רזולוציה גבוהה מהחלל

אילוצים, צורכי ביטחון ועלות כלכלית גבוהה – אלה רק חלק מהאתגרים עימם מתמודדים העובדים בתחום החלל באלביט מערכות. ראיון מיוחד

בתחילת שנות ה-80, לאחר הסכם השלום עם מצרים, החליט משרד הביטחון שהוא רוצה להיכנס לעסקי החלל. הצורך היה מיידי. בעקבות הסכם השלום לא יכלה ישראל להפעיל מטוסי מודיעין מעל המרחב המצרי, והחלל נשאר המקום היחיד שהריבונות לא משחקת בו תפקיד. כחלק מהמאמץ הלאומי הוטל על חברת אל-אופ, היום אלביט מערכות, לפתח את המצלמה עבור הלוויינים האופטיים של ישראל.

"באותה תקופה עסקו בנושא רק המעצמות הגדולות, ולכן הידע שנצבר לא היה זמין ונגיש למהנדסים הישראלים, שנדרשו להמציא ולפתח הכל מבראשית", מסביר אילן פורת, מנהל יחידת החלל של אלביט מערכות. "המטרה הייתה לספק מודיעין ברזולוציה גבוהה לטובת מודיעין צבאי. הלקוח העיקרי שלנו היה אז - והוא גם היום - משרד הביטחון". 

תחום החלל של אלביט, אותו מנהל פורת, נמצא בקרית המדע ברחובות. כבר בכניסה ברור שמדובר בנכס לאומי. תעודות הוקרה למיניהן ממשרד הביטחון על פיתוחים כאלה ואחרים תלויות על הקיר, כתזכורת ליכולות ההנדסיות הטמונות במדינה כל כך קטנה. "אנחנו סוחטים מהמערכות שלנו את הרזולוציה המרבית בגודל ומשקל נתון", אומר פורת. "מדובר במשגר קטן באופן יחסי, משום שעקב המיקום והאילוצים הגיאו-פוליטיים של ישראל אנחנו נאלצים לשגר מערבה – הפוך משאר העולם, בניגוד ליתרון הפיזיקלי בשיגור מזרחה. 

"אילוצים אלה מכתיבים עבודה עם מצלמה קומפקטית וקלת משקל. ישראל ייחודית בשיקולי המשקל והגודל בפיתוח מצלמות לוויין, ומובילה עולמית ביחס בין משקל המצלמה לביצועים היחסיים. ישראל נמנית גם בין המובילות בעולם ברזולוציה, יחד עם מדינות כמו ארה"ב וצרפת". 

"זה לא עסק כלכלי"

"צריך להגיד זאת: פיתוח מצלמות ללוויינים זה לא עסק כלכלי", מסביר פורת. "יצוא כמעט לא קיים, והמימון מתקבל בעיקרו ממשרד הביטחון הישראלי. בנוסף, קיים מנגנון מימון שמטרתו היא שימור מוקדי ידע לאומיים, או במילים אחרות: שימור כוח האדם המקצועי בתחום. מדובר בכסף בשקלים, שאינו מגיע מסיוע חוץ של ארה"ב. הכספים הללו מאפשרים לנו לפתח את אבני היסוד של הדור הבא של מצלמות החלל עבור מדינת ישראל. 

"לא מדובר במשהו יוצא דופן. רוב חברות החלל בעולם לא מרוויחות כסף. זהו תחום תחרותי מאוד, שדורש המון משאבים וגם גמישות פוליטית. הצרפתים, למשל, מפתחים לוויינים לצבא ומשווקים אותם בעולם. כך פועלים גם האמריקאים. במדינות אלה משרד הביטחון הוא זה שמשווק את הלוויינים. לפעמים גם בסיוע הצמרת הפוליטית של המדינה. בישראל זה לא קורה. בארץ זה עובד אחרת. ואם אין יצוא, זה תחום שנסמך על כסף ממשלתי". 

פיתוח המצלמה

המצלמות החלליות מתוצרת אלאופ שוקלות עשרות ק"ג בודדים. המערכת הראשונה שפיתחו באלביט הייתה בקוטר 30 ס"מ, וזה נתן רזולוציה של שני מטרים (גודל העצם המינימלי שניתן לזהות על הקרקע). אחר כך עלו לקוטר של 50 ס"מ, וזה אפשר רזולוציה של 70 ס"מ. עקרונית, ככל שהקוטר עולה, המצלמה גדולה וכבדה יותר. בדור השלישי והנוכחי, העדשה היא בקוטר 70 ס"מ והרזולוציה 50 ס"מ, כאשר המצלמה שוקלת פחות מ-100 ק"ג. 

