Új hazai mélyűri kommunikációs rendszer (1. rész)

A BHE Bonn Hungary Elektronikai Kft. átfogó kutatás-fejlesztési tevékenységet végzett az elmúlt években annak érdekében, hogy egy modern mélyűri mikrohullámú kommunikációs egységet fejlesszen ki.

A cél egy adóvevő megtervezése, megépítése és kvalifikációja volt, amely a legfejlettebb félvezető eszközök használatával képessé tehet egy műholdat arra, hogy Hold körüli mélyűri műholdpályáról a Föld–Hold távolságon megbízható nagy sebességű adatátvitelt építsen ki és tartson fenn.

A projekt a Külgazdasági és Külügyminisztérium (KKM) és a Nemzetközi Fejlesztési és Forráskoordinációs Ügynökség Zrt. (NFFKÜ) támogatásával valósult meg (NFFKÜ/KKM/2022/1/1), a berendezés műszaki követelményeit egy elismert angol űripari vállalat, a Surrey Satellite Technology Limited (SSTL) határozta meg a felmerült piaci igényeik alapján, akik felügyelték a fejlesztési és kvalifikációs folyamatot is a projekt során. Az SSTL a Hold körüli kommunikációs infrastruktúrát tervezi megalapozni egy műhold konstellációval. A konstelláció a tervek szerint egy tucat kommunikációs reléműholdból fog állni, melyek a Hold körül keringő műholdak és a Hold felszínén kutatásokat végző űrszondák és roverek munkáját fogják elősegíteni azáltal, hogy ezeknek az eszközöknek nem lesz szükséges közvetlenül a Földdel kapcsolatot létesíteni a vezérlőjelek fogadásához és az adatok továbbításához, hanem elegendő lesz a sokkal közelebb keringő reléműholdakkal kapcsolatot létesíteni, melyek ezután áthidalják a kb. 384 ezer kilométeres Föld–Hold távolságot.

Az SSTL első Hold körüli reléműholdjának, a Lunar Pathfindernek a kommunikációs terve. (Kép: SSTL)

A BHE ennek az adóvevő (transzponder) berendezésnek a megtervezését és megépítését tűzte ki céljául. A feladat több szempontból is komoly műszaki kihívásokat állított a tervezőknek: egyrészt a Földről érkező vezérlőjelek a nagy távolságon jelentősen lecsillapodva érkeznek a Holdhoz, és ezeket a gyenge jeleket is megbízhatóan kell tudni venni és feldolgozni, majd továbbítani a műhold központi jelfeldolgozó egységének, másrészt a Föld irányába olyan jelerősséget kell előállítani, amely szintén a nagy távolságon előálló csillapítás után a földi vevőállomásokon még jól vehető és ezáltal mind az adás, mind a vétel irányába megbízható kommunikáció építhető ki.

Az adóvevő berendezés a kommunikációs reléműholdak kritikus alrendszerének számít, hiszen meghibásodás esetén a műhold elveszíti a kapcsolatot a Földdel, és ezáltal küldetése sikertelenül zárul, mivel a parancsok vétele és a hasznos adatok továbbítása lehetetlenné válik. Ennek elkerülése érdekében több száz szigorú műszaki és környezetállósági előírást kell teljesítenie a berendezésnek, és fedélzeti redundanciát is alkalmaznak. Az előírások egy része a műszaki paraméterekre (tömeg, fizikai méretek, energiafelhasználás, adóteljesítmény, vételi zajtényező stb.), másik része pedig környezetállósági követelményekre (működési hőmérséklet, sugárzásállóság, mechanikai terhelések, gázkibocsátás vákuumban stb.) összpontosít. A berendezésnek 10 évig kell folyamatosan és megbízhatóan üzemelnie mélyűri környezetben, az előírt bithibaarány (BER) 10^-6 alatti, azaz minden átvitt 1 millió adatbitből kevesebb mint 1 meghibásodás történhet a kommunikáció során a nagy áthidalandó távolság ellenére is. A fentiekhez hasonló szigorú előírások sokaságát kell teljesítenie a megvalósított berendezéseknek.

