תחנת החלל הבינלאומית – ISS ומערכות התקשורת שלה

הקדמה – תחנת החלל הבינלאומית – רקע,מטרה ותפעול:
תחנת החלל הבין לאומית (International Space Station – ISS) היא לוויין מלאכותי מאויש הנמצא במסלול לווייני נמוך בגובה של כ-400 ק”מ ומקיף את כדור הארץ כל 91 דקות. אורכה 51 מטרים רוחבה 109 מטרים ומשקלה 420 טונות לערך. את תחנת החלל ניתן לראות מכדור הארץ בעין בלתי מזויינת כנקודת אור הנעה על פני השמיים. בניית תחנת החלל החלה בנובמבר 1998 וצפויה לפעול לכל היותר עד 2028.התחנה היא אחד המיזמים הבינלאומיים הגדולים והיקרים בהיסטוריה. עלות התחנה כולה מוערכת בכ-100 מיליארד אירו והיא נחשבת למבנה היקר ביותר שנוצר אי פעם.
בפשטות, מטרתה של תחנת החלל הבינלאומית הינה – חקר החלל. כאמור, תחנת החלל הבינלאומית ראויה למגורי אדם ולכן מאפשרת את ניהולם של ניסויים מדעיים ממושכים בתחומי המדע השונים כגון: ביולוגיה, כימיה, רפואה, פיזיולוגיה ופיזיקה בתנאי חלל. כמו כן, מתקיימות בה תצפיות אסטרונומיות ומטאורולוגיות. התחנה משמשת כמעבדת מחקר מדעי הבודקת בין היתר את השפעת הכבידה על גוף האדם, צמחים ובעלי חיים, פיזיקה של נוזלים והנדסת חומרים. בנוסף, התחנה מספקת סביבה ייחודית לניסויים במערכות החלל הנדרשות לטיסות לירח ולמסעות ארוכים כמו מסע למאדים. למדענים על כדור הארץ יש גישה מהירה למידע שנצבר בידי צוותי התחנה ובאפשרותם להתאים מחדש רכיבים ולשלוח ניסויים חדשים. הנוכחות הקבועה של הצוות בתחנה נותן יתרון משמעותי בביצוע ניסויים ביחס לניסויים הנערכים בחלליות לא מאוישות. הצוותים נשלחים למספר חודשי שהות בתחנה ומבצעים ניסויים מדעיים מידי יום. נכון לעשור השני של המאה ה-21, התחנה מאוישת בצוותים ומשלחות המונים בסך הכל 6 אסטרונאוטים וקוסמונאוטים ומחזיקה בשיא הנוכחות האנושית הרציפה הארוכה ביותר בחלל, עם פעילות אנושית רציפה מה-31 באוקטובר 2000.
חלק ממשימות הצוותים מיועדות למטרות חינוך ושיתוף פעולה בינלאומי. הצוות נותן הזדמנויות לסטודנטים לבנות ולתכנן ניסויים ולבצעם בתחנת החלל. בכך, התחנה מעודדת שיתוף פעולה בקרב אומות שונות. תחנת החלל הבינלאומית ממומנת ע”י חמש סוכנויות חלל שונות: נאס”א, סוכנות החלל הפדרלית של רוסיה, הסוכנות היפנית לחקר החלל, סוכנות החלל הקנדית וסוכנות החלל האירופאית. התחנה היא איחוד של מספר תחנות חלל שונות שתוכננו כמיזמים נפרדים בידי מספר סוכנויות חלל ובהן “פרידום” האמריקאית, “מיר-2” הרוסית, “קולומבוס” האירופאית ו-“קיבו” היפנית. תפעול תחנת החלל הבינלאומית נעשה על ידי חמשת סוכנויות החלל בו זמנית באמצעות מרכז שליטה ובקרה הנמצאים בכדור הארץ.

