فالالمواد الهندسية الحساسة التي تحمل أدوات علمية حساسة تعمل في أحد أكثر البيئات طلباً المعروفة بالهندسة، ومن تسارعات الإطلاق العنيفة إلى الظواهر المجهرية التي تنجم عن آليات متنقلة، فإن كل اضطراب ينطوي على إمكانية إجراء قياسات متدهورة، وبيانات فسادية، وتحديات أهداف البعثة، أما بالنسبة للصكوك التي يجب أن تكشف عن موجات الرعي المزروعة، فتقومات البعيدة، أو تقيّم الآثار الكمية المتدنية.

مصادر النواة والاحتجاز في مجال المركبات الفضائية

إن بيئة تشغيل المركبة الفضائية معقدة، إذ أن المساهمات المقدمة من مصادر متعددة تعمل على نطاقات مختلفة من الترددات وعلى جداول زمنية، فهم هذه المصادر هو الخطوة الأولى نحو التخفيف الفعال.

ديناميكية مركبات الإطلاق

إن أكثر النظم يقظة تحدث أثناء الإطلاق، وتولد أنظمة الإشتعال ضوضاء صوتية واسعة النطاق، وأجهزة ميكانيكية تبث عبر مكيف المركبات الفضائية، وأجهزة تبعد عن الفصل بين المراحل وضفاف الجنيات، وتهيمن على محتوى الترددات المنخفضة (100 هز) بطرائق هيكلية من مركبة الإطلاق، بينما تنشأ ترددات أعلى من تركيبات التعبئة الضوئية.

على متن آلية النقل

وسرعان ما تكونان في المدار، تكون مصادر الاضطرابات الرئيسية هي الأجزاء المتحركة للمركبات الفضائية، وعجلات الرد، المستخدمة في مراقبة المواقف، تنتج اهتزازات كلاسيكية في تردد العجلات وأجهزة التناسق، وهذه العجلات المجهرية، التي غالبا ما تتراوح بين 0.1 و 500 هرتز، يمكن أن تكون مقلقة بشكل خاص لأنها مستمرة ومضمونة في هياكل الآلات، ولا سيما تلك التي تستخدم في تحديد مواقع التعبئة أو أجهزة التعبئة.

Thermally Induced Vibrations

فالتغييرات في بيئة الفضاء تسبب التوسع والتعاقد، وعندما يختلف معامل التوسع الحراري عبر المكونات المتاخمة، فإن الإجهاد الناتج عن ذلك يمكن أن يؤدي إلى حدوث تذبذبات منخفضة التردد، وهذا أمر يثير إشكالية خاصة بالنسبة للهياكل الكبيرة مثل طفرة التلسكوب أو المفرقعات الشمسية القابلة للانتشار، وفي بعض الحالات، فإن التحولات الحرارية المفاجئة، مثل عبور جهاز تحديد النمط الحراري للأرض، تؤدي إلى اضطرابات في مجال الاختلالات الحرارية.

الآثار الخارجية والستيرويدات الدقيقة

فالحيز غير فارغ، فالأجهزة المتناهية الصغر والحطام المداري تؤثر على المركبة الفضائية في السرعة القصوى، مما يولد صدمات عابرة، وعلى الرغم من أن التأثيرات الفردية نادرة، فإنها يمكن أن تنتج ذبذبات عالية التردد تؤثر على الإلكترونيات الحساسة أو تسبب فقداناً طفيفاً في الإشارة، واحتمال حدوث زيادات في التأثير بالنسبة للمركبات الفضائية الكبيرة وللبعثات في المدار الأرضي المنخفض.

الاستراتيجيات الهندسية لتخفيف الضجيج والتخفيف من الارتداد

ويتطلب التخفيف من هذه الاضطرابات اتباع نهج مطبق، يجمع بين الأساليب السلبية التي تستوعب أو تحجب اليقظة بأساليب نشطة تلغيها في الوقت الحقيقي، ويتوقف اختيار الاستراتيجية على مدى التواتر الذي تتسم به الشاغل، والكتلة المسموح بها، والطاقة، ومستوى العزلة المطلوب.

