إن الجهد الرامي إلى إعادة توجيه الكويكب يمثل تحولا أساسيا في علاقة الإنسانية بالنظام الشمسي، فطوال عقود، كانت الأجسام الصغيرة أجساما ذات فضول علمي نقي، والآن، مع نضج الملاحة والدفع في الفضاء العميق، أصبحت أهدافا محتملة للتخفيف من آثار تغير المناخ واستخدام الموارد، وكثيرا ما تؤدي هذه المركبات الفضائية إلى دفع الهندسة إلى مناطق غير مأهولة، مما يتطلب تفاعلا بين الأجهزة الآلية يمكن أن يعمل في دورة الجاذبية الصغرية القصوى.

وتمتد التحديات الهندسية إلى كل انضباط: من تصميم البعثات والدفع إلى التوجيه والملاحة والمراقبة وعلوم المواد، وتتطلب الحلول الانتقال إلى ما يتجاوز تصميم المركبات الفضائية التقليدية إلى نظام يجب أن تهبط فيه المركبة الفضائية أو تقبض عليها أو تدفعها أو تغير مسارها من جسم سماوي بملايين الكيلومترات من الأرض.

" دلتا - في " ، ميكانيكية تصميم البعثة وميكانيكية المدار

فالتحدي الهندسي الأول ليس ميكانيكياً بل المداري، إذ يتطلب إعادة توجيه الكويكب تغييراً محدداً في السرعة (دالتا - 5) طبق في نقطة محددة في مداره، وتقضي الرياضيات التي تنطوي عليها مشكلة الجسم غير المترجم بأن بعض الكويكبات أسهل بكثير من غيرها، كما أن المركبات الفضائية المصممة من أجل بعثة إعادة توجيه يجب أن تتطابق أولاً مع خطى النجم مع هدفها، الذي يؤدي في كثير من الأحيان إلى سنوات أخرى.

ويجب على مخططي البعثات أن يقيّموا بدقة الفترة التي تتخلل الأرض والكويكب المستهدف، ونوافذ الإطلاق ضيقة، ويمكن أن يؤدي فقدان النافذة إلى تأخير مهمة ما قبل سنوات، وعندما تكون المركبة الفضائية في محطة، يجب أن تنفذ المناورة المعاد توجيهها، ويضع فريق استشاري لتخطيط البعثات [FPAG] [FceptLT:1] في إطار سيناريو لجنة استخدام الفضاء الخارجي في الأغراض السلمية.

ومعادلة الصواريخ هي الخصم الرئيسي هنا، ولإحداث تغيير ذي مغزى في مسارات الكوكب المليوني طن، يجب أن تكون المركبة الفضائية إما تحمل كتلة رد فعل ضخمة (محرك الكيمياء) أو تستخدم نظما شديدة الحفز محددة للغاية، والمقايضة الهندسية بين أجزاء كبيرة ومدة البعثة هي التوتر المركزي لأي هيكل لإعادة توجيه الكويكبات.

Propulsion at the Edge of Physics

ويحدد نظام الدفع نطاق بعثة إعادة توجيه، ويجب على المهندسين أن يختاروا بين القوة الشرسة للصواريخ الكيميائية وكفاءة النظم الكهربائية أو النووية، التي تنطوي على عقبات إنمائية متميزة.

النظم الكيميائية العالية الصخور

أما بالنسبة للبعثات التي تتطلب انفصالا سريعا مثل الصواريخ الكيميائية ذات التأثير الحركي فلا تزال هي المعيار، فنظم القاذورات ذات العجلات العالية توفر قدرة موثوقة على إعادة التشغيل ونسب عالية من الدافع إلى الوزن، غير أن مشكلة الكفاءة الجماعية هي مشكلة شديدة، إذ أن المركبات الفضائية التي تستخدم الدافع الكيميائي لضغط الكويكب الكبير ستحتاج إلى قوة دفع كبيرة من الناحية العملية.

ارتفاع الكفاءة في الإنتاج

إن الدفع الكهربائي هو خط الأساس الحالي لمفاهيم إعادة التوجيه الأكثر تقدما، بما في ذلك جرار الجاذبية وطرق الدفع البطيئة، ومحركات الدفع الأيونية (مثل جهاز الـ (إنكس تي أو تي 6 التابع لوكالة الأمن الوطني) وأجهزة الدفع المزودة بموجات الهالوية، تقدمان دفعات محددة عالية الحجم أكثر من المحركات الكيميائية، مما يسمح للمركبات الفضائية بأن تحمل دفعة أقل بكثير بينما تقدم دفعة عالية على مدى فترة طويلة.

التحدي الهندسي مع الضغط الكهربائي، يجب أن تكون صفائف الطاقة الشمسية في الفضاء العميق ضخمة لتوليد الكيلوات اللازمة للمدافعين، ومع ذلك يجب أن تكون خفيفة الوزن وقابلة للانطلاق، فمصادر الطاقة النووية (الأجهزة الكهربية أو المفاعلات الانشطارية) توفر طاقة أكثر اتساقا، ولكن يجب أن تضيف عقبات كبيرة وتعقيدية وتنظيمية، بالإضافة إلى أن انخفاض قوة الضغط في EP يعني أن المناورة البشرية تحافظ على شهور أو سنوات.

