מיקרו-לווינים ושיגור אווירי - יעדים חדשים בחלל
הגדל

מיקרו לווינים ושיגור אוירי- יעדים חדשים בחלל

 

                                       אל"מ (מיל) יורם אילן – ליפובסקי

פרסום מס' 25

מאי 2004

מבוא

 

 פעילות התעשייה ישראל בחלל מתמקדת עד  היום בשלוש משפחות המוצרים הבאות:

 

א.       משפחת מיני לוויינים ממשפחות אופק וארוס.  לוויינים אלו, במשקל של כשלוש מאות ק"ג מבצעים משימות תצפית שונות במסלולי גובה נמוך (LEO );

ב.       משגרי לוויינים קרקעיים ממשפחת "שביט" -  אלו טילים רב שלביים  בעלי כושר שיגור של מיני-לוויינים במשקל של עד  כשלוש מאות ק"ג למסלול LEO.  משגרים אלו פותחו  לצורכי שיגור לוויינים  ממשפחת האופק;

ג.         משפחת לווייני עמוס- לווני תקשורת גיאוסטציונריים במשקל של כטון, אשר שוגרו עד היום באמצעות משגר "אריאן 4" ו"סויוז".

 

הח"מ יזם בשנים האחרונות מהלכים רבים במגמה להרחיב את פעילות ישראל בחלל לעבר שני  תחומים חדשים – מיקרו-לוויינים (לוויינים שמשקלם לא עולה על 100 ק"ג)  ומשגרים אוויריים  (משגרי לוויינים המשוחררים ממטוסים).  להלן  סקירת  השיקולים העומדים מאחורי יוזמה זו.

 

 

דיון

 

מיני לוויינים, מטבע הגדרתם מוגבלים במשקלם. משקלם הנמוך מציב מיד מגבלות חמורות לגבי תכולתם. המטעד וכל יתר מערכות העזר חייבים להיכנס למגבלות משקל חמורות המוגדרות מראש בתחילת מסלול הפיתוח. כאשר מדובר על מטעד אופטי, מגבלת משקל המטעד מכתיבה עשיית שימוש בטלסקופ מוקטן. הקשר בין ממדי הלווין אומנם אינו ליניארי  אך מגבלת הגודל מהווה אילוץ חמור על המתכננים.  אילוץ הגודל מחייב אם רוצים להשיג באמצעות מיקר-ולווין עם מטעד אופטי ביצועים דומים לביצועי המיני-לוויינים האופטיים, הצבתו במסלול נמוך יותר. גובה המסלול הנדרש במקרה זה הוא פרופורציוני הפוך לממדי הלווין. המחיר ברור -  מסלולים נמוכים מכניסים את הלווין למשטר התנגדות גבוהה. המשמעות - אורך חיים תפעולי קצר.  גם סוגיית ביצועי הלווין  בתנאי סביבה  האופייניים לגובה נמוך יותר מן המקובל  תחייב בחינה מדוקדקת ועלולה להיזקק  כנראה לפתרונות  טכנולוגיים חדשנים.

 

מגבלת משך השהייה  בגובה נמוך מחייבת לנקוט באחד משני החלופות הבאות:

 

          א.         שיגור הלוויינים למסלול  גבוה יותר לצורכי המתנה. ביצוע הנמכה למסלול נמוך יותר לקראת ביצוע  המשימה;

          ב.         שיגור ישיר לגובה ביצוע המשימה רק עם התעוררות הצורך לביצועה.

 

בשני המקרים מדובר בעצם על עיקרון דומה – אך בחלופה הראשונה ההמתנה נעשית על הקרקע ובחלופה השנייה ההמתנה נעשית בחלל.

 

מה יתרון כל חלופה?

היתרון בחלופה הראשונה  ברור – מערכת הלויין מוצבת בחלל מראש וללא כל לחץ זמן. במקרה זה ניתן להכניס את הלווין לפעולה באופן הדרגתי ושיטתי.  במקרה ומתגלות תקלות במהלך התהליך המבוקר יש די זמן לנסות להתגבר על תקלות באופן סדור ושקול.

 

היתרונות בחלופה השנייה נובעים בעיקרם מהיכולת להתאים עד הרגע האחרון את הלווין למשימתו. במקרה כזה ניתן כמובן גם  להציב את הלווין במסלול המיטבי בהתאם לצורכי המשימה. התאמה מיטבית של המסלול עשויה לשנות מהותית את יכולת הכיסוי של אזורי היעד, ולהבטיח  כיסוי מיטבי תוך חיסכון משמעתי במספר הלוויינים.

