مقدمة

وتدفع البعثات الفضائية العميقة كل نظام فرعي هندسي إلى حدوده، وهناك عناصر قليلة هي ذات أهمية أساسية بالنسبة لعملية المركبات الفضائية اليومية كعجلة رد الفعل، وهذه العجلات الكهروميكانيكية توفر مراقبة دقيقة وخالية من العجلات، وتسمح بوضع أجهزة على النجوم البعيدة، والزجاجات التي تغلق على الأرض، والصفائف الشمسية لتتبع الشمس، ومع ذلك فإن عجلات الرد هي أيضا من بين أجهزة الدفع المتطورة في الحافلات.

أساسيات العجلات الرقابية في مراقبة التركات

فعجلة الرد هي كتلة دوارة يقودها محرك كهربائي، وعندما يعجل المحرك عجلة القيادة، تختبر المركبة الفضائية ضربة مساوية وعكسية )من خلال حفظ الزخم الجازري(، مما يجعلها تدور حول محور العجلات، إذ أن المركبة الفضائية، بتركيبها ثلاث أو أربع عجلات، يمكن أن تولد حواجز في أي اتجاه دون طرد الكتلة الكثيفة من نقاط التفاعل.

يحدث استهلاك الطاقة في عجلة الرد في عدة نظم:

  • التعجيل والتباطؤ: ] The motor draws top current to change wheel speed. This is the highest-demand phase, often lasting only seconds but creating spikes that can stress the power bus.
  • Steady-state rotation:] Once at constant speed, the wheel requires only enough power to overcome bearing friction and windage losses. In high-quality space-rated wheels, these losses are minuscule, but they still represent a continuous drain.
  • ]Speed holding under disturbance:] When external torques (solar pressure, gravity gradient) try to rotate the spacecraft, the wheel’s control cycle must compensate by adjusting wheel speed. This “idle” maneuvering draws power proportional to the disturbance magnitude.

وقد يكون مجموع الطاقة التي تستهلكها عجلات الرد على بعثة ما كبيرا، فعلى سبيل المثال، استهلكت عجلات رد فعل تلسكوب الفضاء الهبل )التي كانت تعمل منذ عقود( عشرات من الخاطين أثناء العمليات العادية، وكانت الطاقة التراكمية المدرجة في الميزانية لمراقبة المواقف تمثل جزءا كبيرا من تخصيص السلطة للمرصد.

التحديات في إدارة الطاقة في بعثات الفضاء العميقة

محدودية توليد الطاقة وتخزينها

وتعتمد المساحات الفضائية العميقة على المولدات الكهربائية الحرارية التي تعمل بالنظائر المشعة أو صفائف شمسية كبيرة، فمع تحركات المركبات الفضائية بعيدا عن الشمس، تنخفض الإشعاع الشمسي، وتخفض إنتاج العجلات، وتتحول أجهزة الأشعة فوق البنفسجية ببطء ولكنها توفر الطاقة الثابتة، وفي كلتا الحالتين، فإن مجموع الطاقة المتاحة كل يوم يجب أن تتنافس عجلات الرد مع أدوات العلوم، والشحنات المفاجئة، وأجهزة إرسالها في أماكن أخرى.

الاضطرابات في العجلات والعقوبات التي تفرغ من الحمل

إن عجلات الرد تتراكم على مر الزمن بسبب استمرار اضطرابات الاضطرابات، وفي نهاية المطاف تصل عجلة القيادة إلى أقصى سرعة ممكنة )الاستمناء( ولا يمكن أن تغذي المزيد من الاضطرابات في هذا الاتجاه، ول " تحميل " العجلة، يجب أن تستخدم المركبة الفضائية ملجأ آخر من قبيل قضبان القاذورات المغنطية أو أجهزة الدفع.

القيود الحرارية

وتشتت عجلات الرد عن طريق الرياح والعلامات والالكترونيات، وفي الفضاء العميق، يقتصر الرفض الحر على الإشعاع، وإذا ما تم تشغيل عجلة بسرعة عالية أو تسارعت بشكل متواتر، فإن درجة حرارتها يمكن أن تتجاوز الحدود الآمنة، مما يرغم على خفض العجلات أو الإغلاق المؤقت، وكثيرا ما تملي الهوامش الحرارية أقصى دورة من العجلات، وكان على البعثات مثل تلسكوب كيبلر الفضائي أن تحدد بدقة استخداما واحدا من عجلات التفاعلية.