היסטוריה – פיתוח תחנות החלל הראשונות:
ברית המועצות הייתה הראשונה לשגר לחלל תחנה מאוישת ושמה היה סאליוט 1. סאליוט 1 שוגרה ללא צוות על ידי טיל פרוטון ב-19 באפריל 1971 וחגה סביב כדור הארץ בגובה 200 ק”מ מפני הים. אורכה היה כ-20 מטרים רוחבה כ-4 מטרים ומשקלה כ-18.5 טון. צוותה הראשון של התחנה שוגר ב-סויוז 10 אך כשל לעלות על סיפונה עקב תקלה במנגנון העגינה. צוותה השני והראשון לעגון בבטחה שוגר ב-סויוז 11 ונשאר עליה במשך 23 ימים. החללית וצוותה לא חזרו ארצה וזאת בעקבות שסתום האחדת הלחץ בקפסולת ההחזרה של החללית שנפתח בטרם עת וגרם להרג שלושת הקוסמונאוטים. לאחר הכישלון הושעו המשימות וכעבור חצי שנה מהשיגור סאליוט 1 נכנסה חזרה לאטמוספירה ונשרפה בתאריך 11 לאוקטובר 1971.
תחנת החלל האמריקאית הראשונה, סקיילאב (Skylab), שוגרה ללא אנשי צוות ב-14 במאי 1973 והופעלה על ידי נאס”א. אורכה היה 26 מטרים רוחבה 17 מטרים ומשקלה כ-77 טון. סקיילאב הייתה במסלול סביב כדור הארץ בגובה של כ-440 ק”מ בין השנים 1973 עד 1979 וכללה מעבדה, מצפה כוכבים ומערכות נוספות. שלוש משימות מאוישות ביקרו בתחנת החלל כאשר כל משימה כללה שלושה אנשי צוות. סקיילב ננטשה בידי הצוות האחרון בפברואר 1974 ומאז הייתה לנאס”א שליטה מעטה על התחנה, שמסלולה החל לדעוך, עד שלבסוף, ב-11 ביולי 1979 היא חדרה לאטמוספירה ונשרפה בה. ב-1984 החלה נאס”א לתכנן את תחנת החלל הבאה של ארצות הברית – “פרידום” שהפכה לבסוף לחלק מתחנת החלל הבינלאומית ISS.

תחנת החלל מיר (MIR), תחנת חלל של ברית המועצות, הייתה מבוססת על סדרת תחנות החלל סאליוט ששוגרו לפניה. התחנה חגה במסלול לוויני נמוך סביב כדור הארץ. מיר הורכבה במסלול על ידי מספר מודולים ששוגרו בנפרד החל מ-19 בפברואר 1986 ועד 1996. אורכה היה 19 מטרים ורוחבה היה 31 מטרים. מיר הייתה תחנת המחקר הראשונה בחלל שהייתה מאוכלסת באופן קבוע תקופה ארוכה. באמצעות מספר שיתופי פעולה בינלאומיים, היא הפכה לנגישה עבור אסטרונאוטים וקוסמונאוטים של מדינות רבות. לאחר תום המלחמה הקרה, שולבו יכולות תחנת החלל מיר ומעבורות החלל האמריקאיות. מיר סיפקה מעבדה מדעית גדולה וראויה למגורים בחלל ואילו המעבורות החלל האמריקאיות סיפקו משלוחים והרחבה של אזורי חיים ועבודה. בכך, יצרו את החללית הגדולה בהיסטוריה עם מסה משולבת של כ-250 טון. מסעה בן חמש עשרה השנים של תחנת החלל הרוסית הסתיים ב-23 במרץ 2001, כאשר הוסטה מהמסלול בהנחיה מרחוק שהוביל לכניסתה לאטמוספירה והתרסקותה על פני כדור הארץ.

