לוויינים זעירים וחשיבותם: עבר, הווה ועתיד

הקדמה
לוויינים זעירים הינם לוויינים שמשקלם והנפח שלהם קטן, ומקובל לקבוע כגבול משקל הלוויינים הנמוך מ-50 קילוגרם. בשל משקלם הנמוך נלווים הלוויינים הזעירים למשגר שמיועד ללוויין גדול, הנקרא מטען ראשי, והוא קובע את נתוני השיגור. הלוויינים משוגרים מתוך תיבת אחסון עם קפיץ כך, שכאשר המשגר מגיע ליעדו, נשלחת פקודה שפותחת את דלת התיבה, והקפיץ דוחף את הלוויינים הזעירים החוצה, בזה אחר זה. יש לציין כי מחיר השילוח הוא גם זעיר ביחס לשילוח לוויינים רגילים. לוויינים זעירים יכולים להיות משוגרים בנפרד או כחלק מלהק של לוויינים המתקשרים ביניהם ונשלטים על ידי לוויין ראשי המכונה “לוויין האם”.
במאמר זה נרחיב על תחום הלוויינים הזעירים שזוהי טכנולוגיה חדשנית ומתקדמת אשר תופסת תאוצה בשנים האחרונות.

היסטוריה ורקע
היסטוריה
לוויין הוא גוף שמיימי המקיף גוף שמיימי אחר, לרוב כוכב או כוכב לכת. המונח “לוויין” בעברית בא מהשורש ל-ו-ה, שכן הלוויין “מלווה” את כוכב הלכת.
קיימים שני סוגי לוויינים: לוויין טבעי ולוויין מלאכותי.
לוויין טבעי, לדוגמא ירח, של כוכב הלכת הינו גוף שמיימי טבעי בקרבת הכוכב שאותו הוא מקיף.
לוויין מלאכותי – כל גוף מעשי ידי אדם שנשלח למסלול סביב כדור הארץ, כוכבי שבת, כוכבי לכת אחרים או לוויין אחר כדוגמת הירח.
עם תחילת שיגורם לחלל של לוויינים מלאכותיים על ידי האדם בסוף שנות ה-50 של המאה ה-20, הלכה ותפסה משמעות הלוויין המלאכותי את מקומה של המשמעות הכללית, וכיום במושג “לוויין” הכוונה היא בדרך כלל ללוויין מלאכותי, ואילו ללוויין טבעי שלנו יוחד השם “ירח”.
הלוויין המלאכותי הראשון היה “ספוטניק 1” ששוגר על ידי ברית המועצות למסלול סביב כדור הארץ ב-4 באוקטובר 1957.
במהלך השנים שוגרו לוויינים גם אל כוכבי לכת אחרים. לוויינים אלה הקיפו את כוכבי הלכת, צילמו אותם ואספו מידע נוסף, ושידרו את המידע בחזרה אל החוקרים על כדור הארץ בעזרת משדרי רדיו.

רקע פיזיקאלי
הלוויינים מקיפים גופים בעלי מסות גדולות (כמו כוכבים) בהתאם לחוק הכבידה שאותו גילה וניסח אייזק ניוטון: כל שני גופים מפעילים אחד על השני כוח כבידתי המקיים את הקשר הבא:
(1)
כאשר F הוא הכוח המופעל, G הוא קבוע הכבידה, M היא מסת הגוף הראשון, m היא מסת הגוף השני ו-R הוא המרחק בין שני הגופים.
במקרה הפרטי של הלוויינים m היא מסת הלוויין, M היא מסת הכוכב שאותו מקיף הלוויין ו-R מייצג את המרחק בין מרכז הכוכב לבין הלוויין. במצב עבודה רגיל של הלוויין הוא מקיף את הכוכב באותו רדיוס ולכן גודל הכוח הפועל עליו הוא זהה וכיוונו כלפי מרכז הכוכב.
על הלוויין המקיף גוף שמיימי מופעל כוח גדול אשר מצד אחד לא מאפשר לו להתרחק מהגוף המוקף, ומצד שני קטן מכדי לגרום להתנגשות בין הגופים (ללא השפעת גורם נוסף כגון התנגדות האוויר). לוויין מלאכותי (להלן לוויין) הוא התקן המשוגר מפני כדור הארץ אל מסלול ההקפה, בדרך כלל סביב כדור הארץ. הצבתו של הלוויין בחלל נעשית בדרך כלל באמצעות טיל בליסטי, שהלוויין נמצא בחרטומו ומופרד ממנו בהגיעו ליעדו. דרך נוספת היא הובלת הלוויין ליעדו באמצעות מעבורת חלל.

