Table of Contents
The New Frontier of Autonomous Flight at the Edge of Space
فمركبات الطيران ذات الارتفاع العالي والغطاء الجوي تعمل في بيئة غير مغتفرة وغنية على حد سواء، وعلى ارتفاع يتراوح بين 18 كيلومترا و 50 كيلومترا، تواجه هذه الطائرات والبالونات والسفن الجوية إشعاعا عاليا ومكثفا ومكثفا، وضغوط جوية منخفضة، وهواء ضعيف يجعل التحكم بالطقس الهوائي التقليدي أمرا صعبا.
تطور القدرات الآلية في الغلاف الجوي
كانت أول طوابق عالية الجودة أساساً نسخ مبسطة من النظم المصممة للطائرات التقليدية، وقد اعتمدت على الأزواق، وأجهزة التأجير الشائكة، ومسارات الطيران السابقة المبرمجة ذات القدرة المحدودة على الاستجابة للظروف المتغيرة، ونظم اليوم تمثل تحولاً أساسياً في البنية والقدرة، وهي تدمج تركيب أجهزة الاستشعار من مصادر زائدة متعددة، وتفشل في وضع النماذج الحالية للتحكم في الهواء.
من هيكل رقابي إلى هيكل التحكم الافتراضي
إن الحركات الآلية تستجيب للانحرافات بعد حدوثها، فالعلكة تبعد الطائرة عن مسارها، ويطبق النظام مدخلا تصحيحيا، وهذا النهج يعمل جيدا في الجو الأدنى حيث تكون الاضطرابات قصيرة العمر وتكون سطح التحكم فعالة، وفي الغلاف الجوي، فإن الديناميات المستخدمة في القراءة لا تتجاوز سوى بضعة في المائة من القيم على مستوى البحر، وتوقعات سطحية أقل من الضغط على المركبات.
إذكاء الوعي لدى الدولة المستعصية
إن تقدير الدولة الدقيق هو أساس أي جهاز آلي، ففي طبقة الغلاف الجوي، لا يمكن الاعتماد على أي جهاز استشعار واحد في جميع الظروف، ويمكن تعطيل إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع بواسطة النشاط الشمسي أو التشويش المتعمد، كما أن النظم القائمة على التوابل في شكل مقياس للجسيمات الممتدة، وتستمر وحدات القياس غير المباشرة في التقلبات الدقيقة.
الاستخبارات الفنية والرقابة التأديبية
ولا يتعلق إدماج الاستخبارات الاصطناعية في الطيارات التلقائية في الغلاف الجوي باستبدال الطيارات البشرية بالحواسيب، بل يتعلق بتمكين المركبة من مواجهة الظروف التي لا يستطيع الإنسان إدارتها، ولا يمكن توقع أي خوارزمية مبرمجة مسبقا، ويعرض الغلاف الجوي مشكلة عالية غير خطية، والعلاقة بين تحدي سطح الأرض والتغيرات في استجابة المركبات مع الارتفاع، ودرجة الحرارة، والبرمجة القائمة على نماذج مثبتة.
تعزيز التعلم من أجل الملاحة الميدانية الشتوية
وتختلف الرياح في الغلاف الجوي اختلافا كبيرا مع الارتفاع والطول والفصل، إذ أن مسار الطائرات على بعد 12 كيلومترا يمثل مشكلة واحدة، ولكن الرياح في الغلاف الجوي التي تتراوح بين 18 كيلومترا و 25 كيلومترا تتبع أنماطا مختلفة، بما في ذلك الطول شبه الحاد الذي يتحول اتجاه الرياح إلى دورة مدتها 28 شهرا تقريبا، ويمكن للطائرات التي تستخدم فيها التعاضد أن تعالج ميدان الرياح كبيئة جغرافية تراقب تدريجيا.
