנון. הגדלת הנגישות לחלל מחד גיסא, והמחיר הנמוך של פרויקט לווייני מאידך גיסא, מאפשרים מימוש יוזמות חינוכיות ומחקריות וגישה לחלל למדינות מתפתחות, שלא היו יכולות להגיע לכדי שיגור לוויין לחלל בדרכים אחרות.

שימוש ברכיבי מדף ליישומי חלל בכלל – ולננו-לוויינים בפרט

ככלל, תעשיות החלל בעולם הן שמרניות ביותר בנוגע לרכיבים ולמערכות המשולבים בלוויינים. אף על פי כן, השימוש ברכיבי מדף (COTS,Commercial off the Shelf ) בתחום החלל הופך אט-אט לא רק למציאות, אלא כמעט להכרח, עקב העלויות הגדולות (בכסף, בזמן ובכוח אדם) של החלופות לכך.

חיל האוויר האמריקני ציין, במסמך משנת 2006, את יתרונותיהן של טכנולוגיות מדף בתחום החלל – קיצור זמני הפיתוח של הרכיבים הבדידים; פשטות ומהירות בפיתוח מערכות חלל המבוססות על תקנים; הפחתת עלות הבדיקות, עקב השימוש בכלי בדיקת רשתות סטנדרטיים וגישה מרחוק; פיתוח תוכנה מהיר יותר, המבוסס על מודולים קיימים; הקטנת כוח האדם הדרוש לתפעול לוויין; ושיתוף נכסי תקשורת בין פלטפורמות חלל שונות.

נגישותן של ערכות לבניית לוויינים זעירים, ובמיוחד ערכת קיובסאט, הופכת את מרכיב העלות של מרכב הלוויין לשולית – דבר המאפשר להפנות את עיקר התקציב למטעד.

החיסרון הגדול – היעדר יתירות

מכיוון שלוויינים פועלים בתנאים סביבתיים קשים ביותר (משרעת טמפרטורות של מאות מעלות צלזיוס, קרינה, שדה מגנטי חזק) ואי-אפשר על פי רוב לספק להם שירותי תיקון ותחזוקה, נבנות בהם מערכות גיבוי שונות, המאפשרות יתֵרות – כלומר המשך תפקוד הלוויין באורח תקין גם אם מתרחש כשל במערכת הראשית.

בלוויינים רבים מאוד היתרות היא מלאה, ובדרך-כלל היא כפולה. במערכות מסוימות, היתרות היא אף משולשת. החיסרון הגדול ביותר של לוויינים זעירים הוא היעדר כמעט מוחלט של יתרות, מסיבה פשוטה – אין בלוויין מקום לכך. בין יוצאי הדופן הוא הלוויין הזעיר הישראלי ISAT-1, שבו קיימת יתרות מלאה בכל מערכותיו.

טיסות מבנה ונחילי לוויינים

לוויינים זעירים נבחנים בעשור האחרון כמועמדים לטיסות מבנה בחלל, קרי, טיסה של שני לוויינים או יותר תוך שמירה על מיקום הדדי במרחב ושינויים בתצורה הגיאומטרית של המבנה. לנחילי לוויינים עתידיים, שיוכלו להכיל עשרות או מאות לוויינים זעירים, יכולים להיות שימושים מרובים במחקר, כמו למשל בחיפוש אחר גלי כבידה, במחקר אסטרונומי, בסקר מהיר של כוכבי-לכת וירחים ובמשימות צבאיות.

בין האתגרים הניצבים בפני המפתחים של רעיון נחילי הלוויינים אפשר לציין את מערכת ניהול המבנה, את אמצעי השליטה והבקרה של כל לוויין ומערכת התקשורת שלו עם לוויינים אחרים, את הצורך להימנע מהתנגשות עם עצמים אחרים בחלל – וזוהי רק רשימה חלקית. פיתוח אלגוריתמים הנדרשים לטיסות מבנה בחלל מתבצע בין השאר גם במכון אשר לחקר החלל בטכניון. נחיל של לוויינים זעירים יכלול לוויינים רבים בעלי יתרות נמוכה, אך היתרות הכוללת של הנחיל תהיה גבוהה – הלוויינים התקינים יוכלו לבצע את משימותיהם של לוויינים מקולקלים, בלא פגיעה במשימה שלשמה שוגרו לחלל.

ננו-לוויינים “כחול לבן”

ישראל נמצאת על מפת הננו-לוויינים, וכיום נבנים בה שני לוויינים, הנמצאים בשלב השילוב של חלקי הלוויין (אינטגרציה) במתקני מפעל מבת-חלל של התעשייה האווירית. את הלוויינים תכננו מומחי העמותה ללוויינות זעירה בישראל (INSA: Israeli Nano Satellite Assocoiation), שהקימה בשנת 2006 קבוצת מהנדסי חלל מתעשיות החלל השונות של ישראל.

