Μοντελοποίηση ηλεκτρομαγνητικών εκπομπών διατάξεων για διαστημικές εφαρμογές
Authors: Φραγκιαδάκης Νικόλαος 
Published: July 2023

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη και η μοντελοποίηση της εκπεμπόμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας συσκευών εξοπλισμού για χρήση σεεφαρμογές συστημάτων δορυφορικών και διαστημικών αποστολών. Στο πλαίσιο της διατριβής, αρχικά περιγράφεται συνοπτικά το πρόβλημα της ηλεκτρομαγνητικής καθαρότητας και η μεγάλη σημασία που παρουσιάζει ιδιαίτερα για τιςεπιστημονικές αποστολές που εκτελούν μετρήσεις σε τεράστιες αποστάσεις από την Γη. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μια μεθοδολογία για την επίτευξη συνδυαστικής ηλεκτρικήςκαι μαγνητικής καθαρότητας βασισμένη στα συνήθη μοντέλα που εξάγονται κατά την φάση μετρήσεων και χαρακτηρισμού των συσκευών σε επίπεδο μονάδας. Η προτεινόμενημεθοδολογία επιτυγχάνει να καθορίσει την βέλτιστη χωροθέτηση των συσκευών ώστε το σύστημα των συσκευών να δημιουργεί ταυτόχρονα ελάχιστο ηλεκτρικό και μαγνητικόπεδίο στις επιλεγμένες θέσεις για τους υπεραισθητούς αισθητήρες και όργανα της αποστολής. Τέλος, η παραπάνω μεθοδολογία επεκτείνεται ώστε να συμπεριλάβει και τηνηλεκτρική αλληλεπίδραση των συσκευών κατά τη τοποθέτησή τους σε σύστημα εντός της ατράκτου μιας αποστολής.Στο Κεφάλαιο 1 της διατριβής παρουσιάζεται μια εισαγωγή στην έννοια της ηλεκτρομαγνητικής καθαρότητας και τις κυριότερες, έως σήμερα, τεχνικές επίτευξής της από τη παγκόσμια κοινότητα μηχανικών. Η ηλεκτρομαγνητική καθαρότητα αποτελεί τμήμα της κλάδου της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (EMC) αλλά παίζει ιδιαίτερο ρόλο στην επιστημονική κοινότητα που δραστηριοποιείται στις διαστημικές αποστολές λόγω της φύσεως τους και γι’ αυτό έχει συνδυασθεί ως έννοια με αυτές. Οι αποστολές συνδυάζουν απαιτήσεις για υψηλή ευαισθησία στις μετρήσεις και μηδενικό περιθώριο για λάθη μιας και οι αποστολές δεν δύνανται να επιστρέψουν για διορθωτικές δράσεις αφότου εκτοξευθούν. Σημαντικό παράγοντα επίσης διαδραματίζει το κόστος των αποστολών. Έτσι κατά τις φάσεις του σχεδιασμού και της υλοποίησης του συστήματος καταβάλλεται σημαντική προσπάθεια, αλλά και κόστος μέσω συνεχών δοκιμών, ναεπιτευχθούν ιδιαίτερα αυστηρές προδιαγραφές ηλεκτρομαγνητικής καθαρότητας. Έτσι λοιπόν, γίνεται ξεκάθαρη η σημασία της δυνατότητας επίτευξης με ακρίβεια κατάλληλωνηλεκτρομαγνητικών συνθήκων από το ίδιο το σύστημα για την υλοποίηση της αποστολής.Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται μια μεθοδολογία βασισμένη σε έναν ευρεστικό αλγόριθμο, συγκεκριμένα τη διαφορική εξέλιξη (DE), για την ανεύρεση της βέλτιστης χωροθέτησης, δηλαδή τη θέση και τον προσανατολισμό, των συσκευών (DUT) του συστήματος μιας προσομοιωμένης αποστολής. Για να χρησιμοποιηθεί η μεθοδολογία απαιτείται οι συσκευές να έχουν πρότερα χαρακτηριστεί και μοντελοποιηθεί σε επίπεδο μονάδας εξοπλισμού (unit-level) ώστε να είναι γνωστή η ηλεκτρική και μαγνητική ροπή, οι οποίες περιγράφουν την ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά της συσκευής σε συνδυασμό με τη θέση των αντίστοιχων διπόλων στο σύστημα συντεταγμένων της συσκευής. Η προτεινόμενη μέθοδος αποσκοπεί στην συνδυαστική ελαχιστοποίηση του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου σε διαφορετικές για το κάθε πεδίο θέσεις, στις οποίες πρόκειται να τοποθετηθούν αισθητήρες υψηλής ευαισθησίας. Αποδεικνύεται ότι, με δεδομένα το ηλεκτρικό και μαγνητικό μοντέλο των συσκευών, τα πλάτη των πεδίων που παράγονται από το σύστημα των συσκευών (system-level) μπορούν να ελαχιστοποιηθούν στιςπροεπιλεγμένες και διαφορετικές περιοχές ενδιαφέροντος που θα τοποθετηθούν οι αισθητήρες. Επίσης, καταδεικνύεται η δυνατότητα της μεθόδου να υποστηρίξει διαφορετικές συνθήκες στις θέσεις των συσκευών ώστε να υποστηρίξει δυνητικούς περιορισμούς που μπορεί να υπάρχουν σε κάποια αποστολή.Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται μια επέκταση της μεθοδολογίας του προηγούμενου κεφαλαίου για την ανεύρεση της βέλτιστης χωροθέτησης των συσκευών του συστήματος μιας προσομοιωμένης αποστολής με σκοπό την ελαχιστοποίηση του ηλεκτρικού πεδίου που παράγεται από τις συσκευές στην θέση ενός ευαίσθητου στο συγκεκριμένο πεδίο ανιχνευτή. Για να χρησιμοποιηθεί η μεθοδολογία απαιτείται οι συσκευές να έχουν πρότερα χαρακτηριστεί και μοντελοποιηθεί σε επίπεδο μονάδας (unit-level) εξοπλισμού ώστε να είναι γνωστή η ηλεκτρική ροπή, η οποία περιγράφει την ηλεκτρική συμπεριφορά της συσκευής σε συνδυασμό με τη θέση των αντίστοιχων διπόλων στο σύστημα συντεταγμένων της συσκευής (DCS). Η ουσιαστική διαφοροποίηση της μεθοδολογίας του συγκεκριμένου κεφαλαίου είναι η εισαγωγή και ο συνυπολογισμός της αλληλεπίδρασης των συσκευών στον υπολογισμό του ολικού ηλεκτρικού πεδίου στην θέση του αισθητήρα. Αρχικά καταδεικνύεται η ανάγκη συνυπολογισμού αυτής της αλληλεπίδρασης των συσκευών στο ολικό πεδίο καθώς και ο τρόπος υπολογισμού της και στην συνέχειαπροτείνεται μια μεθοδολογία βελτιστοποίησης της χωροθέτησης των συσκευών βασισμένη σε αυτή την αλληλεπίδραση. Αποδεικνύεται ότι, με δεδομένα τα ηλεκτρικά μοντέλα των συσκευών, το πεδίο μπορεί να ελαχιστοποιηθεί στην επιλεγμένη θέση ενδιαφέροντος που θα τοποθετηθεί ο ανιχνευτής πεδίου.Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται ανασκόπηση των αποτελεσμάτων της διατριβής και παρουσιάζονται βήματα για την επέκταση της ερευνητικής εργασίας.