۱۳۹۸/۰۸/۱۴ ۰۰:۰۰ ۱۱۱
طبقه بندی: داده ها و سنجنده ها
چچ
شرایط حمل‌ و‌ نقل و محیط فضا

شرایط حمل‌ و‌ نقل و محیط فضا

کلیه سخت‌افزارهایی که جهت استفاده در سامانه‌ های فضایی انتخاب می‌شوند، می‌بایست ملاحظات و الزامات پایداری در شرایط انتقال و محیط فضا را برآورده نمایند؛ مهم‌ترین این چالش‌ها به دلیل وجود تنش‌های مکانیکی شدید حین پرتاب و تزریق در مدار، خلأ، محیط پلاسمایی، تشعشع و نوسانات دمایی در مدار عملیاتی است.

کلیه سخت‌افزارهایی که جهت استفاده در سامانه‌های فضایی انتخاب می‌شوند، می‌بایست ملاحظات و الزامات پایداری در شرایط انتقال و محیط فضا را برآورده نمایند؛ مهم‌ترین این چالش‌ها به دلیل وجود تنش‌های مکانیکی شدید حین پرتاب و تزریق در مدار، خلأ، محیط پلاسمایی، تشعشع و نوسانات دمایی در مدار عملیاتی است. بر این اساس انتظار می‌رود سامانه منتخب، بدون کوچک‌ترین نقصی در طول انجام مأموریت، کارآیی خود را حفظ کند. علاوه بر موارد ذکرشده موضوع محدودیت‌های جرم،‌ حجم و توان مصرفی نیز از نکات قابل‌توجه در انتخاب این سخت‌افزارها است. در ادامه به‌مرور مختصری از محیط گذار و عملکرد یک محموله به‌منظور احراز صلاحیت سخت‌افزارهای پیشنهادی جهت استفاده در پروژه‌های فضایی پرداخته‌شده است.
 
شکل 1 – نمایی از ماهواره‌ بر سفیر امید
شرایط حمل‌و‌نقل زمینی تا قرارگیری در مدار
یک محموله فضایی از لحظه خروج از مرکز آزمون و تجمیع سامانه‌های فضایی تا مرحله نهایی پایداری در مدار،‌ تحت نیروهای دینامیکی متعدد ناشی از عوامل گوناگون قرار می‌گیرد؛ که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به فشارهای آکوستیکی ناشی از تلاطم جو،‌ ارتعاشات تصادفی و تغییرات دمایی مرحله انتقال مداری و شوک‌های لحظه جدایش ماهواره اشاره نمود. موارد مطرح‌شده می‌تواند باعث ایجاد تنش و حتی تخریب سازه و سخت‌افزارهای مورداستفاده شود که به‌منظور پیشگیری از وقوع آن، می‌بایست تمام مراحل حمل‌و‌نقل زمینی و مداری، مدل‌سازی و با اعمال آن به زیرسیستم‌های مختلف، رفتار و مقاومت آن‌ها در تحمل شرایط مذکور بررسی شود.
 
شکل 2 – نمایی از مراحل آزمودن ارتعاش ماهواره Cartosat2
به‌عنوان‌مثال استفاده از تجهیزات پشتیبانی زمینی (MGSE) برای حمل‌ونقل محموله و جابجایی آن به تأسیسات مختلف آزمون و حمل نهایی تا سکوی انتقال، بسیار ضروری است. این تجهیزات شامل تثبیت‌کننده جابجایی و محفظه حمل‌ونقل هستند و ازآنجایی‌که این حمل‌ونقل ممکن است به‌صورت جاده‌ای، ریلی و یا هوایی انجام پذیرد، طراحی این تجهیزات بایستی به‌گونه‌ای صورت پذیرد که شوک و ارتعاش احتمالی را به حداقل کاهش دهد؛ علاوه بر این باید مقاومت مناسبی نیز در برابر باران،‌ رطوبت و غبار داشته باشد.
 
شکل 3 – نمایی از حمل‌ونقل هوایی ماهواره ANGOSAT
شرایط محیط فضا
هنگامی‌که ماهواره در مدار قرار می‌گیرد، شرایط محیطی می‌تواند ناهنجاری‌های متعددی ناشی از تغییرات حرارتی، خلأ بالا و تشعشعات فضایی به وجود آورد؛ درصورتی‌که راهکاری برای مقابله و یا مصالحه‌ای بین این شرایط و زیرسیستم‌های مختلف در فاز طراحی پیش‌بینی‌نشده باشد ادامه انجام مأموریت ماهواره مختل خواهد شد؛ بنابراین لازم است که طراحان زیرسیستم‌های مختلف نسبت به شرایط محیطی در فضا آگاه بوده و الزامات ضروری را رعایت نمایند.
 
