Testowanie systemów kosmicznych

Architektura systemu

Zanim przejdziemy do samych testów, cofnijmy się na chwilę o krok wcześniej. System (teleskop, satelita lub jego podsystem) został zaprojektowany w oprogramowaniu CAD – jednak w praktyce rzeczywistość często (a właściwie prawie zawsze) różni się od założeń teoretycznych. Część obliczeń mogła zostać wykonana nieprecyzyjnie, niektóre detale mogły zostać przeoczone, a podczas samego procesu integracji mogły pojawić się różnego rodzaju problemy lub błędy.

Aby zminimalizować ryzyko problemów z modelem lotnym, w branży kosmicznej stosuje się sprawdzone podejście, które pozwala przeprowadzić możliwie jak najwięcej testów przy jak najniższych kosztach, a jednocześnie umożliwia wprowadzanie na bieżąco poprawek i zmian w projekcie — od tak prostych jak dodanie brakującego otworu gwintowanego, aż po poważniejsze modyfikacje, takie jak zmiana wymiarów całego systemu.

Na potrzeby tego artykułu możemy wyróżnić trzy główne typy modeli: STM – Structural Thermal Model (czasami rozdzielany na dwa osobne modele: SM – Structural Model oraz TM – Thermal Model), EQM – Engineering Qualification Model oraz FM – Flight Model. Każdy z nich przechodzi zbliżony zestaw testów, jednak mogą się one różnić na przykład poziomami obciążeń. Wszystkie wymagania w tym zakresie są dokładnie określone w obowiązujących standardach — zarówno w procedurach wewnętrznych firm, jak i w standardach ECSS (European Cooperation for Space Standardization).

STM (Structural Thermal Model) jest przygotowywany z myślą o testach wibracyjnych oraz testach termiczno-próżniowych. Taki model posiada mechanikę o odpowiedniej masie i wymiarach, a zamiast docelowej elektroniki często stosuje się tzw. elektronikę zastępczą (dummy electronics) oraz grzałki symulujące przewidywaną emisję ciepła. Model musi być również wyposażony w akcelerometry do testów wibracyjnych oraz w wiele czujników temperatury wykorzystywanych podczas testów próżniowych. Czasami tworzy się osobne modele: termiczny i strukturalny, aby uprościć sam proces testowania. Takie podejście wiąże się jednak z wyższymi kosztami oraz z koniecznością ponownej konfiguracji systemu pomiędzy kolejnymi testami.

Flight Model (FM) to po prostu model, który ostatecznie trafia w kosmos — oczywiście dopiero po przejściu wszystkich wymaganych testów. Warto również wspomnieć o alternatywnej ścieżce rozwoju podsystemów, nazywanej Protoflight Model (PFM). Jest ona tańsza, ponieważ nie wymaga budowy osobnego modelu EQM. W takim podejściu model PFM poddawany jest jednak poziomom obciążeń takim samym jak w przypadku modelu EQM, czyli wyższym niż w standardowych testach dla osobnego modelu FM. Po zakończeniu wszystkich testów to właśnie model PFM trafia na orbitę.

Podczas testów inżynierowie mogą jeszcze wprowadzać zmiany w modelach. Powinny to jednak być modyfikacje na tyle niewielkie, aby nie wpływały negatywnie na działanie całego systemu.
Przykładowo — nie powinno się zmieniać sposobu mocowania teleskopu do struktury nośnej, ponieważ może to w istotny sposób wpłynąć na wytrzymałość całej konstrukcji. Takie zmiany bardzo często wynikają z wniosków wyciągniętych z przeprowadzonych testów. W przypadku większych modyfikacji trzeba liczyć się z koniecznością powtórzenia części testów wykonanych wcześniej albo z ryzykiem, że nowy element nie będzie w stanie wytrzymać warunków lotu i pracy na orbicie.

Testy wibracyjne

Celem testów wibracyjnych jest potwierdzenie, że system przetrwa warunki lotu kosmicznego — przede wszystkim dlatego, że podczas startu i lotu rakiety pojawia się szerokie spektrum drgań, zarówno pod względem częstotliwości, jak i amplitudy.

