استخدام طلقات الجاذبية في تخطيط البعثات للبعثات المشتركة بين الكواكب

البارامترات الرئيسية في مجال مساعدة الجاذبية

• Flyby altitude]: Determines the turning angle and maximum logy. Lower altitudes produce larger turning angles but bring risks such as atmospheric drag, radiation exposure, and thermal heating. For example, the Parker Solar Probe repeatedly passes extremely close to Venus (within 1200 km) to shed angular momentum and
• Approach angle (B-plane)]: الطائرة B-plane هي طائرة من طراز perpendicular إلى النسيج القادم، وتحدد إحداثيات نقطة الهدف على هذه الطائرة (B-vector) زاوية التحول والتوجه الخارجي، ويمكن أن تؤدي التعديلات الصغيرة في الطائرة B-plane إلى تغييرات كبيرة في النتيجة.
• Timing]: تعتبر مواءمة الكوكب أمراً بالغ الأهمية، فعلى سبيل المثال، استغلت بعثات فوياغر مواءمة مرة واحدة في 176-سنة بين المشتري وزحل وأورانوس ونبتون، وكان فقدان تلك النافذة يتطلب وقتاً أطول بكثير من أوقات السفر وأكثر من الوقود.
• Delta-V budget]: كل جاذبية تساعد على إحداث تغيير في السرعة، ويحسب مخططو البعثة صافي المقياس من النشرة ويقارنونه بما يلزم من الدفع على متن الطائرة، كما ينظرون في إمكانية استخدام طائرة مزودة بالطاقة (تشكل المحرك على أقرب نهج) لتعزيز الأثر.

To design a sequence of multiple flybys, engineers use optimization algorithms] such as direct transcription, genetic algorithms, or gradient-based methods. These algorithms search for trajectories that satisfy constraints and minimize propellant use or travel time.

فوائد الطلقات الصغيرة

وفورات الوقود

أما الفائدة الأكثر وضوحا فهي خفض الوقود المطلوب، ففيما يتعلق بالبعثات المشتركة بين الكتل الدافعة، فإن الكتلة المهيمنة في تصميم المركبات الفضائية يمكن أن توفر مساعدة الجاذبية نفس التغير السريع الذي يحدثه حرق العديد من الأطنان من الوقود (في حالة الكواكب الكبيرة مثل المشتري)، ويمكن استخدام هذه الكتلة الوفّرة في أدوات علمية إضافية أو في مجال التدفئة أو في حالة التخلف.

أوقات السفر السريعة

ويمكن أن تؤدي المساعدة المقدمة في مجال الجاذبية إلى تقصير مدة البعثة، فبدونها، فإن نقل الهومان المباشر من الأرض إلى نبتون سيستغرق نحو 30 إلى 40 سنة؛ ووصلت فوياغر 2 إلى نبتون في 12 سنة بفضل الطلقات المتعددة، وقلصت سرعة السفر الوقت الذي يجب أن تصمد فيه أدوات العلوم في بيئة الفضاء القاسية وتسمح بعودة البيانات السابقة.

التمكين من معالجة المسارات المعقدة

بعض المقصد غير قابل للتواصل مع مسارات مباشرة تستخدم تكنولوجيا الدفع الحالية، فعلى سبيل المثال، يتطلب دخول المدار الزئبقي إلغاء مناورة المكابح العالية التي تستخدمها المركبة الفضائية بسرعة كبيرة، حيث تستخدم بعثة MESSENGER عدة مساعدة للجاذبية (واحد من الأرض، واثنين من الزهرة، وثلاثة من الزئبق) لتقليل سرعة عملها تدريجياً مقارنة بالشمس قبل دخول المدار.

أمثلة على البعثات البارزة التي تستخدم المساعدة المقدمة في مجال الجاذبية

Voyager 1 and 2

بعثات فوياغر هي منفذات التخطيط للمساعدة على الجاذبية، حيث طار فوياغر 1 جوبيتر في عام 1979، حيث حصل على علامة على طول حوالي 16 كيلومترا/سائقة مقارنة بالشمس، وأرسلتها إلى زحل، وفي زحل، هبطت سرعة أخرى مضافة، ودمرتها شمالا خارج طائرة الكسوف، واستخدمت الطائرة الثانية نفس الأشعة المبتلة ورحلة الارتداد بعد ذلك.

الأفق الجديد

وقد استخدمت بعثة " بلوتو " () إلى شركة " بلوتو " مساعدة في مجال الجاذبية في عام 2007 لتقليص وقت عبورها بحوالي ثلاث سنوات وزيادة سرعة وصولها إلى 14 كيلومتراً/مقعداً بالنسبة للشمس، مما أتاح للمركبة الفضائية الوصول إلى بلوتو في عام 2015 - أي أقل من عشر سنوات بعد الإطلاق، كما أتاح نظام الجوبيتر فرصة لاختبار أدوات المركبة الفضائية " .