Power Quality and Bus Stability

ويمكن أن يؤدي السحب الحالي عبر الموجات أثناء تسارع العجلات إلى حدوث انخفاضات في حافلة الطاقة إذا لم يكن بوسع محول البطارية أو الطاقة الرد بسرعة كافية، وقد تعيد الأدوات الحساسة إلى فساد البيانات أو تعاني منه، ولذلك يجب أن تشمل الإلكترونيات المستخدمة في إدارة الطاقة أجهزة ضغط كبيرة أو عازلة مخصصة للطاقة من أجل سلاسة هذه الأجهزة، ويصبح تصميم نظام توزيع الطاقة مبادلا بين استقرار الكتلة والتكلفة والفولط.

دراسات الحالات: إدارة الطاقة في بعثات الفضاء العميق التاريخية

المقراب الفضائي الهبل

وقد صُممت عجلات رد الفعل في هبل في الأصل لعمر 15 عاما، ولكن المرصد الذي يعمل لأكثر من 30 عاما، وكانت إدارة الطاقة دائما مصدر قلق، وخاصة أثناء بعثات الخدمة عندما حلت العجلات الفلكية محل العجلات وأجهزة كهربائية محسنة، وقد استخدمت أجهزة الادخار على متنها " ملفا للغطاء " تقلل من قوة الذروة تدريجيا عندما فشلت عجلة واحدة في عام 2018.

Kepler Space Telescope

وقد استلزمت مهمة كيبلر في العثور على طائرات نفاثة استقرارا استثنائيا، واستخدمت عجلات ردود الفعل الأربع في أسلوب " توجيه " يتطلب إجراء تعديلات صغيرة قريبة من الحد الأدنى، وكانت العجلات تعمل عادة بسرعة منخفضة لحفظ الطاقة، غير أن عجلتين فشلتا في وقت مبكر، مما أرغم الفريق على استخدام أجهزة الدفع في مراقبة المواقف، التي استهلكت في العجلات، وزادت الضغوط التي تولدت من المحركات حرارية)٢(.

الأفق الجديد

وفي رحلة إلى بلوتو وما بعده، استخدمت شركة نيو هوريسون طريقة ثابتة لجزء من العمود الفقري في معظم مراحل الرحلة البحرية لإنقاذ الطاقة، وقد تم تشغيل عجلات الرد لسنوات لحفظ ناتج شركة RTG من أدوات علمية واتصالات، وخلال الرحلة التي أقامت بها الطائرة، عجلات تفاعلية مفعمة بالعجلات من أجل توجيه محدد، وكانت الطاقة مرصودة في الميزانية بحيث لم تكن سلسلة العجلات قابلة للتشغيل.

الاستراتيجيات المتقدمة لإدارة الطاقة

الرقابة الافتراضية والتخطيط الارشادي

وتشتمل المركبات الفضائية الحديثة على نماذج على متن المركبات لديناميات المركبات والنظم الفرعية للطاقة، ويمكن لجهاز التحكم بالنموذج أن يخطط لتسلسل تسارع العجلات والتباطؤات التي تحترم قيود العجلات في حين تحقق التعديلات المطلوبة في المواقف، فعلى سبيل المثال، يمكن للمراقب أن يحدد جدولا زمنيا لفترة تنتج فيها الصفوف الشمسية أقصى طاقتها وشحنات البطاريات عالية.

إدارة الطاقة - برنامج " Aware Momentum Management "

وبدلا من تفريغ العجلات بمجرد اقترابها من التشبع، تستخدم بعض البعثات استراتيجية " تنزيلات منخفضة " تستخدم المراكب المغناطيسية باستمرار في مستوى منخفض من الطاقة، مما يتفادى ارتفاع مستويات القوة ويقلل من الضغط الحراري، والمقايضة هي متوسط أعلى قليلا في متوسط سحب الطاقة من المغنترات، ولكن النظام العام يمكن أن يكون أكثر كفاءة، ولا سيما في المناطق التي يكون فيها ميدان العجلات هو الذي ينسق إدارة الطلب فيها.

الواجبات واختيار العجلات

وعندما تتوافر عجلات متعددة )مثل مجموعة من التراتبريدات الأربعة(، يمكن لنظام المراقبة أن يدور العجلات التي تعمل وترتفع إلى الصفر، ويمكن أن يؤدي قطع عجلة إلى الصفر ثم إعادة تشغيله في وقت لاحق إلى توفير الطاقة بالمقارنة مع الحفاظ على جميع العجلات في سرعة غير زراعية بسبب انخفاض عدد الخسائر في المواصلات، غير أنه يجب إدارة فترات الانتقال إلى مرحلة البدء دون أي تأخير.

