مقدمة: الدور الحاسم لسواتل الاتصالات الفضائية العميقة

فكل ساتل من سواتل الاتصالات الفضائية العميقة هو الحلقة الحيوية بين مستكشفي الأرض والإنسانية البعيدين، إذ أن التواؤم الصوتي، الذي يزيد الآن على ٢٠ بليون كيلومتر من الأرض، ويزيد من سرعة تدفق المواد إلى المريخ والبعثة النفسية التي تتجه إلى الكويكب المعدني، وكل قيادين مرسلة وكل قطعة من البيانات العلمية تعتمد على سلسلة من المواد المصممة والمتنقلة وفقدانات التي تُستخدم فيها

The Distance Dilemma: Signal Delay and Propagation

إن أكثر القيود تعريفا في الاتصالات الفضائية العميقة هو المسافة الهائلة التي يجب أن تسافر بها الإشارات، إذ إن موجة إذاعية تتحرك بسرعة الضوء تستغرق حوالي 1.3 ثانية للوصول إلى القمر، ولكن حوالي 14 دقيقة للوصول إلى المريخ في أقرب نهج لها وأكثر من 20 ساعة للوصول إلى فوياغر 1، وهذا التأخير يشكل أساسا كل جانب من جوانب تصميم السواتل، من حجم الهوائي إلى أجهزة نقل الطاقة، وخطط الترميز، وبروتوكولات العمليات.

خسران في درب السبات الحر و(أنتينا غاين)

ويزداد عدد أجهزة الإرسال من خلال الإشارة إلى النطاق الترددي، حيث ترتفع كثافة الطاقة فيها بنسبة مئوية إلى مربع المسافة، إذ إنَّه بالنسبة لمدار المريخ الذي يتواصل بواقع 8.4 غيغاهيرتز (الطاقة الX)، فإنَّ فقدان الميكروات يتجاوز 270 دهوناً في نطاق نموذجي يبلغ 200 مليون كيلو متر، ولإغلاق هذه الرابط، يجب أن تستخدم السواتل العميقة

درجة الحرارة وتأثيرها على القيادة والتحكم

كما أن عدم وجود نظام للتحكم في الوقت الحقيقي أمر مستحيل، ويجب أن تكون القيادة مجهزة مسبقاً وأن تُحمَّل مسبقاً؛ وتحتاج المشاكل غير المتوقعة إلى انتظار الاتصال ذهاباً وإياباً، مما يدفع إلى الحاجة إلى إلى كشف الأخطاء واستعادة على متن الساتل نفسه.

إدارة الطاقة في الفويد

وكل واط يستهلكه ساتل اتصال فضائي عميق يأتي من مصدر طاقة محدود، فالطاقة المطلوبة لتشغيل جهاز إرسال متناسبة تقريبا مع مكب قطر الهوائي ومربع التردد، مما يجعل ميزانيات الطاقة عاملا رئيسيا في التصميم، وفي مسافات تتجاوز المشتري، ينخفض الإشعاع الشمسي إلى أقل من ٤ في المائة من قيمة الأرض، مما يجعل البعثات تعتمد توليدا بديلا للطاقة.

Solar vs Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs)

أما بالنسبة للبعثات داخل النظام الشمسي الداخلي، فإن صفائف الحاجز الكبيرة من التربة الفوقية هي معيار، أما مركبات الفولاذ في جوبيتر، فرغم تلقيها فقط 1/25 من التدفق الشمسي للأرض، فإنها تستخدم ثلاثة ألواح شمسية ضخمة تزيد على 60 مترا مربعا، غير أن المصفوفات الشمسية، في كثير من الأحيان، تصبح كبيرة بصورة غير عملية.[FLT

ميزانية الطاقة للعمليات المستمرة

ويجب أن تدير السواتل الفضائية العميقة أيضاً القوة أثناء الكسوف (مثلاً عندما يغزو المريخ الشمس) وخلال أحداث المواسرة، وتوفر البطاريات الدعم في حالات الطوارئ، ولكن قدرتها محدودة بسبب القيود على الكتلة ودرجة الحرارة، وتخصص ميزانية الطاقة النموذجية 30 إلى 50 في المائة من مجموع الطاقة المتاحة لنظام الاتصالات، وكثيراً ما ينفذ المهندسون بيانات عن النزاعات في مجال السلع الأساسية [الخامسة:]

