التحديات الهندسية في تطوير نظم الأراضي المستقلة ذاتياً لسطح الكوكب

The High-Stakes Context of Planetary Landing

كل مهمة هبوط كوكبية تمثل مقامرة ضخمة حيث النجاح أو الفشل يتوقف على بضعة دقائق من صنع القرار المستقل

ويتطلب تطوير هذه النظم ضخ هندسة فضائية جوية، وآليات، ورؤية حاسوبية، ونظرية مراقبة في الوقت الحقيقي، ويجب أن تبحر المركبة في أرض مجهولة، وأن تعدل مسارها في الوقت الحقيقي، وأن تنفذ سلسلة زمنية محددة بدقة من عمليات التنقيب عن المظلات، والتشغيل المظلي، والضغط الرجعي، وكلها بدون تدخل بشري، وتدرس هذه المادة التحديات الهندسية الأساسية التي تحدد هذا الميدان والطرق التكنولوجية التي تمهددها.

"الدخل، (ديسنت) و "مُتعاقب الهبوط

ويقتضي فهم التحديات الهندسية فهماً أولياً لتسلسل EDL الذي يجب على كل مهبط كوكبي أن ينفذه، وبينما تختلف التفاصيل حسب الوجهة وتصميم المركبات، فإن المراحل الأساسية تظل متسقة، وتبدأ مرحلة الدخول عندما تضرب المركبة الفضائية قمة الغلاف الجوي، وترمي بسرعة المدار من خلال التكفير الهوائي، وتأتي مرحلة الهبوط بعد ذلك باستخدام المظلات أو المدافع لتباطؤ المركبة.

وتفرض كل مرحلة شروطاً متميزة على نظام الحكم الذاتي، ويجب على المركبة أثناء دخولها أن تدير التدفئة والتفشي الهوائيين المتطرفين، ويجب عليها، أثناء النسب، أن تنشر المظلات على الارتفاع والسرعة الصحيحين، ويجب عليها أثناء الهبوط أن تقوم بكشف المخاطر وتجنبها أثناء إدارة استهلاك الوقود، كما أن هامش الخطأ في أي من هذه المراحل هو الحلاقة، ويجب على النظام المستقل أن يعالج كل سيناريو يمكن أن ترسمه عليه البيئة.

التحديات الهندسية الرئيسية

1 - الظروف البيئية الضارة

إن أسطح الكوكب تهيئ الظروف البيئية المعادية لكل من المعدات والبرامجيات، ففي المريخ، يمكن أن تتأرجح درجات الحرارة على السطح من - الظل -1: الظل - 40؛ وجيم خلال الليل إلى 20 وحدة، وثانية في اليوم القريب من خط الاستواء، والغلاف الجوي رقيق، وأقل من 1 في المائة من الضغط الأرضي، ولكن لا يزال قادرا على توليد عواصف غبارية على نطاق الكوكب يمكن أن تدوم الأسابيع الماضية.

(ب) إن إدارة المبيدات هي شاغل رئيسي، فالالكترونيات التي تعمل بشكل موثوق في مختبر في درجة حرارة الغرفة يمكن أن تفشل بشكل كارثي عندما تتعرض للتدوير الحراري في ليلة مارثية أو باردة في ظل القمر، ويجب على المهندسين تصميم نظم تدفئة، والعزل الحراري، والوحدات الحرارية التي تُقيَّم في إطارها بالنسبة لمجموعات الترددات القصوى.

الغبار المريخي محمل بالكهرباء، ودقيقة جداً، وغطاء كهربي، وهى تطفو على الألواح الشمسية، وتقلل من إنتاج الطاقة، وتسلل إلى المفاصل الآلية، و الفقمات، وأثناء الهبوط، يمكن لسباكة محرك السحب أن تخفف من كميات هائلة من الغبار

Radiation] is a less visible but equally serious threat. Without a fish atmosphere or magnetosphere, the surface of Mars and the Moon receives significant doses of galactic cosmic rays and solar particle events. This radiation can cause single-event disturbs in electronics, corrupting memory or causing processors to impact radiation, Autonomous landing systems, which require reliable

2 - الملاحة والتوجيهات الأساسية

إن مشكلة الملاحة في الهبوط الكوكبي تختلف اختلافا جوهريا عن الهبوط الأرضي الذي توجهه الشبكة العالمية لتحديد المواقع، وعلى الأرض، يعرف طائرة بدون طيار أو طائرة موقعها داخل متر بفضل الملاحة الساتلية، وعلى المريخ أو القمر، لا توجد شبكة لتحديد المواقع، ويجب على المركبة أن تحدد موقعها وسرعة استخدامها في أجهزة الاستشعار على متن السفن، ثم تحسب المسار المطلوب للوصول إلى موقع هبوط آمن.

