مقدمة

وتدفع البعثات الفضائية العميقة كل نظام فرعي هندسي إلى حدوده، وهناك عناصر قليلة هي ذات أهمية أساسية بالنسبة لعملية المركبات الفضائية اليومية كعجلة رد الفعل، وهذه العجلات الكهروميكانيكية توفر مراقبة دقيقة وخالية من العجلات، وتسمح بوضع أجهزة على النجوم البعيدة، وأجهزة عظام القفل على الأرض، والصفائف الشمسية لتتبع الشمس، ومع ذلك فإن عجلات الرد هي أيضا من بين أكثر أجهزة الدفع المتطورة على الحافلات.

أساسيات العجلات الرقابية في مراقبة التركات

فعجلة الرد هي كتلة دوارة يقودها محرك كهربائي، وعندما يعجل المحرك عجلة القيادة، تختبر المركبة الفضائية ضربة مساوية وعكسية )من خلال حفظ الزخم الجازري(، مما يجعلها تدور حول محور العجلات، إذ أن المركبة الفضائية، بتركيبها ثلاث أو أربع عجلات، يمكن أن تولد حواجز في أي اتجاه دون طرد الكتلة الكثيفة من نقاط التفاعل.

يحدث استهلاك الطاقة في عجلة الرد في عدة نظم:

  • التعجيل والتباطؤ: ] The motor draws top current to change wheel speed. This is the highest-demand phase, often lasting only seconds but creating spikes that can stress the power bus.
  • Steady-state rotation:] Once at constant speed, the wheel requires only enough power to overcome bearing friction and windage losses. In high-quality space-rated wheels, these losses are minuscule, but they still represent a continuous drain.
  • ]Speed holding under disturbance:] When external torques (solar pressure, gravity gradient) try to rotate the spacecraft, the wheel’s control cycle must compensate by adjusting wheel speed. This “idle” maneuvering draws power proportional to the disturbance magnitude.

وقد يكون مجموع الطاقة التي تستهلكها عجلات رد الفعل على بعثة ما كبيرا، فعلى سبيل المثال، استهلكت عجلات رد فعل تلسكوب الفضاء )التي كانت تعمل منذ عقود( عشرات من الخاطين كل أثناء العمليات العادية، وكانت الطاقة التراكمية المدرجة في الميزانية لمراقبة المواقف تمثل جزءا كبيرا من تخصيص السلطة للمرصد.

التحديات في إدارة الطاقة في بعثات الفضاء العميقة

محدودية توليد الطاقة وتخزينها

وتعتمد المساحات الفضائية العميقة على مولدات الطاقة الحرارية التي تعمل بالنظائر المشعة أو صفائف شمسية كبيرة، حيث إن المركبات الفضائية تتحرك بعيدا عن الشمس، تنخفض الإشعاع الشمسي، وتخفض إنتاج العجلات، وتتحول أجهزة الأشعة فوق البنفسجية ببطء ولكنها توفر طاقة ثابتة، وفي كل الأحوال، فإن مجموع الطاقة المتاحة كل يوم يجب أن تتنافس مع الأدوات العلمية، والمركبات المتحركة، وأجهزة نقل العجلات، والتجهيز، والتجهيزات الأخرى.

الاضطرابات في العجلات والعقوبات التي تفرغ من الحمل

إن عجلات الرد تتراكم على مر الزمن بسبب استمرار اضطرابات الاضطرابات، وفي نهاية المطاف تصل عجلة القيادة إلى أقصى سرعة ممكنة )الاستمناء( ولا يمكن أن تغذي المزيد من الاضطرابات في هذا الاتجاه، ول " تحميل " العجلة، يجب أن تستخدم المركبة الفضائية ملجأ آخر من قبيل قضبان الارتداد المغنطيسية أو أجهزة الدفع.

القيود الحرارية

وتشتت عجلات الرد عن طريق الرياح والعلامات والالكترونيات، وفي الفضاء العميق، يقتصر الرفض الحر على الإشعاع، وإذا ما تم تشغيل عجلة بسرعة عالية أو تسارعت بشكل متواتر، فإن درجة حرارتها يمكن أن تتجاوز الحدود الآمنة، مما يرغم على خفض العجلات أو الإغلاق المؤقت، وكثيرا ما تملي الهوامش الحرارية أقصى دورة من العجلات، وكان على البعثات مثل تلسكوب الفضاء كيبلر أن تحدد بدقة استخداما واحدا من عجلات التفاعلية.

