אירינה ברונפמן ופרופסור יעקב גוון SCE
בתחילת המאה ה-17 יוהנס קפלר ומדענים אחרים מצאו כי כוכבי הלכת הינם לוויינים טבעיים של השמש וקבעו את החוקיות במסלולים שלהם. אולם רק בשנת 1957 שולח הלוויין המלאכותי הראשון ע”י בני אדם – ה-“SPUTNIK” של ברית המועצות. לוויין זה שוגר למסלול נמוך (Low Earth Orbit), וזאת הודות להתקדמות בפיתוחי טילים. בשנת 1963 שולח הלוויין הגאוסטציונרי (GEO) הראשון לתקשורת רדיו ע”י ארה”ב. לוויין זה שולח בזכות רעיונו של המדען האנגלי ארתור קלארק בשנת 1945 שהסתמך על חוקי קפלר.
חשוב לציין כי נושא הלוויינים הינו רב תחומי ותחום תקשורת הלוויינים הוא בין החשובים ביותר.
מסלולי לוויינים עיקריים
מסלולי הלוויינים העיקריים כפי שמוצג באיור 1 הינם (Medium Earth Orbit) , (Geostationary Earth Orbit) ו- (Highly Elliptical Orbit), כאשר מרווח גובה המסלולים הינו: (300-2000) קמ’ של מסלולי ה-, (4000-8000) קמ’ וכ-20000 קמ’ של מסלולי ה-, 36000 קמ’ של מסלול ה-GEO וגובה משתנה בין 1000 ק”מ עד 40000 קמ’ של מסלולי ה-HEO.
כיום פועלים כמה אלפי לווייני LEO, יותר מ-400 לווייני GEO ועשרות לווייני MEO. מסלולים אלה הינם השימושיים ביותר, כאשר כמעט כל הלוויינים הקטנים והזעירים הינם במסלול LEO. בעתיד ישתמשו בלוויינים במסלולים (Low Planet Orbit) מסביב לירח ולכוכבי לכת שונים מכדה”א.
סיווגי לוויינים לפי הגודל, המשקל והמחיר ומאפייניהם העיקריים.
עלות הלוויין גדלה בדרך כלל עם משקלו, אבל משכורת המומחים ובדיקות אמינות הינם מרכיבים חשובים במחיר הלוויין. (ראה טבלה 1).
אפיוני לוויינים גדולים
Mega-Sat
לווייני ה-Mega-Sat מאוד יקרים במחיר ובשילוח, אבל טובים לתקשורת ניידת וסלולרית גם ל-3 ולדור הבא של 4.
כל הלוויינים בטבלה 2 הינם לווייני תקשורת במסלול GEO. (לוויין אופייני מוצג באיור 2). הלוויינים הכבדים ביותר הקיימים הם תחנת החלל ISS, השוקלת
כ-520 בגובה של 350 קמ’ והלוויין KH12 של ארה”ב גם במסלול LEO למטרות תצפית צבאית שוקל 12.
אפיוני לוויינים בינוניים
בתכנון לווייני עמוס החליטו להקטין את המשקל ומחירי השילוח ולשמור על אמינות גבוהה. עמוס-1 שולח במאי 1996 ונמכר
ל-INTELSAT בשנת 2010, ושמו החדש הינו INTELSAT. כל הלוויינים בטבלה 3 הם לווייני תקשורת.
אפיוני לוויינים קטנים –
Micro-Sat ו-Mini-Sat
כל הלוויינים הקטנים שבטבלה 4 הינם במסלול LEO.
חוק MOORE החוזה הכפלת האלמנטים על מעגל מוכלל בערך כל 18 חודשים מאפשר מזעור המערכות ובניית לוויינים יותר ויותר קטנים, יעילים ובעלות נמוכה. אבל קיימת הגבלה בביצועים, באורך חיים וברוחב הסרט עבור לוויינים קטנים, כי יש מקום מצומצם לתאי שמש וקשה לבצע יתירות.
בהמשך המאמר נדון רק בלוויינים קטנים וזעירים.