المنشطون الهجين: مراقبة أجهزة قياس الحركة وأجهزة الركاز

فلحظة التحكم في الجراجات توفر درجة أعلى من الضجة بالنسبة لنفس مدخلات الطاقة ولكنها أشد تعقيدا وأكثر تعقيدا، وبعض البعثات الفضائية العميقة، مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي، تستخدم أجهزة التصوير المقطعي على وجه الحصر للمصابيح الكبيرة، بينما تتجه عجلة الرد إلى توجيه غرامة، ومن خلال تقسيم عبء العمل، يمكن تخفيض قوة الرفع من عجلات الرد، بل إن اتباع نهج متداخل بدرجة أكبر هو مجال التفاعل المغناطيسي.

دور البرمجيات والأغوريتم

والبرمجيات هي حجر الزاوية في مراقبة المواقف التي تُستخدم في أجهزة الاستطلاع التي تستخدم أجهزة التصفح التي تستخدم العجلات والقواها في الوقت الحقيقي، مما يتيح التنبؤ الدقيق باحتياجات الطاقة في المستقبل، ويمكن للجدول أن يؤجل المناورات غير المجهزة إلى أن تتحسن ظروف الطاقة، وقد اقتُرح التعلم من الآلات للتنبؤ بالاضطرابات والارتقاء بعجلات العجلات، ولكن بالنسبة للبعثات الفضائية العميقة، فإن المقاييس المفضلة.

ومن الأمثلة البارزة على ذلك عمل مركز بحوث آميس بشأن " إرشادات الدول المعرفية، الملاحة، التحكم " بالنسبة للسواتل الصغيرة، وقد بينت هذه البلدان أنه من خلال إدماج نماذج النظم الفرعية للطاقة مباشرة في حلقة مراقبة المواقف، يمكن للمركبات الفضائية أن تقلل من استهلاك الطاقة الكلي لعجلات التفاعل بنسبة تصل إلى 30 في المائة مع الحفاظ على دقة الإشارة في غضون ثوان، ويجري وضع نماذج نمطية مماثلة لبوابات الفضاء الخارجية في آرتيبي.

الابتكارات التكنولوجية والتوجيهات المستقبلية

تصميمات العجلات المنخفضة

Manufacturers are producing wheels with more efficient brushless DC motors, ceramic bearings, and lighter rotors. For example, the RW-1 from Blue Canyon Technologies consumes less than 2 W at steady state and can produce 0.1 N ·m of torque, suitable for CubeSats and small interplanet end

نظم التحكم المتكامل في الطاقة والعرض

ويدمج مفهوم " نظام مراقبة القوى والمواقف " تخزين الزخم مع تخزين الطاقة، ويمكن لعجلة واحدة أن تعمل كعجلة رد فعل وجهاز تناوبي لتخزين الطاقة، وهو ما يماثل بطارية طاقة حركية، وهذا النهج الذي درس في محطة الفضاء الدولية والذي يقترح أن تستمد المركبة الفضائية الطاقة من العجلات التي تُستخدم في فترات الذروة، ويُعيد شحنها خلال فترات الذروة.

Autonomous Power Management with Onboard AI

وستزداد بعثات الفضاء العميق المقبلة استقلالها بسبب تأخر الاتصالات، ويمكن أن يرصد العاملون الموجودون في إطار مبادرة " آي " استهلاك الطاقة المتحركة، والحالة الحرارية، وبناء الزخم، وترتيب المراقبة التي يجري تغييرها بصورة مستقلة لتفادي حالات الطوارئ في الطاقة، وسينظر مشروع " النظام الآلي " (CFLT:0) في وضع مثل هذه القدرات للجيل القادم من أجهزة إطفاء المدار في الفضاء الخارجي.

خاتمة

إن إدارة عجلات الارتداد هي تحد هندسي متعدد الأبعاد يعترض تقاطع نظم المراقبة، والإلكترونيات الكهربائية، والهندسة الحرارية، وتخطيط البعثات، ويكمن مفتاح النجاح في تصميم عجلات تتسم بالكفاءة في جوهرها، وتنفيذ برامجيات يمكن التنبؤ بها وتحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة، وعمليات التخطيط التي تحترم ميزانيات الطاقة الضيقة التي يفرضها السفر في الفضاء العميق، ومع أن البعثات تتجه نحو الكواكب الخارجية، والفضاء المتقاطع، وما بعد ذلك

المراجع والقراءة الإضافية