أثر الطقس الفضائي على الإلكترونيات الخاصة بعجلات الركاز والأداء

ويمثل الطقس الفضائي، الذي يحركه النشاط الشمسي والظواهر الكونية، تهديدا مستمرا وغير متوقع في كثير من الأحيان لنظم المركبات الفضائية، ومن بين أكثر العناصر حساسية عجلات التفاعل، والأجهزة الكهروميكانيكية المسؤولة عن مراقبة المواقف بدقة، ومن ثم فإن العواصف الشمسية الشديدة يمكن أن تضعف أدائها، وتتسبب في اختلالات مؤقتة، بل وتؤدي إلى فشل دائم، وتعرض أهداف البعثة للخطر، ومن ثم فهم الآليات التي يؤثر بها الطقس الفضائي على مركبات التفاعل الميكانيكية، أمر حاسم بالنسبة للمهندسة.

ما هي العجلات الرهينة؟

إن عجلات الرد هي تجمعات لعجلات الذباب التي تستخدم تبادلا للزخم العازل لتوجه مركبة فضائية دون طرد ناقلات، وكل عجلة تتكون من دوار ثقيل يقطعه محرك كهربائي، مدعومة بعلامات تحمل بالراتب الاصطناعي أو أكثر من ذيبان مغناطيسية متقدمة، وبتغيير سرعة التناوب للعجلات، فإن المركبة الفضائية تتفاعل مع أجهزة متكافئة ومتقابلة، مما يتيح وضع علامات على التلسكوب.

وتُمنح عجلات الرد على الجرعات لدقتها وقدرتها على العمل لسنوات، وهي موجودة في كل ساتل حديث تقريبا، بما في ذلك [(FLT:0]] Hubble Space Telescope]، التي تستخدم أربع عجلات للتكرار، وينطوي تشييدها على قطع ميكانيكية شديدة التسامح والإلكترونيات الحساسة: أجهزة التحكم في السيارات، وأجهزة تحديد المواقع، وأجهزة التحكم في الطاقة الكهربائية.

الطقس الفضائي فيهومينا وآثارها على الإلكترونيات

وتنشأ طقس الفضاء من الشمس وما بعدها، وتشمل المخاطر الرئيسية المناشير الشمسية، والطلقات الجماعية للكورون، والجسيمات الشمسية النشطة، والأشعة الكونية المجرية، وكل منها يتفاعل بشكل مختلف مع الإلكترونيات المركبة الفضائية.

الضرر الإشعاعي

ويمكن للبروتونات العالية الطاقة والكهرباء والأيون الثقيلة أن تخترق الدرع وتتسبب في أضرار تراكمية في التأيين والتشرد في مقاطعات شبه موصلة، وعلى مدى أشهر أو سنوات، فإن هذا الكسب المتحول، ويزيد من التيارات التسربية، وتقلدات الحد الأدنى للتغيرات، كما أن أجهزة الكهرباء المستخدمة في سائقي السيارات المتحركة ذات العجلات الدوارة ضعيفة بشكل خاص.

آثار الأحداث الوحيدة

ويحدث اضطرابات في حالة واحدة (الاتحاد الأوروبي) عندما تضرب جزيئات متنقلة واحدة شعاراً حساساً في دائرة رقمية، أو تقلب ذاكرة أو تسبب فولتية عابرة، وفي أجهزة التحكم في العجلات، يمكن أن يفسد مشغلو العجلات التحكمية، أو أن يدوروا بسرعة غير مقصودة، أو حتى يشعلوا إعادة ضبط جهاز التحكم، وأكثر حدة هي إخفاقات الحد الأدنى (البرنامج).

التداخل والشحن

وتصدر المناشير الشمسية إشعاعات كهرومغناطيسية مكثفة عبر أجهزة الراديو والأشعة السينية وأشعة غاما، مما يمكن أن يحفز التيارات في أجهزة الأسلاك وأجهزة الدوائر، مما يسبب ضجة تعطل قراءات العجلات أو أوامر الحرق بالسيارات، وفي الوقت نفسه، تسبب العواصف الجيولوجية المغنطسية وتفاعلات البلازما في حرق سطح المركبة الفضائية وارتداد الديليكترونية العميق.