יתרונות וחסרונות של לוויינים קטנים וזעירים ויישומיהם העיקריים
היישומים העיקריים של לוויינים קטנים וזעירים: תקשורת רדיו באיכות מוגבלת עם הספקים ורוחבי סרט נמוכים, כדוגמת תקשורת בין מכונות M2M, מערכות זיהוי אוטומטיות (AIS), חיזוי מזג אוויר, חישה למרחוק וחקר כדור הארץ והאטמוספרה, מחקר מדעי, פעולה באשכול (Cluster) באמצאות קשר אלחוט או כבל Tether, שימושים צבאיים וביטחוניים (בעיקר ISR), פעולות הצלה, ניסוי מערכות וטכניקות חלל חדישות, פיקוח והגנה על חלליות גדולות יותר והכשרת כוח אדם מקצועי ומדעי.
בחירת תדרים עבור לוויינים קטנים וזעירים
לווייני LEO הקטנים והזעירים משתמשים לרוב בתחומי תדרי
ה- (Very High Frequencies), , הנמוכים יותר מתדרי ה- (Ultra High Frequencies)
וה- (Super High Frequencies)
הגבוהים יותר, אשר מקובלים בלוויינים גדולים יותר. ידוע כי תדרי ה-VHF פגיעים בשכבות היונוספרה בגבהים (50-400) קמ’ בגלל אפקט FARADAY, אשר גורם לעיוותי האות ולהחזרות בלתי רצויות. אבל אפקט זה משפיע פחות במקרים של רוחב סרט צר כפי שבדרך כלל מקובל בלוויינים קטנים וזעירים. לכן הבחירה בתדרי ה-VHF אכן טובה.
יתרון גדול של תדרי ה-VHF עבור לוויינים קטנים הינו בהפסדי פיזור הרבה יותר נמוכים מבתחומי תדרים גבוהים יותר. לכן למרות הספקי תאי שמש ושידור נמוכים יותר בלוויינים קטנים מתאפשרים איכות קשר ויחס אות לרעש S/N טובים
ב-UP-LINK בין הקרקע ללווין וזה חשוב במיוחד בקשר בין הלוויין לתחנת הקרקע ב-DOWN-LINK.
פיתוח ובניית לוויינים קטנים ע”י חובבי רדיו
ארגון הלוויינים של חובבי רדיו OSCAR (Orbital Satellites Carrying Amateurs Radio) הוקם בשנת 1960 ונקרא גם AMSAT. הארגון שלח לוויין LEO לא ממשלתי ראשון כבר בדצמבר 1961. הלוויין היה מסוג Micro-Sat ושמו OSCAR1. לוויין זה פעל רק 3 שבועות בתדר 145MHz ושידר רק אותות מורס. חלה התקדמות נכרת ובנובמבר 1974 הארגון שלח לוויין OSCAR7 במשקל 27 קג’, נשלח לגובה של 1450 קמ’ ופעל במשך 3 שנים למטרות תקשורת דיבור בתדרים 145MHz ו-436MHz. במרץ 1978 הארגון שלח לוויין OSCAR9 שמשקלו גם כן היה 27 קג’. הלוויין נשלח למסלול אליפטי בגבהים בין 897 ל-910 קמ’ ושימש למטרות תקשורת דיבור, עקיבה וטלמטריה.
ביולי 1978 נשלח מבסיס רוסי Baikonur לוויין (GURWIN) (על שם הנדבן שמימן את בניית הלוויין) אשר נבנה בטכניון בחיפה. צורת הלוויין המוצגת באיור 4 הייתה קובייה בעלת צלע של 44.5 סמ’, משקלו 60 קג’ ושוגר לגובה של 815 קמ’. הלוויין פעל יותר מ-10 שנים בתדרים של 145MHz ,435MHz ו-1270MHz עם צריכת הספק של 20W בלבד.
