Table of Contents

وقد أصبحت البالونات ذات السعة العالية منبرا لا غنى عنه للبحوث العلمية، والرصد الجوي، والتوعية التعليمية، إذ إن التشغيل في الستراتوسفير على ارتفاعات تتجاوز 30 كيلومترا، يحمل البالونات حمولات تؤدي كل شيء من عمليات الرصد الفلكي لقياسات المناخ، ويحافظ التحدي التقني الحاسم في هذه البعثات على التوجه والاستقرار على نحو دقيق، وبدون مراقبة نشطة للمواقف، يمكن أن تتعثر الكاميرات المتحركة أو تدمر.

كيف يعمل العجلات

إن عجلة الرد هي عجلات ذات دوافع محركية، تُغير سرعة العجلات لتُمارس الضغط على المركبة المضيفة، والمبدأ الأساسي هو الحفاظ على الزخم الجزيئي، كما هو موضح في القانون الثالث لمدينة نيوتن، وعندما تتسارع عجلة القيادة في اتجاه واحد، فإن حمولة البالونات تدور في الاتجاه المعاكس لتحافظ على الزخم الكلي المتوازي، وبضبط سرعة العجلات واتجاهها، يمكن للمهندسين أن يضبط مسار الحمولة الواحدة.

إن العجلة نفسها هي عادة قرص صلب أو عجل ذبابة ممزق مصنوع من مادة كثيفة ومتوازنة مثل الفولاذ أو الألمنيوم، وهي مجهزة على علامات منخفضة الارتداد وتقودها محرك محرك مركب بلا طائل يسيطر عليه متحكم صغير، ويقرأ نظام المراقبة بيانات توجيهية من أجهزة الاستشعار مثل أجهزة البرمجيات، أو التناوب على أجهزة العجلات، أو أجهزة تتبع النجوم،

القياسات الرئيسية: تورك، القدرة الحديثة، السلطة

وينطوي تصميم عجلة رد الفعل على تحقيق التوازن بين ثلاثة بارامترات رئيسية: الناتج الأقصى للزراعة، والقدرة على تخزين الزخم غير النظامي، واستهلاك الطاقة، ويحدد تورك مدى سرعة تناوب الحمولة، بينما تحدد القدرة على الدفع المدة التي يمكن أن توفرها العجلة للمراقبة قبل التشبع، ويكتسي استهلاك الطاقة أهمية حاسمة بالنسبة لبعثات البالونات، التي تعتمد على البطاريات أو الألواح الشمسية ذات القدرة المحدودة.

لماذا تحتاج بالونات عالية السعة إلى التحكم في التوجه

فالحمولات العلمية على البالونات غالباً ما تتطلب توجهاً مستقراً ومتحكماً بدقة، مثلاً، تلسكوب مراقبة المجرات البعيدة يجب أن يصوب على نفس الجسم السماوي لدقائق أو ساعات بينما يعوض عن التناوب والانحرافات الخاصة بالبالونات، أدوات أخرى مثل مطيافات الموجات الأربع، مقاييس الموجات الدقيقة، أو عينات الغاز التي تُوجه إلى عمود محدد من الغلاف الجوي أو إلى التحكم في الشمس.

وفيما عدا العلم، فإن التوجه المستقر ضروري أيضاً للاتصال، إذ يجب أن تستهدف الهوائيات ذات المقاييس الضيقة المحطات الأرضية أو السواتل المبثقة، وإذا ما تعثرت الحمولة بالبالونات، فإن نقل البيانات يمكن أن ينقطع أو يصبح متقطعاً، وتوفر عجلات الرد القدرة على تحديد الوصمات للحفاظ على وصلة موثوقة، حتى عندما يُعانى من الرياح في الغلاف الجوي.