المفاهيم النووية المتقدمة

() إن التكاثر الحراري النووي (NTP) والضغط الكهربائي النووي (NEP) هما الحنجرة المقدسة لبعثات إعادة توجيه الكويكبات الثقيلة، ولا تستخدم هذه الهيئة مفاعلا نوويا لأجهزة الدفع الحراري (المتولدة عادة) في درجات حرارة عالية للغاية، مما يوفر زخما عاليا بقدر أكبر من الكفاءة من الصواريخ الكيميائية.

نظام التوجيه والملاحة والمراقبة على مركبة فضائية من طراز الكويكبات لإعادة توجيهها يجب أن يعمل في أكثر البيئات تعقيداً المعروفة بالهندسة المركبات الفضائية، خلافاً لكوكب أو قمر كبير، فإن حقل الجاذبية الخاص بالستيرويد غالباً ما يكون غير منتظم وضعيف الشكل قبل وصول المركبة الفضائية.

نظام الجاذبية الصغيرة

إن الكويكبات ليست مجالات مثالية، بل هي أكوام أو أجهزة اتصال أو أحاديث صلبة ذات كثافة متفاوتة، مما يخلق مجالاً للجاذبية يُسمى " الخريج " ، ولا يمكن التحكم فيه دون رقابة فعلية، فالحل الهندسي هو الاعتماد على نماذج طبوغرافية مفصلة تُبنى في الوقت الحقيقي باستخدام الصور الغامضة ذات الصبغة البصرية.

الملاحة البحرية والأخطار المستقلة

فالتأخر في الوقت الضئيل هو قيد حرج، إذ أن الإشارة من الأرض تبعد عن عشرات الملايين من الكيلومترات، تتطلّب دقائق للوصول إلى المركبة الفضائية، مما يجعل من المستحيل القيام في الوقت الحقيقي بفرح من الأرض، إذ أن إعادة توجيه المركبات الفضائية يتطلب درجة عالية من الاستقلال الذاتي، ويجب على نظام الشبكة العالمية لسواتل الملاحة أن يقوم بحركة تضاريسية، وأن يتتبع السمات السطحية لتحديد موقعه وسرعة جسمه.

والتحدي الهندسي هنا هو الكشف عن المخاطر وتجنبها بشكل قوي، ففي النهج النهائي لمناورة إعادة توجيه (مثل التأثير الحركي أو المرساة)، يجب على المركبة الفضائية أن تحدد المحركات الخطرة والمنحدرات وميادين إعادة الترجيح بشكل مستقل، وقد يتطلب الحدث المتعلق بمنطقة الاتصال السطحي (Touch-and-Go) الذي يُنظم في أوسيريس -ريكس حلقة قرار ثانية واحدة لأجهزة الدفع الحرق إذا كانت المركبة الفضائية معرضة لخطر التفاعل.

The Haptic Interface: Asteroid Interaction Technologies

التحدي الهندسي الأساسي الذي يميز مهمة إعادة توجيه من طائرة عادية أو مدار هو التفاعل الميكانيكي مع الكويكب نفسه كيف تدفع أو تسحب أو ترسو إلى جسم بلا جاذبية تقريبا؟

الأثر الحرفي: النقل العالي التلقائية

(أ) كانت مهمة (ديمورفس) هي أول دليل قاطع على حدوث انحرافات حركية، وكان التحدي الهندسي يضرب هدف (ديموروفوس) بما يكفي من السرعة والكتلة لتغيير مداره حول جسم رئيسي، ونجحت (ديارت) في التحقق من عامل تعزيز الزخم (بيتا)، الذي يُعزى إلى ظهور الإنهيار من التأثير.

Touch-and-Go (TAG) and Surface Interaction

OnSIRIS-REx’s TAG maneuver is a benchmarks in asteroid interaction. The spacecraft extended aroidic arm (TAGSAM) to touch the surface of Bennu, fire a blow of nitrogen gas, and collect a sample. For a redirect mission, a TAG-like maneuver might be used to firmly embed an anchoring tool. The engineering unknowns here are significant:

آليات الانقسام والوضوح

ولتطبيق قوة مستمرة (لجرار الجاذبية أو لوحة الضغط)، يجب أن تكون المركبة الفضائية مثبتة على الكويكب، وقد نشرت هايابوسا2 مهبطا صغيرا استخدم آلية للقفز، ولكن تركيب مركبة فضائية كبيرة مختلف، وقد وضع المهندسون مفاهيم لـ مراسي للسحب (المشاريع التي تطلق في السطح)، ومراسي للدمغات ذات الجاذبية العالية (توزع على الميكروبات)

أساليب غير متماسكة: متعقب الجاذبية

إن جرار الجاذبية حل هندسي بارز يتفادى التفاعل المباشر على سطح الأرض تماماً، إذ أن هناك مركباً فضائياً كبيراً بالقرب من الكويكب، يستخدم جذبه الجاذبية إلى النسيج الحسن للخروط من الكوكب، ولا يتطلب هذا الأسلوب أي مرساة، مما يخفف من خطر الفشل السطحي. والتحدي الهندسي هائل من حيث القوة المحركة وكفاءتها في مجال الدفع.