בשנת 2002 הארגון שלח לוויין בשם OSCAR50, אשר הינו ננו-לוויין סעודי משוכלל מאוד בצורת קובייה ומשקלו
10 קג’. בפברואר 2012 הארגון שלח לוויין בשם OSCAR72 שנבנה ע”י סטודנטים הונגריים. הלוויין הזה הינו
פיקו-לוויין והוא בצורת Cube-Sat.
יש לציין כי חלק ניכר מלווייני החובבים נכשל בשילוח ובהפעלה.
חשוב לשים לב כי כל תחנת קרקע נמצאת בקשר רציף עם לוויין ה-LEO פחות מ-15 דקות ו-97% מן הזמן לא נמצאת בקשר עם אותו לוויין. לכן יש חשיבות ברשת תחנות קרקע לתקשורת רדיו הפועלות בתאום לשליטה על הלוויינים לאורך זמן.
סוגים של לוויינים קטנים וזעירים
קיימים 3 סוגים עיקריים של לוויינים קטנים וזעירים: לוויינים משוכללים מאוד – לוויינים אלה נבנים ע”י חברות מקצועיות מתמחות, בעיקר עבור כוחות הביטחון ומספר ארגונים חשובים; לוויינים משוכללים – לוויינים אלה נבנים ע”י מוסדות ממשלתיים וביטחוניים במיוחד ע”י ה-NASA בשיתוף עם אוניברסיטאות מובילות בתחום ההנדסה; לוויינים פשוטים – לוויינים אלה נבנים ע”י חובבי רדיו, תלמידים וסטודנטים בעיקר למטרות לימוד והכשרת כוח אדם מקצועי.
בשנת 1999 Stanford and Polytechnic California State University פיתחו תקן קוד פתוח לבניית (ערכה) kit ושיגור של ננו-לוויינים ופיקו-לוויינים בעלות נמוכה. הלוויין התקני נקרא Cube-Sat 1U שהינה קובייה בעלת צלע של 10 סמ’ ומשקלה בסביבות 1 קג’. ההתקן פותח גם עבור פיקו-לוויין 0.5U ועבור ננו-לוויינים 2U ו-3U. והוסיפו גם את תקן המערכת P-Pod-Poly-Push-Out, להכנסת לווייני ה-Cube-Sat הזעירים למסלול LEO. מכון UTIAS בטורונטו פיתח בשנת 2011 X-Pod מתקדם יותר.
עלות הבנייה של Cube-Sat 1U לסטודנטים אקדמיים הינה פחות מ-100k.
חברת (Inter Orbital Systems) מקליפורניה פיתחה ערכה בצורת גליל הנקראת Tube-Sat עבור פיתוח ושילוח של לוויינים זעירים בעלות של
כ-8k כולל המשלוח למסלול LEO. ערכה זו נמכרת בעיקר למוסדות חינוכיים.
החיסרון של ה-Tube-Sat הזול יותר על ה-Cube-Sat הוא בשטח הפנוי לתאי שמש, המשפיע גם על ביצועי ואורך חיי הלוויין. לכן פיתחה חברת IOS ב-2011 ערכה חדשה עבור ה-Cube-Sat עד משקל של 1.3 קג’, שמכיל גם מיקרופרוססור לבקרה, במחיר של כ-20k כולל השילוח.
כיום מספר אלפים של בני נוער וסטודנטים להנדסה מכמה עשרות מדינות בעולם בונים יותר ממאה לוויינים זעירים.
קיימות מספר שיטות לשילוח לוויינים קטנים וזעירים:
שילוח בעזרת משלחים מסוג
Falcon1, Vega, Dnepr ועוד. משלחים אלה משמשים גם לשילוח לוויינים זעירים עם KIT בתור Piggy-back. השילוחים מתבצעים בעיקר מ-US, אירופה, רוסיה, סין, הודו ויפאן. עלות השילוח ממחיר מלא ועד חינם (טרמפ).
שילוח מרוכז של מספר לווייני Cube-Sat ממוסדות שונים לתחנת החלל הבינלאומית ISS ומשם ישולחו למסלולם באמצאות זרוע רובוטית מתוצרת יפן.