إن تقديرات الدول تجمع بين البيانات من أنواع متعددة من أجهزة الاستشعار، ووحدات القياس غير المباشر توفر بيانات سريعة وبيانات معدلية غير عادية، ولكن يمكن للكاميرات الضوئية أن تتبع الملامح السطحية لتقدير الحركة، ولكنها تحتاج إلى قدر كاف من الإضاءة وميزات مميزة.

(ج) إن الملاحة النسبية في التمرين (TRN) قد ظهرت كتقنية حرجة للهبوط الدقيق، وتعمل شبكة (تراين) بمقارنة صور السطح في الوقت الحقيقي مع خرائط مدارية محملة مسبقاً، ويحدّد النظام الحفريات أو الحواف أو علامات الهبوط الأخرى ويقارن موقع المركبة فيما يتعلق بها.

(أ) يمكن أن يُضاف إلى ذلك مستوى آخر من التعقيد، حيث يمكن للسيارة أن تحدد الصخور والمنحدرات وغيرها من المخاطر في منطقة الهبوط وأن تعدل مسارها لتجنبها، وهذا يتطلب تجهيز صور بسرعة عالية وتصنيف أنواع التضاريس واختيار موقع آمن للكشف عن المخاطر؛ وكل ذلك يهبط إلى مئات من محركات التزلج.

3- محدودية الاتصالات مع الأرض

ولعل أهم القيود التي تواجه نظم الهبوط المستقلة هي تأخير الاتصالات بين الأرض والكوكب المستهدف، إذ يتراوح هذا التأخير بين 4 و 24 دقيقة حسب المواقع النسبية للكواكب، وبالنسبة للبعثات إلى الكواكب الخارجية أو الكويكبات، يمكن أن يكون التأخير ساعات، وهذا يعني أن السيطرة البشرية في الوقت الحقيقي مستحيل، ويجب أن يتخذ نظام الهبوط جميع القرارات الحاسمة باستقلالية، دون إمكانية التدخل البشري أو تجاوزه.

(ب) يتطلب اتخاذ القرارات دون أن يكون لها طابع مستقل ] النظام لمعالجة كل حالة طوارئ يمكن توقعها، وكذلك تلك التي لا يمكن توقعها، ويجب أن تتضمن البرمجيات الموجودة على متن الطائرة أشجاراً لاتخاذ القرارات في سيناريوهات الإجهاض، وظروف الدخول الآمنة، وقابلية التشغيل المتدهورة، وإذا فشل جهاز الاستشعار أثناء النسب، يجب أن يكون النظام قادراً على إعادة تشكيل حله الملاحي باستخدام ما تبقى من أدوات.

كما أن تأخير الاتصالات يؤثر على هيكل المركبة الفضائية ، وعلى هيكل البيانات ، ويجب أن تكون القيادات المرسلة من الأرض مجهزة كتسلسلات تنفذها المركبة بشكل مستقل، وقد يسجل قياسها عن بعد ويعاد إرسالها بعد الهبوط للتحليل، ولا يستطيع المهندسون على الأرض أن يروا ما تراه المركبة في الوقت الحقيقي.

أما بالنسبة للبعثات التي تتجه إلى القمر، فإن الوقت الضوئي في اتجاه واحد لا يتجاوز 1.3 ثانية، مما يفتح إمكانية الإشراف على الإنسان في وقت قريب من الواقع، غير أن البعثات القمرية لا تزال بحاجة إلى نظم مستقلة لأن وصلة الاتصالات يمكن أن تقطعها الهندسة المدارية أو ظل التضاريس، وتعتزم بعثات ارتميس المقبلة استخدام مزيج من النظم المستقلة والرصد البشري عن بعد، مع الحفاظ على قدرة النظام على إكمال الرابط المستقل.

الابتكارات التكنولوجية والحلول الهندسية

أجهزة الاستشعار المتقدمة وأجهزة الاستشعار

وتعاني نوعية نظام الهبوط المستقل من محدودية أساسية من حيث نوعية أجهزة الاستشعار التابعة له، وقد أدت التطورات الأخيرة في تكنولوجيا الاستشعار إلى تحسين كبير في دقة وموثوقية الملاحة على متن السفن، ويجري تطوير نظم فلاش ليدار التي تلتقط صورة كاملة من الأرض في نبض واحد، لكشف المخاطر، ويمكن لهذه أجهزة الاستشعار أن تحل سمات صغيرة مثل بضعة سنتيمتر من ارتفاعات عدة كيلومترات، توفر منطقة مستقلة.

