Problem prawidłowego zdefiniowania założeń:

1. TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / 30.03.2005 / strona 1 • Wykład 5 – 30.03.2005 – 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.

2. TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / 30.03.2005 / 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, sprawiające, 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. Tylko w bardzo nielicznych przypadkach będzie można go poprawić.

3. TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / 30.03.2005 / 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 –100oC do +80oC 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 uniwersalnego z punktu widzenia utrudnionego sterowania, odbierania danych, słowem kontaktu z Ziemią. Najbardziej uniwersalnego 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.

4. TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / 30.03.2005 / 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).

5. TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / 30.03.2005 / 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.

6. TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / 30.03.2005 / strona 6 Sposoby zwiększenia niezawodności funkcjonalnej. Nie istnieją żadne, spisane reguły. Praktyczna rada – myśleć w najszerszych, możliwych kategoriach i przewidywać najgorsze, najtrudniejsze warunki.

7. TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 5 / 30.03.2005 / 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