مقارنة بين طرق الركود وأساليب التحكم في الاتساع الأخرى

المحركات لديها عدة خيارات للتوجه بالونات: الزعانف الهوائية، تثبيت درجة الجاذبية السلبي، محركات الغاز البارد، وعجلات الدافع (متغير من عجلات التفاعل)

نظم راتب العجلات للحمولات بالونات

ويتطلب إدماج عجلات التفاعل في نظام منافذ عالية الجودة تصميما ميكانيكيا وكهربائيا دقيقا، وتجمع العجلات عادة ما يكون مجهزا على إطار حمولة صلب، وغالبا ما يكون معزولا عن اليقظة لمنع اليقظة المحركة من التأثير على الأدوات الحساسة، ويتواصل جهاز التحكم الآلي مع جهاز حاسوبي يعمل على تحديد المواقف والتحكم في المقاييس.

Coniguration: Three Orthogonal Wheels

معظم أنظمة البالونات تنفذ ثلاث مجموعات متوافقة مع محور الحمولة الرئيسي كل عجلة تعمل بشكل مستقل لكن نظام التحكم ينسق سرعة إنتاج الشاحنات الصافية المرغوبة

آليات الاضطرابات

عجلات الرد تتراكم على الزمان بسبب العواصف الخارجية (مثلاً، التدرج الجاذبي، السحب الهوائي، الضغط الإشعاعي الشمسي)

مزايا عجلات الرد على طلبات بالون

  • Precision Pointing:] Reaction wheels enable angular control to within fractions of a degree, essential for astrophysical and atmospheric instruments.
  • Long —Duration Operation:] contrast pushers, wheels do not expend consumables; they can operate for weeks or months as long as power is available.
  • Independence from Atmosphere:] Wheels work similarly at sea level and in the stratospheric vacuum, making them ideal for balloons operating above 30 km.
  • Low Vibration:] Modern reaction wheels are balanced to generate minimal micro-HFvibrations, protecting sensitive instruments from disturbance.
  • Compact and Light weight:] With advances in motor and materials technology, reaction wheels can be built small enough for payloads under 10 kg while still providing adequate torque.

التحديات واستراتيجيات التخفيف

وعلى الرغم من فوائدها، فإن عجلات الرد تنطوي على عدة تحديات هندسية يجب التصدي لها في تصميمات نظام البالونات.

الاضطرابات الدنيا

كما لوحظ، فإن العجلة لا يمكن أن تخزن إلا الكثير من الزخم قبل التشبع، ففي مهمة من البالونات، تمزقات الاضطرابات الخارجية مثل التناوب المدفوع بالريح أو التدرج الجاذبية، يجب أن يعجل المشتغلون بتصميم نظام التحكم لتقليل الاضطرابات إلى أدنى حد ممكن (مثلاً، الإضاءة القصوى للحظات الحمولة من العزل) والتخطيط للهبوط المنتظم.

إدارة الطاقة والحرارة

وتستهلك محركات العجلات الراكبة الطاقة عند الإسراع أو التفاخر، وتولد حرارة النفايات، وكثيرا ما تكون حمولات البالونات مجهزة بالطاقة الكهربائية؛ وقد يكون للنظام النموذجي ميزانية لتوليد الطاقة الكهربائية تتراوح بين 50 و 100 واط في جميع أجهزة التحكم في المواقف والعجلات والمجسات، ويجب على المهندسين اختيار محركات ذات معدلات عالية من حيث القدرة على الانتقال إلى الغلاف الجوي الخفيف، واستخدام عوامل التغيير الكفؤة.

الموثوقية الميكانيكية

وتشتمل عمليات إطلاق البالونات على التعجيل بعنف والتأرجح؛ ويمكن أن تشهد الحمولة صدمات تصل إلى 10-20 غراماً. ويجب أن تتحمل المحركات العجلية والتجمعات الراتبية هذه الحمولات دون ضرر، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتسبب البيئة المنخفضة الكساد في تجاوزات من المواد المتشددة، مما يؤدي إلى الفشل بمرور الوقت، حيث تستخدم عجلات رد الفعل العالية الارتفاع عوامل الارتفاع التي تستخدم فيها عوامل التقلب الجاف أو التأجير المغنطيفي.