 

במקרה זה ניתן גם לשנות עד הרגע האחרון לפני ההמראה את המטעד שבלווין. גישת התכנון של לוויינים ממתיני קרקע יכולה להיות על בסיס ההכנה של מרכב ((BUS  גנרי (ככל האפשר)  ובצידו – מגוון  מטעדים בני התאמה לקראת שיגור.  לגמישות זאת יתרונות בולטים במיוחד כאשר מדובר על בחירת מטעדי אלינט, משדרים, או תחום ספקטראלי של מערכות תצפית. (שינויים מינוריים נוספים ניתן לבצע לשני סוגי הלוויינים לאחר שיגורם גם ע"י שידור מהקרקע העשוי אף לאפשר החלפת חבילות תוכנה שלמות על פי בחירת מרכז הבקרה מן הקרקע).

 

 

מגוון המשימות  האפשרי לביצוע ע"י מיקרו- לוויינים רחב וכולל בין היתר:

 

א.       תצפית אלקטרו אופטית  (בתחום הנראה, בתחומים אחרים או אף בשילוב תחומים)

ב.       תצפית  אלקטרו מגנטית

ג.        בקרת ספקרום ואלינט

ד.       תקשורת ייעודית

ה.      משימות נוספות

 

משימות אלו בנות ביצוע הן למטרות אזרחיות והן למטרות  צבאיות. עם זאת ראוי להדגיש שההפרדה בין משימות צבאיות לבין משימות אזרחיות בחלל מטשטשת למדי. במקרים  רבים עשוי אותו לווין  לשמש לשתי המטרות (דוגמת לוויני התצפית ממשפחת האופק ומגזרתם האזרחית – "ארוס").

 

על החיסרון בגודלם של המיקרו-לוויינים ניתן להתגבר לעיתים במידת מה ע"י טיסת מבנה (FORMATION FLYING). כאשר מדובר על טיסת מבנה בחלל הכוונה היא לצבר של לוויינים (שניים או יותר) הטסים במסלולים זהים תוך שמירת מיקום יחסי קבוע ומדוד ביניהם.  במקרה כזה ניתן ע"י תקשורת להפעילם כיחידה אחת כאשר מרכיבי המשימה מחולקים מיטבית בין כל לוויני הצבר.

 

השיגור האווירי

 

 

לשיגור אווירי של לוויינים מספר יתרונות:

 

א.       השיגור בגובה מאפשר  העלאת יעילות השיגור  עקב תחילת ההאצה בגבהים בהם צפיפות האוויר    פחותה לעומת שיגור קרקעי באופן משמעותי.  לדוגמא -  עבור מערך  שיגור  קרקעי נבחר נמצא כי יעילות השיגור (יחס משקל הלווין למשקל המכלול כולו בעת התנעת התהליך) מגיעה לערך של כאחוז. ההערכות הראשוניות מצביעות כי עבור מערך שיגור לווין דומה תעמוד יעילות השיגור האווירי על ערך של  שני אחוז לערך. כלומר יעילות השיגור עשויה להשתפר פי שניים. למרות שגם מחיר טיסת המשגר אינו זניח המשמעות ברורה  -  מחיר השיגור האווירי עשוי להיות  אטרקטיבי מאוד.  שילוב בין מיקרו-לוויינים  ושיגור אווירי  עשוי לקרב אותנו ליעד חשוב של "חלל בר-מימוש" (.(AFFORDABLE SPACE

 

ב.       השיגור האווירי חשוב במיוחד למדינות דוגמת ישראל (עם חוף במערבה בלבד). הוא פותח עבורן פתח לבצע  שיגור מזרחה. גם אילוצים פוליטיים וביטחוניים נוספים עלולים לחייב  אומות מסוימות (דוגמת ישראל) לשגר לוונים מערבה. שיגור זה יעיל פחות משיגור מזרחה בו ניתן להתחיל את הליכי ההאצה תוך ניצול המהירות הטבעית  עקב סיבוב כדור הארץ מזרחה.

 

ג.        השיגור האווירי מאפשר גם גמישות רבה בבחירת יתר הפרמטרים של מסלולי השיגור. גמישות זאת מרחיבה את מגוון אפשרויות הצבת הלוויין בחלל.

