The Expanding Role of Autonomous Drones in Satellite Servicing

وتواجه المركبات الفضائية في المدار بيئة قاسية وغير مغتفرة، فالتأثيرات على الميكروميتيوم، والتقلب الحراري، والضرر الإشعاعي، والبساطة والدموع يمكن أن تتدهور أداء السواتل أو تتسبب في إخفاقات حرجة، وكانت الخيارات الوحيدة أمام عقود هي قبول المخاطرة، وتصميم نظم زائدة عن الحاجة، أو القيام بمراحل فضائية باهظة التكلفة وخطيرة، واليوم، بدأت تظهر مركبة جديدة من طراز " مركبة " .

The concept is not science fiction. several government agencies and private companies are actively developing and testing prototype systems. NASA Restore-L mission (now called ]OSAM-1) aims to demonstrate drroidic refueling of a satellite using a servicer spacecraft with autonomous capabilities.

مستلزمات الطائرات الآلية المستقلة للتفتيش على السواتل وصيانتها

ويعتمد الصيانة التقليدية للسواتل على القوة السابقة لإطلاق السواتل (البناء في حالة التكرار) أو على الممرات الفضائية المطلية على متن المحطة الفضائية الدولية، وكلتا النهجين مكلفتان ومحدودتان، وتوفر الطائرات الآلية المستقلة ذاتيا نهجا مختلفا اختلافا جوهريا مع مزايا متميزة.

تعزيز السلامة

فالأضواء البشرية في الفضاء هي في جوهرها خطرة، فالساحلات الفضائية تعرض رواد الفضاء للإشعاع، ودرجات الحرارة القصوى، وخطر آثار الكائنات المجهرية، وباستخدام طائرات بدون طيار مستقلة للتفتيش والإصلاحات البسيطة، يمكن للوكالات الفضائية أن تزيل هذه المخاطر، ويمكن للطائرات العمودية أن تعمل في مناطق مشعة عالية، أو بالقرب من الهوائيات الهوائية، أو في حقول الحطام دون تعرض أطقم الإضاح للأخطار للخطر.

تخفيض التكاليف

إن إطلاق مركبة فضائية مجهزة بالإنسان مكلفة للغاية، إذ لا تزال تكاليف كل كيلوغرام تتجاوز ٠٠٠ ١٠ دولار لمعظم الصواريخ، ويمكن أن تكون طائرة بدون طيار مصممة للتفتيش أصغر بكثير، أخف وأقل تعقيدا من مركبة مطهرة، ولا تحتاج إلى دعم للحياة أو أماكن الإيواء أو هامش الأمان اللازم لشاغلي البشر، وعلاوة على ذلك، يمكن للطائرة بدون طيار أن تقدم خدمات سواتل متعددة في بعثة واحدة، مما يدل على أن تكلفة الحيازة عدة أصول.

الكفاءة التشغيلية وسرعة

ويمكن نشر الطائرات بدون طيار بسرعة بعد اكتشاف خلل، وبدلا من انتظار أسابيع لنافذة إطلاق مطوّرة، يمكن إطلاق طائرة تفتيش مكرّسة في غضون أيام، وبمجرد أن تكون في المدار، فإن الملاحة المستقلة تسمح لها بمسح ساتل بسرعة، باستخدام جهاز AI لتحديد أولويات مجالات الاهتمام، كما يمكن للطائرة بدون طيار أن تقوم بعمليات تشخيص في الوقت الحقيقي، وتبث البيانات إلى أجهزة التحكم الأرضية دون أن يتأثر الإنسان بحجمها.

إمكانية الوصول غير المتكافئة

وهناك العديد من المكونات الساتلية التي يصعب الوصول إليها أو يتعذر الوصول إليها بالنسبة للملاحين الفضائيين، فالنظم الداخلية خلف البطانيات الحرارية، والقاذفات ذات الدفعات الخلفية، والصفائف المجسّة على سطح البحر كلها يصعب الوصول إليها أثناء ممر فضائي، ولا يمكن أن تُحدثني الطفرة القابلة للانتشار، وتزيد من تعقيدات الأسلحة الآلية، غير أن طائرة صغيرة يمكن أن تطير حول الساتل، باستخدام أجهزة الاستشعار لدراسة كل منطقة من مناطق الفضاء وكوك.

]

" يمكن للطائرات الآلية المستقلة أن تصل إلى المناطق التي لا حدود لها حاليا لخدمة الإنسان وتفتشها، وتمنح السواتل حياة ثانية بصورة فعالة " ، وتلاحظ الدكتورة إلينا غارسيا، باحثة روبوتية مدارية في الجامعة التقنية لمدريد.

