تحديات تصميم الطائرات للمريخ وبعثات الفضاء العميق

إن تصميم المركبات لرحلة ما وراء الأرض يمثل تحولا أساسيا في هندسة الفضاء الجوي، والمبادئ التي تحكم الطيران الأرضي ترتبط بغلاف جوي سميك ودقيق وثابت وميدان مغناطيسي واق، وعلى المريخ، في الفراغ بين الكواكب، وعلى نطاق النظام الشمسي الخارجي، فإن هذه الثوابت لا تصبح متغيرات أو تختفي تماما.

الحاجز الأساسي: البيئة التشغيلية

نداء السيرن لفن الغلاف الجوي

إن البيئة المريخية تمثل مفارقة فريدة لمصممي الطائرات، فالجو موجود ولكنه لا يُستخف به سوى 1% من الضغط السطحي للأرض، الذي يُجمع أساساً من ثاني أكسيد الكربون، يوفر ما يكفي من الوسائل للرفع الهوائي، ولكن بالكاد يعمل، وهذا يعني أن السرعة الصاروخية يجب أن تقترب من سرعة الصوت لتوليد دفعة كافية، وقد أثبتت نسبة الطائرة المروحية الإبداعية أن هذه كانت ممكنة، ولكن رحلاتها قصيرة جداً.

درجة حرارة سطحية على المريخ يمكن أن تتأرجح من 20 درجة مئوية (70 درجة ف) عند الظهر بالقرب من خط الاستواء إلى 195 درجة مئوية (319 درجة ف) في القطب خلال الشتاء، وهو تدرج حراري يضغط على المواد والإلكترونيات، الغبار الجوي محمل كهربائيا وغرامة شديدة، قادر على اختراق الختم، وتركيب الألواح الشمسية، وتسبب في تصفية الكتروستات.

الفضاء العميق: الملاحة الفويد

وفي الفضاء العميق، يتمثل التحدي في عدم وجود أي وسيط خارجي، ولا يوجد هواء للرفع، ولا يوجد أي أكسجين للاحتراق، ولا يوجد جو للتنظيم الحراري، وتعتمد مراقبة التدرج كليا على نقل الحرارة الإشعاعي، الذي يتطلب نظما متقدمة لإدارة الحرارة للحفاظ على الإلكترونيات ودعم الحياة في نطاقات التشغيل، كما أن الفراغ يعني عدم الحماية من الإشعاع، كما أن الأشعة الكونية المجرية والظواهر الكيميائية الشمسية تزيد من المخاطر الإلكترونية.

كما أن الجاذبية الصغرى تزيد من تعقيد تصميم المركبات الفضائية، فاللويدات، بما فيها الوقود والمبردات، لا تتصرف كما هي على الأرض، وتستقر شركة البروتستانت بعيدا عن محركاتها، وتستلزم نظما معقدة مثل الديدان، أو المثانة، أو تثبيت الاستقرار لضمان بدء تشغيل المحركات الموثوقة، وتدفع البعثات الفضائية العميقة جدا، مثل البعثات التي تتجه إلى المشتري أو الزحل، كل جزء من المسافة التشغيلية.

Propulsion: The Heart of the Mission

Mars Air Operations: Rotorcraft, Balloons, and Fixed-Wing Concepts

ويقتضي فيزياء التحليق على المريخ حلولاً للدفع الراديكالي، ويجب على شركة روتورفت أن تدور شفراتها في سرعة البقشيش عبر البحار (ماتش 0.85 أو أكثر) لتوليد الرفع في الغلاف الجوي الخفيف لثاني أكسيد الكربون، مما يخلق تحديات هيكلية وهوية غير معروفة لتصميم طائرات الهليكوبتر الأرضية، ويقوم المهندسون بتقييم الرافعات الاكسية وأجهزة الدفع الجوي المتقدمة لتحسين كفاءة الرفع.

فالمفاهيم الثابتة الأجنحة تتيح إمكانية زيادة النطاق والتحمل، إذ يمكن لطائرة من الطراز أو الطائرات ذات الطاقة أن تمسح مناطق شاسعة من سطح المريخ، ولكنها تحتاج إلى التحليق بسرعة عالية جداً للحفاظ على قدرة المصعد على تجاوز 300 متر في الثانية، وهذه السرعة تجعل من الصعب الإقلاع والهبوط، وبعض المقترحات تشمل سفناً جوية أو بالونات تطفو في الجو مثل عوامات المحيط، مع أن تنجرفها مع كميات قليلة من الرياح.

إن إطلاق مركبات مرنة من طراز المريخ، التي يجب أن تعيد العينات أو أطقمها إلى المدار، ينطوي على صواريخ كيميائية تحرق الميثان والأكسجين، ويمكن إنتاجها على المريخ باستخدام رد فعل ساباتييه، وتجمع ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي مع الهيدروجين المستخرج من الأرض أو مستخرج من الجليد المائي، وهذا الاستخدام للموارد في الموقع يقلل بشكل كبير من الكتلة التي يجب إطلاقها من الأرض.

