وحدات الطاقة للأقمار الصناعية الفضائية الجديدة
الأنواع الثلاثة الرئيسية للأقمار الصناعية هي GEO وMEO وLEO (الشكل 1). تتطلب الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي الثابت (GEO) مكونات مقوية للإشعاع بشكل كامل. ونتيجة لذلك، من أجل تلبية جميع متطلبات المساحة، فإنها تتطلب تصنيعًا صارمًا بشكل متزايد. وهذا هو السبب في أنها مكلفة للغاية. تتمتع مدارات GEO بميزة القدرة على تغطية الكرة الأرضية بأكملها، على الرغم من أن كل قمر صناعي يمكن أن يكلف ما يصل إلى 500 مليون دولار ويجب أن يستمر لمدة 15 إلى 20 عامًا حتى يكون جديرًا بالاهتمام.
ويلزم وجود كوكبة مكونة من 10 إلى 20 قمرًا صناعيًا لتحقيق التغطية العالمية في المدار الأرضي المتوسط (MEO)، الذي يتراوح ارتفاعه بين 5000 كيلومتر و12000 كيلومتر.
نظرًا لأن الأرض محمية بحزام فان ألين، يمكن لمصنعي الإلكترونيات استخدام الحلول التجارية الجاهزة (COTS) المقاومة للإشعاع.
للحصول على تغطية عالمية متسقة، يتضمن المدار الأرضي المنخفض (LEO) عادةً كوكبة من مئات أو حتى آلاف الأقمار الصناعية، مما يجعله القطاع الأسرع نموًا في السوق. ومع وجود المدار الأرضي المنخفض، هناك مجال أكبر لاستخدام المنتجات المقاومة للإشعاع لأن متطلبات المهمة تقع في نطاق ثلاث إلى خمس سنوات.
المزيد من الأقمار الصناعية في الفضاء الجديد
“عادةً ما تكون المهام ذات المدار الأرضي المنخفض جزءًا مما نسميه New Space أو Space 2.0. وقال روب راسل، نائب رئيس تطوير أعمال الأقمار الصناعية في شركة Vicor: “يتمتع هذا السوق بتكلفة أقل مقارنة بالمدارات الفضائية الأعمق ويركز بشكل كبير على زيادة عرض النطاق الترددي للإنترنت مع تقليل زمن الوصول في نفس الوقت”.
بالنسبة لتطبيقات مثل 5G، والبث التلفزيوني المباشر، والاتصالات العسكرية، والتجارة المالية، يعد زمن انتقال الإرسال المنخفض والإنتاجية العالية أمرًا ضروريًا. البث التلفزيوني عبر الأقمار الصناعية، كما اكتشف الكثير منا، لديه تأخير (كمون) لبضع ثوان مقارنة بالإرسال الأرضي أو عبر الكابل. في حين أن هذا الكمون قد يكون مزعجًا، خاصة أثناء الأحداث الرياضية، إلا أنه يمكن أن يكون له عواقب أكثر خطورة بكثير إذا كان يؤثر على الاتصالات العسكرية في ساحة المعركة.
تعد مشكلات الكمون أيضًا أمرًا بالغ الأهمية في التداول المالي، حيث يمكن أن يعني التأخير لمدة ميلي ثانية واحدة الفرق بين المعاملة المربحة والخاسرة.
وتنطبق نفس الاعتبارات على نشر تكنولوجيا الجيل الخامس، التي تتطلب قدرا هائلا من النطاق الترددي وزمن وصول منخفض للغاية للاتصالات، وإنترنت الأشياء، وخدمات الجيل التالي الأخرى مثل المركبات ذاتية القيادة.
هناك ميزة أخرى لتطبيقات LEO، بالإضافة إلى النطاق الترددي العالي وزمن الوصول المنخفض، وهي التغطية، حيث يمكن للنطاقات المتداخلة المتعددة تحقيق تغطية كاملة للأرض.
“إن جلب النطاق العريض إلى الأماكن التي لا يمكنهم الحصول عليه يعد ميزة إضافية كبيرة. وقال راسل: “إن أحد الأهداف الرئيسية لـ O3b، الذي يمثل ثلاثة مليارات أخرى، هو توفير الإنترنت عريض النطاق للعديد من الأشخاص في العالم الذين لا تتوفر لهم هذه الخدمة اليوم”.