שילוח בעזרת משלחים חדישים קטנים במיוחד כגון Neptune45 () של חברת IOS. המשלח N45 יכול להכניס למסלול LEO באותו טיל 32 לווייני Tube-Sat ו-10 לווייני Cube-Sat עד משקל כולל של 45 קג’ מטען. מחיר משלח זה הינו כ-115k ושילוחים כאלה צפויים בסוף 2013. כדי להוריד מן העלות, השילוח יכול להתבצע אפילו מבסיס באי Tonga ע”י אוסטרליה. חברת IOS פיתחה גם משלחים חדשים והקטן ביותר הוא N9 עד משקל מטען של 9 קג’.
לוויינים זעירים מאוד
טכניקות מזעור מרבית של רכיבים ומעגלים אלקטרונים והשימוש בארכיטקטורה של מודול רב-שבבי מסיליקון איפשרו לאחרונה פיתוח ובנייה של לוויינים זעירים מאוד Femto-Sat כדוגמת השדון או באנגלית Sprite המוצג באיור 7. מימדי פיסת ה-sprite מ”מ וגודל הלוויין השלם קטן ממטבע. מגמת המזעור הינה להגיע לעיצוב Satellite-On-a-Chip ().
באיור 8 מוצג ה-sprite שפותח ע”י Cornell University ממעגלים משולבים זעירים המודפסים על פיסת סיליקון אחת.
ה-Sprite מכיל מיקרו-בקר TI-MSP430, מסנן מתואם, אנטנות תיל, מקלט-משדר רדיו, תאי שמש זעירים, קבלים צוברי אנרגיה וחיישנים זעירים, כגון: מצלמות מיני, מגנומטר, גלאי מתכות ושבבי ה-GPS.
לוויין ה-Cube-Sat מסוגל לשאת מאות שדונים (sprites) שיכולים להיות מוצבים במסלולם ע”י קפיץ זעיר והשפעת רוח שמש, כמו תנועת אבק קוסמי, ללא צורך באספקת דלק. תוך שימוש בטכניקות סינון ה-sprite יכול לקיים תקשורת עם תחנות קרקע ממסלול בגובה עד כ-500 קמ’ במשך מספר ימים. בעתיד יפעלו Sprite עם ביצועים משופרים.
פעילות בעולם בתחום הלוויינים הקטנים והזעירים משימושים צבאיים מתוחכמים ועד לפשוטים ע”י סטודנטים
פעילויות של ה-NASA וה-DARPA בארה”ב
NASA הוקמה בשנת 1958 כדי לשמר את העליונות של ארה”ב בתחום חקר החלל והמדעים המדויקים, ובשיתוף עם
ה-DARPA וה-DOD (בתחום הביטחוני) השקיעו בפרויקט FASTSAT לפיתוח טילים ולוויינים זעירים איכותיים כדוגמת ה-STPs (ראה איורים 9 ו-10). חברת Comtech-AeroAstro בשיתוף עם Utah state University פיתחו את CORAL P pad launcher ו-Cube-Sat kit 3U בעלי אמינות גבוהה. פלטפורמת הארכיטקטורה של
Comtech-AeroAstro Coral bus נבנתה לעיצוב של מערכות Cube-Sat איכותיות. החברה השיקה תוכנית בדיקה של חלליות המשתמשת במיני-לוויינים: STP-1 בעל משקל של 180 ק”ג ו-STS-2 בעל משקל של 230 ק”ג ששימשו למשימות מיוחדות. לווייני LEO אלה כללו גשש כוכב, חיישני שמש, חיישני הדמיה זעירים ומערכות בקרה ואיכון מאוד מדויקות. עם זאת חברת AeroAstro נסגרה בשנת 2012 בגלל עלות גבוהה מדי והשהיות בפרויקטים.