برج الفضاء العميق: الآفاق الكيميائية والكهربائية والنووية

وفي فراغ الفضاء، تحدد الدافع بدافع محدد - الكفاءة التي يستخدم بها الوقود الدفعي - وتوفر الصواريخ الكيميائية دفعة عالية ولكنها منخفضة نسبيا )حوالي ٤٥٠ ثانية لنظم الهيدروجين/الأوكسجين( وهي ضرورية لقطع آبار الجاذبية المتسارعة وإجراء تغييرات سريعة في المسارات، ولكنها غير فعالة بالنسبة للمرور العابر الطويل الأجل.

ويمكن أن يوفر الدفع الحراري النووي أرضا متوسطة قاهرة، إذ يمكن لمفاعلات الإشتعال أن تشعل محركات الهيدروجين إلى درجات حرارة شديدة، مما ينتج دفعة مماثلة للصواريخ الكيميائية بينما يضاعف أو يضاعف ثلاث مرات. ويمكن أن يؤدي برنامج " دراك " (الروكستنغ) لعمليات أغيلي سيسلونار، وهو شراكة بين ناسا ووكالة الحماية البيئية، إلى وضع خطط لتخريب محرك نووي للشحن بحري بحلول عام 2027.

العلوم الهيكلية والموادية في المناطق النائية

حرق الدم الحراري وارتفاع درجة الإشعاع

والمواد المستخدمة في المركبات الفضائية المريخية والمركبات الفضائية العميقة يجب أن تكون متطرفة من شأنها تدمير مكونات الطائرات التقليدية، فالدورات الحرارية من - 195 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية في المريخ تتسبب في توسع وتقلص متكررين، مما يؤدي إلى الإرهاق وتتبع المايكرو، والمواد المركبة، مثل البوليمرات المسببة للكربون والمقوى، وتوفر نسبا عالية من الإشعاع إلى الوزن، ولكنها يمكن أن تتحول تحت الأشعة فوق الفوقية.

ويجب أن يُعزى التصميم الهيكلي أيضا إلى عمليات إطلاق المركبات التي يمكن أن تتجاوز 5 جس. ومرة في الفضاء أو في المريخ، فإن المركبات لا تُحصى أو تقلل من الجسامة، مما يغير كيفية توزيع الحمولات عبر الحاسوب الجوي، ويستخدم المهندسون نماذج محددة متقدمة لتحفيز هذه النظم المتنوعة، ويُكيفون التصميم على نحو أمثل بالنسبة لكل من ظروف الإطلاق والتشغيل.

Micrometeoroids and Space Debris

وفي الفضاء العميق، فإن خطر آثار المايكروميوستير ثابت، وهذه الجسيمات الصغيرة، التي تسافر بسرعة فائقة )١٠-٧٠ كيلومترا( يمكن أن تخفف من الضغط على السفن وتضر بالصور الضوئية وتدمر الأسلاك، ويجب أن تكون الدروع المتطاولة - وهي مضرب خارجي رقيق يكسر المؤثر قبل أن يضرب الكوخ الأول - حماية موحدة للمركبات المزودة بالطاقة، واحتمال حدوث إصلاح لنظم المكثفة.

توليد الطاقة للعمليات من بعد

السلطة الشمسية: الحدود والابتكارات

الطاقة الشمسية هي مجموعة من استكشاف الفضاء الحالي، لكن فعاليتها تهبط بشكل حاد بمسافة من الشمس، وفي المريخ، تُولد كثافة الشمس حوالي نصف مدار الأرض، ويمكن أن تزيد عواصف الغبار الجوي من الحد منها إلى ما يقرب من الصفر، أما بالنسبة لبعثات الفضاء العميقة التي تتجاوز حزام الكويكب، فإن الصفوف الشمسية تصبح كبيرة بشكل غير عملي، ومع ذلك بالنسبة للبعثات إلى النظام الشمسي الداخلي، فإن الابتكارات في مجال الطاقة الكهربائية

الطاقة النووية: أجهزة إعادة الإمداد والتخمير

المولدات الكهربائية الحرارية ذات النظائر المشعة قد تكون قادرة على تشغيل مساحات فضائية كبيرة منذ عقود، بما في ذلك مهمات فويغر وكاسيني، وهي تحول الحرارة من التحلل الطبيعي للبلوتونيوم - 238 إلى كهرباء، وتوفر الغازات المولدة للكهرباء قدرة ثابتة طويلة الأجل ولكنها منخفضة في الإنتاج (مئات الشواذ) ومفاعلات الدفع السريع

Autonomy and Navigation: The Intelligence Gap

تأخير الاتصالات ومراقبة الرحلات الجوية المستقلة

وتتراوح مدة التأخير في الإشارة إلى المريخ من 4 إلى 24 دقيقة، حسب مواءمتها مع كوكب الأرض، ويستحيل التحكم في الطائرات في الوقت الحقيقي، ويجب على المركبات أن تفسر محيطها وتتخذ القرارات وتنفذ المناورات بصورة مستقلة، ويتطلب ذلك نظما للتصورات على متن الطائرة، مثل كاميرات أجهزة التصوير المصورة، والجهاز الليدي آر، ووحدات القياس غير النظامي - مقترنة بحواسيب قوية تعمل بالآلات التصويرية لأغراض القياس البصري للأخطار،