 

ד.       השיגור האווירי מאפשר שיגור  מהיר למסלול נבחר. כאשר משוגר לווין מן הקרקע חלון הזמנים לשיגור למסלול נבחר הוא מצומצם וחולף. השיגור האווירי מאפשר לטוס לעבר נקודת שיגור רצויה ולהקדים לעיתים משמעותית את השיגור.

 

ה.      מערך השיגור האווירי חשוב במיוחד לישראל.  כיום מתבצעים שיגורי  הלווין בישראל מאזור החוף המאוכלס בצפיפות.  בקרבה רבה לאזור השיגור מצויים לא רק מרכזי אוכלוסייה צפופים, אלא גם נמל מרכזי, בסיס ח"א, מחסני תחמושת, חוות מכלי דלק,  בתי זיקוק ואפילו כור גרעיני קטן.  מטבע הדברים שיגור עתיר אנרגיה של משגר קרקעי הוא עתיר סיכונים. על רקע זה ולצורך הקטנת רמת הסיכון האזורית  אומצה מדיניות בטיחות חמורה אשר עלולה לגרום להשמדת משגרים מיותרת. השיגור האווירי יוכל להתבצע מעל לים ולהפחית במידה רבה את רמות הסיכון.

 

ו.   לפיתוח יכולת השיגור האווירי גם משמעויות  טכנולוגיות, ביטחוניות ותדמיתיות חשובות.

 

 

 

כאשר מדובר על שיגור אווירי שתי חלופות מרכזיות חייבות להיבחן:

 

א.       שיגור אווירי כבד;

ב.       שיגור אווירי קל.

 

בשיגור האווירי הכבד מדובר על מטוס תובלה גדול (דוגמת בואינג 747).  על מטוס מסוג זה ניתן לשאת את המשגר הן מתחת לגחון והן על הכנפיים.  ישראל מחזיקה פטנטים בתחום. כושר הנשיאה הגדול של מטוסי הענק מאפשר נשיאה של משגר ממשפחת משגרי האופק.  משגר שכזה יאפשר גם הגדלת כושר השיגור של ישראל לשיגור מיני לוויני כבדים. משגר אווירי גדול יאפשר גם שיגור בו זמני של צברי מיקרו-לוויינים או מספר גדול של  ננו-לוויינים (לוויינים אשר משקלם מתחת 10 ק"ג).

 

שיגור אווירי קל מדבר על משגר ייעודי קל בר נשיאה על מטוסי קרב (דוגמת  F-15). משגר שכזה יפותח על בסיס האנקור השחור  -  מערכת דימוי הסקאד אשר פותחה ע"י רפא"ל. משגר כזה יאפשר שיגור של מיקרו- לווין אחד בלבד ממטוס או צבר של ננו - לוויינים.

 

יתרונות כל חלופה:

 

השיגור הכבד חשוב כי הוא יאפשר לישראל יכולת שיגור של מיני-לוויינים כבדים. העלאת משקל הלוויינים תאפשר בין היתר הגדלת המטעדים האופטיים ושיפור ביצועיהם,  שיגור מיני-לוויינים עם מטעדי  SAR רבי יכולת.  גם ליכולת המשגר הכבד לשגר  בו זמנית של צבר מיקרו-לוויינים לאותו מסלול יתרונות רבים.

 

למרות שלמשגר אווירי קל כושר שיגור למסלול נמוך יותר יש לו יתרונות רבים. כאשר מדובר על משגר אווירי קל המשמעות היא אפשרות נשיאה של משגרים אחדים בו זמנית על מספר מטוסים במבנה. מטוס כבד עשוי לשאת משגרי לוויינים קלים אחדים. השיגור ממטוס קרב מאפשר ליהנות מכל היתרונות הברורים של מטוסים  אלו: צי גדול, שרידות גבוהה על הקרקע, כושר הגנה עצמית באוויר ועוד.  כמובן שלמשגר שזה משמעות  ביטחונית ממדרגה ראשונה.

 

מבחינה אסטרטגית יש למיקרו-לוויינים ולשיגור אווירי חשיבות רבה - הם מאפשרים פיזור הנכסים בחלל, שמירת גורם ההפתעה בזירה וטומנים בחובם גם יכולות ראשונות לקראת העידן בו  הצורך להגנת  יכולותיה של הזרוע החללית יהיו ברורים וחדים.