هناك حاجة إلى مئات أو حتى آلاف الأقمار الصناعية للتغطية الكاملة لتطبيقات المدار الأرضي المنخفض، مقارنة بعدد قليل يصل إلى ثلاثة في تطبيقات المدار الأرضي المنخفض. للحفاظ على التكلفة الإجمالية منخفضة، تعد الأجزاء ذات الطراز التجاري ضرورية. هناك حاجة إلى أجهزة ASIC الحديثة وFPGAs والرقائق المخصصة بدلاً من الأجهزة المقواة بالإشعاع بشكل كامل، والتي تكون باهظة الثمن ودائمًا ما تكون متأخرة بجيلين أو ثلاثة أو حتى أكثر. إن حلول الطاقة الحديثة ذات الكثافة العالية والتيار العالي والتكلفة المنخفضة والكفاءة العالية مطلوبة لهذه الأجهزة، بالإضافة إلى بعض تحمل الإشعاع.
“بمجرد وصول القمر الصناعي إلى مداره، تصبح الألواح الشمسية هي المصدر الوحيد للطاقة المتاحة.” نظرًا لوجود كمية محدودة من الطاقة المتاحة، يجب أن تكون جميع عناصر سلسلة الطاقة لديك ذات كفاءة عالية. تتميز حلول Vicor بأنها عالية الكفاءة، وعالية الكثافة، والتيار العالي. قال راسل.
حلول الطاقة المتسامحة مع الإشعاع من Vicor
تستخدم الأقمار الصناعية الأكبر حجمًا في الوقت الحاضر ناقل طاقة بقدرة 100 فولت، وهو ما يستطيع حل Vicor الحالي التعامل معه. يوضح الشكل 2 كيف يتم تقسيم 100 فولت من البطاريات (المشحونة بواسطة الألواح الشمسية) إلى قضيبين (0.8 فولت عند 150 أمبير كحد أقصى و3.3 فولت عند 50 أمبير كحد أقصى) لتشغيل أجهزة ASIC.
نظرًا لأنه يأخذ 100 فولت كمدخل ويقلله إلى جهد أكثر ملاءمة وكفاءة للتنظيم، فإن محول الناقل المعزول BCM® يحتوي على (أو عامل K). يتم تشغيل مضاعفات التيار VTMTM، وهي أجهزة قياس نسبة (1/32 و1/8، على التوالي) وتعمل على تقليل جهد الخرج إلى القيم المطلوبة، بواسطة الناقل الثانوي 28 فولت.
“إن حلنا الأساسي مثالي للأقمار الصناعية LEO وMEO التي تستخدم حافلات 100 فولت. قال راسل: “يوفر نهجنا المعياري مرونة هائلة في التصميم تمكن المصممين من تغيير جهد الناقل أو تغيير جهد السكة بسهولة نسبية”.
يعد تحمل الجرعة المؤينة الإجمالية (TID) وتخفيف تأثير الحدث الفردي مناسبًا لمهام LEO وMEO بفضل التصميمات المبتكرة، والاختيار الدقيق للمكونات، والاختبار الشامل للمكونات والأنظمة.
تُعرف الأحداث الإلكترونية التي يسببها جسيم واحد عالي الطاقة بتأثيرات الحدث الفردي. يتم قصف الأجهزة قيد الاختبار (DUTs) بجزيئات عالية الطاقة لمحاكاة ما ستواجهه في الفضاء أثناء هذا النوع من الاختبارات. ومن ناحية أخرى، فإن تأثيرات الجرعة المؤينة الكلية هي آثار التعرض للإشعاع طويل المدى على الأجهزة الإلكترونية. وهذا نوع من التأثير التراكمي، وهو يتوافق مع إشعاع الشمس.
ولذلك، في هذا السيناريو، يوضح التعرض للإشعاع على المدى الطويل أن DUTs قادرة على تحمل الحد الأقصى لمستوى الإشعاع المطلوب لتلك المهمة.
يقول راسل أنه بالإضافة إلى جهد الناقل 100 فولت، يعد الناقل 28 فولت أحد الحلول الأكثر شيوعًا، بينما ستكون الحافلات 50 فولت و70 فولت مطلوبة لبعض التطبيقات. من المؤكد تقريبًا أنه ستكون هناك حاجة إلى عوامل K مختلفة لأجهزة VTM، وكذلك الحلول المُحسّنة لتقليل استهلاك الطاقة. يمكن تعديل بعض التقنيات الحالية، وخاصة BCMs، لدعم تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه، مما يزيد من كفاءة عملية شحن/إعادة شحن البطارية مع تقليل مقدار المساحة المطلوبة (الشكل 3).
يعد خط إنتاج Vicor مناسبًا تمامًا لخدمة New Space بفضل الخلفية القوية للشركة في كل من مجالي الدفاع والحوسبة عالية الأداء. تعد الموثوقية والتيار العالي والكثافة العالية كلها متطلبات طاقة مهمة لمنتجات الطاقة Vicor، والتي تُستخدم الآن لتشغيل New Space.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