הננו-לוויין הישראלי הראשון, המכונה ISAT-1, ישמש להוכחת תפקודם של רכיבי לוויין בתנאי אמת – כלומר בחלל. תעשיית הלוויינים היא כאמור שמרנית ביותר, בעיקר משום שאי-אפשר לתקן רכיבים שחלה בהם תקלה בחלל ובשל העלות העצומה של פרויקטים לווייניים. לכן, רכיבים שאנחנו עושים בהם שימוש בחיי היומיום, דוגמת מעבדי פנטיום, טרם הגיעו לחלל, פשוט מכיוון ששום יצרן אינו רוצה להסתכן בשיגור רכיב שטרם נוסה בחלל.

השימוש בננו-לוויינים מאפשר לשבור את מעגל הקסמים הזה, ולהעלות לחלל מעבדות זעירות הבוחנות התנהגות של רכיבים חדשים בחלל. אחד מצווארי הבקבוק העיקריים בתעשיית החלל הוא הוכחת פעולתם של רכיבים ומערכות המתוכננים להתקנה בלוויינים – תהליך ארוך ויקר, המתבצע במעבדות ספורות ברחבי העולם (בישראל פועלת מעבדה מתקדמת ביותר לדימוי סביבות חלל במתחם המרכז למחקר גרעיני שורק).

לוויין להוכחת רכיבי חלל נועד לבדוק את הרכיבים בתנאי חלל תוך שילובם בפלטפורמה לוויינית זעירה. התהליך יהיה מהיר יותר וזול יותר מאשר בחינות במעבדות, ויתרונו הגדול – יצירת heritage, מורשת חללית, קרי: הדגמה שרכיבים מסוימים פועלים ופעלו בחלל. זוהי מעין “חותמת כשרות” של הרכיבים והמערכות. הלוויין הראשון של העמותה צפוי להיות משוגר לחלל במחצית הראשונה של שנת 2009, באמצעות משגר הלוויינים דנייפר.

אוניברסיטת בן-גוריון עוסקת אף היא בפיתוח ננו-לוויין, וכבר קנתה כמה ערכות לבניית לוויין מחברת פמפקין האמריקנית. פרטים טכניים על הלוויין, או מועד מתוכנן לשיגורו, לא פורסמו עד כה.

תלמידי תיכון הנדסאים-הרצליה עסקו בלימוד נושא הלוויינות הזעירה בהובלת ד”ר אנה הלר. במסגרת הלימודים עסקו התלמידים בהיבטים שונים של תכנון תחנת קרקע לקליטת שידורי הלוויין, באפיון של לוויין זעיר ובביצוע עבודות מחקר בנושא מערכות הלוויין. דגם של הלוויין שפותח בתיכון הוצג בכנס החלל הבינלאומי על שם אילן רמון בשנת 2007.

מעבדה ללוויינות זעירה מוקמת בימים אלה בהרצליה. במסגרת המעבדה יתכננו ויבנו תלמידי העיר, שילמדו בתכנית לימודים ייחודית, ננו-לוויין שישוגר לחלל בתוך כ-3 שנים. שר המדע, התרבות והספורט, גאלב מג'אדלה, התרשם מהפרויקט והודיע שמשרדו יתמוך בו ואף יעודד תלמידים ערבים מצטיינים במדעים ליטול חלק בפרויקט.

שלבי השיגור של הלוויין ISAT-1

יישומים אפשריים

מגוון היישומים האפשריים לננו-לוויינים הוא עצום. ואולם, יש לזכור: ננו-לוויין אינו מהווה בדרך-כלל תחליף ללוויין גדול ממנו. חשיבותם של לווייני צילום ותקשורת לא תפחת למרות פעולתם של הננו-לוויינים. ננו-לוויינים יכולים לשמש למגוון משימות מדעיות, להוכחת טכנולוגיות, להגנה על נכסי חלל, לפרסום חללי, להדגמת טכנולוגיות חדשניות ועוד. אחד היישומים המעניינים, היכול להוות כר פורה לשימוש בננו-לוויינים, הוא הצבת לוויינים זעירים אלה כזקיפים, לשם הגנה על נכסי חלל חיוניים דוגמת לווייני צילום או תקשורת.

עוד על לוויינות זעירה

• קהילת משתמשי לווייני Cubesat
• אתר חברת פמפקין, יצרנית ערכות לוויינים זעירים
• אתר העמותה הישראלית ללוויינות זעירה

בהתקרב איום על הלוויין, בדמות נשק חלל מסוג כלשהו, יוכל לוויין זעיר לנוע למסלול התנגשות עם האיום, ובכך להגן על הלוויין הגדול. לוויינים זעירים אלה יוכלו להיות מוצבים מסביב ללוויין ובמרחק-מה ממנו, או להיות משולבים בגומחות ייעודיות בתוך הלוויין. שילוב כזה אף יאפשר להם לקבל ממנו חשמל לצורך פעולתם.