التحديات الرئيسية في تصميم مسبار الفضاء العميق

إن تصميم مسبارات الفضاء العميقة تحد معقد يتطلب موازنة الابتكار التكنولوجي مع الحقائق القاسية للبيئات الفضائية، ويستهدف المهندسون زيادة طول هذه المساحات وموثوقيتها إلى أقصى حد لضمان نجاح البعثات التي يمكن أن تستمر لسنوات أو حتى عقودا، والظروف القصوى لنظم الطلب الفضائي العميقة التي يمكن أن تعمل بشكل مستقل، وتصمد أمام الإشعاع، وتتقلد درجات الحرارة من التدفئة العميقة الباردة إلى التدفئة الشمسية الشديدة.

Environmental Extremes

ويجب أن تتحمل أجهزة الاستطلاع تقلبات درجات الحرارة من ضوء الشمس الشديد إلى ظلام الفضاء البارد، فعلى سبيل المثال، فإن المركبة الفضائية " فوياغر " ، التي تُعد الآن أكثر من 45 عاما في مهمتها، تُعاني من درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق على سطحها الخارجي بينما تُولِّد الإلكترونيات الداخلية حرارة يجب إدارتها بعناية، ويمكن أن يلحق الإشعاع من الأشعة الكونية والجسيمات الشمسية أضرارا بمكونات الإلكترونية، مما يستدعي دحرِّدِّة من الاصنة والإلكترونية الاصطناعية.

التأخير في الاتصالات

وتزداد حالات التأخير في الاتصالات، حيث تسافر أجهزة المراقبة بعيدا عن الأرض، وتستغرق الإشارة اللاسلكية أكثر من أربع ساعات للوصول إلى الأرض، وهذا يتطلب وجود نظم مستقلة قادرة على اتخاذ القرارات دون أن يكون لها مدخل في الوقت الحقيقي من مراقبة البعثات، وتعزيز موثوقيتها، والملاحة المستقلة، وكشف الأخطاء، وبرامجيات التسخين الذاتي، مثلا، أجهزة التصوير التي تستخدم في المستقبل أجهزة التصوير المتحركة، باستخدام طريقة الملاحة الطويلة الأجل:

التحديات الميكانيكية والهيكلية

:: زيادة تعقيدات عمليات الإطلاق، وآثار الميكروميو، والحاجة إلى هياكل قابلة للانتشار (صفائف السوار، والهوائيات) ويجب تصميم كل جزء متحرك على مدى عقود من التشغيل دون صيانة.

استراتيجيات تعزيز طول العمر والقابلية للاعتماد

ويستخدم العلماء والمهندسون استراتيجيات مختلفة لتوسيع الحياة التشغيلية للاحتياطات الفضائية العميقة، وتشمل هذه الاستراتيجيات تصميما قويا للمعدات، واعادة التوحيد، وإيجاد حلول مبتكرة للطاقة، والهدف هو إنشاء نظام يمكن أن يعمل منذ عقود مع الحد الأدنى من التدخل البشري، حتى مع تدهور المكونات بمرور الوقت.

البرمجيات الآلية وتصريفها

ويقلل استخدام المكونات العالية الجودة والمضافة إلى الإشعاع من خطر الفشل، إذ يستخدم العديد من المساجين في الفضاء العميق أجهزة معالجة مجهزة مصحوبة بالإشعاع مثل RAD750، وهي نسخة معززة من جهاز التحكم في الطاقة الكهربائية رقم 750، التي كانت تعمل بقوى متعددة، بما في ذلك دوار المريخ، وبالإضافة إلى ذلك، كثيرا ما تكون للنظم الحرجة وحدات احتياطية يمكن أن تتغلب عليها إذا فشلت النظم الأولية، مما يكفل التشغيل المستمر.

إدارة الطاقة

وتوفر مصادر الطاقة الطويلة الأمد مثل المولدات الكهربائية الحرارية للنظائر المشعة طاقة موثوقة على مدى عقود، وتقوم شركات الطاقة المتجددة بتحويل الحرارة من التحلل الطبيعي للبلوتونيوم - ٨٣٢ إلى كهرباء، دون أن تعمل أجزاء متحركة، وتقوم الدول ]الرحلات السياحية[[ ]الرحلات السياحية الطويلة الأجل[ بتشغيل أجهزة التنقيب عن الطاقة الكهربائية لمدة تزيد على ٤٥ سنة، وإن كان الناتج الأمثل هو الانخفاض.

نظم الرقابة الحرارية

وللبقاء على درجات الحرارة القصوى، تستخدم المسبارات التحكم الحراري السلبي (العزلة المميتة، والمشعات، والأنابيب الحرارية) والمسخنات النشطة، وتؤثر ] المركبة الفضائية الجديدة Horizons ، التي كانت تحلق فوق البلوتو، على الحرارة المتبقية من RTG، وعن طريق استخدام جانب الحرارة الباردة الذي يُبقي على نحو مفرط.