الشبكة العصبية
إن سطح التحكم في طائرة ذات خط العرض العالي يعمل في نظام حيث تغيرت معامل الأيرودينامي باستمرار مع رقم ماتش ورقم رينولدز وزاوية الهجوم، وتحتاج أجهزة التحكم التقليدية ذات المكسب إلى اختبارات واسعة للأنفاق وبطاقات للطيران لتغطية المظاريف، وتتجاوز أجهزة التحكم في الجاذبية في معظم هذه الأعمال بتعلم الديناميات العكسية للمركبات على الإنترنت.
نظم الملاحة المتقدمة للغلاف الستراتوسفير
إن الملاحة في ارتفاعات الستراتوسفير تمثل تحديات فريدة، إذ توجد إشارات إلى النظام العالمي لتحديد المواقع، ولكنها يمكن أن تكون ضعيفة، لا سيما بالنسبة للمركبات العاملة على مسافة تزيد على 25 كيلومترا، حيث يجب أن تمر الإشارة عبر الغلاف الجوي بأكمله في زاوية منخفضة الارتفاع، وتمتد نظم الملاحة الداخلية بمرور الوقت، وتزداد سرعة الارتفاع بسبب الحاجة إلى الدقة القصوى على البعثات التي تستغرق أشهرا بدلا من ساعات.
الملاحة البحرية وتعقب النجوم
أجهزة تعقب النجوم أصبحت خياراً عملياً للمركبات في الغلاف الجوي، حيث إن تكنولوجيا الاستشعار قد قلصت إلى أدنى حد، آلة تصوير صغيرة ذات عدسة واسعة النطاق تلتقط صوراً للسماء الليلية، وبرمجيات على متنها تضاهي نمط النجوم الملاحظ ضد محفز داخلي، ويحسب النظام موقف المركبة بدق ثاني دون أي إشارة خارجية.
الملاحة الإقليمية للمرحلة الانتقالية المنخفضة السعة
ويجب أن تعبر مركبات عديدة من نوع الستراتوسفير خلال فترة الإطلاق والاستعادة، وفي هذه المراحل، يمكن للملاحة التي تُستخدم فيها أجهزة قياس الرادار أو الليدار أن تزيد من نظام تحديد المواقع، ويمكن أن تقارن المركبات ارتفاع التضاريس المقيسة بنموذج الارتفاع الرقمي المخزن، وتُجري تصويبات على المواقع دون بث أي إشارة، وهذا النهج السلبي له قيمة بالنسبة للتطبيقات العسكرية وللعمليات في المناطق النائية التي لا تتوفر فيها نظم تعزيز النظام العالمي لتحديد المواقع.
إدارة الطاقة والرقابة الحرارية للبعثات الطويلة الأجل
ويجب أن تنجو الأجهزة الآلية وتعمل في بيئة يمكن أن تنخفض فيها درجات الحرارة المحيطة إلى أقل من 70 درجة مئوية، ويمكن أن يتجاوز الإشعاع الشمسي 1000 غرب/م2، أما الطيور التي تسيطر على المركبة فيجب أن تتحكم في استهلاك الطاقة بصورة قوية لأن كل واط يستهلكه الطيار الآلي هو واط غير متاح للحمولة أو لنظام الدفع، وبالنسبة للمركبات ذات الطاقة الشمسية التي تطير عبر الميزانيات الليلية.
إدارة الدولة المستقلة
ولا يمكن أن تؤدي أجهزة التشغيل الآلي في الغلاف الجوي الحديث إلى عمليات متعددة من حيث الطاقة، إذ أن النظام ينتقل بين مرحلة البعثات، وحالة الشحن، والناتج الشمسي، وقد تعمل الطيار الآلي خلال ساعات النهار، على أساس القدرة الكاملة، وتدير أجهزة الاتصال المجهزة بالأجهزة الاستشعارية، وثغرات المراقبة التنبؤية بمعدلات التحديث العالية، ومع انخفاض عدد مجموعات الشمس واحتياطيات البطاريات، فإن النظام ينتقل إلى دولة ذات قدرة منخفضة.