Power Quality and Bus Stability

ويمكن أن يؤدي السحب الحالي عبر الموجات أثناء تسارع العجلات إلى حدوث انخفاضات في حافلة الطاقة إذا لم يكن بوسع محول البطارية أو الطاقة الرد بسرعة كافية، وقد تعيد الأدوات الحساسة إلى فساد البيانات أو تعاني منه، ولذلك يجب أن تشمل الإلكترونيات المعنية بإدارة الطاقة أجهزة ضغط كبيرة أو عازلة مخصصة للطاقة من أجل سلاسة هذه الأجهزة، ويصبح تصميم نظام توزيع الطاقة مبادلا بين استقرار الكتلة والتكلفة والفولط.

دراسات الحالات: إدارة الطاقة في بعثات الفضاء العميق التاريخية

المقراب الفضائي الهبل

وقد صُممت عجلات رد الفعل في هبل في الأصل لعمر 15 عاما، ولكن المرصد الذي يعمل لأكثر من 30 عاما، وكانت إدارة الطاقة دائما مصدر قلق، لا سيما أثناء بعثات الخدمة عندما حلت العجلات الكهربائية محل العجلات وأجهزة كهربائية محسنة.

Kepler Space Telescope

وقد استلزمت مهمة كيبلر في العثور على طائرات نفاثة استقرارا استثنائيا، واستخدمت عجلات ردود الفعل الأربع في أسلوب " توجيه " يتطلب إجراء تعديلات صغيرة قريبة من الحد الأدنى، وكانت العجلات تعمل عادة بسرعة منخفضة لحفظ الطاقة، غير أن عجلتين فشلتا في وقت مبكر، مما أجبر الفريق على استخدام أجهزة الدفع في مراقبة المواقف، التي استهلكت في العجلات، وزادت الضغوط التي تولدت من المحركات حرارية)٢(.

الأفق الجديد

وفي رحلة إلى بلوتو وما بعده، استخدمت شركة نيو هوريسون طريقة ثابتة لجزء من العمود الفقري في معظم مراحل الرحلة البحرية لإنقاذ الطاقة، وقد تم تشغيل عجلات الرد لسنوات لحفظ ناتج شركة RTG من أدوات علمية واتصالات، وخلال الرحلة الطائرة، اخترقت المركبة الفضائية وشغلت عجلات رد الفعل من أجل تحديد نقطة محددة، وكانت الطاقة مرصودة في الميزانية بحيث كان تسلسل العجلات غير متوقع.

الاستراتيجيات المتقدمة لإدارة الطاقة

الرقابة الافتراضية والتخطيط الارشادي

وتشتمل المركبات الفضائية الحديثة على نماذج على متن المركبات لديناميات المركبات والنظم الفرعية للطاقة، ويمكن لجهاز التحكم بالنموذج أن يخطط لتسلسل تسارع العجلات والتباطؤات التي تحترم قيود العجلات في حين تحقق التعديلات المطلوبة في المواقف، فعلى سبيل المثال، يمكن للمراقب أن يحدد جدولا زمنيا لفترة تنتج فيها الصفوف الشمسية أقصى طاقتها وشحنات البطاريات عالية.

إدارة الطاقة - برنامج " Aware Momentum Management "

وبدلا من تفريغ العجلات بمجرد اقترابها من التشبع، تستخدم بعض البعثات استراتيجية " تنزيلات منخفضة " تستخدم المراكب المغناطيسية باستمرار في الطاقة المنخفضة، مما يتفادى ارتفاع مستويات القوة ويقلل من الضغط الحراري، والمقايضة هي متوسط أعلى قليلا في متوسط سحب الطاقة من المغنترات، ولكن النظام العام يمكن أن يكون أكثر كفاءة، ولا سيما في المناطق التي يكون فيها المجال المغناطيسي مهيأ.

الواجبات واختيار العجلات

وعندما تتوافر عجلات متعددة )مثل مجموعة من التراتبريدات الأربعة(، يمكن لنظام المراقبة أن يدور العجلات التي تعمل وترتفع إلى الصفر، ويمكن أن يؤدي قطع عجلة إلى الصفر ثم إعادة تشغيله في وقت لاحق إلى توفير الطاقة بالمقارنة مع الحفاظ على جميع العجلات في سرعة غير زراعية بسبب انخفاض عدد الخسائر في المواصلات، غير أنه يجب إدارة فترات الانتقال إلى مرحلة البدء دون أي تأخير.