עוד נקודה שצריך לזכור היא שבחלל אין תיקונים. אם משהו משתבש בזמן השיגור או הפעולה של המצלמה בחלל, הלוויין משול לזבל חללי. פורת מסביר שהאתגר הוא לפתח ולכוון מערכת כזו בארץ, בתנאים של כוח כבידה (גרביטציה). בחלל אין כוח כבידה, וכתוצאה מכך רכיבים אופטיים נוטים להתעוות. כיוון שאין בעולם מקום שיודע לבדוק זאת, מושקע באלאופ מאמץ גדול בתכנון נכון ובשיערוך של השפעות ביטול כוח הכבידה על המערכת עם הגעתה לחלל. 

בנוסף, לצורך בחינת המצלמה בהדמיית תנאי העבודה בחלל, תכננו באלביט מתקן בדיקה מיוחד, בגודל בניין בן שלוש קומות. הבנייה שלו הסתיימה לפני כשלוש שנים, והוא משמש לבדיקת המצלמה לפני שהיא מורכבת בלוויין. הבדיקה מבוססת על סימולציה של תנאי קיצון בחלל, כולל ואקום, טמפרטורה, קרינה, רעידות ופרמטרים נוספים. 

אחד המרכיבים במתקן ההדמיה נקרא קולימטור. תפקידו הוא להזריק מטרות למצלמה, לכאורה ממרחק 600 ק"מ, שהוא מרחק הלוויין מכדור הארץ. מדובר במעין טלסקופ הפוך, פיתוח ישראלי בהזמנה מיוחדת. פורת מסביר שכדי לבדוק את המצלמה לרזולוציה של 50 ס"מ, יש צורך במערך מדידה מדויק יותר ("אי אפשר למדוד מטר עם מטר"). כלומר, מערך המדידה והבחינה של המצלמה החללית נדרש ליציבות ודיוק המקבילים לרזולוציה של 5 ס"מ מטווח 600 ק"מ. 

כדי להתמודד עם הרעידות הטבעיות של כדור הארץ, כמו גם הפרעות הנובעות מנסיעת רכבות, כלי רכב, רעשים וכו', המתקן יושב על בלוק בטון צף על גבי רגליים פנאומטיות, במשקל 250 טונות, שאינו מחובר לרצפה. גם המכלולים של מכשיר המדידה אינם מחוברים לקרקע, כדי לבודד אותם מרעידות והפרעות חיצוניות. 

באלביט הגדירו את הדרישות למתקן ההדמיה, הכולל את תא הוואקום התרמי, הבלוק הצף עם הרגליים שלו, הקולימטור ועוד, ואלה יוצרו על ידי יצרנים שונים בארץ וחו"ל. תהליך הקמת המבנה ארך כשלוש שנים, כאשר יחד עם ההקמה היה צורך לשלב את כלל מרכיבי המתקן, כפי שהתקבלו מהיצרנים השונים, ולוודא שהמתקן אכן מתפקד כראוי. "יש בעולם פחות מחמישה מתקנים כאלה", אומר פורת. "החלל הוא מקום קשה לפעולה. אם אתה פונה לשמש, המצלמה עלולה להגיע בתוך דקות לטמפרטורות גבוהות מאוד - עד כדי עיוותים ונזק בלתי הפיכים לרכיבים האופטיים, ואפילו התכה. 

"מצד שני, יתר השמיים הם בטמפרטורה של אפס מוחלט, שיגרום לקירור רכיבי המצלמה לטמפרטורות נמוכות מאלה שבהן היא יכולה לשרוד. עקב כך, אנחנו נדרשים לתכנון תרמי מדויק, הכולל מערכת בקרה תרמית קפדנית בעת הימצאות המצלמה בחלל. 

"עוד היבט הוא הקרינה בחלל, שפוגעת באלקטרוניקה וברכיבים האופטיים. האופטיקה צריכה לשרוד גם את התאוצות הגבוהות המתפתחות בזמן השיגור. מדובר באתגר הדמיה לא פשוט".

אין מוצרי מדף כאלו בשוק, מסבירים באלביט. לפתח דור של מצלמה לוקח כעשר שנים. לשכפל מצלמה קיימת נדרשות כשלוש שנים. זה כולל את הבדיקה הסופית, שאורכת כחצי שנה במתקן ההדמיה. 

