ساخت ماخواره های کوچک غیرحرفه ای اسان شده است

همه ما با اصطلاح : جمع کردن رایانه " را شنیده ایم ؛ بدان معنا که با مراجعه به بازار و انتخاب و خرید قطعاتی نظیر پردازند ، مدار مادر یا اصلی ، کارت گرافیک ، انواع حافظه و ... قادر هستیم یک رایانه مطابق با بودجه و نیاز خود تهیه و انرا در خانه خود یکپارچه مونتاژ کرده و از ان بهره ببریم .


امروزه دنیای فناوری فضایی نیز به جایی رسیده که مشابه چنین رویکردی را می توان در مورد برخی از ماهواره هیا مینیاتوری و غیر حرفه ای مشاهده کرد . البته با قیمت و تخصصی بالاتر از دانش معمولی لازم برای رایانه !



یعنی می توانیم به بازار برویم ، قطعه بخریم ، سرهم کنیم و البته دست اخر باید به فکر پیدا کردن یک پرتابگر باشیم تا پرتاب ماهواره کوچکمان را بر عهده بگیرد ؛ کاری که شاید ده ها بار پیچیده تر از ساخت خود ماهواره باشد .



این نوشتار می تواند راهنمای خوبی باشد برای گروه های دانش اموزیو دانشجویی که قصد فعالیت در زمینه طراحی و ساخت ماهواره دارند . این مقاله همچنین با توجه به اشارات کمی به مواردی چون هزینه های ساخت و ازمایش می تواند مورد استفاده مدیران و تصمیم گیران نیز قرار بگیرد .



یک ماهواره از بخش های مختلفی تشکیل شده است که عبارتند از :
1- زیر سامانه سازه ( بدنه ، اتصالات )
2- زیر سامانه تامین و مدیریت توان ( باتری ها ، سلول های خورشیدی و مدارهای کنترل و مدیریت توان )
3- زیر سامانه دورسنجی ، ردگیری و فرمان
4- زیرسامانه کنترل وضعیت ( حسگرهای موقعیت ، رایانه پرواز و رانشگرها )
5- زیرسامانه خنک کاری
6- رابط ( کنسول ) اتصال به پرتابگر
7- محموله ( انواع دوربین ، فرستنده حسگرهای خاص و ...)

با چیدمانی از زیرسامانه هیا فوق می توان به یک ماهواره رسید . تقریبا همه ماهواره ها از 7 بخش فوق تشکیل شده اند . ماهواره های کوچک و غیرحرفه ای هم کم و بیش از همین بخش ها تشکیل یافته اند . البته در چنین ماهواره هایی ممکن است بخش های خنک کاری یا کنترل وضعیت فعالی وجود نداشته باشد یا مثلا فرمان ناپذیر نباشند .



یکپارچه سازی ماهواره ، انجام ازمایش های زمینی و تحویل ان به پرتابگر ( حتی در مورد ساده ترین ماهواره ها ) فرایند چندان ساده ای نیست ، اما امروزه بسیار اسان تر از چند دهه پیش است .



اکنون سالیانه صدها محموله زیرمداری و ماهواره های غیرحرفه ای در سراسر جهان ساخته و اماده پرتاب می شوند . این رده از ماهواره های کوچک در سال های اخیر به " کیوب ست " ( ماهواره مکعبی ) موسوم شده اند . موسسات زیادی وجود دارند که در این زمینه خدمات و مشاوره داده و در کوتاه ترین زمان ممکن و با کمترین هزینه متصور گروه های مختلف را در طراحی ، ساخت و پرتاب کیوب ست یاری می دهند .



ماهواره هایی که در محیط های دانشگاهی و دانشجویی طراحی و ساخته می شوند نمونه خوبی از این رده هستند . اصولا یک دسته بندی رایج جرمی برای ماهواره هیا کوچک وجود دارد که به شرح زیر است :



- مینی ماهواره : 100 تا 500 کیلوگرم.
- میکروماهواره : 10 تا 100 کیلوگرم.
- نانوماهواره : 1 تا 10 کیلوگرم .
- پیکو ماهواره :100 گرم تا 1 کیلوگرم .

