Satelliidi testimine

Satelliidi testimine on dokumenteeritud toimingute jada, mille käigus kontrollitakse satelliidi vastupidavust avakosmose tingimustele ning samal ajal võimet täita korrektselt sellele pandud ülesandeid. Satelliidi testimine on toodangu vastavuskontroll tellija esitatud ja muudele kehtestatud, sh rahvusvahelistele nõudmistele. Nõudmisi esitavad tavaliselt rahvusvahelised kosmoseagentuurid, nagu ESA (Euroopa Kosmoseagentuur) ja NASA.

Kui satelliit mõne disaini-, materjali- või inimvea tõttu katki läheb, ei ole seda enam võimalik kosmoses parandada või on see väga kallis. Seetõttu on satelliidi testimine veelgi olulisem. Kuupsatelliitide testimisel lisandub nõue, et satelliidi transpordil raketti ja raketist kosmosesse ei tohi satelliit kahjustada raketti ega teisi satelliite, mida sama raketiga kosmosesse saadetakse. Seetõttu tulebki võimalusel kuupsatelliidi testimisel järgida satelliiti kosmosesse läkitava asutuse koostatud juhendit, kus on kirjas selle nõudmised kuupsatelliidile. Need nõudmised sisaldavad testide katsetsüklite kestust, arvu, nõudmisi testidel kasutatavate masinate sertifitseeritusele jne.

Satelliidi arenduse käigus tehakse satelliidist mitu versiooni. Tehakse inseneriversioon ehk -mudel, kvalifikatsioonitestimisteks tehakse kvalifikatsioonimudel ja vastuvõtutingimuste täitmise näitamiseks tehakse vastuvõtumudel. Teise testimisfilosoofia järgi tehakse valmis prototüüp (inglise keeles protoflight model), mille peal tehakse nii kvalifikatsiooni- kui ka vastuvõtutestid. Eesti esimene tudengisatelliit ESTCube-1 kasutab prototüüp-mudeli testimisfilosoofiat, ehitades siiski võrdluseks ja simulatsioonide tegemiseks teise lennumudeliga identse kuupsatelliidi.

Testimisel üritatakse võimalikult täpselt matkida satelliidi olekut kosmoses ja kosmose tingimusi. Selleks tehakse mitmesuguseid katseid.

Tavaliselt jagatakse satelliidi testimine osadeks

• satelliidi alarühma taseme testimine
  • kosmose tingimuste taluvus
• alamsüsteemide testimine
  • komponentide test

Testimise ettevalmistus

Satelliitide testimine on kallis ja aeganõudev protsess. Suurte satelliitide test termovaakum kambrites on väga kulukas, samuti nagu erinevad radiatsiooni taluvuse testid. Enne konkreetse satelliidi testi alustamist tuleb otsustada, milliseid teste sooritada. Testideks valmistumine on mitmeastmeline. Algfaasis toimub testide dokumentatsiooni kirjeldus.

Testimise nõuete kirjutamine

Järgmise etapi eesmärk on satelliidi tellija ettekirjutatud nõuetest tulenevate testimise parameetrite kirjeldamine. Näiteks võib ESA nõuda, et satelliidi eluiga on vähemalt viis aastat orbiidil kõrgusel 1000 km. Sellisel tingimusel on võimalik kirjutada testimise jaoks nõue, et satelliidi komponendid peavad vastu pidama radioaktiivse kiirguse doosile 100 raadi. ESA kasutab satelliiti mõjutava radiatsiooni doosi arvutustes simulatsioonikeskkonda SPENVIS.

Disain

Järgmine samm on testimiseks vajaliku varustuse disainimine. Kuna üldiselt on iga satelliidi projekt eelmisest erinev, siis on ka vajaminev testimisseade erinev. Leidub ka mitmeid sama projekti järgi loodud satelliite, näiteks GPS-satelliidid. Nende puhul saab kokku hoida arenduskuludelt.