Rosetta

بعثة روزيتا الفضائية الأوروبية للمجيء 67P/Churyumov-Gerasimenko استخدمت سلسلة معقدة من أربعة مساعدة للجاذبية: ثلاثة من الأرض وواحد من المريخ، كانت هذه المساعدة ضرورية لمطابقة مدار المذنب، الذي يُلوّث مقارنة بالطائرة الكسوفية، كما أن طائر المريخ يحتاج إلى ملاحة دقيقة لأن المركبة الفضائية قد وصلت إلى 250 كيلومتراً من سطح المريخ.

Juno

بعثة (جونو) التابعة لوكالة ناسا إلى (جوبيتر) استخدمت مناورة فضائية عميقة و مساعدة لخطورة الأرض (في عام 2013) لكسب السرعة اللازمة للوصول إلى (جوبيتر)، وقد أعطت الطائرة الأرضية المركبة الفضائية مساحة إضافية قدرها 7.3 كيلومترات/سرعة، وضبطها في مسارها لإدخالها في مدار مشتت حول المشتري في عام 2016.

التحديات والمخاطر التي تنطوي عليها طلقات الجاذبية

وعلى الرغم من مزاياها، فإن الجاذبية تساعد على استحداث تحديات كبيرة، فالدقة في الملاحة هي الراجحة: إذ يجب أن تستهدف المركبة الفضائية نقطة دقيقة في الفضاء بالنسبة لكوكب يتحرك على عشرات الكيلومترات في الثانية، بل إن خطأ بسيط في مسار النهج (بضع كيلومترات) يمكن أن يؤدي إلى خطأ كبير في المسار البعيد، وربما يفوت الهدف أو يسبب تحطماً غير مقصود.

وثمة خطر آخر يتمثل في البيئة الإشعاعية، إذ أن طوافات المشتري، على وجه الخصوص، تعرض المركبات الفضائية لأحزمة إشعاعية شديدة يمكن أن تلحق الضرر بالالكترونيات، ويجب أن تُجمع البعثات على نحو مُربى من الإشعاع وأن تستخدم الدرع، وزيادة الكتلة والتكلفة، فعلى سبيل المثال، توجد لدى المركبة الفضائية في جونو قبو تيتانيوم لحماية الكترونياتها، ويتجنب مدارها بعناية أقسى مناطق الإشعاع.

كما أن القيود المفروضة على التوقيت تحد من تواتر فرص المساعدة على الجاذبية، إذ تحدث مواءمة الكوكب على فترات محددة؛ فعلى سبيل المثال، تتاح مسارات الأرض - فينس - الأرض كل سنتين تقريبا، ويجب أن تُطلق البعثات في إطار نوافذ ضيقة، أو تنتظر الفرصة المقبلة، مما يضيف ضغوطا على الجدول الزمني ويمكن أن يؤخر البعثات لسنوات.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون هذا المنشور حدثاً عالياً، ويجب على المركبة الفضائية أن تقتني وتتعقب الكوكب بمجساته، مثل أجهزة تعقب النجوم والكاميرات البصرية، لتحديث موقعها، وقد تتأخر الاتصالات مع الأرض (بسبب سرعة الضوء)، بحيث يجب على المركبة الفضائية أن تنفذ الطائرة بشكل مستقل، ويمكن لأية ورم أن يعرض للخطر المهمة بأكملها، على سبيل المثال، أثناء عملية التبديل غير المتوقعة في موقع فوياغر 2.

الاستخدامات المستقبلية والحديثة للمساعدة في مجال الجاذبية

(ج) أن يُستخدم نظام الجاذبية في مدارات حول الشمس - الأرض، وهى تستخدم في إصلاح منتصف الطريق، و لا توجد ذبابات كوكبية، ولكن معظم مسبار الفضاء العميق لا يزال يعتمد عليها.

إن البعثات المقبلة إلى الكواكب الخارجية، مثل المدار المحتمل في أورانوس، ستتطلب بالتأكيد مساعدة متعددة من الجاذبية من المشتري وربما زحل، ولا يزال مفهوم " جولة كبيرة في النظام الشمسي " صالحاً للمركبات الفضائية في المستقبل، وإن كانت هذه الفرص نادرة، كما يقوم الباحثون باستكشاف استخدام ] تآكل السطو .

خاتمة

وقد حولت طلقات الجاذبية الاستكشاف بين الكواكب من مسعى محدود الوقود إلى طريقة مرنة تتسم بالكفاءة العالية للوصول إلى أبعد زوايا النظام الشمسي، ومن خلال استغلال الحركة المدارية للكوكب، يمكن لمخططي البعثات أن يحققوا تغيرات في السرعة تتطلب، لولا ذلك، كميات ضخمة من الوقود، ومن المارينز الرائد ١٠ إلى نظام بيكلومبو المتطور، ساعدت ثورة الجاذبية على فهم البعثات.

بينما نتطلع إلى حملات مستقبلية لإعادة العينات من المريخ أو مدار أورانوس أو استكشاف الهيلويات، فإن طلقات الجاذبية ستظل جزءاً رئيسياً من مجموعة أدوات مصممي البعثات، وفيزياء هذه العمليات مفهومة جيداً، وثبت تنفيذها، وفوائدها من حيث التكلفة والوقت والقدرة غير متطابقة، فهم المساعدة الجاذبية أمر أساسي ليس فقط للمهندسين بل لأي شخص يرغب في تقدير السفر بين الكواكب.