کیوب ست ها عموما زیر 20 کیلوگرم وزن دارند . اما زیرسامانه هیا انها قابلیت کار در ماهواره های تا 100 کیلوگرمی را هم دارا هستند . ناگفته نماند که جهت گیری اینده صنعت ماهواره در جهان به سمت ماهواره های هرچه کوچک تراست و قابل پیش بینی است که در میان مدت و اینده دور شاهد استفاده عملیاتی از نانو و پیکو ماهواره جهت مصارف صنعتی و حتی نظامی خواهیم بود .



در ادامه به بررسی پودمان های ( ماژول های ) مختلف این رده از ماهواره ها که به صورت اجزای سخت افزاری جدا از هم در بازار عرضه می شوند ، می پردازیم .

منبع : ماهنامه صنایع هوافضا

 

زیرسامانه سازه :

سازه یا همان جعبه ماهواره امروزه به صورت پودمان ( ماژول ) در بازار عرضه می شود . نمونه های مختلف سازه ) سازه اصلی به علاوه ملحقات ) از 100 گرم تا نزدیک 2 کیلوگرم وزن دارند که می توانند به ترتیب از 2 تا 18 کیلوگرم زیرسامانه مختلف ماهواره را پشتیبانی کنند .



این سازه ها به صورت سلول عرضه می شوند . یعنی ماهواره شما می تواند از یک یا چند سلول سازه ای تشکیل شده باشد . ابغاد داخلی هر سلول می تواند در حدود 10*10*10 سانتی متر باشد . سازنده می تواند در هر سلول تعدادی مدار یا زیرسامانه نصب کند ( چیزی شبیه جعبه رایانه ) . دقت ساخت این سلول ها در حد 0/1 میلی متر است .



نصب زیرسامانه ها بر روی سازه ماهواره اصلا کار ساده ای نیست . اتصالات باید با دقت بسیار بالا و مطابق مشاوره ها و دستورالعمل های فنی استناندارد انجام شوند . به عنوان مثال بستن اتصالات باید با دقتی مضاعف انجام شوند و مابین اتصالات باید از چسب های خاصی استفاده شود که نقش ارتعاش گیری دارند .

 

زیرسامانه های تامین و مدیریت توان – سلول خورشیدی :
واحدهای سلول خورشیدی که در ماهواره های اندازه نانو و پیکو استفاده می شوند معمولا اندکی کمتر از 10*10 سانتی متر ( تقریبا هم اندازه ابعاد و وجوه سلول سازه ای مکعبی شکل ماهواره ) هستند . ضخامت انها بین 2 تا 4 میلی متر است . هر واحد از انها بین 2 تا 2/5 وات توان برای پر کردن باتری های ماهواره شما تامین می کند . این واحدها معمولا ولتاژ های استاندارد و پرکاربرد بین 3 تا 5 ولت را تولید می کنند .



بازده سلول های خورشیدی بین 25 تا 30 درصد و وزن هر واحد بین 40 تا 60 گرم است . این سلول ها در بازه دمایی 40- تا حدود 90 درجه سانتی گراد قادر به تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی هستند . قیمت هر واحد از این سلول ها حداقل 2000 یورو است که البته اگر مشتری نیاز به واحدهای بیشتری به صورت یکپارچه داشته باشد قیمت به نسبت کاهش پیدا می کند ( برای مثال یم نمونه 3 واحدی با قیمتی بین 5000 تا 5500 یورو عرضه می شود .) واحدهای سلول های خورشیدی معمولا انواعی از حسگرهای دما ، ژیروسکوپ تراشه ای ( ممز ) ، حسگر نوری و حسگر مغناطیسی را نیز در خود جای داده اند که خروجی اطلاعات انها برای هدایت و کنترل و همچنین مدیریت توان در ماهواره می تواند کارا باشد و البته می تواند روی قیمت واحد سلول هم تاثیر داشته باشد .