Nano-sat משוכלל של ה-NASA
NASA שלחה ממעבורת החלל בשנת 2005 לוויין משוכלל בשם Aercom במשקל של 4.5 קג’ וקוטר של 19 סמ’ המיועד לפיקוח על המעבורת או על חלליות אחרות ומכיל מצלמות, תת מערכות לתקשורת ולבקרה, מכשירי GPS, סוללת Li-Ion ומקור דלק. (כפי שמוצג באיור 11). במידה והיו משתמשים בלוויין זה יותר מוקדם אולי היה יכול למנוע אסון ממעבורת החלל STS-107 שבו ניספו מספר אסטרונאוטים יחד עם אילן רמון בשנת 2003. כיום משתמשים בננו-לוויין זה להגנה ופיקוח על תחנת החלל הבין לאומית ISS.
MONARCH של US Air Force
חיל האוויר האמריקאי פיתח
ותכננן את ארכיטקטורת הרשת
הפתוחה המודולארית MONARCH
(Modular Open Network Architecture) לבניית לוויינים קטנים באמצעות טכניקת Plug and Play ע”י שימוש ברכיבים ומעגלים מן המוכן ותכנון מודולארי. בארכיטקטורת MONARCH תכננו ובנו במעבדות חיל האוויר של ארה”ב – USAF, את הלוויין הזעיר Cube-Sat (איור 12) במשך שבוע ובעלות מאוד נמוכה. השימוש
ב-MONARCH, Plug and Play ובמדפסות תלת ממדיות מקצר במידה נכרת ומוזיל בהרבה את התכנון והבנייה של לוויינים זעירים, ושל הרבה לוויינים גדולים יותר, מערכות ומכשירים אחרים.
פעילויות באירופה בראשות סוכנות החלל האירופית ה-ESA
משנת 2008 מאפשרים לסטודנטים ממוסדות אירופאים לשלח בכל שנה לפחות 2 טילים ו-2 בלונים לגובה עד 35 קמ’ למטרות לימוד ומחקר במסגרת פרויקט REXUS/BEXUS. השוק האירופי מממן פרויקט 1350Q לבניית 50 לוויינים זעירים ע”י סטודנטים באירופה למטרות חינוך ומדע. ביוזמת ה-ESA הוקמה רשת בינלאומית ה-Hum-Sat של כמאה תחנות קרקע המקושרות באינטרנט והקולטות והמפקחות על הרבה לוויינים, ברובם זעירים. הרשת מנוהלת ע”י אוניברסיטת Vigo בספרד שבונה גם מספר לוויינים זעירים. כיום כ-25% מן הפעילות העולמית בנושא לוויינים זעירים מבוצעת ע”י מדינות השוק המשותף באירופה.
פעילויות במזרח הרחוק
במזרח הרחוק הפעילות בתחומי הלוויינים הקטנים והזעירים של כל מדינה הינה עצמאית אבל בזכות סין, יפאן, אוסטרליה ועוד מדינות הן שולטות על כ-22% מן הפעילות העולמית. תצוין לשבח וייטנאם – מדינה מתפתחת שתכננה ובנתה לוויין Pico-Sat מאוד משוכלל למספר יישומים, (מוצג באיור 13). מפעילי הלוויין ניסו אותו על הקרקע בהצלחה ושלחו אותו באמצעות משלח יפני לתחנת החלל הבינלאומית – ISS. משם באוקטובר 2012 הוכנס למסלול LEO עם 7 לוויינים זעירים אחרים באמצעות זרוע רובוטית יפנית וממלא כיום את כל משימותיו.
פעילויות בתכנון ובניית לוויינים קטנים וזעירים בארץ
בשנת 2006 נוסדה עמותת (Israel Nano-Sat. Association) בראשות ד”ר רז יצחקי טמיר המשתפת פעולה עם מפעל מבת חלל של התעשייה האווירית (בה נמצא בשלבי בנייה הננו-לוויין Inklajn על שם ד”ר מרסל קליין שיבצע 7 ניסויים מדעיים בגובה של כ-650 קמ’) ומכון אשר בטכניון. לטכניון שיתוף פעולה עם Cornell University בהקמת אוניברסיטה מחקרית בניו יורק. כפי שנכתב לעיל Cornell מצטיינת גם בתחום הלוויינים המאוד זעירים ובעתיד אולי תעבוד בשיתוף עם הטכניון בתחום. גם בטכניון נבנה והופעל הלוויין הקטן GURWIN (איור4). כמו כן, מתוכנן ובשלבי בניין גם במכון אשר מקבץ של 3 לוויינים במשקל של 6 ק”ג כל אחד למטרת טיסות מבנה וחיפוש והצלה (איכון). השילוח לגובה 600 ק”מ צפוי בשנת 2015.