المنشطون الهجين: مراقبة أجهزة قياس الحركة وأجهزة الركاز

فلحظة التحكم في الجراجات توفر درجة أعلى من الضجة بالنسبة لنفس مدخلات الطاقة ولكنها أكثر كثافة وأكثر تعقيدا، وبعض البعثات الفضائية العميقة، مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي، تستخدم أجهزة التصوير المقطعي على وجه الحصر للمصابيح الكبيرة، بينما تتجه عجلة الرد إلى توجيه غرامة، فبتجزئة عبء العمل، يمكن تخفيض قوة الرفع من عجلات الرد، بل إن اتباع نهج متداخل بدرجة أكبر هو مجال التفاعل.

دور البرمجيات والأغوريتم

والبرمجيات هي حجر الزاوية في مراقبة المواقف التي تُستخدم في أجهزة الاستطلاع التي تستخدم أجهزة التصفيح القائمة على التعبئة، حيث تتعقب المحركات العجلات وقوى العجلات في الوقت الحقيقي، مما يتيح التنبؤ الدقيق باحتياجات الطاقة في المستقبل، ويمكن للجدول أن يؤجل المناورات غير المغذية إلى أن تتحسن ظروف الطاقة، وقد اقتُرح التعلم من الآلات للتنبؤ بالاضطرابات والارتقاء بالعجلات، ولكن بالنسبة للبعثات الفضائية العميقة، هي المقاييس المفضلة.

ومن الأمثلة البارزة على ذلك عمل مركز بحوث آميس بشأن " إرشادات الدول المعرفية، الملاحة، التحكم " بالنسبة للسواتل الصغيرة، وقد بينت هذه البلدان أنه من خلال إدماج نماذج النظم الفرعية للطاقة مباشرة في حلقة مراقبة المواقف، يمكن للمركبات الفضائية أن تقلل من استهلاك الطاقة الكلي لعجلات التفاعل بنسبة تصل إلى 30 في المائة مع الحفاظ على دقة الإشارة في غضون ثوان، ويجري وضع نماذج نمطية مماثلة لبوابات الفضاء الخارجية في آرتيبي.

الابتكارات التكنولوجية والتوجيهات المستقبلية

تصميمات العجلات المنخفضة

وتنتج المصانع عجلات ذات محركات غير مكتملة، وعلامات سمية، ومحركات خفية، وأجهزة مرارة أخف، مثل RW-1 من تكنولوجيات الكانيون الزرقاء تستهلك أقل من 2 W في حالة ثابتة ويمكن أن تنتج 0.1 N /m من السخرية، مناسبة لأجهزة العجلات الريحية الصغيرة.

نظم التحكم المتكامل في الطاقة والعرض

ويدمج مفهوم " نظام مراقبة القوى والمواقف " تخزين الزخم مع تخزين الطاقة، ويمكن لعجلة واحدة أن تعمل كعجلة رد فعل وجهاز تناوبي لتخزين الطاقة، وهو ما يماثل بطارية طاقة حركية، وهذا النهج الذي درس في محطة الفضاء الدولية والذي يقترحه لموائل فضائية عميقة، يمكن أن يسمح للمركبات الفضائية بأن تسحب الطاقة من العجلات التي تُشغل أثناء فترات الذروة، وأن تُشحنها من جديد.

Autonomous Power Management with Onboard AI

وستزداد بعثات الفضاء العميق المقبلة استقلالها بسبب تأخر الاتصالات، ويمكن أن يرصد العاملون الموجودون في إطار مبادرة " آي " استهلاك الطاقة المتحركة، والحالة الحرارية، وبناء الزخم، وترتيب المراقبة التي يجري تغييرها بصورة مستقلة لتفادي حالات الطوارئ في الطاقة، كما أن مشروع " النظام الآلي " (CFLT:0) " () " () " ، الذي يُعد مثلاً على نظام " CFLT: 1 " ().

خاتمة

إن إدارة عجلات الارتداد هي تحد هندسي متعدد الأبعاد يعترض تقاطع نظم المراقبة، والإلكترونيات الكهربائية، والهندسة الحرارية، وتخطيط البعثات، ويكمن مفتاح النجاح في تصميم عجلات تتسم بالكفاءة في جوهرها، وتنفيذ برامجيات يمكن التنبؤ بها وتحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة، وعمليات التخطيط التي تحترم ميزانيات الطاقة الضيقة التي يفرضها السفر في الفضاء العميق، ومع أن البعثات تتجه نحو الكواكب الخارجية، والفضاء المتقاطع، وما بعد ذلك

المراجع والقراءة الإضافية