שימושים של לוויינים
קיימים מספר שימושים עיקריים של הלוויינים:
1. לוויין המשמש לטיסה של אדם בחלל, המכונה בדרך כלל חללית ואם ניתן להשתמש בו יותר מפעם אחת – מעבורת החלל.
2. לווייני תקשורת המשמשים לתקשורת אלחוטית בין נקודות מרוחקות על פני כדור הארץ.
דוגמאות לשימוש זה הינן:
– שידורי טלוויזיה מועברים בדרך זו ללא צורך ברשת של תחנות ממסר קרקעיות;
– שיחות טלפון בינלאומיות מועברות בדרך זו ללא צורך בכבלים.
3. לווייני צילום המשמשים לצילום פני כדור הארץ, למטרות מדעיות, צבאיות ומסחריות.
4. לווייני מזג האוויר המיועדים לניתוח שינויי מזג האוויר על פני כדור הארץ ושיפור מתן התחזית.
5. מערכות ניווט לווייניות.
6. לווייני ריגול המיועדים למעקב, האזנה ותיעוד פעילות על כדור הארץ.
7. לווייני קרב שמטרתם הגנה או התקפה על לוויינים למטרות צבאיות.
8. גשושית שהיא חללית קטנה ובלתי מאויישת המשוגרת לחקור את הירח, כוכבי הלכת וגופים אחרים במערכת השמש.
9.מחקר מדעי, כדוגמת טלסקופ החלל האבל וטלסקופים למדידת קרני גאמה כמו
Gamma-ray Large Area Space Telescope.

סוגי מסלולי לוויינים
לוויינים מאופיינים במספר קטגוריות אשר קובעות את תפקידם. אחת מהקטגוריות הנ”ל הינו מסלול הלוויין, כלומר גובה הלוויין מעל פני כדור הארץ. תכונה זו קובעת את שטח הכיסוי של הלוויין, זמן המחזור שלו וכן יעוד הלוויין, כלומר האם ישמש לריגול, לתקשורת, לצילום ועוד.
המסלולים של הלוויינים הינם:
LEO – מסלול לווייני נמוך (Low Earth Orbit) בגובה של 300-1500 ק”מ מעל פני כדור הארץ. מרבית הלוויינים המקיפים את כדה”א נמצאים במסלול זה. במסלול זה הלוויין יכול לשמש במגוון תחומים .
MEO – במסלול לווייני בינוני (Medium Earth Orbit) בגובה של 2000-36000 ק”מ מעל פני כדור הארץ. במסלול זה נמצאות מערכות הניווט הלווייניות GPS ומערכות לוויינים חדישות למטרת תקשורת.
GEO – מסלול גיאוסטציונרי (Geostationary Orbit) בגובה של 36000 ק”מ מעל פני כדור הארץ. המסלול הזה הינו המפורסם ביותר בתחום הלוויינים. במסלול זה זמן המחזור של הלוויין (זמן ההקפה שלו סביב כדה”א) הינו 24 שעות, זמן זהה ליממה, כלומר הלוויין אשר נמצא במסלול זה יהיה קבוע מעל נקודה מסויימת מעל כדה”א. לוויינים אלה משמשים בעיקר לתקשורת (לדוגמא, לווייני עמוס נמצאים במסלול זה).
HEO – מסלול לווייני גבוה (High Earth Orbit) אליפטי בגובה של מעל 36000 ק”מ. מסלול זה מאפשר כיסוי מלא של אזור הקטבים.
עלויות הלוויין גדלות בדרך כלל עם משקלו, אבל משכורת המומחים ובדיקות האמינות הינן גם מרכיבים חשובים במחיר הלוויין. לכן עבור לוויינים קטנים יש שני סוגי מחירים נפרדים ללוויינים של חברות מקצועיות ושל סטודנטים וחובבי לוויינים.