המכון לביטחון המולדת ב-BGU קיבל תרומה של 1M בדצמבר 2012 לשילוח של 2 לווייני פיקו למטרות חישה למרחוק, תקשורת ואיכון.
במרכז למדעים התיכוני בהרצלייה נבנה פיקו לוויין דוכיפת-1. כמו כן מתקיימת פעילות בכנסים הבינלאומיים השנתיים על שם אילן רמון.
לסיכום רצוי מאוד להגדיל את הפעילות וההשקעות בתחום הלוויינים הקטנים והזעירים בארץ.
הפעילות הגלובלית בתחומי הלוויינים הקטנים והזעירים
חברת המחקר Euro consult קבעה בדו”ח שלה מיולי 2011 כי 90% מכמות הלוויינים הקטנים והזעירים בעולם הינם עבור פרויקטים אקדמיים והשאר הינם למטרות ממשלתיות, צבאיות ועסקיות. עם זאת מבחינת ההשקעות הכספיות המתרחש הוא הפוך, ורובן, יותר מ-90%, הינן למטרות צבאיות וממשלתיות. לפי חלוקה בינלאומית עדכנית בצפון אמריקה כ-30% מן הפעילות בעולם בתחומי לוויינים קטנים וזעירים בעיקר בזכות ה-NASA וה-DOD (משרד ההגנה של ארה”ב) והסטודנטים. באירופה כ-25%, באסיה כ-22% בעיקר הודות לפעילות בסין, ביפן ואוסטרליה, לרוסיה יש כ-13%, במזרח התיכון ובאפריקה יש כ-9% פעילות ובשאר העולם כ-5%.
תחזיות עיקריות
התחזיות העיקריות הצפויות בתחומי הלוויינים הקטנים והזעירים הינן: פיתוח נחילי (CLUSTERS) של לוויינים זעירים משוכללים בעיקר למטרות ביטחוניות ומחקריות. הגנה של לוויינים חשובים ע”י זקיפים זעירים, שכלול טכניקות MONARCH שפותחה ע”י מעבדות חיל האוויר של ארה”ב ושימוש מוגבר של מדפסות 3D גם בתכנון לוויינים קטנים וזעירים. תכנון ושימוש של .Femto-Sat במזעור מרבי עד לרמת Sat-on-a-Chip. בניית ושימוש בלוויינים זעירים לחקר הירח והכוכבים. פעילות לאומית ובינלאומית מוגברת של סטודנטים בתכנון ובניית לוויינים זעירים, ואפילו משוכללים.
מסקנות
בזכות התועלת והיתרונות של לוויינים קטנים וזעירים על הגדולים יותר, גוברת ההשקעה והשימוש בלוויינים זעירים מתוחכמים למטרות צבאיות ועד ללוויינים פשוטים יותר למטרות חינוכיות, כאשר חשיבות מרובה לתת מערכות הרדיו.
העלויות הנמוכות והזמנים הקצרים הנדרשים לבניין ושילוח של לוויינים זעירים יאפשרו את תכנונם ובנייתם ע”י מוסדות חינוך, שיגרמו לעליה במספר ובאיכות הסטודנטים ואנשי מקצוע במדעים, בהנדסה ובחקר החלל (STEM).
לנוכח החשיבות וההתפתחות העצומה בעולם חייבת ישראל להגביר את ההשקעה והפיתוח בתחום לוויינים קטנים וזעירים.