يمكن للكاميرات المتعددة الأطياف أن تحدد أنواع التضاريس التي قد لا تكون مرئية في ضوء مرئي، مثلاً، المناطق التي تُعادل فيها الأرض بشكل غير مرئي، ولكنها غير مناسبة للهبوط، فالتحليل المتعدد الأطياف يمكن أن يميز بين حجر الأساس الصلب والتربة المدمجة والغبار السائب، مما يسمح للنظام باختيار موقع فضائي أكثر أماناً.

(أ) تجمع بين البيانات الواردة من LIDAR، والكاميرات، وأجهزة التأشيرات الرادارية، ووحدات الرصد الدولي، في حل متماسك وحيد، وتُستخدم أجهزة قياس رشح الجسيمات ومرشحات الجسيمات عادة، وتُوسع لتشمل الديناميات غير الخطية للهبوط الكوكبي، والتحدي الهندسي هو تنفيذ عملية التجهيز المكثف لبوابات الألغازية في الرحلات الجوية.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

فالتعليم الماكنة يغير قدرات نظم الهبوط المستقلة، ولا سيما في مجالات تصنيف الأراضي وكشف المخاطر، إذ تتطلب نُهج الرؤية التقليدية في الحاسوب أجهزة كشف سمات ذات تصميم يدوي تعمل بشكل جيد في ظروف محددة، ولكنها قد تفشل في ظروف غير متوقعة للإضاءة أو السطحية، ويمكن أن تتعلم نماذج التعلم العميق، التي يتم تدريبها على مجموعات كبيرة من الصور السطحية الكواكبية، تحديد المخاطر بمزيد من الدقة والقوة.

(ب) تم تطبيق الشبكات العصبية الكونغولية على مشكلة تحديد مخاطر الهبوط في الوقت الحقيقي، ويمكن تدريب هذه الشبكات على الصور المدارية من البعثات السابقة للتعرف على الصخور والرافعات والمنحدرات، ويتمثل التحدي في جعل هذه الشبكات صغيرة وسريعة بما يكفي لتشغيلها على معدات الطيران.

Reinforcement learning ] offers a path toward systems that can adapt their landing strategies in real time based on conditions encountered during descent. A reinforcement learning agent can be trained in simulation to select the safest landing site, optimize fuel consumption, or manage sensor failures.

تصميم برامجيات صلبة

يجب أن تصمم الأجهزة التي تُسكن وتُعطي نظام الهبوط المستقل لكي تنجو من الظروف القصوى لدخول الكواكب وهبوطها، وبغض النظر عن التحديات الحرارية والإشعاعية التي سبقت مناقشتها، يجب أن تصمد الأجهزة أمام الصدمات الميكانيكية لنشر المظلات، والإشعال الرجعي، والأثر الأرضي، وقد صُمم نظام الهبوط المتصاعد، على سبيل المثال، لمعالجة انحرافات مرحلة ما يصل إلى 10 غم خلال فترة الانتقال.

وعادة ما تكون النظم الفرعية الحرجة مكررة، مع نظام الدعم القادر على السيطرة على النظام الأساسي، قرار ماكر تكرار ما يمكن قبوله كفشل من حيث البرمجيات، هو أحد أكثر البرمجيات صعوبة في التعامل مع الهندسة،

(أ) التأهل الميسر [(FLT:1]) عملية صارمة، ويجب أن يكون كل عنصر إلكتروني يستخدم في نظام الهبوط الكوكبي مؤهلاً لبيئة الإشعاع المحددة، ونطاق درجة الحرارة، وموجزات الاهتزاز التي سيواجهها، وهذا يعني في كثير من الأحيان استخدام المكونات القديمة المثبتة بدلاً من آخر قطع تجارية غير مباشرة، والفجوة بين القدرات الحاسوبية للأجهزة ذات الكفاءة في قيادة الرحلات الجوية.

الاختبار والتقدير: الطريق إلى الاستعداد للرحلة

إن اختبار نظام الهبوط المستقل أمر صعب بشكل فريد لأن النظام الكامل لا يمكن اختباره إلا في ظروف تقارب البيئة المستهدفة، وعلى الأرض، لا يمكننا أن نستنسخ الغلاف الجوي الرقيق للمريخ أو فراغ القمر بطريقة تسمح للمهبط على نطاق كامل بتنفيذ سلسلة كاملة من EDL، ولذلك يجب على المهندسين الاعتماد على مزيج من اختبار المكونات واختبارات النظم الفرعية والتقدير المتكامل.