Testseadmed jagunevad kahte rühma:

• Elektriline testimisseade (ETA, EGSE (ESA))
• Mehaaniline testimisseade (MTA, MGSE (ESA))

ETA-t kasutatakse päikesepaneelide simuleerimiseks. See näitab, kuidas satelliit saab hakkama voolukõikumistega. Satelliidile saadetakse raadiokäsklusi, vaadeldakse süsteemi käitumist ja käskude jagamist alamsüsteemidele. MTA on satelliidi testimist toetav mehaaniline seade, mille ülesanne on satelliidi transportimine, tõstmine või muu mehaaniline tegevus. MTA disaini määrab ära satelliidi suurus (transpordikonteinerite suurus), raskus (tõstmiseks vajaliku aparatuuri soetamine) ja satelliidi vastupidavus maal valitsevatele tingimustele (mõningad satelliidi komponendid tuleb transportida vaakumis).

Disainimise käigus tuleb hoolikalt läbi mõelda ETA ja MTA omavaheline kokkusobivus.

ETA ja MTA kokkupanek ja testimine

Enne ETA ja MTA kasutamist tuleb kasutatav seade kokku panna ja kontrollida, et see ei ole satelliidile ohtlik. Näiteks tuleb kontrollida satelliidi tõstmiseks kasutatava kraana vastupidavust satelliidi raskusele.

Testimise ajal peab olema tagatud inimeste turvalisus. Inimesi on tavaliselt vaja kaitsta plahvatusohtlike kütuste ja radioaktiivsete ainete eest. Ka inimest kaitsvad ehitisi tuleb enne kasutuselevõttu testida.

TRR

TRR (Test Readiness Review) on raport, mille eesmärk on kontrollida

• instrumentide konfiguratsiooni
• MTA ja ETA konfiguratsiooni
• ülejäänud testimisega seotud infot (protseduurid, testi kordused jne).

TRR on formaalne ülevaade missiooni käigust, kus kohtuvad tellija ja tootja, kes vaatavad üle ja otsustavad, kas satelliit on valmis testimiseks.

TCR

TCR (Test Completion Review) on testimisjärgne raport, mis võtab kokku satelliidi testi ning raporteerib, kas satelliit on orbiidile saatmiseks valmis või vajab veel täiustusi.

Alarühma tasemel testimine (ATT)

ATT teste teeb iga alarühm ise, et kontrollida üksikuid satelliidi elemente ja nende sobivust üldisse disaini. ATT teste tehakse jooksvalt satelliidi ehitamise käigus või siis kui üks alarühm saab ehituslikult valmis. Kui satelliidi projektis on oluline kuluefektiivsus, siis on mõistlik teha rohkem ATT ja vähem satelliidiüleseid teste (SÜT). ATT võtab oluliselt vähem aega, nõuab vähem komplitseeritud testseadmeid ning ei vaja nii suurt inseneride hulka. Sellist lähenemisviisi kasutavad paljud väikeseid satelliite ehitavad firmad.

Levinuim eesmärk ATT tegemiseks on valitud komponentide testimine ning kontrollimine. Tavaliselt valitakse 5–10 komponenti ja proovitakse, milline neist sobib kõige paremini antud missiooni jaoks. Suuremate missioonide puhul võib testitavate komponentide hulk ka suurem olla.

Enamasti tehakse ATT käigus järgmisi teste:

• Radiatsioonitest – testi käigus kontrollitakse, kas elektrooniline komponent on vastupidav radiatsioonile. Kui mingi komponent pole varem kosmoses kasutuses olnud, siis on test kohustuslik. Eriti tähtis on kontrollida kommunikatsiooni- ja juhtimissüsteemide olulisi komponente.
• Funktsionaalne test – testiga kontrollitakse, kas komponentide tarkvara töötab ja on kooskõlas riistvaraga. On väga tavaline, et riistvara tööle panemine ning kasutuselevõtmine on keerukas ja vigaderohke protsess. Eriti sellisel juhul, kui koos töötavad mitu komponenti. Üldjuhul on kõige raskem tuvastada vea allikat: kas tegemist on halva joodise, valede komponentidega (kondensaatorite / takistitega) või tarkvara veaga.
• UV test – enamasti tehakse optikale ja erinevatele sensoritele, et kontrollida, kas sensorid ja erinevad optilised materjalid peavad UV-kiirgusele vastu. UV-kiirgusel on omadus muuta materjale läbipaistmatuks, mis on optilisele aparatuurile lubamatu.
• Temperatuuritest – kuna tavalised komponendid ei talu suuri temperatuurikõikumisi, siis on vaja neid testida. Kosmoses valitsev madal temperatuur on üldiselt väiksem ohuallikas kui satelliidi terviklik või osaline ülekuumenemine päikesekiirguse tõttu. Testida tuleb eelkõige komponentide ja alarühma vastupidavust kõrgetele temperatuuridele ja kiiretele temperatuurimuutustele.

Satelliidiülesed testid (SÜT)

Kui alarühmade ülesanne on ainult nende tegevusvaldkonda kuuluvate osade testimine, siis SÜT on mõeldud kontrollimaks kogu satelliidi tööd tervikuna. (Näide tavakoolist: matemaatikaõpetaja huvitub sellest, et õpilased oskaksid matemaatikat, ning vene keele õpetaja loodab, et õpilased oskaksid vene keelt. Samas on direktorile oluline, et kõik lapsed oskaksid väga hästi kõiki aineid).

SÜT põhikomponentideks on kosmosekeskkonna testid ja funktsionaalsed testid, mille eesmärk on kontrollida satelliidi vastavust tellija esitatud nõudmistele. Olulisel kohal SÜT-is on satelliidi vastavus kanderaketi nõuetele, kuna iga kanderaketi tüüp on teisest natuke erinev (kiirendus, vibratsioon jne).

Suuremate satelliitide ehitamisel on SÜT-id selleks loodud alarühma hallata (ESA: AIV-assembly-integration-verification).

SÜT funktsionaalsed testid

Funktsionaalsete testide eesmärk on kontrollida, et kõik satelliidi osad töötaksid korrektselt. Test tehakse pärast satelliidi kokkupanemist, koormusteste (näiteks pärast termovaakumkambris olekut) või pärast transporti. Funktsionaalsete testide jaoks on enamasti tehtud automatiseeritud testid, mis kontrollivad süsteeme.

Kontrollitud töö- ja keskkonnatingimustes testitakse satelliidi töövõimet kõikide võimalike sätete ja stsenaariumide korral. Testi käigus selgitatakse, kas satelliit on suuteline nendes tingimustes täitma kõiki eeldustekohaseid ülesandeid ja kuidas ta neid täidab. Satelliit pannakse imiteerima oma tööd kosmoses ja vastavalt sellele muudetakse katseparameetrite väärtuste vahemikku ja järjekorda. Näiteks elektritestides rakendatakse kõikidele satelliidi elektrisüsteemidele sellist pinget, takistust, sagedusi, impulsse ja lainevorme, mida võib satelliidi kasutuskestuse jooksul ette tulla.

Füüsikalised omadused

Kontrollitakse nõutud täpsusega kuupsatelliidi mõõtmeid, pindu ja massi. Kui satelliidi ehitus on nii keeruline, et massikeset ja inertsimomenti pole võimalik välja arvutada, siis leitakse testi käigus needki.

Keskkonnatestid

Järgnevad keskkonnatestid tehakse vastavalt vajadusele satelliidiüleselt. Tihtilugu aga kontrollitakse tehnika vastupidavust alamsüsteemitasemel, et elimineerida disainivead juba varases faasis ja muuta hilisemat testimist sujuvamaks. Keskkonnatestide alla kuuluvad:

Vibratsioonitest

Eesmärk on kontrollida, kas satelliit peab vastu kanderaketi poolt tekitatud vibratsioonile ja mürale. On vaja kindlaks teha, kas satelliidi struktuuris tekib resonants, mis on väga destruktiivne satelliidi jaoks.