את העדשה המרכזית מעבדים עד סטייה של אטומים בודדים. כמו כן, בגלל הרגישות האופטית הגבוהה כל כך, העיוות של המראה צריך להיות מינימלי. הסטייה המותרת של מיקום המראה היא במיקרונים (אלפיות המילימטר). 

כדי לצמצם את גודל המצלמה, משתמשים באלביט באופטיקה המבוססת על מראות במקום עדשות, מה שמאפשר לצמצם את אורך המצלמה ביותר מפי 10. כלומר, אורך אופטי של 15-10 מטרים מקופל לפחות ממטר אחד. לכל מראה יש מקדם הגדלה מסוים וצורה מיוחדת, ולכן כל עיוות וסטייה במראה יוגבר בהתאמה. 

על מנת להגיע לדיוקים גבוהים ומשקל נמוך, פיתחו באלביט מכונות מיוחדות. אחת מהן מכרסמת את החלק האחורי של המראה. מדובר בטכניקה אולטרסונית, המאפשרת תיאורטית הסרת שכבות בעובי מולקולות בודדות. 

פורת מסביר שזה היה פרויקט חיים של מהנדס גרמני, שרצה לרשום מספר סידורי על יהלום. הוא עבד 30 שנים, אבל אז הופיע הלייזר - וכל הפרויקט ירד לטמיון. באלביט לקחו את הטכנולוגיה שלו, ופיתחו על בסיסה את הכלי הזה. התוצאה: מתחילים עם מראה במשקל 120 ק"ג, ונשארים בסוף עם 20 ק"ג. "למה אין מכונות כאלה בעולם? כי אף אחד לא צריך את זה חוץ מישראל", הוא אומר. 

מכשיר נוסף עושה פוליש למראה עם נוזל מגנטי מיוחד. בצורה כזו לא מייצרים על המראה לחץ. זו שיטה שפותחה בחו"ל לצורך מירוק עדשות ראייה גמישות. באלביט לקחו את הרעיון, ופיתחו כלי למירוק מראה כמעט חלולה (לאחר הכרסום, החלק האחורי של המראה נראה כמו חלת דבש). כל התהליך ממוחשב, ומאפשר להגיע לשגיאה של אטומים בודדים לכל היותר. 

בסוף התהליך מצפים את המראה בציפוי מחזיר, לצורך הגברת ההחזר. על מנת לנצל את מרב האנרגיה המתקבלת מהאור המוחזר מכדור הארץ, נדרשת רמת החזר מקסימלית בכל אחת מהמראות שבמצלמה. כל התהליך של הכרסום, המירוק והציפוי לוקח כשנה. 

לאחר הרכבת המצלמה על הלוויין והשיגור לחלל, הפרמטר היחיד שניתן לתיקון הוא פוקוס (מיקוד), על ידי מכלול שאפשר להזיז גם כאשר המצלמה בחלל, באמצעות פקודה מתאימה מהקרקע. כל שאר המרכיבים נשארים קבועים. אם משהו זז בדרך לחלל, המצלמה לא עובדת והלוויין הופך, כאמור, לפסולת חלל. 

הלוויין עוקב אחרי מטרות נעות? 

"זה קורה רק בהוליווד", אומר פורת. "את המרחק מזריחה לשקיעה הלוויין עובר בדקות בודדות (תלוי בגובה המסלול). אם אתה רוצה לעקוב אחרי מטרה, אתה צריך לראות אותה באופן רציף. לכן, גם במתאר אופטימלי המקסימום התיאורטי לעקוב אחרי מטרה הוא דקות בודדות, במהלך שעה וחצי שהם הזמן של הקפת כדור הארץ. 

"זה מדע בדיוני. אי אפשר לעקוב בזמן אמת אחרי מטרה נעה עם לוויין. גם אז, הזווית, כמו גם הטווח, ישתנו באופן ניכר תוך כדי ביצוע הצילום. האפשרות היחידה לשהות באופן קבוע מעל אזור נתון היא רק במסלול גיאוסטציונרי, וזה נמצא מעל קו המשווה ובגובה של כמעט 36,000 ק"מ (כמו לווייני התקשורת). מטווחים כאלה אי אפשר לצלם ברזולוציות מועילות, אלא אם קוטר המצלמה יהיה עשרות מטרים".

ננו לווינים? 

