TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / / strona 1 Wykład 5 – – Projektowanie nadmiarowe jako „dyskusyjny” element procesu budowy aparatury pomiarowej. problem prawidłowego zdefiniowania założeń, określenie obszarów najsłabiej zdefiniowanych, próba zdefiniowania najbardziej „uniwersalnego” urządzenia pomiarowego, niezawodność funkcjonalna urządzenia, kryteria (i ich ważność) stosowana w procesie projektowania aparatury sateliternej, praktyczne sposoby zwiększenia niezawodności funkcjonalnej.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / / strona 2 Problem prawidłowego zdefiniowania założeń: Jest już pewną regułą, która niestety sprawdza się w bardzo wielu przypadkach w badaniach kosmicznych, że dążąc do uatrakcyjnienia badań naukowych odchodzimy od wygodnych, wcześniej sprawdzonych, metod pomiarowych. Badania przenosimy do innych, coraz bardziej egzotycznych obszarów. W przypadku badań kosmicznych ta egzotyka to po pierwsze słaba określoność samego przedmiotu badań (i parametrów, które chcemy mierzyć), po drugie, czasami tylko szczątkowa wiedza o środowisku, w którym przyjdzie nam wykonywać pomiary. I to jest pierwsza trudność, a właściwie już dwie, sprawiająca, że założenia tworzone dla nowego przyrządu mogą być bardzo nieprecyzyjne. Satelitarne przyrządy pomiarowe to z reguły aparatura unikalna, nie mająca swoich pierwowzorów, a nawet jeśli takowe były budowane, to w chwili obecnej mają nierzadko niewiele wspólnego z tym co nowego zamierzamy zbudować. Oczywiście jest naszym obowiązkiem, jako konstruktora, odniesienie się do konstrukcji wcześniejszych i wyciągnięcie z nich wniosków. Należy jednak te wnioski wyciągać bardzo ostrożnie – na pewno większość założeń dla nowego przyrządu będzie napisana od nowa lub znacznie zmodyfikowana. I to jest następna trudność pojawiająca sie w momencie pisania założeń. Trzeci problem można określić jako „dylemat sapera”. Można się pomylić tylko raz – wystrzeliliśmy urządzenie, okazało się, że założenia były nieprawidłowe (lub tylko „trochę” nieprawidłowe) i przyrząd nie działa. W bardzo nielicznych przypadkach będzie można go poprawić.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / / strona 3 Określenie obszarów najsłabiej zdefiniowanych: Co w związku z tym robić? Zacząć tworzenie założeń od określenia obszarów najsłabiej zdefiniowanych i próbować jednak te obszary zdefiniować w możliwie najszerszy sposób. Tak, aby zminimalizować możliwość przyszłych „niespodzianek”. Jeśli na przykład nie jesteśmy pewni, w jakich temperaturach przyjdzie nam mierzyć, i tylko przypuszczamy, że z będzie to zakres –100 o C do +80 o C to od razu założyć ten maksymalny zakres - nawet jeśli konsekwencją tego kroku będzie dodatkowe podgrzewanie aparatury w niskich temperaturach. Należy przyjąć jako punkt wyjścia założenia dla najbardziej wszechstronnego urządzenia, potem i tak rzeczywistość (na przykład ograniczenia wagi aparatury) te, wstepne, założenia zweryfikuje. To oznacza, że przystępując do projektowania należy podjąć próbę zdefiniowania najbardziej „uniwersalnego” urządzenia pomiarowego. Najbardziej uniwersalnego z punktu widzenia możliwości pomiarowych (funkcje pomiarowe, zakresy pomiarowe,...). Najbardziej uniwersalnego z punktu widzenia odporności na warunki środowiskowe. Najbardziej odpornego z punktu widzenia utrudnionego sterowania, odbierania danych, słowem kontaktu z Ziemią. Najbardziej odpornego z punktu widzenia przyszłych, możliwych awarii. Również najbardziej odpornego na zmiany, które na pewno będą wprowadzane w trakcie projektowania i budowy przyrządu. Słowem – zaczynamy projektowanie od przyrządu możliwie maksymalnie uniwersalnego. Potem i tak będziemy te założenia ograniczać.