אמצעי התקשורת לתחנת החלל ומתחנת החלל למרכזי הבקרה:
כאמור, תפעול תחנת החלל הבינלאומית נעשה על ידי חמשת סוכנויות החלל‏ בו-זמנית באמצעות מרכזי שליטה ובקרה הנמצאים בכדור הארץ. בתחנת החלל הבינלאומית קיימות מערכות תקשורת פנימיות וחיצוניות שמעבירות מידע מדעי וטלמטריה למרכזי השליטה ומשמשות למספר מטרות, בהן תקשורת בין צוותי התחנה לטייסי המעבורת ותקשורת בין צוותי התחנה לבני משפחותיהם.‏ מערכות התקשורת מספקות תקשורת דו-כיוונית של אודיו ווידאו, העברת קבצים ומידע, ושליטה מרחוק על תחנת החלל ועל בקרת הטיסה שלה.
קבוצת התקשורת והמעקב של תחנת החלל (CTG – Communication and Tacking Group) מורכבת ממערכות בלתי תלויות של ארצות הברית ורוסיה. המקטע של ארה”ב משתמש בתדרי S-Band (2-4 GHz) ובתדרי Ku-Band (12-18 GHz). נאס”א לא מתקשרת ישירות עם תחנת החלל הבינלאומית. תחנת החלל מתקשרת עם לוויין ממסר עקיבה ומידע (TDRS – Tracking and Data Relay Satellite) גיאוסטציונרי, נייח בגובה של 36000 ק”מ, המעביר את הסיגנל לאנטנה הממוקמת ב-White Sand New Mexico. הסיגנל עובר מתחנה זו אל מרכז המבצעים ביוסטון (MCC-H) דרך רשת מערכת המידע של נאס”א (NISN – NASA Information System Network), כפי שמתואר באיור 3. התחנה משתמשת בתדרי ה-S-Band על מנת להעביר פקודות, טלמטריה, אודיו, וקבצים מסוימים. התחנה משתמשת בתדרי Ku-Band על מנת להעביר ווידיאו, קבצים מסוימים ומידע על מטען ייעודי.
מערכות התקשורת של המקטע הרוסי עובדות בעיקר דרך תחנות קרקע מבלי להשתמש בלווייני ממסר. לכן, למרכז השליטה הרוסי יש רק תקשורת ישירה אל תחנת החלל הבינלאומית כאשר היא עוברת מעל תחנת הקרקע. המשמעות היא שהתחנה יכולה לעבור מספר הקפות ללא תקשורת עם תחנת הקרקע. במקרה הצורך, ישנה אפשרות להיעזר בממסר המתקשר עם מערכות תקשורת אמריקאיות. תוכנית החלל הרוסית תמיד עבדה בצורה זו וזה הוביל לשיטת עבודה שונה מנאס”א. הרוסים משתמשים לעיתים תכופות בקבצים מיוחדים הנקראים Cyclograms. לקבצים אלו חותמת זמן ומועלים בתקשורת ישירה. הקבצים מבצעים פקודות בזמן מתוכנן מראש ללא קשר באם ישנה תקשורת עם הקרקע באותו רגע או לא.

זרועות רובוטיות לתפעול תחנת החלל ולמשלוח לוויינים מתחנת החלל:
מערכת השירות הניידת (MMS – Mobile Servicing System) מורכבת משלושה מרכיבים עיקריים:
• Canadarm2 – הזרוע הרובוטית הגדולה ביותר הנמצאת על תחנת החלל. מסתה 1.8 טון ומשמשת לתחנת עגינה ותפעול של חלליות, חברי צוות וציוד בזמן תפעולים ותיקונים שונים של התחנה.
• Dextre – זרוע רובוטית תפעולית המורכבת משתי זרועות וגוף מסתובב. מסתה 1.56 טון. תפקידה להחליף יחידות אורביטליות כמו משאבות, יחידות אחסון, קופסאות שליטה, אנטנות, ומצברים.
• MBS-Mobile Base System – פלטפורמה הרוכבת על מסילות לאורך התחנה. משמשת כבסיס נייד ל-Canadarm2 ול-Dextre ומאפשרת לזרועות להגיע לכל חלקי התחנה של ארה”ב (USOS – US Orbital Segment).
על מנת להעניק גישה למקטע הרוסי של התחנה הוסיפו חלק מקובע ל-Zarya כך שה-Canadarm2 יוכל להגיע אל המקטע הרוסי. בעתיד תשוגר הזרוע הרובוטית האירופאית אשר תשרת את המקטע הרוסי.

CubeSat Deployers:
קיובסאט הוא שם כללי לפלטפורמת לוויינים קטנים. התצורה הפיזית של הלוויין הבסיסי במשפחה זו היא קובייה, בעלת גודל של 10 ס”מ לכל צלעותיה ובעלת מסה של 1.3 ק”ג. לוויין הקיובסאט הראשון פותח באוניברסיטת סטנפורד שבארה”ב ככלי שיאפשר לסטודנטים לשגר לוויין במהירות ובזול (עלותו נמדדת בעשרות אלפי דולרים בלבד לעומת מיליונים עבור לוויינים רגילים). לוויינים אלו משוגרים למסלול בדרך כלל ע”י משגרים (Deployers) הנמצאים על תחנת החלל הבינלאומית. ישנם שני משגרי קיובסאט על תחנת החלל הבינלאומית:
• J-SSOD – המשגר הראשון שפרס ננו לוויין מתחנת החלל הבין לאומית. ה-J-SSOD הינו משגר לוויינים זעירים השייך למודול היפני (JEM-Japanese Experiment Module) הידוע גם בשם “קיבו”. המשגר יכול להחזיק בו בזמן עד 6 לוויינים זעירים.
• NRCSD – Nano Racks CubeSat Deployer – נאנוראקס היא חברה פרטית המפתחת מוצרים ומציעה שירותים מסחריים שימושיים בחלל. ה-NRCSD הינו משגר הלוויינים הזעירים הראשון שהופעל באופן מסחרי מתחנת החלל הבינלאומית. הוא משגר גדול יותר מה-J-SSOD ויכול להכיל עד 48 יחידות של לוויינים זעירים.
• שיטה אחת לשיגור קיובסאט והכנסתו למסלול הינה להעמיס אותו על חללית שתוביל אותו לתחנת החלל. לאחר מכן, בעזרת J-SSOD או NRCSD המתחברים לאחת מהזרועות הרובוטיות של תחנת החלל, משוגר הלוויין מהרכב חיצוני אל מסלולו.