حركات العزل الوعائي

(ب) إن أكثر الحلول استخداماً لحماية الأدوات الحساسة هي الحد الأقصى للعزلة، وهذه الأجهزة تفصل بين الجهاز والهيكل الحرفي للفضاء، وتتكون عادة من مواد غير عادية، أو ربيع حبل سلكية، أو أجهزة للثغرات المعدنية التي توفر التكتلات في بعض الاتجاهات، مع السماح بالامتثال للتردد المنخفض، فإن البارامتر الرئيسي للتصميم هو التردد العزلة:

مواد التضليل السلبي

وعندما لا يمكن منع الفحوصات، يمكن تفريقها على أنها حرارة عن طريق الرطوبة، وتعتمد المواد الفلزية، مثل البوليميرات الخرسانية أو السائلة، على السلوك الفاسد والشديد، وتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية عند تزويرها، وتطبق هذه المواد على أنها معالجة مكثفة لتواترات التخصيب في الألواح، أو الأدوات التي تخترق درجات الحرارة.

مراقبة اليقظة النشطة

أما بالنسبة للبعثات التي تتطلب عزلة شديدة، لا سيما في الترددات المنخفضة جدا حيث تصبح الجبال السلبية غير ناعمة عمليا، فإن التحكم النشط في الاهتزازات (AVC) يتطلب أيضاً أجهزة الاستشعار بالأشعة غير الدقيقة التي تستخدمها أجهزة الاستشعار بالأشعة غير الدقيقة (AVC) لقياس اليقظة، والمصابيح الاصطناعية (مثل الوجبات الكثيفة) أو أجهزة تكييف الصوت (C)

التصميم الهيكلي

وعلى مستوى المركبات الفضائية، يمكن تصميم الهيكل بحيث يقلل من انتقال الاهتزاز إلى أدنى حد، وتشمل المبادئ الرئيسية رفع الترددات الطبيعية فوق طيف الاضطرابات السائدة (وهي ممارسة تسمى " إدارة الشدة " )، وتفادي المواءمة بين المكوّنات، واستخدام هياكل ذات مواصفة خفيفة لا تبث بكفاءة ذبذبذبات عالية التردد.

نظم الرقابة الحرارية

وتخفض التقلبات الحرارية من الظواهر الحرارية، وتشمل الأساليب السلبية استخدام مواد ذات درجة حرارة منخفضة (مثل ألياف الكربون أو إنفار)، وتصميم تجمعات قياسية تلغى فيها التوسعات، وتطبيق العزل الحراري المتعدد الطوابق على التغيرات البطيئة في درجات الحرارة، وتحكم حراري فعال، باستخدام أجهزة التدفئة والتدفئة، وحافظ على عناصر في درجة حرارة دائمة، مما يزيل من التقلبات المتطورة.

دراسات الحالات: عزل عن اليقظة في بعثات الفضاء الملحوظة

جيمس ويب تلسكوب الفضاء (JWST)

وأكبر تلسكوب فضائي بدأ في أي وقت مضى، يستخدم هيكلا شاملا لتخفيف اليقظة، وأهم عنصر هو نموذج الأداة العلمية المتكاملة، الذي يضم الكاميرا التي تقارب الاشعة، وجهازاً للأشعة فوق البنفسجية، وجهازاً للتشهير المتحركة، وجهازاً للتشهير المزود بمقياسات، وجهازاً للمسح الضوئي، وجهازاً للتحكم في الأشعة المفاجئة.

المقراب الفضائي الهبل

وقد شهدت الهبلات التي أطلقت في عام 1990، آثارا حرارية غير متوقعة من الطائفة الشمسية، وعندما انتقلت الصفوف من ضوء الشمس إلى الظل، أدى تغير درجة الحرارة المفاجئة إلى حدوث ازدهار، مما أدى إلى حدوث أخطاء في توجيه عدد يصل إلى عدة ثوان، وقد استجاب المهندسون بتركيب أجهزة دخيل على المصفوفة أثناء بعثة تقديم الخدمات الأولى.

ليزر إنترفورومتر الفضاء

(د) بالإضافة إلى أن بعثة وكالة الفضاء الأوروبية/وكالة الفضاء الأوروبية في المستقبل للكشف عن موجات الجاذبية، تواجه أكثر متطلبات اليقظة صرامة لأي مركبة فضائية، وستتراوح مركباتها الفضائية الثلاثة في تشكيل ثلاثي، تحتوي على كتلتين اختباريتين حرتين يجب عزلهما عن جميع القوى غير المستأجرة إلى ما دون 10 -15 [FLT:]([ت)

محاكاة واختبار نظم التخفيف من حدة التلوث

إن ظروف التحلل والتخفيف من اليقظة لا يمكن أن تترك للتخمين، فالنموذج والاختبارات الجامدة في كل مرحلة من مراحل التنمية أمران أساسيان، كما أن نماذج العناصر الحيوية المستخدمة في التنبؤ بترددات الميدالية الهيكلية، وشكلات النماذج، وقابلية التحويل، ترتبط ببيانات اختبارية من الدراسات الاستقصائية للطرائق، وعمليات التنظيف العشوائية، وفحوصات التهزّزّز، بالنسبة للصكوك الحساسة، يجب أن تخضع بيئة الاختبار نفسها للرقابة.