]

Core Technologies Powering Autonomous Space Drones

وللعمل في بيئة غير مغتفرة للمدار الأرضي المنخفض والمدار الثابت بالنسبة للأرض، يجب أن تدمج الطائرات الآلية المستقلة مجموعة من التكنولوجيات المتقدمة، وتعمل هذه النظم معاً من أجل تمكين العمليات الآمنة والدقيقة والذكية.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

إن منظمة العفو الدولية هي عقل الطائرة بدون طيار، وهي تعالج الملاحة، وتفادي العقبات، وصنع القرار في الوقت الحقيقي، كما أن خوارزميات الرؤية الحاسوبية، التي تدرَّب على ملايين الصور الساتلية، تتيح للطائرة بدون طيار التعرف على المكونات، واكتشاف الشذوذ مثل الشق السطحي أو الدموع الحرارية، بل وتُقدِّر مدى خطورة الضرر، وتساعد تعلم القوة على تعديل مسارها الجوي استجابة لتغير ظروف الاضواء.

Suites Sensor Advanced

وتحتوي الطائرات العمودية على مجموعة من أجهزة الاستشعار المصممة خصيصا لمهام التفتيش:

  • High-resolution visible cameras] for close-up imaging of surfaces. Some systems use scientific-grade sensors capable of solving details down to 0.1 mm at 1 meter range.
  • ]LIDAR (Light Detection and Ranging) لخلق غيوم ثلاثية الأبعاد من الهندسة الساتلية، وهذا أمر أساسي لنموذج المركبة الفضائية واكتشاف التشوهات أو الأخطاء.
  • Thermal infrared cameras] to identify temperature anomalies that indicate failing electronics, stuck mechanisms, or thermal insulation damage.
  • Spectrometers and radiometers] to analyze the chemical composition of ejected materials from possible leaks or impacts.

وغالبا ما تكون هذه أجهزة الاستشعار مثبتة على آلية لعموم الغمبل أو متعددة الأكسس كي تغطي جميع الزوايا دون نقل الطائرة الآلية بأكملها.

الملاحة والتوجيه المستقلان

وتختلف الملاحة في الجاذبية الصغرية اختلافاً جوهرياً عن التحليق في الهواء، وتستخدم الطائرة الآلية مزيجاً من GPS (عندما يكون في نطاق سواتل المدار الأرضي المنخفض) ، ومتعقبات النجوم لتحديد المواقف، ومجسات الملاحة النسبية (مثلاً، التدفق البصري من الكاميرات) لتخزين موقعها فيما يتعلق بالسواتل المستهدفة.

وصلات الاتصالات الآلية

فالتواصل المستمر والعالي النطاق حيوي، إذ تستخدم الطائرات العمودية عادة Ka-band أو Ku-band] الترددات اللازمة لتقليص البيانات، ونقل الصور، والتقديرات عن بعد في الوقت الحقيقي القريب، أما بالنسبة للعمليات التي تتجاوز المدار الأرضي المنخفض، فإن الاتصالات الليزرية (الأجهزة المحمولة) توفر وصلات أعلى من النطاق الترددي ومتوسطة إذا ما كانت الخدمة غير مستجيبة.

إدارة الطاقة والإنذار بها

ويعتمد الطائران على الدافع الكهربي (مثلاً، مدافع الهالو-فوتي أو مدافع البلازما المطهرة) من أجل كفاءة وطول مدة الخدمة وضبط المناورات، وتوفر الألواح الشمسية الطاقة، ولكن الظل العميقة أو فترات الإكسوف تتطلب

التحديات التي تواجه الانتشار الذاتي للطائرات العمودية

وعلى الرغم من التقدم السريع، لا تزال هناك عقبات كبيرة عديدة قبل أن تصبح الطائرات الآلية المستقلة ذاتيا أدوات روتينية لخدمة السواتل.

بيئة الفضاء في هرش

الفضاء مكان صعب للأجهزة الالكترونية [وبخاصة من أحزمة فان ألين] يمكن أن يسبب إزعاجاً أو اضطراباتاً أو أضراراً دائمة، ويجب أن تكون المكونات مصحوبة بالإشعاع، مما يضيف تكلفة وكتلة.

محدودية الطاقة وضغوط الطاقة

ولدى الطائرات الصغيرة بدون طيار مساحة سطحية محدودة بالنسبة لللوحات الشمسية، وأثناء تفتيش يتطلب استخداماً مكثفاً للأجهزة الاستشعار وطلقات الدفع المتكررة، يمكن أن يرتفع استهلاك الطاقة، ويجب أن توازن نظم إدارة الطاقة بين جمع البيانات والاتصال والمناورات، وقد تحتاج بعض البعثات إلى أن تطغى الطائرة بدون طيار مع مرشد لشحن أو تبديل بطاريات بدون طيار، مما يزيد من تعقيدها.

شروط الاتصالات وعلم النفس

وفي منطقة المدار الأرضي، تبلغ فترة التقلبات نحو 0.5 ثانية؛ وفي الفضاء العميق يمكن أن تتجاوز دقائق هذا التأخير يجعل السيطرة المباشرة عن بعد أمراً مستحيلاً بالنسبة لعمليات الغرامة، ويجب أن يكون للطيور درجة عالية من autonomy أن ترد على التغييرات المفاجئة - مثل سوء استخدام القوة أو عدم توقع خطأ الهدف - دون انتظار برامجيات الإنقاذ الأرضية.