البقاء على قيد الحياة: المواد، والشحن، والإدارة الحرارية

وتواجه المركبة الفضائية العاملة في حزام الكويكبات أو في رحلات بحرية طويلة بين الكواكب إشعاعاً قاسياً وبيئة حرارية، ولبعثة إعادة توجيه، يجب أن تنجو المركبة الفضائية من هذه البيئة مع الحفاظ على تسامح هيكلي قوي لنظمها النشطة.

دورة الفضاء الحرارية العميقة

ويمكن أن تمضي بعثة إعادة توجيه الكويكبات سنوات في الفضاء بين الكواكب قبل بلوغ هدفها، ويجب على المهندسين الحراريين تصميم نظام يمكن أن ينجو من البرودة الشديدة للفضاء العميق (الخلفية 3 كيلو متر) وكذلك حرارة ضوء الشمس في 1 الاتحاد الأفريقي.

Radiation and Micrometeoroid Protection

(ب) فيما وراء المدار المنخفض، تهيمن بيئة الإشعاع الفضائي على الأشعة الكونية المجرية (GCRs) وعلى الظواهر الجسيمية الشمسية (SPEs) ويمكن أن تفسد أو تدمر الآثار الوحيدة للحدث الإلكتروني، ويستخدم المهندسون مكونات مستمدة من الإشعاع، ولكن هذه المكونات باهظة الثمن ومتخلفة عن الأداء التجاري، أما بالنسبة للبعثات المعاد توجيهها القائمة على الدفع، فإن المركبة الفضائية قد تستخدم مصادر الطاقة النووية.

إن حماية البيوت الصغيرة واليوريتانيوم والحطام هي معيار للهياكل الفضائية، فالدروع الواقية من العجلات، التي تتألف من ورقة " مضخة " رقيقة تُباع بعيدا عن سفينة الضغط الرئيسية، تستخدم لتفريق المؤثرات، وبالنسبة لبعثة إعادة توجيه، فإن خطر إلحاق ضرر بجهاز MMOD بأجهزة الدفع أو نظم رفض الحرارة هو عامل خطر رئيسي في هيكل البعثة.

العنصر البشري: الاستقلال الذاتي، التلّم، الاختبار

ولا يهم مدى تقدم المركبة الفضائية، يتوقف النجاح على الجزء الأرضي، إذ أن البعثات التي تُعيد توجيه الكويكبات هي بعثات غير متصلة، ويجب أن تحدد مسبقاً شبكة الفضاء العميق شهرياً، وتقاس معدلات البيانات بمسافات كبيرة في شكل عصيان للثانية الواحدة.

يجب أن يصمم المهندسون برامج حماية خاطئة موثوقة جداً المركبة الفضائية قادرة على البقاء على بعد ساعات أو أيام بدون تدخل أرضي

اختبار هذه النظم على الأرض هو تحد هندسي في حد ذاته. ]

الاستنتاجات: تحدي النظام المتكامل

إن تطوير مركبة فضائية لبعثة إعادة توجيه الكويكبات ليس مشكلة بناء محرك أو مرساة أقوى، بل هو عملية في مجال الهندسة المتطرفة [(FLT:0]) للنظم ، ويحدّد نظام الدفع الجدول الزمني للبعثة وسرعة الوصول، ويقضي نظام الحافلات العالمية على دقة التداخل أو الميكانيكي الذي يعادل الارتباط.

وقد أعطى نجاح برنامج " DART " والعمليات المستمرة التي يقوم بها معهد بحوث الطاقة المتجددة ومؤسسة هايابوسا2، مهندسين أساساً للبناء عليه، وتعمل الصناعة والوكالات مثل ناسا، ووكالة الفضاء الأوروبية، والشبكة الوطنية لسواتل الملاحة على تطوير الجيل القادم من هذه التكنولوجيات، وتظل التحديات الرئيسية تتمثل في الكفاءة الجماعية والاستقلالية التشغيلية، وفهمنا المحدود لآليات سطح الكويكبات. Every new mission returns data

وفي نهاية المطاف، فإن هندسة مركبة فضائية ناجحة لإعادة توجيه الكويكبات ستحدد بمدى قوتها إلى المجهول، ويجب أن تكون خفيفة الوزن ومرنة هيكليا، ويجب أن تكون مستقلة ومع ذلك تستجيب للقيادات الأرضية، ويجب أن تكون قوية بما يكفي لنقل جبل، وإن كان لطيفا بما يكفي للهبوط على غلاف من الغبار، وأن تحدي هذه التحديات الموازية ستحدد نضج دفاعنا الكوكبي وقدرات الموارد الفضائية في القرن المقبل.