Μελέτη και προσομοίωση έμμεσης ηλεκτροστατικής εκφόρτισης σε καλώδιο SpaceWire

Abstract

Η εξέλιξη της τεχνολογίας των διαστημικών εφαρμογών, ο εμπλουτισμός του διαστημικού εξοπλισμού με νέες μονάδες και συστήματα και οι διαρκείς, σπουδαίες μα και πολύπλοκες διαστημικές αποστολές, έχουν οδηγήσει σε πολύ αυξημένες απαιτήσεις επικοινωνίας, δηλ. λήψης, μετάδοσης και διαχείρησης ψηφιακών δεδομένων, με μεγάλη αξιοπιστία και χαμηλό κόστος. Υπό το πρίσμα των αναγκών αυτών, τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί και σταδιακά τελειοποιηθεί ένα νέο πρωτόκολλο για επικοινωνιακές ζεύξεις σε διαστημικές εφαρμογές, το λεγόμενο SpaceWire. Το πρωτόκολλο αυτό, με τα φυσικά μέσα που διαθέτει και με τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί, εξασφαλίζει την εκπλήρωση των υψηλών αυτών απαιτήσεων ταχύτητας, αξιοπιστίας και κόστους. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία μελετάται εκτενώς το φυσικό διασυνδετικό μέσο της επικοινωνιακής ζεύξης SpaceWire, το Καλώδιο SpaceWire και το φαινόμενο της Έμμεσης Ηλεκτροστατικής Εκφόρτισης σε αυτό. Πραγματοποιείται πολύπλευρη και σε βάθος μελέτη και εξέταση του καλωδίου αυτού και δημιουργείται σταδιακά ένα πλήρες προσομοιωτικό μοντέλο του, με την χρήση του λογισμικού CST Studio Suite® 2021. Το μοντέλο αυτό ακολούθως, χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της δοκιμής Έμμεσης Ηλεκτροστατικής Εκφόρτισης σε καλώδιο SpaceWire. Όλες οι ενέργειες της υλοποίησης συντελούνται σε απόλυτη συμμόρφωση προς τα επίσημα σχετκά πρότυπα, που περιγράφουν το πρωτόκολλο SpaceWire, επεξηγώντας και αποσαφηνίζοντας τις διάφορες πτυχές του. Επίσης γίνεται προσπάθεια η υλοποίηση να παραμετροποιηθεί με όσο τον δυνατόν μεγαλύτερη προσοχή, ώστε το δημιουργηθέν μοντέλο να μπορεί να τροποποιείται από μελλοντικούς μελετητές. Αρχικά, το καλώδιο προσεγγίζεται από το επίπεδο της διατομής. Εξηγείται με κάθε λεπτομέρεια ο τρόπος δόμησης του εσωτερικού του καλωδίου και παρουσιάζεται εξίσου λεπτομετρώς η υλοποίησή του στον προσομοιωτή. Συνοδευτικά πραγματοποιούνται και θεωρητικές επαληθεύσεις της ορθότητος του μοντέλου. Στην συνέχεια εξετάζονται οι σύνδεσμοι, στους οποίους τερματίζει το καλώδιο. Διερευνώνται εκτενώς τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά, με παραδείγματα από εμπορικούς συνδέσμους, όπως επίσης και από τους συνδέσμους ενός φυσικού δείγματος καλωδίου SpaceWire, που υπάρχει στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων (Υ. Τ). της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών (Ε.Μ.Π.). Με βάση αυτούς υλοποιείται το σχετικό μοντέλο στο CST. Κατόπιν αναπτύσσεται στον προσομοιωτή μια διάταξη, προορισμένη να χρησιμεύσει σαν χώρος όδευσης του καλωδίου, όπως θα ήταν και σε μια πραγματική εργαστηριακή εφαρμογή. Η συγκεκριμένη διάταξη επιλέχθηκε να είναι αυτή της δοκιμής Έμμεσης Ηλεκτροστατικής Εκφορτίσεως (Indirect ESD) σε ένα καλώδιο. Με την διάταξη αυτή έτοιμη, ακολουθεί η δόμηση του πλήρους πλέον καλωδίου SpaceWire στον 3D χώρο, συνδυάζοντας αυτήν ακριβώς την διάταξη αλλά και την διατομή και τους συνδέσμους, που είχαν ήδη υλοποιηθεί. Τέλος, σαν κατακλείδα της εργασίας αυτής, πραγματοποιείται στο Εργαστήριο Υ. Τ. ένα πείραμα ESD στο φυσικό δείγμα καλωδίου SpaceWire, που βρίσκεται αποθησαυρισμένο στον εργαστηριακό εξοπλισμό. Το πείραμα αυτό εξετάζεται αυτόνομα, σαν πεδιακό πρόβλημα, αλλά επιπλέον αξιοποιείται και σε συνδυασμό με το προσομοιωτικό μοντέλο. Συγκεκριμένα, στο περιβάλλον του CST, το πείραμα επαναλαμβάνεται και στην συνέχεια συγκρίνονται πειραματικά και προσομοιωτικά αποτελέσματα, προκειμένου να καταδειχθεί η αποτελεσματικότητα και η αξιοπιστία του μοντέλου, που αναπτύχθηκε. Συμπερασματικά σχολιάζεται η χρησιμότητα και η αξία ενός τέτοιου προσομοιωτικού μοντέλου, παρουσιάζονται μελλοντικές δυνατότητές αξιοποίησης του και επιλογικά επισημαίνεται η συνεισφορά του στην μελέτη των ζεύξεων SpaceWire και η στήριξη που μπορεί να παράσχει στον πειραματισμό με εφαρμογές, που χρησιμοποιούν αυτό το πρωτόκολλο επικοινωνίας.