Table of Contents
إن تطوير مركبات سطحية مستقلة للاستكشاف عن طريق القمر والمريخ يمثل مجموعة فريدة من التحديات الهندسية التي تضغط على حدود الروبوتات وعلوم المواد والهندسة النُظمية، وهذه المركبات التي تُنقل من الكشافات الصغيرة إلى أجهزة نقل البضائع الكبيرة، وهي عوامل لا غنى عنها لمسح الأرض، وإجراء تجارب علمية صارمة، وجمع العينات، وإعداد الهياكل الأساسية للبعثات البشرية، بخلاف النظم المستقلة القائمة على الأرض، والحواجز غير المباشرة التي تُجرى في مجال الاتصالات.
الظروف البيئية الضارة
إن سطح القمر والمريخ من بين أكثر الأماكن التي لا تبشر بالخير في النظام الشمسي، ويجب على المهندسين تصميم مركبات تنجو وتعمل في ظل ظروف تؤدي بسرعة إلى تعطيل المعدات التقليدية القائمة على الأرض.
التغيرات في درجة الحرارة القصوى
على القمر، درجات الحرارة السطحية ترتفع من حوالي 173 درجة مئوية في الليل إلى 127 درجة مئوية خلال اليوم القريب من خط الاستواء، وترتفع درجة الحرارة في المنطقة بشكل طفيف، وتخفض الحرارة في المنطقة الحرارية، وتحافظ على المواد الكهربائية ذات السعة الحرارية، وأجهزة التحكم في الحرارة، والمواد الكهربائية الخفيفة، والكهربائية.
الإشعاع والفاكه
فبدون أجواء وقائية، يستقبل سطح القمر إشعاعا شمسيا وكونيا غير متكرر، ويتمتع المريخ بجو رقيق يوفر بعض الدرع، ولكن مستويات الإشعاع السطحي لا تزال أعلى بكثير من مستوياتها على الأرض، فخلال مدة البعثة التي تقاس في السنوات، يمكن أن يؤدي الرفض التراكمي إلى تدهور الأجهزة الإلكترونية، ويسبب اضطرابا في المجهزات، ويؤثر على الممتلكات المادية.
الدوق الأبجدي والريث
إن إعادة تأجير القمر حادة وشبه زجاجية وبطيئة الكهربية بسبب تفاعلات الرياح الشمسية، والغبار المريخي سليم، وثري أكسيد الحديد، ويمكن أن يصبح محمولا جوا في الشياطين الغبارية، ويتسبب نوعا من الجسيمات في ارتجاج شديد على الأجزاء المتحركة، والأختام، والألواح الشمسية، وتشمل المواد المحتوية على غبار ملوث في أجهزة التنظيف.
التأثيرات المتناهية الصغر
ويفتقر القمر إلى الغلاف الجوي، ولا يوجد سوى سطح رقيق، لذا فإن السطحين يخضعان لتأثيرات على ميكروميتيوميك، وفي حين أن احتمال حدوث ضربة ضارة منخفض على بعثة نموذجية، ومركبات ذات مكونات معرّضة، مثل أجهزة الإشعاع، والصفائف الشمسية، والأدوات العلمية التي تحتاج إلى تصميمها مع تحمل التأثيرات، يستخدم الكثير من الدوارات دروعاً شبيهة بالدروع في أكثر المناطق ضعفاً، ويضع نظماً للحماية.
إدارة إمدادات الطاقة والطاقة
ومن مصادر الطاقة الموثوقة مدى الحياة لأي مركبة مستقلة، ويؤثر اختيار نظام الطاقة على الكتلة والتكاليف ومدة البعثة والقيود التشغيلية.
تحديات الطاقة الشمسية
فاللوحات الشمسية هي أكثر مصادر الطاقة شيوعا للطوابق السطحية، ولكنها تواجه عقبات كبيرة على سطح القمر والمريخ، ففي ليلة طولها ١٤,٥ يوما، لا تعني أي طاقة شمسية لمدة نصف كل شهر، وفي الحفر القطبية التي تكون مرشحة لثلج الماء، فإن الظل الدائمة تحجب ضوء الشمس تماما، وفي المريخ، يمكن أن تحجب العواصف الغبارية العالمية ما يصل إلى ٩٩ في المائة من ضوء الشمس لأسابيع الثمالة، مما يجعلها الشمس تقريبا لا تستخدم.