לוויינים זעירים: יתרונות, וחסרונות ויישומים
יתרונות וחסרונות של לוויינים זעירים
בשל בעיות תקצוב של נושא החלל בעשור האחרון נוצר צורך גדול בהוזלת תחום החלל. הגופים הצבאיים העוסקים בתחום חשבו על מספר פתרונות.
אחד הפתרונות היה ייצור ופיתוח של לוויינים קטנים. הצבא האמריקאי, שמתעסק בתחום של פיתוח טילים וחלל, החליט על תוכנית שנקראת “יותר קטן – יותר טוב”, שמכאן הלך והתפתח הרעיון של הלוויינים הקטנים במיוחד.
השיקול לעבור לפיתוח של לוויינים זעירים נבע מכמה סיבות:
1. עלות גבוהה – לוויינים גדולים זקוקים למשגרים גדולים, שתהליך בנייתם מצריך עלות גבוהה. לעומת זאת, עלות הבנייה של לוויינים קטנים וקלים זולה משמעותית באופן יחסי. את השיגור של הלוויין ניתן לבצע בנוסף לשיגור של לוויין קיים. יש אפשרות לשגר מספר לוויינים זעירים בו זמנית.
2. דרישות תקן מחמירות – ככל שהלוויינים והמשגרים גדולים יותר, כך נדרש להחמיר בתקני הבטיחות. תהליכים אלו יקרים ולוקח זמן רב לממש אותם.
3. סוגי המשימות – עבודה עם לוויינים קטנים תאפשר ביצוע משימות שונות מגוונות יותר.

שימושים של לוויינים זעירים
קיימים מספר שימושים חשובים של לוויינים זעירים (שחלקם אפילו יכולים לשמש את הלוויינים הזעירים בלבד):
1. מחקרים מדעיים – לוויינים זעירים משמשים כמעבדות מעופפות בעלות נמוכה להוכחת טכנולוגיות ובדיקת רכיבים חדשים עבור הלוויינים.
השילוב של קרינה חזקה, 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 ניתן לשחזר במעבדות קרקעיות, לכן הן אינן מדמות את סביבת החלל באמת. היכולת לבנות ולשגר לוויין קטן וזול מאפשרת הרכבת חלק מהרכיבים החדשים על לוויין זעיר ולבצע ניסוי בפועל בחלל. לוויינים זעירים משמשים בתור “מעבדות מעופפות”, כלומר, בכדי לחקור תגובה של חומרים שונים וחדשים בחלל אפשר לשלוח לוויין זעיר ולבצע בעזרתו את כל המדידות.
2. שיפורי טכנולוגיה בתחום התקשורת – תקשורת לוויינית בין מטוסים, בין חיילים בשדה הקרב. אחד החידושים המעניינים ביותר בתחום החלל הוא השימוש בטלפונים חכמים כמחשבי משימה ומטענים ייעודיים בלוויינים זעירים.
3. תצפיות על כדה”א – 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 מצויינות ליישומים הקשורים לניטור כדור הארץ ואיכות הסביבה, כמו זיהוי זיהומי מים, כתמי שמן ונפט בים, מקורות שריפה ואפילו חקלאות חכמה.

דוגמאות של לוויינים זעירים עדכניים המשמשים לתצפיות על כדה”א
קיימים לוויינים זעירים אשר משמשים באופן טוב מאוד לתצפיות על כדה”א. הלוויינים הנ”ל הינם:
1. לוויין QuakeSat האמריקאי – הלוויין תוכנן למדוד שינויים קלים בשדה המגנטי של כדור הארץ כדי לעזור למדענים לחזות רעידות אדמה.
2. לוויין SwissCube השווייצרי – הלוויין נועד למדוד תופעה אטמוספרית “זוהר אוויר” (“Airglow”) המתרחשת בשכבת המגע של האטמוספרה עם קרינת השמש.
3. לוויין Plume הבריטי – הלוויין שוגר למדידת האבק הקוסמי המקיף את כדור הארץ ונכלא בשדה הכבידה שלו.
4. לוויין Firefly של נאס”א – הלוויין נועד למדוד פליטת קרני גאמא המגיעות לכדור הארץ במטרה לזהות את מקור הקרינה.
5. לווייני Dove של חברת Planet Labs – הלוויינים מספקים צילום ברזולוציה של 3-5 מטר באיכות המתאימה לשימושים אזרחיים.

