والإعداد لبعثة إنسانية إلى المريخ هو أحد أكثر الأعمال طموحاً في تاريخ الفضاء الجوي، إذ أن الرحلة تمتد إلى مئات الملايين من الكيلومترات، وتكشف المركبات الفضائية ومكوناتها إلى الإشعاع المتطرف، وتقلبات الحرارة، والإجهاد الميكانيكي المطول، وعندما تكون على سطح المريخ، يجب أن تعمل المعدات في جو غني بالكربون، ويخضع للقصف المستمر بواسطة الأشعة الكونية، وخلال الموسمية.

Unique Environmental Conditions on Mars and During Transit

إن البيئة المريخية تمثل مزيجاً من الإجهادات التي نادراً ما تجد في مكان آخر من النظام الشمسي، وأثناء مرحلة الرحلة، تتعرض المركبة الفضائية لمكنسة من الحيز بين الكواكب، وأشعة فوق البنفسجية الشمسية، وأشعة الجسيمات، ودرجة الحرارة القصوى تتراوح بين 120 درجة مئوية في ظل المركبة الفضائية و120 درجة مئوية في ضوء الشمس المباشر، وحالما تتغيّر البيئة:

فبعد درجة الحرارة والضغط، يُعتبر المريخ مشهوراً بالنسبة لغباره، إذ أن الجسيمات الرجعية الغنية باليوران قد تصبح محملة بالكهرباء ويمكن أن تتشبث بالأسطح، وخلائط الاختتام، وأجزاء نقل الأطقم، وخلال العواصف الغبارية العالمية، يمكن أن تُكبَّن الألواح الشمسية، ويمكن أن يُشدد التد على نظم الحماية الحرارية.

تبسيط الظروف المريخية في دوائر الاختبار

ويشكل إعادة تهيئة كامل طيف الظروف المريخية على الأرض تحديا هندسيا هائلا، إذ تجمع المرافق المتخصصة بين الفراغ والحرارة والقدرات الإشعاعية لتقليص كل من الطوافات البحرية والبيئات السطحية، وعلى سبيل المثال، فإن Jet Propulsion Laboratory’s Mars Yard + تستخدم الغرف الحرارية - الفاكوم التي يمكن أن تصل إلى درجات الحرارة أقل من 106 درجات.

اختبارات الإجازات والضغط المنخفض

ويجب ألا تُخلي غرف الضغط المنخفض الغازات الجوية فحسب بل أن تمنع أيضاً التلوث من الجسيمات الأرضية، وبالنسبة للاختبارات السطحية للمريخ، فإن الغرفة تملأ عادة بثاني أكسيد الكربون في ما يقرب من 6 إلى 10 ملليبار لتكرار الغلاف الجوي الرقيق، وهذا أمر حاسم لاختبار العزلة، وأداء الدروع الحرارية، وسلوك الأختام ومواد التشحيم التي يجب ألا تخرج من الفراغ أو تتحول إلى فراغ.

Cycling and Shock

ويجب أن تصمد المكونات في تغيرات الحرارة السريعة مع انتقال المركبة الفضائية من ضوء الشمس إلى الظل، ويمكن لغرف التدوير الحراري أن تنتج تقلبات عدة مئات من درجات الحرارة في الدقيقة، وبالنسبة لبعثات سطح المريخ، يشمل موجز الاختبار دورات متكررة بين - 130 درجة مئوية (ليلا) و +30 درجة مئوية (يوما)، وكثيرا ما تكون هذه الدورات بالنسبة لمفاصلات الضمان، والهياكل المركبة، والمجالس الإلكترونية غير الدهونة.

محاكاة الإشعاع

Eonizing radiation from galactic cosmic rays and solar particle events can off electronics, degrade solar cells, and embrittle polymers. Testing involves exposing components to proton, electron, and heavy-ion beams at facilities such as the NASA Space Radiation Laboratory (NSRL)[FLT radiation1]

مدة المواد والاعتماد عليها في إطار الضغط الشديد

ويقيد اختيار المواد لبعثات المريخ بالجملة والقوة والممتلكات الحرارية ومقاومة الإشعاع والغبار، وتسود المساحات التقليدية للفضاء الجوي مثل الألمنيوم والتيتانيوم، ولكن المركبين الجدد والسراميات والسبائك الشكلية تستخدم على نحو متزايد.