 

زیرسامانه های تامین و مدیریت توان – رانشگرها و حسگرهای حرکتی :
ماهواره در فضا به دور زمین می چرخد و نیازی به نیروی پیشرانش ندارد . اما موتورها یا سازوکارهایی باید وجود داشته باشد تا وضعیت تعادل دینامیکی ان را حفظ کرده و در مواقع لازم ماهواره را به سمت مورد نظر بچرخاند .
امروزه زیرسامانه های کنترل وضعیت در ریزماهواره ها به صورت بسته های استاندارد عرضه می شوند . سامانه های گاز سرد ( یا گرم ) و چرخ عکس العملی دو فناوری قدیمی و متفاوتی هستند که معمولا در بسته های کنترل وضعیت ریزماهواره ها به کار می روند .



در انشگرهای گازی با خروج مقدار اندک و کنترل شده ای گاز از شیپوره ها ( نازل ها ) یا روزنه ها نیرویی به عنوان تکانه عمل کرده و ماهواره را کنترل می کند . در فناوری چرخ های عکس العملی ، موتورهای DC کوچکی به مقدار مشخص و کنترل شده ای به چرخش در می ایند و با ایجاد گشتاور در جهات معین حرکت ماهواره را تحت تاثیر قرار می دهند .



2 جدول زیر مشخصات دو نمونه از سامانه های کنترل وضعیت را نشان می دهند که هر یک از گونه ای از این دو فناوری استفاده می کنند .


جدول 1:

مشخصات نمونه ای از زیر سامانه کنترل وضعیت 3 محوره با استفاده از رانشگر گاز سرد :
حسگرهای حرکتی : تراشه های ممز .
نیروی رانش : 100 میکرونیوتن تا 10 میلی نیوتن .
کنترل رانش : 1 تا 100% ( قدرت تفکیک 1%) .
ضربه ( ایمپالس ) ویژه : 50 الی 100 ثانیه ( بازه بالایی با گاز گرم ).
دقت : 0/1 ثانیه ( شش صدم درجه ).
جرم : 300 گرم.
توان مصرفی : 2 وات .
قیمت : 81000 یورو .
مناسب برای : ماهواره با جرم بین 1 تا 100 کیلوگرم .


جدول 2:

مشخصات نمونه ای از زیرسامانه کنترل وضعیت 3 محوره با استفاده از چرخ عکس العملی :
حسگرهای حرکتی : مغناطیس سنج ، حسگر خورشیدی .
ذخیره گشتاور : 10/8 mMms
حداکثر گشتاور : 0/625mMm
عدم تعادل جرمی : 1mg/mm
بالانس دینامیکی ( دقت ) : 1mg.mm
جرم : 907 گرم .
توان مصرفی : 5/5 وات .
قیمت : 35000 یورو .

مناسب برای : ماهواره با جرم بین 1 تا 20 کیلوگرم .


این بسته ها به لحاظ ابعادی معمولا بخش بزرگی از یک یا دو سلول سازه ای را اشغال می کنند و محدوده دمای کاری انها اغلب بین 40- تا 80 درجه سانتی گراد قرار دارد.


توجه داشته باشید که می توان حسگرهای حرکتی و واکنش گرها را به طور جداگانه تهیه کرده و به کار گرفت ، اما بسته های استاندارد شامل هر دوی انها به همراه رابط ها و تطبیق گرهایشان می شود .



قیمت یک حسگر مگنتومتر به تنهایی می تواند بین 1000 تا 10000 یورو باشد . یک حسگر خورشیدی نیز می تواند بین 1000 تا 5000 یورو قیمت داشته باشد .



در ادامه بد نیست به یک نمونه سامانه کنترل وضعیت غیرفعال نیز اشاره کنیم که با سازوکاری کاملا خودکار و بدون نیاز به هرگونه توان یا سیگنال ورودی یا خروجی می تواند برای حفظ پایداری ذاتی و میرا کردن حرکت های ارتعاشی ماهواره به کار می رود . این سامانه که از 2 میله عمود برهم و یک اهن ربا تشکیل شده است ( اهن ربا به سمت مرکز زمین و 2 میله در 2 جهت اصلی دیگر عمودی ) ، در برهم کنش با میدان مغناطیسی زمین عمل می کند . وزن این سامانه بین 60 تا 90 گرم است و با ضخامتی در حدود 15 میلی متر می تواند یکی از ردیف های یک سلول سازه ای را اشغال کند .