الميزانية الوزن

ويحسب كل كيلوغرام في مهمة بالون، وعجلات الرد هي ذات وزن خفيف نسبيا (يمكن أن تبلغ عجلة صغيرة نموذجية 200-500 غرام)، ولكن الهيكل الداعم، ومراقب السيارات، ومعدات التحلية تضاف كتلة، ويجب على المهندسين أن يتبادلوا القدرة على العجلات (حجم) ضد الكتلة الإجمالية للحمولة، وبالنسبة للشحنات التي تبلغ طولها أقل من 5 كيلوغرامات، فإن عجلات الرد الزرق متاحة لديها قدرات على الدفع.

اعتبارات التصميم بالنسبة للبيئات التي تُستخدم في المناطِر

و عجلات الرد شائعة على المركبة الفضائية، وحمولات البالونات تعمل تحت قيود مختلفة، يمكن للمنصة البالونات أن تتقلب أو تتأرجح بطرق غير متوقعة بسبب قذيفة الرياح، وحمولة الدفع قد تُعلق بواسطة ثعبان طويل، مما يزيد من تعقيد الديناميات، ويجب أن يُحسب نظام مراقبة السلوك لطرق البالونات وأي حركة غير مُتحكم بها في الرؤوس.

والمبالغ المتطرفة للتوترات هي عامل آخر: ففي ارتفاعات البالونات، يمكن أن تنخفض درجات الحرارة المحيطة إلى أقل من 60 درجة مئوية. ويجب تقييم محركات العجلات والإلكترونيات التي تتفاعل مع هذه الظروف الباردة، التي تتطلب في كثير من الأحيان سخانات للحفاظ على درجات الحرارة التشغيلية.() وعلى العكس من ذلك، يمكن أن يسخن ضوء الشمس المباشر أجزاء من الحمولة إلى +50 درجة مئوية، مما يتطلب تصميما حرارياً دقيقاً لتجنب التدرجات الحرارية التي يمكن أن تحفز على الصعود.

وأخيرا، فإن البيئة الإشعاعية على ارتفاع عال ليست شديدة كما في الفضاء، ولكنها يمكن أن تشكل خطرا على الإلكترونيات الحساسة على الرحلات الجوية الطويلة، وكثيرا ما يختار المهندسون المكونات المحتوية على الإشعاع أو يستخدموا الدرع لمراقب السيارات ومجالس الاستشعار.

البعثات العالمية الحقيقية التي تستخدم العجلات الرهينة على البالونات

وقد نجحت عدة بعثات من البالونات عالية الجودة في استخدام عجلات للرد على التوجهات.

SuperBIT (Super Pressure Balloon —Borne Imaging Telescope)

(سوبر بي تي) هو تلسكوب بالون يدعمه ناسا ويطير على ارتفاع 33.5 كيلومتراً لمراقبة مجموعات المجرات والأشياء المظلمة، ويستخدم نظاماً للعجلات الثلاثية الأبعاد لتحقيق استقرار عدد قليل من الرؤوس، وتقترن العجلات بمتعقب النجوم وبطاقات الترددات من أجل التوجيه الدقيق، وتسمح عجلات تفاعل السوبر بي تي بأن تقوم بتصوير في أعماقها وتتنافس على بعض المسافات الفضائية.

بعثة بالون التابعة لمنظمة الاتحاد الأوروبي (مرصد الفضاء الخارجي)

ويستخدم برنامج الاتحاد الأوروبي البالونات لكشف الأشعة الكونية فوق الصوتية بواسطة الضوء الفلوري في الغلاف الجوي، وتحتوي حمولاته، مثل الاتحاد الأوروبي - سب - 2، على عجلات تفاعلية لإبقاء النظام البصري مصوباً في الندر أو في منطقة محددة من السماء، وتوفر العجلات الاستقرار اللازم لأجهزة الكشف عن مضاعفات الصور الحساسة.