بدائل الطاقة النووية
أما بالنسبة للبعثات التي تتطلب تشغيلا مستمرا خلال ليال طويلة أو عواصف غبارية، فإن نظم الطاقة النظائرية المشعة مثل المولدات الكهربائية الحرارية التي تستخدم في النظائر المشعة هي حل مثبت، كما أن مجموعات الطاقة الكهربائية المزودة بالطاقة الحرارية قد تحول الحرارة من البلوتونيوم - ٢٣٨ إلى كهرباء، وتوفر الطاقة الثابتة لعقود، وتستخدم مخلفات التبريد في إطار نظام متعدد الأطراف لرصد الطاقة الكهربائية، وتزودها بمقياس للجرعة القصوى للترددات.
تخزين الطاقة وإدارتها
وحتى مع وجود مصدر ثابت للطاقة، فإن تخزين الطاقة أمر حاسم لمعالجة الحمولات القصوى أثناء أنشطة الحفر أو الرفع أو الاتصال، وتصدر البطاريات الليثيومية معيارا، ولكن يجب أن تكون مكيفة حراريا لمنع الفشل في البرد الشديد، وتتلقى الكيمياء المتقدمة، مثل البطاريات الصلبة أو سلف الليثيوم، وينطوي على نظم أعلى في مجال الطاقة، وتعطيل درجات الحرارة على نطاق أوسع.
الملاحة والاتصالات
والملاحة المستقلة في عالم آخر تختلف اختلافا جوهريا عن الأرض، وبدون نظام تحديد المواقع، يجب على الدوارات أن تعتمد على عملية ضخ أجهزة الاستشعار وتجهيزها على متن السفن.
تحديد المواقع ورسم الخرائط
ويقرر الخواتم موقعهم عن طريق الجمع بين أجهزة قياس العجلات ووحدات القياس غير المباشر، والمسح الضوئي باستخدام الكاميرات، ويمكن تنقيح الموقع بواسطة الترايك مع السواتل المدارية مثل مركب المريخ، ولكن الموصلات المتحركة للتحكم في التراب، ولكن الخارطة المتحركة تواجه تحديا مماثلا:
التأخير في الاتصالات وعلم النفس
وتستغرق الإشارات اللاسلكية حوالي ٢,٥ ثانية للسفر من الأرض إلى القمر، و ٤ إلى ٢٤ دقيقة للوصول إلى المريخ، حسب المواقع المدارية، ومن المستحيل التحكم عن بعد في الوقت الحقيقي، ومن ثم يجب أن تكون المركبات ذات درجة عالية من الاستقلال الذاتي: ويجب أن تكون قادرة على تخطيط الطرق، وكشف المخاطر، وتنفيذ التسلسل العلمي، والاستجابة للأخطاء دون انتظار التعليمات.
تجنب العائق وحوادث التضاريس
فالحواف تبحر عبر التضاريس الصخرية والمنحدرة واليسرة، وتستخدم كاميرات " ليدار " )على بعض المفاهيم(، وأحياناً تستخدم راداراً مثبتاً بالأرض لتقييم الأرض، وتجهز الحواسيب على متنها هذه العجلات لبناء خريطة للمخاطر واختيار مسار آمن، كما أن نماذج التعلم الماكنة التي يتم تدريبها على الأنابيب الأرضية تساعد على تصنيف أنواع التضاريس )مثل، الترسبات الخبيثة، وتركيب، والتربة، والتربة، والتربة، والتربة، والتربة(.
النظم الميكانيكية والتنقل
ويجب أن يوازن التصميم الميكانيكي لجهاز رصد الأداء وزنه وقوامه وموثوقيته وقابليته للاستمرار، ويخضع كل عنصر للتدقيق في تحقيق وفورات جماعية.
تصميم العجلات والتعليق
وتستخدم العجلات المريخية عجلات معدنية مع أجهزة للقبض، ولكن مركبة العجلات المتحركة من طراز Apollo Lunar Roving Vehicle (LRV) تستخدم عجلات من الطراز الأسلاك التي تتدفق لامتصاص الصدمات، وكثيرا ما تستخدم تصميمات الشحوم الحديثة المضغوطة العجلات المركبة ذات العناصر المتميزة أو المعلّقة التي يمكن أن تقلل من المركبة إلى الاستقرار أو ترفعها إلى التطهير العقب.