• Sinusoidaalse vibratsiooni test

Selle testiga kontrollitakse, kuidas kosmosetehnika peab vastu raketi stardil toimuvale sinusoidaalsele vibratsioonile. Testid tehakse kõigi stardikonfiguratsioonis kosmosetehnika telgedele.

Enne ja pärast sinusoidaalse vibratsiooni testi otsitakse satelliidi resonantssagedust. Resonantssageduste vahega hinnatakse satelliidi terviklikkust. Resonantssageduste vahe ei tohiks ületada 5%. Samuti üritatakse leida visuaalsel vaatlemisel katse ajal toimunud vigastusi.

• Juhusliku vibratsiooni test

Ka selle testiga kontrollitakse kosmosetehnika valmisolekut raketi stardi ajal toimuvale vibratsioonile. Testid tehakse kõigile stardikonfiguratsioonis kosmosetehnika telgedele.

Et hinnata satelliidi vastupidavust, tehakse enne ja pärast testi jälle kontrolli mõttes resonantssageduse otsimise test. Resonantssageduste vahe ei tohiks ületada 5%.

• Akustiline test

Test toimub kajavas kambris töörežiimis satelliidi osa peal, mis on kinnitatud alusele, mis imiteerib kinnitustega raketistarti. Akustilist testi tehakse ka satelliidi suurte pindadega osadele, mis on mürast rohkem mõjutatavad. Näiteks päikesepaneelidele ja antennidele, millele juhusliku vibratsiooni testi ei tehta. Vibratsiooni tekitaja ja satelliit on eraldatud.

Satelliidi vastupidavust testile hinnatakse madalatasemelise (ca −8 dB) müraga enne ja pärast akustilist testi, et teha kindlaks resonantssagedused. Resonantssageduste vahe ei tohiks jälle ületada 5%.

• Šokitest

Šokitest tehakse satelliidile näiteks sellistel tingimustel, mis esinevad satelliidi eraldumisel kanderaketist kosmoses, kosmosesse transpordi ajal jne. Satelliit kinnitatakse katsealusele normaalseid kinnituskohti pidi. Šokitestide arvu vähendamiseks võib kombineerida šokeeritavaid telgesid ja suundi eeldusel, et on tekitatud selleks vajalik keskkond.

Testi kordaminekut hinnatakse visuaalselt. Lisaks kasutatakse resonantssageduste leidmise võtet. Jälgitakse risttelgedele tekitatud jõudu, et see ei ületaks spetsifikaadis väljatoodut. Seadmetele rakendatud šoki homogeensust saab jälgida vastavate andurite abiga, mis eeldab vähemalt kaht satelliidi vastasnurkadesse kinnitatud andurit.

• Mikrovibratsioonitest

Mikrovibratsioonitestis mõõdetakse satelliidi osade liidestevahelisi dünaamilisi jõude ja pöördemomente. Satelliidi sätted vastavad orbiidil olevatele. Mõõdetakse ka eeldatavat maksimaalset vibratsiooni, mida mõni satelliidi osa võib mingi töörežiimi juures tekitada, ja selle mõju kogu satelliidile.

• Kuuldava heli test

Tehakse järgmisi mõõtmisi: kosmosetehnika tekitatud helivõimsus, mis kandub õhus edasi, kosmosetehnika tekitatud helivõimsus, mis kantakse edasi kinnitusstruktuuri kaudu. Kosmosetehnikat kasutatakse õhus ja kinnitatud struktuuriga ja samade sätetega kui mehitatud missioonil. Iga missioonifaasi jaoks antakse eraldi müratase.