(أ) يربط اختبارات الحرق ((FLT:1)) أجهزة الطيران الفعلية ببيئات المحاكاة التي توفر مدخلات استشعار واقعية، وتُحفّز عمليات حاسوب الطيران على وحدة التفتيش المشتركة، والكاميرات، والبيانات الرادارية كما لو كانت تهبط إلى المريخ، وتستجيب المحاكاة للأمرين اللذين يولدان سيناريوهات واسعة النطاق، مما يخلق حلقة مُغلقة.

(أ) إجراء اختبارات للهبوط واختبارات للرحلات الجوية [(FLT:1]) أقرب تقدير لظروف الهبوط الفعلية، وأجرت ناسا العديد من اختبارات الهبوط المستقل باستخدام طائرات الهليكوبتر ومركبات الاختبار ذات القدرة الصاروخية، وأظهر مشروع مورفيوس كشف المخاطر المستقل والهبوط باستخدام مركبة صقلية عمودية وهبوطية، مما أتاح التحقق من صحة الأجسام المحتوية على مقياس للطائرات التي أجريت في وقت لاحق.

(أ) تُستخدم الهندسة النُظمية القائمة على النموذج بشكل متزايد لإدارة تعقيدات تطوير نظام الهبوط المستقل، وتُطوّر نماذج رسمية لسلوك النظام وتحلل لتحديد أساليب الفشل المحتملة والتحقق من خصائص السلامة، ويمكن استخدام هذه النماذج لتوليد حالات اختبار تلقائياً، وضمان أن تكون عملية الاختبار شاملة وقابلة للتتبع لمتطلبات النظام.

الاتجاهات المستقبلية والقدرات الناشئة

وسيشهد العقد القادم توسعا هائلا في قدرات الهبوط المستقلة، مدفوعا بخطط الاستكشاف الطموحة التي وضعتها ناسا، ووكالة الفضاء الأوروبية، ووكالة الأمن الوطني، والكيانات التجارية، ويهدف برنامج آرتيميس إلى إقامة وجود بشري مستمر على القمر، مما يتطلب نظما للهبوط يمكن أن تسلم البشر والبضائع إلى مواقع متنوعة ذات دقة وموثوقية عالية، وستتطلب حملة عودة ملاذات المريخ نظما للهبوط يمكن أن تحدد أماكنها وتسترد عينات التي جمعها.

Adaptive landing systems] will move beyond pre-planned trajectories to dynamically optimize their landing approach based on real-time conditions. A future lander might alter its descent profile to avoid a dust storm, select a different landing site based on updated hazard detection, or adjust its fuel consumption to account for expected atmospheric advances realimity online.

Multi-agent coordination] will enable new mission structures. A mothership might deploy multiple small landers that communicate with each other during descent, sharing sensor data and coordinating their landing locations. This approach could enable the exploration of multiple sites in a single mission, such as deploymenting a network of seismometers across a planetary surface or distributing scientific instruments to sample diverse

(أ) أن تستخدم الموارد في الموقع [(IRU)] ستفرض مطالب جديدة على نظم الهبوط، وتحتاج البعثات التي تخطط لاستخدام الموارد المحلية لإنتاج الوقود أو تشييده إلى نظم هبوط يمكن أن تعمل بالقرب من الأصول المجهزة مسبقاً، مما يضيف متطلبات الهبوط الدقيق مقارنة بالمعالم المعروفة على السطح وللنظم التي يمكن أن تعمل بصورة مستقلة في بيئات معقدة ذات عناصر متعددة من الهياكل الأساسية.

إن التحديات الهندسية لنظم الهبوط المستقلة ليست مجرد مشاكل تقنية يتعين حلها مرة واحدة ثم نسيانها، وكل وجهة جديدة من البعثات، وكل تصميم جديد للمركبات، وكل هدف علمي جديد يدفع حدود ما يجب أن تحققه هذه النظم، ويستمر هذا الميدان في التطور بسرعة، مع إحراز تقدم في تكنولوجيا الاستشعار، والاستخبارات الاصطناعية، وإتاحة إمكانيات جديدة لعلوم المواد، وستكون النتيجة أكثر قدرة وموثوقية يمكن أن تُوصل حمولاتها بأمان إلى المواقع الأكثر إثارة للاهتمام والتحدى في جميع أنحاء النظام الشمسي.