ويستخدم المهندسون على نحو متزايد ديناميات السوائل الحاسوبية وعمليات المحاكاة المتعددة الفيزياء لنموذج الآثار المشتركة للحمولات الصوتية والديناميات الهيكلية والتوسع الحراري، وقد بدأ التعلم من الآلات يستخدم لتحقيق الحد الأمثل من معايير العزلة؛ فعلى سبيل المثال، يمكن للتعلم من التعزيز أن يخصص مكاسب فعالة في مجال السيطرة في الوقت الحقيقي للتكيف مع المضاربة المتغيرة.

التطورات المستقبلية في التخفيف من حدة التلوث

ولا تزال مسارات حساسية المركبات الفضائية تتطلب رقابة أفضل على الاهتزاز، وهناك عدة اتجاهات بحثية واعدة تهدف إلى تحقيق تحسينات في أوامر الارتحال.

Metamaterials and Phonic Crystals

ويمكن للتصميمات الميكانيكية المصممة أن تخلق هياكل متطورة غير عادية من الممتلكات المرنة، وتتوفر إمكانية إنشاء دروع للتدفئة، وذلك بترتيب خلايا وحدات في أنماط دورية، ويمكن أن يخلق هذا التصاميم مجموعات لا يمكن فيها نشر بعض الترددات، وقد تكون هذه البلورات الزائفة مطبوعة ومدمجة في لوحات المركبات الفضائية لحجب ترددات اضطرابات محددة الهدف دون إضافة قدر كبير من الكتلة.

تعليم الآلات من أجل الأضرار الافتراضية

ويمكن أن تستفيد نظم المراقبة النشطة من الخوارزميات التكييفية التي تتعلم بيئة الاضطرابات على متنها، ويمكن للشبكات العصبية أن تتنبأ بطائفة اليقظة القائمة على القياس عن بعد من عجلات التفاعل أو القاذفات أو أجهزة الاستشعار الحرارية، مما يتيح إلغاء الترددات عن طريق الحد الأدنى من الاحتياطات، كما يمكن لهذه النظم أن تكون ذاتية أثناء بعثة، مما يعوض عن شيخوخة المواد أو تغييرات في الحساسية الهيكلية نتيجة للتكييف الحراري.

المواد المتقدمة والطباعة 3D

ويتيح التصنيع الاصطناعي إنشاء هياكل ذات خصائص مصممة خصيصاً للتشهير، وبتصميم هدايا تنتج بلاستيكياً تحت حمولات عالية أو تدمج نواة الفول البيسبول، يمكن للمهندسين إنتاج مكونات خفيفة الوزن تُفرّق بطبيعتها، وتتيح سبيكات الذاكرة الاصطناعية إمكانية التنقيب النشط حيث تتغير المواد استجابة لدرجات الحرارة أو التيار الكهربائي، ويجري تقييم هذه المواد المتقدمة للتلجيل القادم.

تصميم النظام المتكامل

ومستقبل التخفيف من اليقظة يكمن في معاملة المركبة الفضائية بأكملها كنظام متكامل واحد، وبدلا من إضافة العزلة كحل ما بعد العمليات، سيقوم المهندسون بتصميم أدوات وهيكل ونظم مراقبة من البداية تكون قابلة للاختبار، ولن تكون عمليات المحاكاة الرقمية ذات الصبغة العالية التي تعكس نظام المدار - الإرادة تسمح برصد وتعديل الضوضاء في الوقت الحقيقي إلا إذا كانت هذه الأدوات ستؤدي إلى حدوث اضطرابات في المستقبل.

خاتمة

إن التخفيف من حدة الانتفاضة والهز ليس شاغلاً دائماً في هندسة المركبات الفضائية، بل هو انضباط مركزي يحدد ما إذا كانت الأدوات الحساسة يمكن أن تحقق أهدافها العلمية، ومن بيئة الإطلاق العنيفة إلى الصبغة المصغرة الهاشمية ولكن المستقرة لعجلات الرد، يجب فهم وإدارة كل مصدر للاضطرابات، فالأجهزة المتحركة والصغيرة والتصميم الهيكلي توفر خط الدفاع الأول، وتمتد نظم المراقبة النشطة إلى الحدود التي تكيفها باستمرار.