אתגרים טכניים בפיתוח לוויין זעיר
האתגרים הטכניים שאיתם מתמודדים מהנדסי הפיתוח הם מזעור רכיבי הלוויין תוך כדי שמירת האמינות והאיכות הגבוהה של הרכיבים. ככל שהרכיבים גדולים יותר, רמת האמינות גבוהה יותר, ולכן קל מאד לאשר אותם. ככל שמנסים למזער את הרכיבים, נדרשים כלים, שעלות שעות הפיתוח שלהם גדולה ביחס לעלות הפיתוח של הלוויין עצמו עבור לוויינים זעירים צבאיים ומסחריים. לכן קיימים ההשלכות והאתגרים הטכנולוגיים הנדרשים בתכנון לוויינים זעירים:
1. חומרה של מעבדים – אחד האתגרים הטכנולוגיים שהתמודדו איתו בתחילת שנות ה-2000 היה תמיכה במעבדים חזקים בסדרי גודל (פיזי) שמיועדים ללוויינים זעירים. כדי להטיס לוויינים נדרשות פונקציות חיוניות שחשובות למערכת. פונקציות אלו דורשות כוח עיבוד נתונים מהיר ויעיל. היה קשה מאד לפתח מעבדים קטנים שיכולים לתת ביצועים גבוהים ביעילות ואמינות מספיק טובות.
2. גודל הזיכרון – בשנים האלו היה קושי לייצר רכיבי זיכרון קטנים מאד בממדים ובעלי נפח שמירה גדול.
3. ניווט ושליטה and Control – מזעור כל היחידות הקשורות להכוונה, ניווט ושליטה.
4. תקשורת – האתגר בתחום התקשורת הוא שילוב בין גודל להספק עבודה. קשה למצוא את היחס הפרופורציונלי בין כמות ההספק שיחידות התקשורת דורשות לבין גודלן. נדרש למזער הכל, כמו כן גם נדרש לספק הספק גבוה, וכאן לטכנולוגיה יש עדיין מגבלה.
5. ספקי כוח – סוללות אמינות ביותר דורשות מקום גדול יותר בגלל הנפח שלהן. האתגר הוא למזער את הסוללות ולגרום לכך שיהיו יעילות ואמינות.
6. בקרה תרמית – ככל שהיחידה קטנה יותר כמות החום שהיא יכולה לאגור נמוכה יותר. לכן במידה והלוויין הזעיר ידרוש יותר אנרגיה כתוצאה מפעילויות שונות, כמות החום שייאגר בתוכו תהיה גבוהה מאד, כך שפיזור החום הופך להיות גורם משמעותי.
7. חיווט – ככל שהלוויין קטן יותר, נדרש חיווט עדין ומיוחד. האתגר הוא לחווט את הרכיבים באזור קטן מאד.
8.מערכת ההנעה – האתגר הוא ליצור מערכת הנעה שתתאים לגדלים של ננו–לוויינים וקטנים יותר, שתוכל להחזיק את הלוויין במסלול שלו לתקופה ארוכה (מעל ל-12 חודשים לפחות).
טבעות ההחלקה בלוויינים זעירים
חשובות מיוחדת בפיתוח ופעולה של לוויינים זעירים הינה כמות האנרגיה הנדרשת לאור השטח המצומצם של תאי השמש. לכן קיים צורך במערכות שיכולות להקטין את איבוד האנרגיה ולהגדיל נצילות ההספק, כדוגמת טבעות ההחלקה, כאשר הרעיון מאחורי הפיתוח הוא ליצור מערכת טבעות בעלות חיכוך זניח, אשר יוכלו להקטין את איבוד האנרגיה בזמן התנועה ולמנוע אבק שחיקה, למנוע השקעה נוספת של אנרגיה, ולשמור על ממדים ומשקל נמוכים – דברים קריטיים בפיתוח הלוויינים הזעירים ובפעולתם.
טבעות החלקה (Slip rings) מאפשרות זרם חשמלי ממבנה נייח למבנה מסתובב. הטבעת מורכבת מטבעות מוליכות המבודדות בינהן שעשויות מחומר מוליך. טבעות ההחלקה מיוצרות במגוון תוצרות (כמות מוליכים) וזרמים.
צוות פיתוח ישראלי מחברת מכאנו-דין הצליח לייצר טבעת החלקה על משטח PCB עם מגעי זהב המאפשרות העברת זרמים גבוהים ומידע דיגיטלי (ספרתי) ללא כל צורך בחומרי סיכה ושימון.