تدهور الترسب

ويستخدم العديد من البوليمرات، مثل كابتون وتيفلون، في العزل والأسلاك، ولكنها تتحلل تحت التعرض للإشعاع الطويل الأجل، ويشمل الاختبار سرعة الشيخوخة في مشعات غاما أو الشعاع الإلكتروني، يليها اختبار ميكانيكي وكهربي لضمان عدم قذف المادة أو فقدانها للقوام الغذائي، وعلى سبيل المثال، [المعاطف الإشعاعية]

Fatigue and Creep

وتتحمل العناصر التي تعمل بالقرب من مصادر الحرارة - مثل المولدات الكهربائية الحرارية للنظائر المشعة أو مدافع الدفع - معدلات الحرارة المرتفعة والتوسع الحراري المتكرر، وتجري اختبارات الخراف عند درجات الحرارة المرتفعة بالنسبة للجداول التي تتجاوز المدة الفعلية للمهمة التي تُحسب لبطء التشهير، وتخضع مفاصل الجنود في لوحات الدوائر للتقلب الحراري عند معدلات التقلب الحراري.

الإبطاريات والارتداد الكهربائي

(ب) إن غبار المريخ حاد وغرامة وملصق كهرومغناطيسي، ويشمل الاختبارات على جرعات الغبار كشف مواد الفقمة وحمل الأسطح لتنشيط محركات مارتيان في غرف منخفضة الضغط (JSC Mars-1 simulant) وتختبر الختم الروتاري على الأسلحة الآلية والسيارات الشمسية لآلاف التناوب أثناء قصفها بمركبات صمامية متطورة:

الاختبار في الجاذبية الصغرية والجاذبية الجزئية

Many components behave differently in reduced gravity. Valves, fluid loops, combustion chambers, and even simple mechanical switches can exhibit unexpected responses when the force of gravity is removed or lowered. Full microgravity (zero-g) is typically achieved on parabolic flights or aboard the International Space Station (ISS). For Mars partial gravity (0.38 g), engineers sometimes use reduced-gravity aircraft flying parabolic arcs that generate the required acceleration profile.

المُتَعَبِّرِ والزَمِّن

فالإدارة البديلة في الدبابات تحدي بشكل خاص، ففي الجاذبية الصغرى، لا تستقر السوائل في القاع، مما يجعل من الصعب ضمان تدفق محركات خالية من الغازات، ويشمل الاختبار استخدام المنشطات في أبراج التسرب أو في محطة الفضاء الدولية.() وقد تحتاج المحركات إلى إطلاق النار في بيئة منخفضة الجاذبية مع فجر الغبار من سيناريو الأرض - المتجمدة - SFL

العوامل الإنسانية ودعم الحياة

وبالنسبة للبعثات المكتظة، يجب أن تعمل نظم الرقابة البيئية ودعم الحياة بصورة موثوقة في كل من الجاذبية الصغرى أثناء العبور والجاذبية الجزئية للمريخ، ويشمل الاختبار إعادة تدوير المياه، وإعادة تنشيط الهواء، ونظم إدارة النفايات في محطة الفضاء الدولية وفي الرحلات الجوية شبه المدارية.() ويخضع مرفق Advanced Life Support Test Facility] في مركز جونسون للفضاء لعمليات تقييم طويلة الأجل.

التحديات الخاصة بدخول الأطفال، والنسب، والأراضي

وربما يكون التحدي الأكثر إثارة للاختبار هو EDL. وجو المريخ، وإن كان رقيقاً، سميك بما يكفي لتوليد تدفئة كبيرة في الهواء أثناء درجات الحرارة المرتفعة فوق درجة حرارة الجسم فوق 1500 درجة مئوية، ولكن أقل من أن تبطئ المظلات وحدها إلى سرعة الهبوط الآمنة، ويشمل الاختبارات الأنفاق الريحية العالية السرعة، ومرافق الجراثيم للمواد الواقية من الحرارة، وفحوصات الانقطاع عن الارتفاعات العالية.

الدرع المكثف والمواد التراكمية

Ablative materials like PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) must be tested in arc-jet facilities that replicate the heat flux and shear conditions of Mars entry. The Radiant Heat Facility at Ames Research Center and the Large Shock Tube at Sandia National Laborator

نشر الباراتشوت في الكثافة المنخفضة

ويجب أن تنشر المظلات في سرعة سطحية في الجو الرقيق، وتشمل الاختبارات المزلاجات التي تحمل صواريخ، وعمليات إطلاق بالونات من ارتفاعات عالية، بل وصواريخ السبر، و]] معرض بحثي عن تضخم مسموع، مصمم على نحو منهجي ، اختبارات الفشل في استخدام خطوط الصواريخ الخفية السوداء.

Radar and Lidar for Terrain Sensing

كما أن منظومات الرادار والليدار تختبر على الصخور المتحركة التي تستخدمها التضاريس والكهوف، وسطحها المتطورة تتراوح بين الكيلومترات وأجهزة القياس، كما أن Mars Lidar Testing Range at JPL تستخدم طائرة هليكوبتر عالية الارتفاع لتحمل الأداة.