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / / strona 4 Rezultatem naszej pracy ma być funkcjonujące w kosmosie urządzenie. Można by powiedzieć – funkcjonujące „za wszelką cenę”. Tak jak w handlu podstawową cechą artykułu jest możliwość jego sprzedaży, i temu podporządkowany jest cały proces jego projektowania, wytwarzania i promocji tak tutaj podstawową cechą naszego artykułu jest „niezawodność funkcjonalna”. Niezawodność rozumiana nie tylko jako stosowanie sprawdzonych elementów, odpowiednich marginesów bezpieczeństwa („de-rating rules”), redundancji czy prowadzonych wcześniej analiz FMECA, PSA, WCA. Te należą do podstawowego kanonu wymaganego przez wszystkie agencje kosmiczne i im musimy się podporządkować bez wyboru, są one zawsze spisane jako założenia wstępne dla każdego urządzenia kosmicznego. Istnieje jednak cały obszar zagadnień i wymagań, które, wprawdzie nie spisane, ale są nie mniej ważne i w równym stopniu decydujące o powodzeniu przedsięwzięcia. Składają się one właśnie na pojęcie „niezawodności funkcjonalnej”. Przykładami tych zagadnień mogą być: taka architektura przyrządu, która na sztywno nie ogranicza możliwości jego przyszłych modyfikacji. Dokonywanych na pewno na Ziemi, w czasie budowy, ale również na orbicie, po wystrzeleniu. Modyfikacje to nie tylko poprawki czy usuwanie usterek, to także możliwość przyszłej rozbudowy urządzenia o dodatkowe funcje czy nawet dodanie nowego podsystemu, takie zaprojektowanie przyrządu aby poprawnie pracował nawet jeśli warunki pomiaru lub obiekty mierzone będą inne od założonych (oczywiście zawsze istnieją granice „niemożności”), takie zorganizowanie procesu wytwarzania aby nie stwarzać sztucznych barier dla innych, współpracujących z nami kooperantów, tak skonstruowany przyrząd, że można go szybko dostosować do innej misji (przykład misja Rosetta do komety Wirtannena).

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / / strona 5 Kryteria stosowane przy budowie satelitarnej aparatury pomiarowej. Typowe kryteria, stosowane przy definiowaniu założeń dla nowo budowanej pomiarowej aparatury satelitarnej są zdecydowanie różne od tych, stosowanych w przemyśle rynkowym. Różne również od tych, stosowanych w przemyśle związanym z komercyjnym wytwarzaniem urządzeń kosmicznych. Nie wytwarzamy niczego w większych seriach – koszt produkcji pojedyńczego urządzenia praktycznie nie ma znaczenia, Prawie nigdy nie musimy konkurować z innymi, a nawet jeśli konkurencja istnieje, to brane są pod uwagę parametry przyrządu a nie jego cena, Nie mamy możliwości wyprodukowania serii próbnej i sprawdzenia jej u klientów – nawet jeśli prototypy przetestujemy w laboratoriach to i tak finalne sprawdzenie (a więc działanie urządzenia u klienta) dotyczyć będzie tego jedynego, właściwego i docelowego urządzenia, Zdecydownie inaczej wygląda serwis urządzenia, a więc inaczej będzie wyglądała jego konstrukcja. Nie musimy być pierwsi na rynku z nowym towarem – oczywiście nadal przy niektórych misjach obowiązują terminy sztywne (astronomiczne), ale nie oznacza to, że w wyścigu o pierwszeństwo możemy zlekceważyć np. problem niezawodności. Inne grupy w tym samym projekcie nie są dla nas konkurencją, jeśli już razem zostaliśmy zakwalifikowani do udziału w misji, to powinniśmy z innymi współpracować. Oznacza to, że w naszych założeniach nie powinniśmy sugerować się najwygodniejszymi (na przykład dla nas najtańszymi) rozwiązaniami technicznymi. Całość ma działać i jeśli z punktu widzenia wspólnej pracy nasza część ma być trudniejsza lub bardziej skomplikowana, to taka powinna być.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / / strona 6 Sposoby zwiększenia niezawodności funkcjonalnej. Nie istnieją żadne, spisane reguły. Praktyczna rada – myśleć w najszerszych, możliwych kategoriach i przewidywać najgorsze, najtrudniejsze warunki.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / / strona 7 Detektory: jeśli tylko można, to o jak największej dynamice, czułości i zakresie spektralnym, Front End Electronics: programowane wzmocnienia, jeśli można to ASIC, Zasilanie: unikać handlowych przetwornic, zawsze zabraknie jakiegoś napięcia, Układy cyfrowe: najlepiej programowane układy logiczne i to specyfikowane „na wyrost”, Procesor: używać w urządzeniu, ograniczać zewnętrzne sterowanie do makrokomend, stosować maksymalnie otwartą architekturę, a najlepiej wbudować całą część cyfrową do jednego FPGA, Oprogramowanie: zawsze wykonywane w RAM z możliwością zmiany na orbicie, uwaga na program ładujący Układy mechaniczne: maksymalnie eleastyczne – przykład: silniki krokowe zamiast komutatorowych – zawsze będzie istniała potrzeba zatrzymania jakiejś tarczy nie w tym położeniu jak pierwotnie zakładano, Aparatura wspomagająca, symulatory: jak najwięcej, i to nie tylko w naszym laboratorium ale i takie, które wysyłamy do współpracowników