مخاطر الحطام المداري والتصادم

(ب) أن يكون المدار الأرضي المنخفض مزدحما بالحطام، إذ يجب على الطائرة التي تقوم بتفتيش دقيق للسواتل أن تتجنب الهدف فحسب، بل أيضا الأجسام الأخرى. ]] [و] نظم تجنب اصطدام ] كثيرا ما تتطلب ميزانية كبيرة من طراز " دلتا - V " ، تستنفد الوقود، وعلاوة على ذلك، إذا أصبحت الطائرة الآلية نفسها غير مرخصة، فإنها تضيف إلى مشكلة الحطام.

الأطر التنظيمية وأطر السلامة

ولا توجد سلطة تنظيمية عالمية لخدمة المدار - يجب أن تشمل القوانين الوطنية، والأنظمة الإذاعية للاتحاد الدولي للاتصالات، والاتفاقات الثنائية المسؤولية، وتخصيص الترددات، ومناطق الأمان، على سبيل المثال، فإن أفضل الممارسات U.S. National Space Policy تشجع الخدمات التجارية، ولكنها تتطلب أيضا التنسيق مع قوة الفضاء لتجنب التدخل في أصول الأمن الوطنية، وإلى أن يتم وضع قواعد واضحة، فإن الجهات الفاعلة تواجه عدم يقين قانوني.

الاتجاهات المستقبلية: من التفتيش إلى الخدمة الكاملة

وتتجه التكنولوجيا التي يجري تطويرها الآن إلى مستقبل طموح تصبح فيه الطائرات الآلية المستقلة ذاتيا المعيار الذي يُستخدم في صيانة السواتل، وإعادة الإمداد بالوقود، بل وحتى في التجمع.

أجهزة آلية للأجهزة اللاسلكية والتفتيش التعاوني

ويمكن أن تغطي طائرة بدون طيار واحدة الكثير، ويمكن أن تنشر النظم المقبلة ]FLT:0[الأحراج ][[ ]FLT:1][ من الطائرات الصغيرة بدون طيار، التي لها أجهزة استشعار متخصصة )مثلاً طائرة واحدة من طراز LIDAR، واحدة ذات طابع حراري، واحدة بصرية( كما أنها ستعمل على التنسيق وتبادل البيانات وتغطية سرعة الساتل.

إعادة الوقود والنقل السريع

ويمكن أن تُنهي العديد من السواتل حياتها دون أن تُعزى إلى الفشل في المكونات، ولكن لأنها نفدت من الوقود اللازم لحفظ المحطة، ويمكن أن تُركّز طائرة بدون طيار مجهزة بنظام نقل الوقود على الهدف وتُعيد تجديد خزاناتها، كما أن NASA Restore-L/OSAM-1 ، التي يتوقع أن تطلق في منتصف العشرينات، ستُظهر هذه الإضافة إلى الساتل US.

الخدمات النموذجية واستبدال العناصر

ويمكن أن تحمل الطائرات المسيرة المتقدمة مجموعات أدوات لتحل محل الوحدات الفاشلة، فعلى سبيل المثال، Maxar Technologies’] ] Space Infrastructure] يتوخى البرنامج الممنوع من الطائرات بدون طيار أن يمسح حمولات أو بطاريات أو عجلات رد الفعل، وهذا يتطلب تلاعبا دقيقا وآلية ملحق مؤمَّنة.

إزالة الحطام الفعلي

ويمكن إعادة توجيه الطائرات المصممة للتفتيش من أجل إلقاء الحطام. ]Astroscale ' s ELSA-d] [تطلق في عام 2021)، وتظهر هذه البعثة طائرة بدون طيار قادرة على إطلاق ساتل زبون وإعادة فتيله، وترميم الحطام، والخطوة التالية هي الاستيلاء على الأجسام غير المجهزة بالحطام، والاستيعاب.

خاتمة

وتنتقل الطائرات الآلية المستقلة ذاتيا من الخيال العلمي إلى الواقع العملي، وهي توفر مزايا هائلة في مجالات السلامة، والتكاليف، والكفاءة، وإمكانية الوصول إلى التفتيش والصيانة بواسطة السواتل، كما أن التكنولوجيات المطلوبة - أي أجهزة الاستشعار المتقدمة، والملاحة المستقلة، والاتصالات القوية - تتسارع بسرعة، ولا تزال هناك تحديات مثل البيئة الفضائية القاسية، وقيود القوى، والثغرات التنظيمية، ولكن الجهود المتضافرة التي تبذلها الوكالات الفضائية والشركات التجارية تتغلب عليها باستمرار.

ومع نمو اقتصاد الفضاء، فإن قيمة الأصول المدارية ستتحول إلى ضرورة اقتصادية، إذ أن توسيع نطاق حياتها عن طريق خدمة الطائرات الآلية المستقلة ذاتيا، ومن المرجح أن يشهد العقد القادم أول طائرة تفتيش تجارية بدون طيار يتم نشرها، يليها تجديد وتصليح البعثات، وفي نهاية المطاف، قد يصبح أسطول من الطائرات الآلية المستقلة نظام دعم غير مرئي يحافظ على قدرة البشرية على إدارة الهياكل الأساسية المدارية بدون طيار، وليس مستقبل الصيانة الساتلية مستقلا ولا يتيسر.

External Resources:]