مشاريع بالون الطلابية العالية الارتفاع

قامت الجامعات ومجموعات الأبحاث ببناء نظم متحركة منخفضة التكلفة لتجربة البالونات الطلابية، على سبيل المثال، برنامج جامعة (كامبريدج) لـ (بالونسات) استخدم عجلات رد فعل صغيرة لتوجيه كاميرا لمراقبة الأرض، وهذه المشاريع تدل على أن حتى الأفرقة الممولة تمويلا متواضعا يمكنها أن تنفذ مراقبة التوجه باستخدام مكونات منصة المدفئ.

التطورات المستقبلية في تكنولوجيا العجلات الرهينة للبالونات

ويتجه اتجاه البالونات المرتفعة الارتفاع إلى رحلات جوية أطول (حتى 100 يوم)، وحمولات أكبر، ومتطلبات أكثر طلباً للإشارة إلى ذلك، وتتطور تكنولوجيا العجلات في عدة اتجاهات لتلبية هذه الاحتياجات.

التصغير والوحدة

As payloads become smaller (the "nano‑balloon" trend), reaction wheels are shrinking in size and weight. New wheel designs using carbon‑fiber rotors and micro‑motors can fit in a 10×10×10 cm cube while providing enough momentum for small instruments. Modular wheel units with standardized interfaces make it easier for mission teams to integrate attitude control without custom engineering.

النظم الهجينة

ويمكن أن تؤدي عجلات التفاعل المختلطة مع المُلَكِّمين الآخرين إلى تحسين الأداء والحد من التشبع، فعلى سبيل المثال، قد يستخدم نظام عجلات لضبط علامات الضبط الدقيق والصدمات المغناطيسية في اتجاه الكراسي أو تحلية المياه، وتشمل بعض التصميمات عجلات للزخم لتثبيت العمود الفقري، مع عجلات للرد على حركة التر أو المسح الضوئي، ويمكن أن تكون النظم الهجينية أكثر كفاءة بالنسبة للبعثات التي تتطلب الدقة والز.

هيئة الرقابة المتقدمة

ويجري تطبيق التعلم من الآلات والتحكم القائم على النماذج من أجل الاستخدام الأمثل لعجلات الرد، ويمكن للخريمات التصحيحية أن تتعلم مسارات الاضطرابات الخاصة برحلة من البالونات وأن تعدل القيادات المتحركة لتقليل استهلاك الطاقة وتشبعها إلى أدنى حد، كما أن مرشحات كالمان وأجهزة الاستشعار تعمل على تحسين تقديرات التوجه، مما يتيح للنظام تحقيق نقطة الإلتقاط دون الثانية حتى مع وجود أجهزة غروس منخفضة التكلفة.

وحدة معالجة العجلات والاستشعار المتكامل

وتقدم الجهات المصنعة الآن وحدات مشتركة تشمل عجلة رد الفعل، والقنوات، ومراقب السيارات في مجموعة واحدة معارة، وهذه الوحدات " وحدات التحكم في الات العرض " تقلل من تعقيد التكامل وتصبح مثالية للحمولات البالونات التي يتعين تجميعها بسرعة، وشركات مثل ]Rocket Lab، وتوفر حلولاً أخرى من خلال مجموعات مكوناتها.

خاتمة

وقد ثبت أن عجلات الرد هي تكنولوجيا فعالة للغاية في مجال التحكم في التوجهات في بالونات عالية السعة، وأن قدرتها على تقديم مقلبات دقيقة وموثوقة وفعالة في بيئة الستراتوسفير المطلة، مع عدم وجود قيود على الاتصالات في الغلاف الجوي، مما يجعلها أكثر دقة في اختيار البعثات العلمية التي تتطلب توجيها مستقرا، وفي حين أن التحديات التي تواجه مثل تهدئة الزخم وإدارة الطاقة وسلوكها الحراري يجب أن تُعد بعناية.