W tym celu testy wibracyjne przeprowadza się w wyspecjalizowanych ośrodkach badawczych — system montowany jest na wzbudniku drgań (tzw. shakerze), a następnie poddawany drganiom kolejno wzdłuż trzech osi układu współrzędnych. Wyróżnia się kilka typów wymuszeń wibracyjnych, jednak najważniejsze z nich to drgania sinusoidalne, losowe (random) oraz burst. W przypadku systemów średniej i mniejszej wielkości najczęściej wymagane są testy random.
Dodatkowo przeprowadza się test rezonansowy, którego celem jest sprawdzenie zgodności modelu fizycznego z modelem numerycznym.

W poniższym materiale wideo dotyczącym misji STAR VIBE można zobaczyć ujęcia przedstawiające testy wibracyjne teleskopu STAR (FM) [2:22 – 2:33].

Testy termiczno-próżniowe

Na orbicie panuje próżnia oraz bardzo duże wahania temperatur. Przeprowadzenie testów TVAC (thermal vacuum) pozwala zbadać przepływ ciepła w konstrukcji (w tym przewodność cieplną na styku różnych materiałów) oraz wytrzymałość struktury w skrajnie niskich i wysokich temperaturach. W przypadku niskiej orbity okołoziemskiej zakres temperatur wynosi od -65 ºC do +125 ºC. Dodatkowo testy te umożliwiają sprawdzenie minimalnych i maksymalnych temperatur występujących w elektronice, zgodnie z przyjętymi scenariuszami jej pracy.

Takie testy trwają zwykle od kilku do nawet kilkunastu dni, w trakcie których przeprowadzanych jest wiele cykli temperaturowych symulujących warunki panujące na orbicie.

Testy EMC

Testy EMC, czyli testy kompatybilności elektromagnetycznej, mają na celu sprawdzenie, czy systemy elektryczne i elektroniczne na pokładzie pojazdu działają prawidłowo i nie zakłócają się wzajemnie. Wysyłając ładunek na orbitę, inżynierowie muszą mieć pewność, że wszystkie urządzenia zainstalowane na statku kosmicznym nie wpływają na siebie negatywnie — na przykład że uruchomienie koła reakcyjnego nie zakłóca łączności radiowej z operatorem.
Dodatkowo sprawdza się także wpływ zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych na działanie systemów zainstalowanych na pokładzie pojazdu.

Takie testy przeprowadza się w wyspecjalizowanych ośrodkach badawczych, które w praktyce stanowią klatki Faradaya, eliminujące wpływ zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych. Dodatkowo ściany takich komór są zaprojektowane tak, aby pochłaniać fale elektromagnetyczne i zapobiegać odbijaniu się sygnału z powrotem w kierunku badanego urządzenia.

Testy funkcjonalne

W przeciwieństwie do wcześniej opisanych badań, testy funkcjonalne mogą być przeprowadzane bezpośrednio w miejscu integracji teleskopu, instrumentu lub całego satelity. Ich celem jest potwierdzenie, że zintegrowane podzespoły prawidłowo współpracują ze sobą oraz że każdy z nich działa poprawnie. Przykładowo sprawdza się wtedy takie elementy jak: rejestrację obrazu przez sensor, zmianę orientacji satelity czy łączność radiową z operatorem.

Podsumowanie

W tym artykule przyjrzeliśmy się testom, którym poddawany jest podsystem przed wysłaniem w kosmos — niezależnie od tego, czy jest to antena, teleskop czy cały satelita. Testowanie nie odbywa się wyłącznie na końcowym etapie projektu, tuż przed startem, ale towarzyszy całemu procesowi rozwoju systemu. Co więcej, poszczególne podsystemy mogą przechodzić różne testy niezależnie od siebie. Poszczególne komponenty mogą być wystawiane na różne zakresy temperatur (na przykład w zależności od ich umiejscowienia w strukturze pojazdu). Oznacza to, że teleskop może przejść pełną kampanię testową, a następnie podobne testy zostaną przeprowadzone ponownie już na poziomie całego, zintegrowanego satelity.