نظم التكرار الحراري ونظم الرقابة

الفضاء بيئة حرارية قاسية، ويواجه ساتل فضائي عميق بالتناوب الإشعاع المكثف للشمس (حتى 1.4 كيلوواط/م2 بالقرب من الأرض) والزيرو شبه المطلق من الفضاء العميق، ويمكن أن تنخفض درجات الحرارة خلال الكسوف إلى أقل من 150 درجة مئوية.

المراقبة الحرارية السلبية

ومعظم السواتل الفضائية العميقة تعتمد على التحكم الحراري : يؤدي العزل المتعدد الطوابق إلى الحد من فقدان الحرارة الإشعاعية، في حين أن المعاطف الحرارية (مثل الطلاء الأبيض) إلى إبراز ضوء الشمس، والرسم الأسود للحرارة المشعية) إلى إدارة الطاقة الممتصة.

المواد والتجميعات لأغراض التكيف

فاختيار المواد أمر حاسم، وكثيرا ما تستخدم العناصر الهيكلية البوليمرات المسببة للكربون والمتجددة أو مركب العسل الألومنيوم بالنسبة لنسبة عالية من القوة إلى الوزن، ولكن يجب أن تقترن هذه العناصر بمعاطف مقاومة لتدهور المركبات وتآكل الأوكسجين الذروي (في المدارات المنخفضة) وتتسبب في زيادة الحيز، وتزيد التعرض للإشعاع الكوني والكولدات المجهرية، في ضرورة القيام أيضا بتدمير النقاط الحرارية.

تكنولوجيات الهوائيات في الفضاء العميق

وربما يكون تصميم الهوائي هو أكثر التحديات وضوحاً وتحديداً للبعثة، ويجب أن يوفر الهوائي مكاسب عالية، وأن يشير بدقة، وفي كثير من الحالات، القدرة على العمل في إطارات متعددة الترددات.

مرتفعات الغاين الشاذات

ومعظم السواتل الفضائية العميقة تستخدم هوائياً من الطبقية شبه الانفصالية، ]FLT:0[، وكثيراً ما يتراوح بين متر واحد وثلاثة أمتار في مقياس، مجهزة بتسامح شديد، ويجب أن تكون الدقة السطحية جزءاً من الموجة: بالنسبة لمحطة كا - نقطتين من طراز )موجة ٨( ، يجب أن تكون الانحرافات السطحية أقل من ٥,٥ ملم من طراز RMS.

مرحلتان من طراز آري آنتينا و Beamforming

وتُعد التكنولوجيا الناشئة ] نصف مائي ]، تستخدم عناصر مشعة صغيرة متعددة لتوجيه الشعاع إلكترونياً دون أجزاء متحركة، وتُعرض صفائف الأشعة السريعة (التدهور المجيد إذا فشلت العناصر)، والقدرة على تعقب الأرض بينما تشكل المناورات الساتلية، والارتدادات أعلى تعقيداً، واستهلاكاً للطاقة، وتكلفة.

هدر الإشعاع والاعتماد عليه

وفيما وراء المريخ، فإن الحقل المغناطيسي المشترك بين الكواكب والظواهر الجسيمية الشمسية تخلق تدفقاً من البروتونات عالية الطاقة والكهرباء والأيون الثقيلة، وعلى مدى مهمة متعددة السنوات، يمكن للإشعاع التراكمي أن يحط من شبه الموصلات ويسبب أخطاء في الذاكرة، بل ويضع أجهزة إلكترونية للطاقة.