אספקת תחנת החלל ומעבורות החלל:
בהתחלה, כל השותפות (ארצות הברית, רוסיה, יפן ומדינות אירופה) שלחו חלליות לוגיסטיות לתחנת החלל. בשנת 2008 החליטה נאס”א על עזיבת תוכנית החלל לצורך התמקדות בכיווני מחקר חדשים. בעקבות כך, החלה נאס”א בתהליך הפרטה של אספקת הציוד ותחלופת הצוותים של תחנת החלל, ואכן, בשנת 2012 שוגרה לראשונה חללית אספקה פרטית של חברת SpaceX ובכך שמה קץ לשיגורי חלליות נאס”א בתחום זה. תחנת החלל הבינלאומית תוכננה לאכלוס שבעה אסטרונאוטים בו זמנית אך בפועל רק שלושה איישו אותה בראשיתה. לאחר אסון קולומביה ירד הצוות, לתקופה מסוימת, פרט לשני אסטרונאוטים וזאת עקב קשיים טכניים של שילוחים מאויישים ומחסור במעבורות. לאחר תקופה זאת הוחלט על שינוי שיטת השילוחים. במקום לשגר משלחות אסטרונאוטים במעבורות החלל ואורחים בחללית הסוויז, הוחלט כי שניים מתוך שלושת אנשי המשלחת המחליפה מגיעים בסוויז (ביחד עם אורח נוסף) והשלישי, ביחד עם אורחים זמניים נוספים, מגיע במעבורת חלל.
סוגי חלליות האספקה מתחלקים לשתי קבוצות – מאוישות ובלתי מאוישות (חלליות מטען). כיום ישנה רק חללית אחת – הסוויז, המסוגלת לשאת אנשים מתחנת החלל לכדור הארץ ובחזרה (זאת לאחר השבתת מערך מעבורות החלל שבניהן, זו שבה נספה האסטרונאוט הישראלי אילן רמון). ישנן מספר נוסף של חלליות עם יכולת זו אשר נמצאות בשלבי פיתוח שונים. החלליות הבלתי מאוישות הן פרוגרס הרוסית, HTV היפנית, ATV האירופאית, Dragon – חללית פרטית של חברת SpaceX (איור 6), וסיגנוס שפותחה גם היא על ידי חברה פרטית. ישנן מספר חלליות מטען נוספות הנמצאות בפיתוח. חלליות אלו מבצעות בממוצע כמשימה אחת לשנה שבה הן מספקות את כל הציוד הדרוש לתחנת החלל כגון אוכל, ציוד לוגיסטי, מתקני ניסויים ואמצעים חדשים הדרושים לתחנה.
המגוון בסוגי חלליות המטען שפותחו לתפעול תחנת החלל נובע מצרכים שונים ומיעודים שונים לכל חללית, על מנת לבצע את מגוון משימות התחנה. למשל, ישנן חלליות המסוגלות רק להעביר ציוד לתחנת החלל אך לא מסוגלות לחזור חזרה מכיוון שהן מיועדות להישרף בחזרתן לאטמוספירה. לעומתן, ישנן כאלו המסוגלות להחזיר ציוד, אך לא ציוד רגיש (כמו למשל כזה המשמש בניסויים) מכיוון שהן נוחתות באוקיינוס בעוצמה רבה. בנוסף, ישנו הצורך לספק תוכניות גיבוי במקרי חירום ולכן, ישנה חללית חירום הנמצאת באופן תמידי בתחנת החלל.
6. עתיד תחנת החלל הבינלאומית:
על פי התכנון, תחנת החלל הבין לאומית מיועדת להמשיך בפעילות עד לשנת 2025, עם אפשרות להארכת זמן זה בשלוש שנים. למרות התקרבות מועד סיום פעילותה, מתוכננים בה מספר שדרוגים ובניהם קבלת יחידת מחקר חדשה שתשוגר על ידי רוסיה על גבי פרוטון (טיל שילוח) ותכיל בתוכה אף מקום אחסון ומנוחה.
כבר היום סין שילחה תחנת חלל אחת, שבתחילה הייתה מאוישת למשך כשנה אך היום פועלת באופן עצמאי, ובהמשך מתכננת סין לשלוח תחנה נוספת. תחנות אלו קטנות מאד יחסית לתחנת החלל הבינלאומית. סין כבר עובדת על תחנת חלל חדישה וגדולה יותר שתורכב משלושה מודלים נפרדים שהראשון מהם מיועד לשיגור בשנת 2018. על פי התכנון תחנה זו תיכנס לפעילות מלאה בשנת 2022 לאחר חיבור שלושת המודלים בחלל.