Termovaakumtest

Testi eesmärk on kindlaks teha satelliidi vastupidavust kosmoses. Temperatuuri tsüklid ja vaakumisarnane keskkond on elektroonikakomponentide jaoks väga kurnav, kuna toimub paisumine ja kokkutõmbumine, mis tekitab mehaanilisi pingeid. Lisaks kipuvad erinevad materjalid, mis pole otseselt kosmose jaoks loodud, lenduma ning rikuvad selle käigus optikat. Vaakumitest on just mõeldud materjalide lendumise (out-gassing) avastamiseks.

Termovaakumtest ja termotsükkeltest tehakse kosmoseaparaatidele, mis töötavad pärast vaakumis olekut mingis atmosfääris, näiteks Marsi omas. Vaakumtest ajal hoitakse seda temperatuuri, mis vastava vaakumtaseme juures vastab missioonil oodatule. Kõik satelliidi osad peavad olema võimelised läbima temperatuuritesti. Lepitakse kokku minimaalne ja maksimaalne töötemperatuur, temperatuurid, mil satelliit ei tööta, ning satelliidi sisselülitamise minimaalne ja maksimaalne temperatuur. Temperatuuri muutumine ei pea olema kiirem kui 20 K minutis. Funktsionaalsustestidega saab alustada alles siis, kui satelliit on olnud temperatuuriahjus kauem kui 2 tundi.

Testi ülesehitus, tsüklite arv, äärmustemperatuurid, temperatuuri muutumise kiirus, ahjus oleku aeg ja läbivuse kriteeriumid kirjeldatakse ära testi spetsifikaadis. Testis peab sisalduma tsükkel, mil satelliit ei tööta. Satelliidile tehakse funktsionaalsusteste temperatuuritesti ajal. Funktsionaalsustestid tehakse vähemalt kõige kuumema ja kõige külmema temperatuuri juures. Kosmosetehnika sätted testi ajal on seatud kõige võimsama režiimi peale, mis akule võib mõjuda. Testmeetodid ja seadistus vastavad keskkonna temperatuurikarakteristiktele, temperatuurikontrolli alamsüsteemi tehtud temperatuuridisainile ja kosmosetehnikale endale. Testplaan peab kindlustama õige kosmosetehnika paigutuse soojusallika suhtes.

Termovaakumtest tuleb teha kosmosetehnikale, mis peab kasutuskestusel töötama vaakumis. Kosmosetehnikat tuleb testida vähemalt 10⁻³ Pa rõhuga. Testi käigus ei tohi tehnikat saastada. Test peaks algama maksimaalse mittetöötingimustemperatuuriga. Päikesepaneelide korral tuleb testi käigus jälgida takistuse pidevust ja ühtlust ning isolatsiooni. Termotsükkeltestiga tuleb mittevaakumis testida vaid kosmosetehnikat, mis kasutuskestusel ei satu vaakumisse. Sel juhult tuleb eraldi tähelepanu pöörata lekkele ja rõhumuutustele. Tehakse täielik funktsionaalsustest.

EMC

(Electromagnetic Compatibility) test Eesmärk on kontrollida elektrilisi ja magnetilisi omadusi. EMC testi abil on võimalik avastada, millised satelliidi eri osad segavad üksteist magnet- ja elektriväljadega. Näiteks võib kommunikatsioonisüsteem segada satelliidi asendi määramise süsteemi. Elektrivoolu toimel tekkivad magnetväljad võivad oluliselt mõjutada teisi alamsüsteeme, näiteks magnetomeetri näitu.

Testitakse ühilduvust, voolujuhtmete isolatsiooni, maksimaalset sissetulevat voolu. Testitakse raadiolainete saatmise võimet kontrollitud vahemaade tagant. Samuti testitakse elektrostaatika kogunemist kosmosetehnikale, et staatiline elekter ei muudaks tehnikat kasutuskõlbmatuks.

Raketimootorite testid

Suurematel satelliitidel kasutatakse asendi ja orbiidi muutmiseks mootoreid (ioonmootoreid, plasmamootoreid, vedelkütusega või gaasiga töötavaid mootorid), mis vajavad kontrollimist.