الإدارة الحرارية من خلال الجدول الافتراضي
كما أن البيئة الحرارية للمركبات التي تصيب الغلاف الجوي تتحول بسرعة أثناء فترة الرماد والنسب والتحولات الليلية، وقد تكون المركبات التي تعمل على مستوى البحر مع التبريد السالبة حرارة في الهواء الضعيف من الغلاف الجوي حيث يكون نقل الحرارة الخفي ضئيلا، كما أن نظم التحكم الحراري النشطة التي تستخدم الحرارة أو المضخات الحرارية تستهلك الطاقة وتضيف الوزن.
الاتصال والتواصل في الغلاف الجوي
ويجب أن تحافظ المركبات في الغلاف الجوي على الاتصالات مع المحطات الأرضية على الرغم من التحديات التي تواجه المسافات الطويلة، والتوتر الجوي، وفتح الأرض، ويمكن للمركبات التي تبلغ ارتفاعها ٢٠ كيلومترا أن تتواصل على الأفق الذي يبلغ ٥٠٠ كيلومتر تقريبا، وهو أبعد بكثير من الرابط الأرضية، ولكنه لا يزال محدودا بالمقارنة بالسواتل، ويجب على الآلية أن تدير وصلات اتصالات متعددة ذات تردد عال في الوقت نفسه، وأن تتحول بين خطوط الاتصال اللاسلكية.
Autonomous Link Handover and Bandwidth Management
وعندما تطير مركبة في الغلاف الجوي خارج نطاق محطة أرضية واحدة وداخل نطاق آخر، يجب على الطيار الآلي أن يقوم بتسليم سلالة لا توصف دون فقدان القيادة والسيطرة، وهذا يتطلب من المركبة المحافظة على اتصالات متزامنة مع محطات متعددة خلال الفترة الانتقالية، والتنسيق مع الهياكل الأساسية الأرضية التي يمكن أن تديرها منظمات مختلفة، كما يتولى الطيار الآلي إدارة توزيع النطاق الترددي المتاح بين بيانات القيادة والمراقبة، وتحديد أولويات عمليات استرجاع البيانات المتعلقة بالرحلات الجوية.
شبكة المترجمين الشفويين المتأخرين من أجل الاستقلال الذاتي العميق
وحتى مع وجود وصلات اتصال متعددة، ستستغرق المركبات في الغلاف الجوي فترات تفقد فيها الاتصال بالأرض، ويمكن أن يحدث ذلك أثناء الرحلات القطبية حيث تكون التغطية الساتلية متقطعة، أثناء الطقس الشديد الذي يعطل نشر الإذاعة، أو عندما تعمل المركبة خارج نطاق المحطات الأرضية المتاحة، وتسمح بروتوكولات الربط الشبكي المتأخّرة بالتشغيل الآلي لكشف الأوامر وتقييمات الارتفاعات عن بعد أثناء فترات انقطاع المركبات وإعادة تزامنها.
تطبيقات تجديد الطيار الآلي
ولا تشكل القدرات التي يجري تطويرها للطيار الآلي في الغلاف الجوي التدريبات الأكاديمية، وهي مستمدة من احتياجات محددة من البعثات من مستخدمي العلم والتجارة والدفاع الذين يحتاجون إلى مركبات يمكن أن تعمل بشكل موثوق على ارتفاعات قصوى لفترات طويلة.
البحث العلمي والرصد البيئي
وتوفّر منابر العرض العالية نقطة تحول لعلوم الغلاف الجوي، والبحوث المناخية، والمراقبة الأرضية التي تكمل السواتل والأدوات الأرضية، ويجب أن تقوم الطيارات الآلية للمنصات العلمية بتنفيذ أنماط مسح دقيقة على مناطق جغرافية محددة، وتحتفظ أحياناً بموقعها في غضون بضع مئات من المترات لأسابيع في وقت واحد، كما أن مركبات الرادارات الرادارية التابعة للرابطة الوطنية للملاحة الجوية - 2 ومسار الطائرات - 4 هي أمثلة على طائرات مجهزة تعمل على ارتفاع عال.