 

زیرسامانه کنترل وضعیت – رایانه پرواز :
هر ماهواره به یک رایانه پرواز برای کنترل و هماهنگی زیرسامانه هایش نیاز دارد . بازه قیمتی رایانه های پرواز متناسب با ماموریت های فضایی ریز ماهواره بین 3000 تا 40000 یورو است که نسبت به سایر زیرسامانه ها ، یازه ای بزرگتر است . وزن رایانه پرواز بین 50 تا 100 گرم و ابعاد ان به گونه ای است که با ضخامت در حدود 10 میلی متر ، قابل نصب ( به صورت کارت ) در فضای داخلی هر سلول سازه ای است . در زیر نمونه مشخصاتی از یک رایانه پرواز نسبتا گران قیمت موجود در بازار ارائه می شود :



پردازشگر :Xilink Virtex 4FX with dual PPC 405 ((400 MHz ) / Microblaze ( 100MHz).

سیستم عامل : Linux/Vx Works
ارتعاش : 10/3 Grms
کیفیت : رده صنعتی
توان مصرفی حداکثر : 9 وات .
گذرگاه ها :Ethernet , RS422/485 , SPI , I2C , 1553 ( optional) , 2 cameras ports
قابل برنامه ریزی مجدد در فضا .
قیمت : 35000 یورو .



توجه داشته باشید اگر در ماهواره شما تعدادی سرو موتور یا دریچه نیز وجود داشته باشد که با فرمان رایانه و انها نیاز خواهد داشت . کارت های واسط به لحاظ ابعادی ، اوزان و شرایط عملکردی در همان محدوده های رایانه پرواز قرار دارند . قیمت یک کارت واسط که بتواند 16 خروجی سیگنال را تغذیه نماید بین 10 تا 12000 یورو است .

 

رابط ( کنسول ) اتصال به پرتابگر :
ماهواره نیاز به سازه ای دارد که انرا به مرحله نهایی راکت پرتابگر متصل کرده و در لحظه مناسب ماهواره را در فضا – در مدار مربوطه – تزریق کند . این سامانه یکی از حساس ترین بخش های ماهواره است که کوچکترین نقصی در ان می تواند به از بین رفتن کل ماموریت فضایی ( که معمولا چند ریز ماهواره یا ماهواره کوچک را با هم حمل می کند ) منجر شود .

سایر مشخصات مربوطه که برای انواع مختلف تقریبا همسان بوده و ممکن است برای مهندسان یا دانشجویانی که درگیر طراحی چنین رابطی هستند ، مفید باشد عبارتنذ از :



· ولتاژ : 28 ولت .

· دقت ساخت : در حد دهم میلی متر .
· امپر : 1/75 امپر .
· زمان عملکرد جدایش : 250 میلی ثانیه .
· حداکثر بار شبه استاتیکی قابل تحمل : 15,0 (g)

· ارتعاش سینوسی : 4.0 (g) 10 ( to (100 Hz (Hz )
· ارتعاش اتفاقی : 14.1 (grms) @sigma 3
· شوک : 1.000 (g ) ; 1 (to ( KHz 10 ( KHz )
· فرکانس طبیعی : بالای 90 هرتز .

 

تجهیزات یکپارچه سازی و ازمایش زمینی :
یکپارچه سازی ماهواره را نمی توان با هر امکانات و در هر فضایی انجام داد . پایه ها و بست های مخصوصی وجود دارد که هر سازه و زیرسامانه های ماهواره باید بر روی انها یکپارچه شوند . این پایه ها و بست ها را شرکت سازنده پودمان های ( ماژول های ) سازه ای ماهواره به همراه سازه ارائه می کند . قیمت یک سری کامل پایه برای یک پارچه سازی های افقی و عمودی بیشتر از 2500 یورو نیست . همچنین برای ازمایش های عملکردی گیرنده و فرستنده در محیط کارگاه یکپارچه سازی دستگاه های مخصوصی عرضه می شود که بین 500 تا 1500 یورو قیمت دارند .