תחזיות בתחומי הלוויינים הזעירים
התחזיות העיקריות הצפויות בתחומי הלוויינים הקטנים והזעירים הינן:
– פיתוח נחילי SWAMP של לוויינים זעירים משוכללים שפועלים בצוות בעיקר למטרות ביטחוניות ומחקריות.
– ההגנה של הלוויינים החשובים ע“י זקיפים זעירים.
– שכלול טכניקת MONARCH שפותחה ע“י מעבדות חיל האוויר של ארה“ב ושימוש מוגבר של מדפסות 3D בשלבי התכנון והבניה.
– תכנון ושימוש של Femto-Sat במזעור מרבי עד לרמת Sat-On-Chip .
– בנייה ושימוש בלוויינים זעירים לחקר הירח וכוכבי הלכת של מערכת השמש.
– החלפת חלק מן הלוויינים הבינוניים לקטנים וזעירים בעלות נמוכה יותר ומבלי לגרוע בביצועים.
– פעילות לאומית ובינלאומית מוגברת של סטודנטים בתכנון ובניית לוויינים זעירים, ואפילו משוכללים, כדי למשוך ולאמן סטודנטים, מהנדסים ומדענים במדעי החלל ובאופן נרחב יותר לתחומי ה-,Science Technology, Engineering and Mathematics .

מסקנות
בזכות התועלת והיתרונות של הלוויינים הקטנים והזעירים על הגדולים יותר גוברת ההשקעה והשימוש בלוויינים קטנים וזעירים משוכללים ומתוחכמים למטרות צבאיות ועד אזרחיות פשוטות לחינוך לסטודנטים וחוגי נוער במדעי החלל, כאשר חשיבות מרובה הינה מערכות תקשורת הרדיו. העלויות הנמוכות והזמנים הקצרים הנדרשים לבניין ושילוח של לוויינים זעירים מאפשרים תכנונם ובנייתם ע”י מוסדות חינוך בתחומי ההנדסה והמדע, שיגרום לעליה במספר ובאיכות הסטודנטים ואנשי מקצוע במדעים, בהנדסה ובחקר החלל בכל תחומי ה-STEM ובמיוחד במדעי החלל והנדסת תקשורת רדיו. לנוכח החשיבות וההתפתחות העצומה בעולם חייבת ישראל להגביר את ההשקעה והפיתוח בתחום לוויינים קטנים וזעירים. ‘ש לשבח את הפעילויות הברוכות של קרן אילן רמון ושל משרד המדע בהנהגת אופיר אקוניס בתמיכה בפתוח וחנוך דור העתיד של מהנדסי ומדעני העתיד של מדינת ישראל בתחומי החלל כולל בפתוח לוויינים זעירים אבל יש עדיין מקום לשפורים נוספים בנושאי החלל וגם בתחומי מדע וטכנולוגיה אחרים.

בבליוגרפיה
[1] יעקב גוון ,”לוויינים קשר התקשורת”, עיתון מדע של מכון וייצמן, ספטמבר 1984.
[2] S.O. Keefe, “Pioneering the Future”, NASA Facts, December 2002, pp (1-12).
[3] H Page, R.Walker, “Flying Students
Experiments to the Edge of Space”, ESA
Bulletin N144, February 2012, pp (33-38).
[4] J.C.Lyke, J.Mac Neill, “Plug and Play
Satellites” IEEE Spectrum, Vol.49, August 2012, pp (30-36).
[5] Comtech- Aeroastro, “Focus the Power of the Pico-satellites”, Sat .Magazine, 1.11.2013
[6] J.N.Pelton, R.S.Jakhy, “Small satellites and their regulations”, Springer books, 2013.
[7] M. Paluszek, E. De Castro, D. Hyland, “The Cubesat. Book”, Princeton Sat. Systems Inc., 2010
[8] R.Sandau, H.P.Roeser, A.valenzuela, Editors, “Small Satellites Missions for Earth Observation”, Springer Books, 2011, 44 chapter.
[9] יעקב גוון, אירינה ברונפמן, “סקירה של לוויינים קטנים וזעירים ממבט של מהנדסי תקשורת רדיו”, עתון של מהנדסי חשמל ואלקטרוניקה – “חשמל ואנשים”, גליון 48, ינואר 2014, עמודים (26-40).
[10] WWW.nasa.gov/life
[11] WWW.nasa.gov/small sats
[12] WWW.psatellite.com