نشر الأسلحة والصك
ويحمل العديد من أجهزة الإنذار المبكر أسلحة آلية لجمع العينات أو نشر الأدوات أو إزالة الحطام، ويجب أن يكون الذراع خفيفة الوزن ومع ذلك متشددا بما يكفي للعمل في ظروف منخفضة الخطورة، إذ يلزم تحديد القوة والحدود القصوى لتفادي الأهداف العلمية الضارة، أما بالنسبة للمريخ، فإن نظام التعبئة والربط بالقطعة يستخدم اضطراباً بأدوات متعددة، وسيلزم معالجة الغبار اللوناري في المستقبل من أجل الدوارات الباردة.
الحماية الحرارية للأجزاء المتحركة
ويجب أن تعمل المحركات والتجهيزات والملاجئ في درجات حرارة منخفضة حيث يصبح التشحيم متقلباً أو متماسكاً، ويستخدم المهندسون شحوم خاصة ذات نطاق حرارة واسع، مثل برايكوت، ويدمجون في بعض الأحيان المسخن في مساكن للمحرقة، ويجب على السيول منع حدوث جرعات غبارية مع السماح بالحركة، ويستخدم بعض التصميمات المغناطيسية أو المحركات المكبوتة لتجنب الاتصال بالخلف.
برامجيات وأجهزة الحكم الذاتي
وتقيم المعلومات الاستخبارية عن طريق نظام تقييم الأداء في برامجه، فالاعتماد على الخدمات الصحية والسلامة والقدرة على التكيف هي أمور ذات أهمية قصوى.
عمليات التجهيز على متن السفن
ويحمل الروفر حواسيب مجهزة بالإشعاعات، عادة ما تكون عدة أجيال وراء الأجهزة التجارية، وعلى سبيل المثال، يستخدم المثابرة مجهزاً من طراز RAD750 يعمل في 200 ميغاهرتز، وعلى الرغم من محدودية الأداء، تدير هذه النظم برامجيات متطورة لتجهيز الصور، وتخطيط المسارات، وتحديد الأولويات العلمية، وتتزايد استخدام نماذج التعلم في تحديد الصخور وتصنيف الأرض، وكشف السحابات أو شياطينات الترابية.
كشف الخزنة، والعزل، والانتعاش (المكتب الاتحادي للبحوث المتعلقة بالكشف عن الخزنة)
ونظراً للمسافات الطويلة وحالات التأخير في الاتصالات، يجب أن يكون بوسع الراكبين الكشف عن الأخطاء والتعافي منها بصورة مستقلة، وتشمل أساليب الفشل المشتركة العجلات المعلقة، أو انقطاع الاتصالات، أو شنق البرامجيات، أو إخفاقات الاستشعار، وترصد نظم الاستثمار الأجنبي المباشر المعالم الطبية، وتنفذ استجابات محددة مسبقاً، مثل إعادة تشكيل جهاز استشعار، أو التحول إلى نظام زائد، أو الدخول في نمط آمن.
تدفقات العمل بين البشر والروبوت
وبالنسبة للبعثات مثل أرتيميس، سيعمل رواد الفضاء على نحو مباشر وعن بعد، ويجب أن تدعم البرامجيات أساليب متعددة: التعاون المباشر عن بعد (مع التأخير)، والملاحة عن طريق نقطة الطريق، والطريق المتمتع بالحكم الذاتي الكامل، وينبغي أن توفر وصلات المستعملين الوعي بالحالة السائدة من خلال زيادة العروض الواقعية التي تبين المسارات المخططة، والمخاطر، والأهداف العلمية، كما ستحتاج المركبات إلى استخدام وحدات فضائية متينة ذاتية متينة (ربما باستخدام أجهزة الاتصال عبر النطاق).
الاختبار والتقييم
وقبل البدء، تجري اختبارات واسعة النطاق في بيئات متماثلة، كما يقوم مرفق مركز البحوث التابع لرابطة الدول الأمريكية في غلين بإعادة إنتاج مواد تشحيم وأجهزة محاكاة التربة في مارتيان، كما أن المريخ في مختبر إطلاق النار يحتوي على الصخور والمنحدرات وحفر الرمل، كما أن غرف التحميل الحرارية تُحاكي الفراغات ودرجات الحرارة القصوى.
خاتمة
إن تطوير مركبات سطحية مستقلة للقمر والمريخ يتطلب نهجا متعدد التخصصات يولد علوم المواد، وهندسة الطاقة، والآلات، والاستخبارات الاصطناعية، والإدارة الحرارية، والأوضاع البيئية القاسية، والإشعاع، والغبار، ومهندسي القوى المكنسة، ويتفادى الاختراع في المستقبل للحلول الأرضية.