Az elkészült adóvevő (jobbra) és nagy teljesítményű erősítő (balra) mérnöki kvalifikációs példányai

A BHE először a rendszerterv felépítését alakította ki és a technológiai folyamatot, amivel a nagyon szigorú és részletes űripari elvárások maradéktalanul teljesíthetőek. A fejlesztés a rendszer komplexitása miatt két alapvető egységre lett tagolva: az adóvevő berendezésre (Earth Link Transponder – ELT), amely a kétirányú kommunikáció kiépítésére képes, és egy nagy teljesítményű erősítőre (High-Power Amplifier – HPA), amely felerősíti az adóvevő adó ágának kimenő jelét és mintegy 20 watt teljesítményű mikrohullámú jel folyamatos szolgáltatására is képes a megbízható földi vétel érdekében.

A rendszertervek kialakítása után a kritikus félvezető alkatrészek megválasztása és analízise következett, amelyekkel a rendszerterv megépíthető. A legfőbb tervezési szempontok egyike a sugárzásállóság volt, amely jelentős tervezési erőforrásokat igényelt a mérnököktől, mivel a műszaki funkciók maradéktalan megvalósítása egy összetett, több ezer alkatrészből álló rendszert követelt meg. A projektvezetésnek és a mérnököknek nem csak az összetett műszaki követelményekkel kellett megbirkózniuk, hanem szem előtt kellett tartani a kiválasztott alkatrészek beszerezhetőségét is, mivel a tervek elkészítése mellett rövid határidővel fizikailag is fel kellett építeni a mérnöki kvalifikációs modelleket (Engineering Qualification Model – EQM), és azokon ellenőrizni is kellett különböző módszerekkel azt, hogy teljesülnek a szigorú műszaki és környezeti elvárások. Sajnos a COVID megjelenése és a chipkrízis óta tapasztalható az elektronikai iparban az a jelenség, hogy némely alkatrész beszerezhetősége nagyon nehézkes, vagy adott esetben teljesen lehetetlen belátható időn belül. Ez is nehezítette a végleges kapcsolási rajzok előállítását, bizonyos esetekben a mérnököknek párhuzamosan kellett azonos funkcióra két tervet is előkészíteni, mivel nem lehetett tudni, hogy a gyártási folyamatok megkezdéséig melyik alkatrészjelöltet sikerül beszerezni.

A kapcsolási rajzok után a nyomtatott áramköri hordozók megtervezése következett. Itt a főbb szempontok a kis méret és tömeg elérése voltak. A nyomtatott áramköri hordozók terveinek részletes analízisei után megkezdődhettek a gyártási folyamatok, majd a legyártott hordozókra az áramköri alkatrészek beültetései. A beültetés után az elkészült panelek felélesztése és tesztelése történt meg, amivel párhuzamosan készültek alumíniumból mart egyedi gyártású készülékházak is.

Az SDR kártya kvalifikációs példánya

A gyártási műveletekkel párhuzamosan folytak a tesztelési tervek előkészületei, hogy a feszített határidőn belül a legyártott mérnöki példányok teljes kvalifikációs folyamata is el tudjon készülni. A tesztelési folyamatok alapvetően az Európai Űrügynökség által bevett gyakorlatok szerint lettek kialakítva a széles körben használt űripari szabványok alapján. A BHE először az elkészült áramköri hordozók egyedi ellenőrzését, felélesztését és finomhangolását végezte el, majd a mérnökök a működést széles hőmérséklet-tartományban is ellenőrizték. Ezután kezdődhetett meg a modellek készre szerelése.

(Folytatjuk!)

Géczy Gábor
projektvezető, BHE

Kapcsolódó cikkek:
Új hazai mélyűri kommunikációs rendszer (2. rész)