 

ההיבטים הכלליים

 

נוכחות ישראל בזירת החלל היא חיונית אך כרוכה בהשקעת משאבים רבים. כל החלטה חייבת להיגזר ממכלול רב של שיקולים ולאחר השוואה למול חלופות אחרות. כעיקרון  יש לבחון ולאתר תמיד את התחומים בהן יחס התשואות לתשומות הוא מיטבי. בפועל המימוש קשה הרבה יותר כי יש קושי רב לכמת נכון את מגוון התשואות. התשואות מן החלל מתפרשות על מגוון תחומים ביניהם ביטחוניים טכנולוגיים יוקרתיים ותדמיתיים. גם כאשר מתמקדים בזירת החלל  עצמה התיעדוף עדיין אינו פשוט. האתגר הגדול נותר ויש לבנות מודלים מתקדמים לצורך השוואה נבונה בין חלופות שונות. במצב זה ההחלטה עדיין בעיקרה אינטואיטיבית ומבוססת על קריטריונים איכותיים.  החלטה חייבת להתקבל בשיתוף פעולה בין כל הרשויות המעורבות  בעקבות עבודת מטה יסודית ומקיפה.

 

במהלך עבודת מטה זאת יש לערך את היתרונות הכלכליים הבאים הגלומים בפיתוח התחומים המוצעים:

 

          א.         מיקרו לוויינים ושיגור אווירי עשויים להוזיל משמעותית מחיר הצבתו של לווין בחלל. מהערכות ראשוניות עולה שמחיר כולל של מיקרו לווין ממוצע הפועל בחלל  עשוי לנוע בתחום של 5-10 מיליון דולר בהשוואה למחיר של מיני-לווין פועל בחלל של כחמישים מיליון דולר.

 

          ב.         שוק המיקרו-לוויינים  עדיין  בתחילת דרכו. להערכת תחזיות רבות הוא יגדל משמעותית בשנים הבאות.   השתלבות ישראל כמובילה בו עשויה לפתוח בפניה שווקים רבים.

 

          ג.          פיתוח מיקרו-לוויינים יהווה מנוף להאצת תחומים טכנולוגיים וכלכליים עתירי חשיבות כגון תחומי המיקרו אלקטרוניקה, MEMS  והננו - טכנולוגיה.

 

          ד.         גורמים רציניים בעולם מתעניינים בשיתוף פעולה עם ישראל במו"פ של תחומים אלו. כמוכן נראה שניתן לגייס משאבי פיתוח לקידום הנושא גם ממקורות חוץ.

 

         ה.         לשיתוף  פעולה בינלאומי עם אירופה לדוגמא יש כמובן חשיבות כלכלית מידית אך גם השלכות מרחיקות לכת של  יצירת שיתופי פעולה אסטרטגיים עם חברות מובילות וארגונים עתירי חשיבות כגון הקהילה האירופאית.

 

מסקנות

בבחינה ראשונית נראה שיש חשיבות רבה להרחיב את התמקדות מדינת ישראל גם לעבר תחומי המיקרו-לווינים והשיגור האווירי  לשני התחומים הנידונים.

 

הכוונה הנה להתמקד בפיתוח מערכות "ברות מימוש למגוון משימות (בתקציבים מוגבלים)".

 

הקונספט של שיגור לפי הצורך מתאים במיוחד למדינות קטנות ובינוניות.

 

עם זאת אין ספק שבהתחשב במגבלות התקציב הקשות  חייבים רעיונות אלו  להיבחן למול  חלופות אחרות במסגרת עיצוב תוכנית האב של השתלבות  ישראל בחלל. כמו כן מחייבים האילוצים הכלכליים לבחון אפשרות לשת"פ עם מדינות מתאימות אחרות והסתייעות בתוכניות  מו"פ  בינלאומיות (אין טבעי יותר מאשר לעשות שת"פ  פעולה  במערכות חלל אשר מעצם אופיין בנויות  לספק שירותים גלובאליים).  

 

המלצות:

 

א. מומלץ ליזום מחקר מקיף בכל היבטי מיזם המיקרו-לוויינים.

 

ב. מומלץ  ליזום  מחקר מקיף בכל היבטי השיגור האווירי על שתי חלופותיו.

 

ג. על בסיס  שני המחקרים הנ"ל  תיבחן התפישה החדשנית של שיגור לפי דרישה

      (LOD ) על כל היבטיה.

 

ד. מומלץ לבחון שילובם של תחומים חדשניים אלו  בתוכנית החלל של ישראל.

 

ה. מומלץ לבחון אפשרויות  לשיתוף פעולה בתחומים אלו עם מדינות נוספות.

 

עבור לתוכן העמוד