وتتطلب عمليات الاختبار في الفضاء العميق استقلالا ذاتيا مماثلا لمناورات الإصلاحية المتناورة وحل الشذوذ، وستستخدم البعثات المقبلة معلومات استخبارية اصطناعية للكشف عن الأخطاء والتعافي منها دون انتظار أوامر أرضية، وهذه القدرة ضرورية لاستكشاف النظام الشمسي الخارجي، حيث يمكن أن تتجاوز فترات الاستراحة المتحركة عدة ساعات، ولا يزال التصديق على هذه البرامجيات للبعثات التي يُقدر بها الإنسان تحديا كبيرا يتطلب إجراء اختبارات صارمة والتحقق منها.

Entry, Descent, and Landing (EDL) on Mars

"الـ "دي إل" يعتبر أحد أصعب أجزاء أي مهمة من المريخ "سبعة دقائق من الرعب" "يعني التآكل من سرعة الصوت "أكثر من 20 ألف كيلومتر" إلى هبط رقيق على السطح" "الجو الرقيق" "يوفر جراً كافياً لـ "موائل الهبوط فقط" لذا يجب أن تجمع المركبات بين الـ "أيروشي" و "الباراتسونية" و "الـ "الـ "محركات"

دعم الحياة ومصانع الإنسان

نظم مغلقة واستخدام الموارد في الموقع

أما بالنسبة لبعثات الفضاء العميقة التي يتكون منها حجم هائل، فإن إعادة الإمداد غير ممكن، إذ يجب أن تعاد إدارة نظم التحكم البيئي ودعم الحياة، وإعادة تدوير المياه، والأكسجين، والنفايات ذات الكفاءة شبه المؤثرة، وتسترد محطة الفضاء الدولية حوالي 90 في المائة من مياهها، ولكن بالنسبة لبعثة المريخ التي تمتد ثلاث سنوات، يجب أن يقترب المعدل من 100 في المائة، ويشمل ذلك عمليات مثل تفكك البول، وخفض كمية ثاني أكسيد الكربون (رد على ثاني أكسيد الكربون)

درع الإشعاع

إن أطقم الدرع من الأشعة الكونية المجرية والظواهر الجسيمية الشمسية ما زالت تشكل عقبة كبيرة، فالدروع السريع باستخدام المياه أو الغذاء أو إعادة التدفئة ثقيل ومكلفة للإطلاق، وقد اقتُرحت الحماية النشطة باستخدام الحقول المغناطيسية، ولكنها تتطلب كميات كبيرة من الطاقة والكتل، وبالنسبة لموائل الفضاء العميق، سيلزم الجمع بين النهج: توفير ملجأ للعواصف للأحداث الشمسية، وتوفير الإشعاع السلبي في أرنب النائمة، والتخفيف من الأضرار الناجمة عن استخدام المواد الصيدلية.

الاعتبارات النفسية والطبية

فالعزل والحبس والتأخير في الاتصالات تلحق أضراراً بصحة الطاقم العقلية، إذ أن تصميم موائل فضائية عميقة تشمل أماكن خاصة، وخطورة اصطناعية (عن طريق الأقسام المتناوبة)، وبيئات الواقع الافتراضية يمكن أن تخفف من هذه الآثار، كما أن الاستقلال الطبي أمر مطلوب، حيث أن الإجلاء إلى الأرض مستحيل، ويجب على النظم الطبية أن تعالج كل شيء من الإصابات الثانوية إلى حالات الطوارئ الجراحية، والخيار الوحيد الذي يتطلب أدوات تشخيص متقدمة وبروتوكولات الآيلة.

The Path Forward: Testing, Collaboration, and Future Missions

ولا يمكن لأي منظمة بمفردها أن تحل كل هذه التحديات، فالتعاون الدولي الذي تجسده اتفاقات ارتميس وحملة عودة ملئمين المريخ يجمع الموارد والخبرات، والشراكات بين القطاعين الخاص والعام وشركات مثل الفضاء الأزرق، وشركة لوكهيد للاختراع التجاري ورأس المال، وتستكمل البعثات المقبلة بما في ذلك مظاهرة الصواريخ الحرارية النووية التي تقوم بها شركة DRACO، ومواصلة تطور السفينة الفضائية، ونشر بوابة " لونار " ،

خاتمة

إن التحديات التي تواجه تصميم الطائرات والمركبات الفضائية للمريخ والفضاء العميق هائلة، وتنوع الفيزياء، وعلم المواد، وتوليد الطاقة، والاستخبارات المستقلة، وتحمل البشر، ومع ذلك فإن كل حاجز يقترب من أن يصبح نوعا متعدد العالم، والتكنولوجيات التي توضع للتغلب على هذه العقبات لن تمكن الجيل القادم من استكشاف الفضاء فحسب، بل ستؤدي أيضا إلى ابتكارات تعود بالفائدة على الحياة على الأرض، بل إن الطريق صعب، بل هو هدف مستدام.