آثار وميضات المغامرات الوحيدة

(ب) إنَّ التأثيرات الناشئة عن الاضطرابات (العمليات) أو الاختلال المفقود، أو الاختلالات الفاسدة، هي مصدر قلق رئيسي، إذ يُختار المهندسون عناصر مُربَّطة بالإشعاع (في كثير من الأحيان بواسطة عمليات ثنائي القطب أو الارتداد بالسيليكون) ويُنفِّذون إعادة الإرسال ثلاثي المستوى المتوسط (التغيُّر).

التغاضي عن الغير والتسامح

وتتحمل سواتل الفضاء العميق عادة سلاسل اتصالات زائدة تماما: جهازان متطابقان للأجهزة اللاسلكية، وأجهزة الإرسال، وأجهزة هوائيين، وتحتوي المركبة الفضائية " فوياغر " على جهازين لنقل المعلومات وأجهزة استقبال لكل سلسلة، وتتحول إلى نظم احتياطية عدة مرات على مدى بعثاتها التي تمتد إلى 45 سنة، وتشتمل التصميمات الحديثة أيضا على غلطة استخدام أجهزة الموجات الحرارية .[:1].

الجزء الأرضي: وصلة حرجة

القمر الصناعي هو نصف النظام فقط المحطات الأرضية التي تتلقى إشاراته المغمورة لها ذات أهمية متساوية وتتطلب هندسة متطورة.

شبكة الفضاء العميق التابعة لناسا ودورها

The NASA Deep Space Network (DSN) operates three complexes spaced 120° apart (Goldstone, California; Madrid, Spain; Canberra, Australia) to provide continuous coverage as Earth rotger. Each complex features multiple 34-meter-waveguide antenise ins and a 70-meter complvin

ترجمة تقنية لزيادة الوعي

وفيما عدا الـ دي إس إن تقنيات التصفيف المتقدمة - مثل ] التصفيف الكامل المختلط [FSC] و] الدمج على مستوى النسيج - يسمح للمشغلين بزيادة هامش الربط، كما أن استخدام محطات أرضية متعددة في الوقت نفسه يوفر التنوع المكاني ضد مخارج الغلاف الجوي (مثلاً).

الابتكارات بشأن الأفق

ويحفز الطلب المتزايد على الفيديو العالي التعريف من الفضاء العميق، إلى جانب خطط البعثات البشرية إلى المريخ، قفزة في تكنولوجيا الاتصالات.

الاتصالات (العملية)

وتستعمل الاتصالات البصرية شعاعات الليزر في الجزء القريب من الموارد لتحقيق معدلات البيانات التي تزيد بنسبة تتراوح بين 10 و100 مرة عن نظم الترددات ذات الحجم والقوة المتشابهتين، وتستلزم Deep Space Optical Communications (DSOC) إجراء تجربة على موقعي الاسترجاع السريعين من موقعي السحاب المتنقلين من مسافة تزيد على 30 مليون كيلو مترا في عام 2023، مع ذلك، مما يحقق وصلات دقيقة إلى 267.

الاتصال الكمي والتشابك

ويمكن أن يوفر التوزيع الرئيسي الطويل الأجل والكمي للاتصالات المضمونة في جوهرها للبعثات الفضائية العميقة المقبلة، وقد أظهرت التجارب على مدار الأرض )مثل ساتل " صين " ( " ميكوس " ( " QKD " على آلاف الكيلومترات، إذ أن توسيع نطاق هذا ليشمل المسافات بين الكواكب يتطلب معالجة فقدان البث الضوئي والارتباط، بينما لا يزال في المختبر، يحرز تقدم في الذاكرة الكمية والذاكرة.

الاستنتاج: الطريق إلى الأمام

إن تصميم سواتل الاتصالات الفضائية العميقة يظل واحدا من أكثر التخصصات الهندسية طلبا، فكل عنصر - من مصدر الهوائي والطاقة إلى التحكم الحراري والتصعيد الإشعاعي - يجب أن يكون على الوجه الأمثل لبيئة تحد القواعد الأرضية، ومع ذلك فإن الدفع هائل: فكل وصلة اتصال ناجحة تسمح لنا برؤية المزيد، واكتشاف المزيد، ويوم واحد، للحفاظ على الاتصال مع الأطقم البشرية في العالم الآخر.