الآثار الحرارية

ويمكن أن تزيد تدفقات الجسيمات المعززة خلال الأحداث الشمسية من التدفئة الداخلي في المكونات الإلكترونية، مما قد يتجاوز درجات الحرارة التشغيلية الآمنة، وقد يؤدي تذبذب حركة العجلات المتحركة (في كثير من الأحيان فيلم رقيق من النفط أو الرطح) إلى تدهور أسرع في ظل الإجهاد الإشعاعي والحراري المختلط، وزيادة الاحتكاك والارتداء.

أثر محدد على الإلكترونيات الخاصة بعجلات الركاز

جهاز التحكم بالحركة المتطورة في العاصمة مع تعليقات من أجهزة الاستشعار أو المصممة لتأثيرات الهالونات هذه أجهزة الاستشعار تعمل على إشارات منخفضة المستوى قابلة للتأثر بالضوضاء الناجمة عن الإشعاعات، ويمكن أن يحدث المذيبات، التي تتألف غالبا من أكياس الجروح والنواة الخصبية، تغيرات في الإغراء بسبب التهاب المحرك، مما يؤدي إلى قراءات غير صحيحة للدراجات الحرارية.

فالأجهزة الالكترونية للطاقة، مثل مترجمي الأقطاب الثنائي القطب أو المزودين بأجهزة محركية في مرحلة القيادة، معرضة لحادث واحد يحترق عندما يضرب بأيون ثقيلة، ويمكن أن يترك الفشل هنا عجلات غير مزودة بالطاقة، وبالمثل، فإن الخوارزميات التي تستخدمها العجلات في التحكم في العجلات تدار على أجهزة مجهرية أو مركبات FPGAs.

فالترسيبات ليست محصنة، ويمكن أن يربط أو يكسر الرواسب المتعددة المراحيض في مواد القفص ومواد التشحيم، مما يزيد من الاحتكاك، وهذا يظهر زيادة في السحب الحالي اللازم للحفاظ على السرعة والحد من الكفاءة وتوليد حرارة إضافية، ومع مرور الوقت، فإن هذا يتسارع في الارتداء، وهو نمط إخفاق شائع في سواتل قديمة مثل بعثة غايا .

تدهور درجة الاستشعار واكتشاف المعايرة

وتشمل أجهزة الاستشعار التي تعمل بالعجلات أجهزة قياس السرعة ومراقبات درجة الحرارة، ويمكن أن يتسبب الإشعاع في إحداث تحولات أو تعويض عن أخطاء في سلاسل الإشارة المشابهة، وقد يؤدي الانجراف في جهاز الاستشعار السريع إلى تضليل سرعة العجلات، مما يتسبب في تذبذبات في المواقف، وكثيرا ما يحتاج العاملون على الأرض إلى تحميل جداول جديدة للمقاييس أو التحول مؤقتا إلى أنماط بديلة للتحكم أثناء الأحداث الشمسية.

تدهور الأداء والتحديات التشغيلية

وحتى إذا لم يحدث أي فشل فوري، فإن الطقس الفضائي يتدهور تدريجياً في أداء عجلة رد الفعل، وتتمثل النتائج الرئيسية في ما يلي:

  • Reduced pointing accuracy:] Increased noise in sensor signals and uneven torque output introduce jitter, blurring images from Earth observation or astronomical instruments.
  • Wheel saturation risk:] If radiation-induced friction increases, the wheel must turn faster to achieve the same torque, reaching its maximum angular momentum soon. This forces pusher desaturation maneuvers, consuming propellant and disturbing sensitive operations.
  • Shortened bearing life:] Lubricant degradation under radiation and thermal cycling accelerates wear, leading to increased vibration and eventual seizure.
  • Increased power consumption:] Faulty motor controllers or higher friction draw more power, emphasizing the spacecraft power system.
  • Operational interruptions:] During intense solar storms, operators may put the spacecraft into safe mode, halting science observations until conditions improve.