תחום הננו לוויינים הוא אמנם חדש וסקסי, אבל לצורך צילום צריך עדשה גדולה. פורת מסביר שיש מחשבות לפצל את המראה הראשית לכמה לוויינים קטנים, והבעיה היא לשמר את הדיוק היחסי כך שהם יעבדו בהרמוניה. "אנחנו עדיין לא יודעים לעשות זאת. זה יהיה בעתיד, אבל ייקח זמן", אומר פורת. "חושבים גם על אופטיקה נפרסת. כלומר, שהיא תעלה מקופלת ותיפרס בחלל. שוב, גם כאן יש רגישות לדיוק המערכת. 

"אחד השימושים ללווייני ננו הוא בדיקה של אלקטרוניקה לחלל. פעם היו קונים בתקן חללי. הבעיה שזה יקר. חברות הפסיקו לייצר חלקים כאלה, כי זה לא רווחי ואין להם כמעט ביקוש. היום אנחנו, ויצרנים אחרים, הולכים לרכיבים צבאיים או אזרחיים, ומעבירים אותם סט בדיקות של עמידה בקרינה חללית. אם יש לך לוויין ננו זול, וגם השיגור שלו זול, אתה יכול להשתמש בו לבדיקות עמידות כאלה בחלל".

אחת השאלות בהקשר ללווייני צילום היא מה הרזולוציה המספיקה כדי לקבל מודיעין טוב. ובכן, תלוי את מי שואלים. חלק מארגוני הטרור אוספים מודיעין באמצעות השירות של גוגל. אפשרות נוספת היא לרכוש צילומים בשוק המסחרי. גם מדינות עושות שימוש באפשרות זו, וכיום ניתן לרכוש צילומי לוויין בשחור לבן, כמו גם בצבע, מחברות מסחריות ברחבי העולם - ברזולוציה של 50 ס"מ ולאחרונה אפילו 25 ס"מ. 

בהנחה שאין כל מגבלת גודל או משקל עבור המצלמה, הרי שעל פי חישובים תיאורטיים, הרזולוציה המיטבית שניתן להשיג היא באזור 15-10 ס"מ, בגלל מגבלת העבירות האטמוספירית (מגבלה פיזיקלית לצלם מהחלל דרך האטמוספירה, בשל תופעה שנקראת טורבולנציה). מדובר בשינויים בצפיפות האוויר באטמוספירה (רוחות, זרמי סילון, הפרשי טמפרטורה, לחות ועוד), שמפריעים לתמונה המוחזרת מהקרקע להגיע למפתח המצלמה בחלל באיכות מספיק טובה. המדינה הכי מתקדמת בהיבט הזה היא ארה"ב. 

"ככל שאתה משפר רזולוציה, צריך יותר פיקסלים. אחרת רוחב הכיסוי שלך קטן", מסביר פורת. "בסוף יש שִחלוף בין רזולוציה לשטח הכיסוי: אם אתה רוצה לסרוק מדינה ויש לך שטח כיסוי קטן - עד שתסרוק אותה שוב זו כבר לא אותה מדינה". 

ואולם, למרות שלרוב נהוג לדבר על רזולוציה, פורת דווקא מפנה את הזרקור ליכולת עיבוד המידע. "מצלמה מהדור השלישי (50 ס"מ) מייצרת כמעט 6 ג'יגה-בייט/שנייה. "אתה צריך לעשות עם זה משהו", הוא מסביר. "יש אמנם מנגנונים של דחיסה ואחסון בלוויין, אבל בסוף אתה צריך להביא את זה לקרקע. אחרת, למה אתה משגר לוויין? היום, עם יחס דחיסה של 1:6 או 1:7, אתה מאבד קצת רזולוציה ולעיתים חלק מהפרטים, אבל זה נסבל. השאלה היא איך המפענחים על הקרקע מתמודדים עם כמות כזו של מידע. 

"הלוויין מבצע כל שעה וחצי הקפה של כדור הארץ, במהירות של כ-7 ק"מ/שנייה. בהנחה שגודלו של גוש דן הוא כ-15X15 קמ"ר, הרי שלצלם אותו נדרשות שתי שניות מתוך שעה וחצי. תחשוב על כמות האנשים שצריכה לשבת כדי לפענח את זה, אם אתה צריך בשעה וחצי לפענח נפח של 12 ג'יגה-בייט. אם לא עשית זאת, לא תבחין בשינויים. לכן, כל השרשרת צריכה להיות מוכנה ללוויין כזה. כלומר, היתרון בלוויין מסוג זה הוא הצילום בזמן קרוב לזמן אמת, אבל זה תְלוי יכולת פיענוח. שם נמצא צוואר הבקבוק". 

אולי יעניין אותך גם