מסקנות:
כפי שנאמר, תחנת החלל מיועדת לפעילות עד לשנת 2025. סופה הקרב מעיד שזמנה עבר והגיע הזמן ל השתרגות טכנולוגית. תחנת החלל הבינלאומית תרמה רבות לחקר החלל ולשיתוף בין לאומי בתחום, שילוב של סטודנטים ותלמידים רבים בניסויים בחלל ואף לשיתוף פעולה נרחב בין מדינות שונות. עם התקדמות הטכנולוגיה, ניתן להעריך כי התחנות אשר מיועדות להחליף את תפקידה של תחנת החלל הבינלאומית יגיעו גם הן לתגליות פורצות דרך נוספות ולתרומה משמעותית והתקדמות בתקר החלל. בעזרת ציוד מתוחכם, מעבדות חדישות ואסטרונאוטים מוכשרים נעשה עוד צעד בניסיוננו להבין את החלל,לחקור אותו ולהשתמש בו כדי להגיע וליישב את הירח, מאדים וכוכבי לכת נוספים.

ספרות מקצועית
1. Catchple, J.E. (2008), “The International Space Station: Building for the Future”. Springer-New York..
2. Kitmacher, G. (2006), “Reference Guide to the International Space Station”. Apogee Books
3. Harland, D.M (2004). “The Story of Space Station Mir”. New York: Springer- New York ‎‎‎‎‎‎‎‎‎‎.
.4. Mathews, M. (2005), “International Space Station Status Report: SS05-015”. NASA News
5. Oberg, J. (2005), “International Space Station”. World Book Online Reference Center. World Book, .
6. Mehrparvar, A. (2014). “CubeSat Design Specificaion”. The CubeSat Program”. CalPoly SLO.
https://spaceflightnow.com/news/n1003/11station].
https://www.quora.com/How-does-data-audio-video-and-communication-happen-between-the-ISS-International-Space-Station-and-Earth
https://www.nasa.gov/externalflash/ISSRG/pdfs/communications.pdf
http://nanoracks.com/products/smallsat-deployment/

ביביליוגרפיה
Catchple, J.E. (2008), “The International Space Station: Building for the Future”. Springer-Praxis.
Clark, S. (2010). “Space Station Partners Set 2028 as Certification Goal”. [Elecrtonic Version]. Spaceflight Now. Retrieved from: http://spaceflightnow.com/news/n1003/11station/
Frost, R. (n.d.), “How does data. Audio, Video, and Communication Happen Between the ISS and Earth”.[ Electronic Version]. Retrieved from:
Harland, D.M (2004). “The Story of Space Station Mir”. New York: Springer-Verlag New York Inc‎‎‎‎‎‎‎‎‎‎.
http://nanoracks.com/products/smallsat-deployment/
https://www.quora.com/How-does-data-audio-video-and-communication-happen-between-the-ISS-International-Space-Station-and-Earth
Kitmacher, G. (2006), “Reference Guide to the International Space Station”. Apogee Books.
Mathews, M. (2005), “International Space Station Status Report: SS05-015”. NASA News.
Mehrparvar, A. (2014). “CubeSat Design Specificaion”. The CubeSat Program”. CalPoly SLO.
Oberg, J. (2005), “International Space Station”. World Book Online Reference Center. World Book, inc.
(n.d.) .”Communications System”. NASA News. [Electronic Version]. Retrieved from: https://www.nasa.gov/externalflash/ISSRG/pdfs/communications.pdf
(n.d.), “Small Satellite Deployment from ISS – CubeSat. Smallsat Launches”.[Electronic Version]. NanoRacks. Retrieved from: http://nanoracks.com/products/smallsat-deployment/