استراتيجيات التخفيف

ويستخدم المهندسون دفاعاً مطبقاً لحماية الكترونيات المتحركة من طقس الفضاء، ولا يكفي حل واحد؛ ويأتي الموثوقية من الجمع بين الدرع، والنظم الزائدة عن الحاجة، وتصميم المسببات للخطأ، والتخطيط التشغيلي المتأنق.

درع الإشعاع

فالدروع المحلية باستخدام الألومنيوم أو التنتالوم أو التنغستن يحيط بأشد الأجهزة الإلكترونية حساسية، غير أن قيود الوزن تحد من مقدار ما يمكن إضافته، فبالنسبة لجمعية العجلات النموذجية للرد، يمكن لقلة من المليمترات من الألمنيوم أن تقلل الجرعة في جهاز التحكم بالمحركات بأمر من الضخامة، كما أن المركبات الأكثر تقدماً التي تحتوي على البوليثيلين أو البورون تساعد في تخفيف الجسيمات المحملة في الجسيمات الثانوية.

التغاضي عن الغير والتسامح

وتتحمل المركبة الفضائية الحرجة ثلاث أو أربع عجلات للرد - أي ثلاث منها توفر السيطرة الكاملة على ثلاث ضريبات، وفي حالة الفشل، يمكن للعجلات المتبقية أن تعيد تشكيلها، وكثيرا ما تكون الإلكترونيات زائدة ثلاث مرات، مع التصويت بالأغلب على أحداث واحدة، وتستخدم الذاكرة في أجهزة التحكم رموزاً للكشف عن اليورانيوم المشبع وإصلاحه، ويمكن للبرمجيات أن تضبط تلقائياً مفاتيح العجلات، والسرعة، ودرجة الحرارة.

التخطيط التشغيلي ورصد الوقت الحقيقي

وتشترك مراقبة البعثة في التنبؤات الجوية الفضائية من وكالات مثل مركز التنبؤ بطقس الطقس الفضائي التابع للناوانا، وقد يقوم المشغلون، قبل وصول متوقع من هذه النظم، بتقليص جمع البيانات العلمية وتوليد الطاقة الكهربائية من الأجهزة الإلكترونية غير الأساسية، وقد يقومون خلال هذه المناسبة بتشغيل المركبة الفضائية في موقف تشخيصي آمن مع الألواح الشمسية التي تواجه الشمس والعجلات في تسارع معتدل.

اختيار العناصر وتقويمها

أما استخدام المكونات المحتوية على الإشعاع والمصنفة على أساس الجرعة الكلية العالية والمحصنة للرقبة فهو معيار، إذ أن المصانع مثل نظم هونويل وشبكة البكالوريوس تقدم مجهزة بالميكروبات المكدسة وأجهزة الدفع المزودة بمركبات الفلورية، ويختار المصممون أجهزة التصوير المزودة بمقياس أعلى للفولط يسمح بالضغط من شركة SEB.

الاختبارات الأرضية

وقبل إطلاقها، تخضع عجلات التفاعل لاختبارات إشعاعية واسعة النطاق، وتُعرض اللوحات الإلكترونية لشعاعات البروتون والثقيلة لقياس التداخل بين اليورانيوم المشبع بالفلور ومتوسط، وتخضع جمعيات العجلات لبيئات مشعة متحركة من النوع المنخفض باستخدام مصادر من الكوبلت - 60، وتُبلغ النتائج عوامل التخزين والتحقق من أن الهوامش تفي بمتطلبات البعثة.

التوجيهات والبحوث المستقبلية

ومع أن البعثات الفضائية تتجه نحو مدارات أعلى ومدة أطول، يجب تحسين قدرة عجلات التفاعل على مواجهة الكوارث، وتركز البحوث الجديدة على ما يلي:

وسيشكل طقس الفضاء دائما عاملا في تصميم المركبات الفضائية، ولكن من خلال الهندسة المتأنية والاستثمار المستمر في تكنولوجيات التصعيد، يمكن لعجلات الرد أن تحافظ على دورها الأساسي في مراقبة المواقف بدقة لعقود قادمة، ويستلزم التفاعل بين العواصف الشمسية والإلكترونيات الحساسة يقظة دائمة على الأرض وفي المدار.