نظم الادخار: الموثوقية في الظروف القصوى

وتشمل عمليات إطلاق النار في بعثات المريخ النظم الكيميائية والكهربائية على السواء، أما بالنسبة للملاحين والمركبات المرنة، فيجب أن تكون المحركات قادرة على إعادة تشغيلها بعد فترات طويلة في الفراغ البارد، وتشمل الاختبارات اختبارات إطلاق النار في غرف الفراغ التي تحاكي بيئة منخفضة الكتائب في الفضاء والغلاف الجوي المريخي.

مدافع استخدام الموارد في الموقع

ويمكن للبعثات المقبلة أن تنتج ميثان وأكسجينا من موارد مارتيان، كما أن اختبار إنتاج هذه المواد الدافعة وتخزينها وحرقها في ظروف شبيهة بالمريخ هو بمثابة حدود جديدة، إذ أن المفاعلات الصغيرة تدار تحت ضغط ودرجات حرارة منخفضة للتحقق من الغلة والنقاء والسلامة.

اختبارات البرمجيات والأوتوماتيكيات

أما مكونات الفضاء الجوي فتخضع لسيطرة متزايدة من خلال برامجيات، أما بالنسبة لبعثات المريخ، فإن تأخير الاتصالات (4 إلى 24 دقيقة واحدة) يعني أن المراكب والموائل يجب أن تعمل بشكل مستقل، وأن اختبار البرمجيات من خلال آلاف الأيام المحاكاة للعمليات - بما في ذلك حقن الذنب، والانحرافات المستشعرة، والتضاريس غير المتوقعة - ضرورية.

التكلفة، الجدول الزمني، والإثبات: الحيازة في الاختبار

ومن أكبر التحديات الموازنة بين الحاجة إلى اختبارات عالية القيمة مع قيود الميزانية والجدول الزمني، ويمكن لبرامج الاختبار أن تستهلك جزءا كبيرا من مجموع تكلفة البعثة التي تبلغ في كثير من الأحيان ٢٠-٣٠ في المائة بالنسبة لغطاء المريخ الرئيسي، ويجب على المهندسين أن يقرروا عدد المقالات الاختبارية التي يتعين بناؤها، وعدد الدورات البيئية التي يتعين تشغيلها، ومدى دقة التحقق من كل نمط من الفشل.

الاتجاهات المستقبلية: المواد المتقدمة والاختبارات الافتراضية

وسيتطلب الجيل القادم من بعثات المريخ، بما في ذلك استكشاف البشر، عناصر أكثر قوة، ويجري البحث في مواد ذاتية التلقيح، والإلكترونيات المحتوية على الإشعاع والمبنية على قافلة السيليكون، ونظم الحماية الحرارية التي يمكن أن تتحلى بدخلات متعددة (من أجل متاجر عقارية قابلة لإعادة الاستخدام) ويصبح الاختبار الافتراضي في بيئة محاكاة عالية الشكلية مكملاً للاختبارات الإشعاع.

كما أن التصنيع الإضافي )الطباعة )٣ دال( يقلل من الحاجة إلى قطع الغيار ويمك ِّن من الصنع حسب الطلب أثناء بعثة ما، غير أنه يجب اختبار كل عنصر مطبوع من أجل تحقيق الاتساق المادي والقوة الميكانيكية في البيئة المستهدفة، وقد قامت ناسا بالفعل باختبار ٣ دال من قطع محركات الصواريخ، وهي بصدد تطوير طابعات برمجيات برمجيات متكاملة يمكن إرسالها في نهاية المطاف إلى المريخ.

خاتمة

ولا تزال اختبارات المكونات الفضائية الجوية لبعثات المريخ واحدة من أكثر المساع الهندسية طلبا، إذ إن الجمع بين الإشعاعات في الفضاء العميق، ودرجات الحرارة القصوى، والضغط المنخفض، والغبار البدائي، والحد من الجاذبية، يخلق نظاماً للاختبار يمتد إلى المرافق والمنهجيات الحالية، ومع ذلك فإن كل بعثة من البعثات التي تسعى إلى تحقيق النجاح من باثفيندر إلى تحقيق نتائج في حملة إعادة العينات القادمة، قد دفعت حدود ما يمكننا أن نتصوره وموثه.

For further reading, see NASA’s Environmental Tests for Mars Missions (https://www.nasa.gov/missions/mars-environments) and ESA’s European Mars Mission Testing facilities (www.esa.org/Science