عمليات البرمجيات والعمليات المستقلة

Reliability is not only about equipment. Software must be rigorously tested and designed to handle expected events. Many probes carry multiple copies of the flight software in memory and can reboot or reload patches from Earth. Autonomous fault detection isolates problems and triggers safe-mode actions, such as pointing the solar panels at the Sun or stop science observations to wait for ground commands. Machine learning is beginning to

المواد والدرع في الفضاء العميق

هدر الإشعاع

وتُصنَّع الإلكترونيات المحتوية على الإشعاع باستخدام عمليات خاصة تجعلها مقاومة للجرعة المؤينة الإجمالية والآثار ذات الظواهر الواحدة، فعلى سبيل المثال، تقلل تكنولوجيا السيليكون - الموصلات من الحجم الحساس حيث يمكن أن تتراكم الشحنات، وتخفض بالنسبة للبيئات القاسية بشكل خاص، مثل أحزمة الإشعاع حول المشتري، مثل

التكتل الواقي والدرع

وفيما عدا الإلكترونيات، يجب أن يقاوم الهيكل نفسه الإغماء الناجم عن الإشعاع للصور الضوئية وتدهور المعاطف الحرارية، وكثيرا ما تُجمع أغطية العزل المتعددة الطوابق مع مواد تعكس الأشعة فوق البنفسجية وتحافظ على الخواص البصرية، وتصمم الصهاريج السائلة والعناصر الهيكلية لتقليل آثار تأثيرات النيتروز بواسطة الدروع الواقية من العجلات - طبقات الرقيقة التي تكسر الجسيمات قبل أن تضرب الكوخس الرئيسي.

الاختبار والمؤهلات

وقبل إطلاق مسبار الفضاء العميق، يخضع هذا الاختبار لفحص دقيق لتشكيل ضغوط الإطلاق والفراغ ودورة الحرارة والإشعاع، أما اختبارات الفراغ الحرارية التي تدور بين المتطرفين الباردين والمتفجرين في غرفة فراغ، فالتدقيق والتجارب الصوتية تحقق من السلامة الهيكلية، وتكشف اختبارات الإشعاع عناصر الأشعة عن الأشعة المكشوفة والبروتونات لقياس التحلل.

الابتكارات المستقبلية في مجال استكشاف الفضاء في أعماق البحار

مواد الصحة الذاتية

وتعود التكنولوجيات الناشئة بزيادة تعزيز طول فترة الاختبار، ويمكن لمواد التعافي الذاتي أن تصلح تلقائياً شقاً طفيفاً أو ثقوب بسيطة، ويقوم الباحثون بتطوير البوليمرات التي تطلق عوامل الشفاء عندما تتضرر، والسبائك المعدنية التي يمكن أن تُعالج تحت ظروف حرارية معينة، وفي حين أنه لا يزال بالإمكان استخدام هذه المواد في هياكل المركبات الفضائية وفي البطانيات الحرارية لتوسيع مدة عمر البعثة.

مصادر الطاقة الجديدة

New radioisotope power systems, such as the enhanced multi-mission radioisotope thermoelectric birth (eMRTG), aim to improve efficiency and power density. Also under development are Stirling radioisotope generated heat to electricity with higher efficiency than RTGs. For missions closer to the Sun, advanced solarصفائف using concentrator lenses or high-efficia multi-junction

إصلاح وتجميع مستقلين

ويمكن أن تحمل المساحات المستقبلية أسلحة أو أفران سواتل صغيرة يمكن أن تحل محل المكونات الفاشلة أو حتى تجميع هياكل أكبر في الفضاء، وبالنسبة للبعثات الطويلة الأمد إلى الفضاء بين النجوم، فإن القدرة على إجراء إصلاحات في الرحلات الجوية ستكون تحولية، وتشمل المفاهيم استخدام الطباعة من 3D لتصنيع قطع غيار من المواد الوسيطة على متن السفن، على غرار ما جرى اختباره في محطة الفضاء الدولية.

الملاحة الجوية والاتصالات في أعماق الفضاء

(ج) نظم الاتصالات بالليزر، مثل Deep Space Optical Communications] (DSOC) التكنولوجية، تعد بمعدلات بيانات أعلى من النظم الإذاعية الحالية ب100 مرة، مع استخدام طاقة أقل، وتقترن مع الملاحة المستقلة باستخدام أجهزة تتبع النجوم والملاحة البصرية (تعقب الكويكبات أو قمر)، ستتمكن البروتونات من العمل بأقل اعتماداً على الأرض.

خاتمة

وبينما نواصل دفع حدود استكشاف الفضاء، لا يزال تصميم مسبارات موثوقة طويلة الأمد هدفا حاسما، وستفتح هذه الجهود حدودا جديدة وتعميق فهمنا للكون، ويضمن الجمع بين المعدات المكثفة والبرامجيات الذكية ونظم الطاقة القوية والمواد المبتكرة أن تتمكن البعثات المقبلة من العمل منذ عقود، ويعيد البيانات القيمة من أبعد المعالم للنظام الشمسي وما بعده.

  • تطوير مواد التعافي الذاتي
  • تعزيز الحماية الإشعاعية باستخدام المركبات المتقدمة والحقول المغناطيسية
  • الجيل القادم من النظم المستقلة ذاتياً التي تعمل على متن الطائرة " آي " لاتخاذ القرارات
  • أساليب أكثر كفاءة في مجال جمع الطاقة، بما في ذلك أجهزة توليد الطاقة الكهربائية المتقدمة ومولدات توليد الطاقة