الاتصالات السلكية واللاسلكية والتواصل
ويجري تطوير مركبات ستراتوسفيرية كمحطة منصة عالية الارتفاع يمكن أن توفر تغطية خلوية واسعة النطاق للمناطق التي تفتقر إلى الهياكل الأساسية الأرضية، وتثبت شركات مثل لوون (والآن جزء من منطقة عليريا) وهابدة HAPSHBIBI) أن البالونات التي تعمل في الفضاء الجوي والطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية يمكن أن تكون أبراج خلية متنقلة.
طلبات الدفاع والأمن
:: الاهتمام العسكري بمنابر الغلاف الجوي المتقطعة بشأن المراقبة المستمرة، ونفقات الاتصالات، وجمع المعلومات الاستخبارية، وتتطلب هذه التطبيقات طوابير آلية يمكن أن تعمل في بيئات متنازع عليها حيث يمكن تضييق نطاق النظام العالمي لتحديد المواقع، وقد تعطل وصلات الاتصال، وقدرة على الملاحة باستخدام أجهزة تتبع النجوم ونظم تحديد المواقع، والعمل باستقلالية لفترات طويلة دون اتصال، والتكيف مع معايير البعثة المتغيرة في مجال الطيران، هي كلها قدرات متأصلة في مجال الرقابة على الدفاع.
التحديات في مجال تطوير الطيار الآلي في الغلاف الجوي
وعلى الرغم من التقدم المحرز، لا تزال هناك تحديات كبيرة، فالطبقة الاستراتوسفيرية مكان صعب للطيران، ويجب أن تتنافس النظم الآلية مع الظروف التي تختبر حدود المعدات والبرامجيات على السواء.
آثار الإشعاع على الملاحة الجوية
وفي ارتفاعات الغلاف الجوي، يوفر المجال المغناطيسي للأرض حماية أقل من الإشعاع الكوني والظواهر الجسيمية الشمسية من مستوى سطح البحر، ويمكن أن تتسبب الاضطرابات التي تحدث في المايكرويكات الدقيقة في فساد الذاكرة، أو تحطم المجهزات، أو نواتج التحكم غير الصحيحة، وتتوفر المكونات المحتوية على الإشعاع، ولكنها مكلفة وغالبا ما تستخدم أجزاء من تصميمات الهواء الطلقة في عملية التصويت.
فعالية سطح الجليد ومراقبته
إن تكوين الجليد على سطح السيطرة ونظم الدفع يشكل خطراً على جميع الارتفاعات، ولكنه يثير إشكالية خاصة في الغلاف الجوي حيث يمكن أن تكون درجة الحرارة أقل بكثير من التجميد حتى في الصيف، ويعني انخفاض كثافة الهواء أن حتى كمية صغيرة من الجليد يمكن أن تغير إلى حد كبير الخصائص الهوائية لسطح التحكم، وتشمل بعض الطيارات الآن خامات الكشف عن الجليد التي تتغير نظم التحكم في الجليد وتنشطه.
تقييم النظم المستقلة ذاتيا والتصديق عليها
وبالنسبة للمركبات التي تعمل في المناطق المأهولة بالسكان في الغلاف الجوي، يجب أن تستوفي الطيار الآلي معايير السلامة الصارمة، ولا تزال عملية التحقق من البرامج الحاسوبية المستقلة لصنع القرار والتصديق عليها تشكل مجالاً مستجداً، ونُهج التصديق التقليدية التي تعتمد على إجراء اختبار شامل لجميع الدول المحتملة غير عملية بالنسبة للنظم التي تستخدم الرقابة التكييفية أو التعلم الآلى، ويجري تطوير أساليب جديدة تستند إلى التحقق الرسمي، والرصد المستمر، والتأكيد الذاتي، ولكنها لم تصل بعد إلى مرحلة التصديق.
الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا التشغيل الآلي في الغلاف الجوي
ومن المرجح أن يتضمن الجيل القادم من الطيار الآلي في الغلاف الجوي عدة تكنولوجيات ناشئة لا تزال في مرحلة البحث، وتعود هذه التطورات بزيادة توسيع نطاق تحمل البعثة، وتحسين السلامة، وتمكين التطبيقات الجديدة التي لا يمكن تطبيقها مع النظم الحالية.
Distributed Autopilot Architectures
وتُعدّ الطيارات الآلية الحالية ذات طابع مركزي، حيث إن جميع التجهيزات التي تجري على حاسوب واحد للرحلات الجوية أو مجموعة مقترنة بشدة من الحواسيب الزائدة عن الحاجة.() ويُمكن للهياكل الموزعة التي تستخدم عقدا متعددة لتجهيز المركبات ترتبط بشبكة عالية النزاهة أن تحسن من التسامح إزاء الأخطاء وأن تسمح للسيارة بطرح مهام غير أساسية مع الحفاظ على قدرة التحكم الحرجة، ويشبه هذا النهج نظم مراقبة الرحلات الموزعة التي يجري تطويرها لمركبات الحضرية للتنقل الجوي، ولكن تكيفة حسب ما هو فريد.
التعلم في الرحلات الجوية والتكييف النموذجي
وبدلا من استخدام شبكات عصبية مدربة مسبقا لا تزال ثابتة أثناء الرحلة، يمكن للآلات الآلية في المستقبل أن تستكمل باستمرار نماذجها الداخلية القائمة على التجربة في التحليق، مما سيتيح للسيارة أن تتكيف مع التغيرات في هيكلها الخاص، مثل تراكم الجليد أو تدهور سطح السيطرة، دون أن تتطلب معرفة مسبقة بتلك النماذج المحددة للفشل، ويضمن التحدي أن تكون عملية التعلم في حد ذاتها مستقرة ولا تؤدي إلى سلوكيات غير آمنة.
الاستقلالية التعاونية للسواحل والشحنات
وهناك العديد من التطبيقات المقترحة في مجال الفضاء الجوي تشمل مركبات متعددة تعمل معا كحزام أو مجموعة، حيث أن تنسيق تحركات العشرات أو المئات من المركبات التي تفصل بين مئات الكيلومترات وتعمل في مختلف ميادين الرياح يمثل مشكلة رقابة معقدة، فالألوية التعاونية التي تتواصل مع بعضها البعض وتكيف خطط رحلاتها يمكن أن تحافظ على التكوينات الأرضية اللازمة لتحقيق أهداف التنسيق بين أجهزة الرادار الاصطناعية أو المناطق المتصورة الواسعة النطاق.
الخلاصة: الاستقلال الذاتي في عصر الغلاف الجوي
وتفتح الابتكارات في مجال التكنولوجيا الآلية الستراتوسفير أمام العمليات المستمرة المستقلة التي كانت في السابق مجال السواتل أو الطائرات المطهرة التي كانت محدودة بالتحمل البشري، وتضع مزيجا من التحكم التكييفي القائم على مبادرة " آي " ، والملاحة المتعددة أجهزة الاستشعار، والقدرة الذاتية، والإدارة الحرارية، وتنتج الاتصالات التي تتأخر في تحمل تكاليفها نظما يمكن أن تحافظ على قدرة المركبات على الاستمرار لأيام أو أسابيع، بل وحتى على ارتفاع يتجاوز 18 كيلومترا.
وينطوي المسار إلى الأمام على حل التحديات المتبقية المتمثلة في الحوسبة المسببة للإشعاع، وكشف الآيس كريم والتخفيف من آثاره، وإصدار شهادات النظم المستقلة، وبما أن هذه التحديات تعالج، فإن الغلاف الجوي الممتد سيصبح بيئة تشغيل روتينية للمركبات غير المكشوفة، وستستمر الطيارات الآلية التي توجهها في التطور نحو مزيد من الاستقلالية والموثوقية، وتبني جهود البحث والتطوير الجارية حاليا الأساس لجو مستقبلي يكون فيه الطيران عند حافة الفضاء الأدنى روتينا.