Õhuniiskuse test

Kui kosmosetehnika satub kasutuskestuse ajal õhuniiskusse, mis on suurem kui 65%, siis tuleb testida tehnika vastupidavust niiskes õhus. Väga niiske õhu korral võib satelliidi osadele kondenseerunud vesi tekitada elektrilühiseid ja pika aja peale ka roostet.

Rõhukindlus

Rõhukindlust on vaja testida vaid kosmosetehnikal, millel on rõhutundlikke osasid. Avatud süsteemidele pole neid teste vaja teha.

Kiirendustest

Kiirendustestiga kontrollitakse, kas tehnika peab vastu raketi stardikiirendusele. Kosmosetehnika kinnitatakse testimisalusele samasuguste kinnituste abil kui need, mida hiljem stardis kasutatakse. Kui tehnikale mõjuva kiirenduse imiteerimiseks kasutatakse tsentrifuugi, siis peab olema kindel, et jõuõlg oleks vähemalt viis korda suurem satelliidi osa enda mõõdust jõuõlga pidi. See tagab ühtlasema jõudude mõju piki testitavat eset.

Disaini purunemisrõhk

Testitakse, kui suurt rõhkude vahet satelliidi disain kannatab. Rõhuvahet suurendatakse kuni tehnika purunemiseni.

Purunemistest

Testitakse, milliste piiride korral satelliit puruneb. Kui tehnika on liiga kallis, siis jäetakse see test tegemata.

Testimise jagunemine faasidesse

Euroopa Kosmoseagentuur eristab satelliidiehituses järgmisi faase.

• Kirjeldab üleüldist faasi tegevust.
  • Kirjeldab testimisega seotud toiminguid.
• Faas 0 – missiooni eesmärkide kirjeldus.
  • Faas 0 ei toimu ühtegi testiga seotud toimingut.
• Faas A – süsteemi parameetrite kirjeldus. Esialgsete nõuete kirjapanek.
  • Faas A toimub esialgsete testimisnõuete kirjapanek, aga ei laskuta veel detailidesse.
• Faas B – süsteemi detailsem kirjapanek. Täpsem kirjeldus, mida erinevad satelliidi alarühmad tegema peavad ja kuidas. Esialgne disaini kirjeldus.
  • Faas B toimub täpsemate testimisparameetrite kirjapanek, esialgse MTA ja ETA kirjeldus. Pärast faasi B enam nõuetega ei tegeleta, toimub vaid nõuetejärgne ehitusprotsess. Kui on tegemist ESA projektiga, siis enamasti ESA annab pärast faas B-d projekti alltöövõtjale üle.
• Faas C/D – seal toimub satelliidi tarkvara ja riistvara arendamine ning kokkupanek ja test. Selle faasi lõpuks peab satelliidi kosmosekõlblik versioon valmis olema.
  • Faas C toimub MTA ja ETA lõplik disain ja ehitus ning toimub alarühma tasemel testimine. Faas D lõpupoole toimuvad satelliidiülesed testid ning nende edukas läbimine on eelduseks faas E, satelliidi kosmosesse lennutamiseks.
• Faas E – lend kosmosesse ja aktiivne töö seal.
  • Maapealsete mudelitel võib toimuda veel erinevate tarkvaraliste uuenduste test, mis on pigem teisejärgulised.
• Faas F – satelliidi mahakandmine. Missiooni lõpp või missiooni lõpp satelliidi purunemise tõttu.

Kirjandus

• Spacecraft System Engineering Third Edition – Autorid: Peter fortscue, John Stark, Grahm Swinerd
• Handbook of Space Technology – Autorid: Wilfried Lay, Klaus Wittmann, Willi Hallmann

Välislingid

• https://acc.dau.mil/ILC_TRR
• Payload and AIV Status (Rosetta, ESA)
• ESA