شکل 4 – نمایی از مراحل آزمون خلأ حرارتی ماهواره گالیله
  1. خلأ
در محیط مدار LEO که اکثر محموله‌های مشاهده زمین در آن قرار دارند، متوسط فشار ‌کمتر از torr 8-10 است. این فشار عملکرد و کارآیی سامانه فضایی را تحت تأثیر قرار داده و سه چالش عمده ایجاد می‌کند:
  • گاز دهی (Outgassing)
پدیده گاز دهی باعث می‌شود که مولکول‌ها سطح را ترک کنند و یا در داخل ماده به دام بیافتند؛ این پدیده که در شرایط اعمال اختلاف فشار شدید (قرارگیری در شرایط خلأ فضایی) بروز می‌یابد، می‌تواند باعث تغییر احتمالی ابعاد زیرسیستم‌های مختلف شود و یا سطوح اپتیکی را کدر نماید. مؤلفه‌هایی چون (Total Mass Loss) و (Collected Volatile Condensable Material) می‌توانند راهنمای مناسبی در انتخاب مواد با گاز دهی پایین باشند. علاوه بر این، می‌توان از عملیات گاز سرد و پخت ماده تحت شرایط خلأ (در آزمایشگاه و یا مدار) نیز به‌عنوان راهکارهای دیگری در راستای به حداقل رساندن این آلودگی نام برد.
  • جوش سرد (Cold welding)
نفوذ مولکول‌های دو تکه فلز عاری از هرگونه آلودگی سطحی (به دلیل شرایط خلأ) در دمای پایین و یکپارچه شدن آن‌ها، جوش سرد نامیده می‌شود. نقص در آنتن فضاپیمای گالیله و مکانیسم کالیبراسیون یکی از ماهواره‌های Metosat را به بروز این فرآیند نسبت می‌دهند. بر این اساس ضروری است در مراحل طراحی و ساخت با استفاده از راهکارهایی همچون روغن‌کاری بین قطعات فلزی و یا استفاده از پوششی نظیر آنودایز، از وقوع اختلالات ناشی از جوش سرد جلوگیری کرد.
  • محدودیت در انتقال حرارت
محدودیت در انتقال حرارت یکی از عمده‌ترین مشکلات ناشی از حضور در شرایط خلأ است؛ ازآنجایی‌که هیچ انتقال حرارت همرفتی در خلأ وجود ندارد و تمام انتقال حرارت از طریق تابش و رسانش صورت می‌گیرد و از طرفی هنگامی‌که ماهواره به سایه زمین می‌رود ممکن است تغییر دمای بیش از 100 درجه را متحمل شود، حفظ دمای زیرسیستم‌های مختلف در بازه مطلوب مأموریت اصلی طراحان کنترل حرارت ماهواره است. شکل زیر نمایی از مراحل مونتاژ MLI (Multi-layer Insulation) بر روی ماهواره MetOp را نشان می‌دهد. استفاده از MLI یکی از رایج‌ترین روش‌های کنترل حرارت در سامانه‌های فضایی است.
 
شکل 5 – نمایی از مراحل مونتاژ MLI ماهواره MetOp
  1. محیط تشعشعی
یک ماهواره در فضا تحت تابش پرتوهای کیهانی و خورشیدی است. کمربند تشعشعی ون آلن نیز که متشکل از ذرات باردار پرانرژی است، عامل مهم دیگری در تشعشعات موجود محسوب می‌شود. این تشعشعات شامل الکترون،‌ پروتون، ذرات آلفا و یون‌های سنگین هستند که می‌توانند در ماهواره نفوذ کرده و ذرات سازنده زیرسیستم‌های مختلف را یونیزه کنند. این اثر می‌تواند عملکرد بخش‌های مختلف به‌خصوص الکترونیک و اپتیک را تحت تأثیر قرار دهد و باعث تنزل کیفی آن‌ها شود. تشعشعات در مدارهای الکترونیک می‌تواند منجر به یونش حامل‌های بار و اختلال در انتقال سیگنال شود و در اپتیک جابجایی اتم‌ها در شبکه بلوری و تیرگی آن‌ها را به دنبال داشته باشد.
 
شکل 6 – طرح‌واره‌ای از مسیر تابش‌های کیهانی و خورشیدی
علاوه بر موارد مطرح‌شده، حضور پلاسما و اکسیژن اتمی نیز می‌تواند ازجمله عوامل فرسایش و به دنبال آن تنزل کیفی زیرسیستم‌های مختلف باشد؛ به‌عنوان‌مثال اگر در فاز طراحی، الزامات اثر محیط پلاسمایی در زیرسیستم‌های مختلف به‌درستی لحاظ نشده باشد، در شرایط عملیاتی می‌تواند منجر به شارژ/تخلیه الکترواستاتیک در ماهواره، شکست دی‌الکتریک یا تخلیه الکتریکی گردد و قطعات حساس الکترونیکی را تخریب نماید. محدودیت‌های مذکور می‌بایست در طراحی ماهواره موردتوجه قرار گیرد؛ که گام‌های اولیه آن، محافظت از سطوح حساس، به حداقل رساندن سطح مقطع آن‌ها و جانمایی آن‌ها در خلاف راستای حرکت ماهواره است.
آدرس کوتاه شده: