تصميم أجهزة آلية مستقلة للصيانة والإصلاح في محطة الفضاء

المُختلَف للروبوتات المستقلة في محطات الفضاء

ونظرا لأن البشرية تمتد من موقعها إلى ما وراء المدار الأرضي المنخفض، فإن البنية التحتية التي تدعم استكشاف الفضاء يجب أن تصبح أكثر الاكتفاء الذاتي، فالمراكز الفضائية مثل محطة الفضاء الدولية، والمواقع التجارية الخارجية المخطط لها، تعاقب على القيام بمهام حيوية في مجال البحث العلمي، والبيان التكنولوجي، وسكن الطاقم، وتحتاج هذه الهياكل المعقدة إلى تصعيد مستمر: استبدال المكونات الفاشلة، وتفتيش سلامة الهيكل، وإدارة نظم التحكم البيئي، والاستجابة لظواهر غير متوقعة

الطلب الوحيد على بيئة محطة الفضاء

وتهيئ البيئة الفضائية مزيجا من الظروف التي يصعب تكرارها على الأرض، ويجب تصميم أي نظام آلي يُقصد به الصيانة الخارجية أو الداخلية لمحطة فضائية للتسامح مع هذه العوامل على مدى عمر البعثة الممتدة على سنوات أو حتى عقود، وتبدأ عملية التصميم بفهم عميق للتوترات المحددة التي سيواجهها الإنسان الآلي.

الجاذبية الصغرى وآثارها على العمليات الآلية

وفي الجاذبية الصغرى، تنهار الافتراضات التقليدية المتعلقة بالسرطان والاستقرار وتطبيق القوة، ولا يمكن للآليين الذين يحاولون تشديد الحزام أن يعتمدوا على وزنهم في توفير قوة مضادة؛ ومن شأن ذلك أن يبعد الإنسان الآلي نفسه عن سطح العمل بدلا من توليد الزورق في الصومعة، ويجب على المهندسين تصميم نظم آلية ذات آليات مرسوة، مثل الاغراض المغنطية،

الظواهر الحرارية والإدارة الحرارية

كما أن المركبات الفضائية في المدار الأرضي المنخفض تتقلب درجات الحرارة بدرجة كبيرة حيث أنها تنتقل من ضوء الشمس المباشر إلى ظل الأرض، وقد تصل الأسطح الخارجية إلى درجات حرارة تبلغ 120 درجة مئوية (250 درجة فهرنهايت) على الجانب الشمسي وتمتد إلى 160 درجة مئوية من الحرارة الكلية (ما يقل عن 260 درجة فهرنهايت) في الظل، وبالنسبة للآلات الآلية المستقلة العاملة في المناطق المحيطة بمحطة فضائية، فإن هذا الإجهاد

فرز الإشعاعات واختيار العناصر

وتشمل بيئة الإشعاع الفضائي جسيمات عالية الطاقة من الشمس (الشعلات الحديدية) والأشعة الكونية المجرية، ويمكن أن تؤدي هذه الجسيمات إلى تدهور المكونات الإلكترونية، وتتسبب في أخطاء منطقية، وتؤدي في نهاية المطاف إلى فشل في النظام، أما بالنسبة للآليات المستقلة التي تهدف إلى إجراء إصلاحات حاسمة، فيجب على المصممين أن يستخدموا المجهزات المحتوية على الإشعاع، والذاكرة، والمجسات التي يُقدر أنها تُحتمل أن تُتَمَدِّدَدَدَدَ على تخطيَدَدَتَتَتَتَدَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَ

الاعتبارات المتعلقة بالخروج والتحصيل

فالعمل في فراغ الفضاء يعني أنه يجب ألا تتجاوز المواد المركبات المتطايرة التي يمكن أن تتجمع على أسطح حساسة مثل المصفوفات الشمسية، أو أجهزة الإشعاع الحراري، أو أجهزة الاستشعار البصرية، وأن كل مادة تختار لنظام آلي، من السكك الحديدية إلى أجهزة الاستنشاق بالسلك إلى أجهزة الصمام، يجب تقييمها بالنسبة لممتلكاتها الفوقية وفقا لمعايير مثل التصريف بالغاز الإلكتروني E595.

الاعتبارات الرئيسية المتعلقة بالتصميمات الخاصة بمحطة الفضاء

بناء على الفهم الأساسي للبيئة التصميم الأساسي لآلي صيانة مستقل يدور حول القدرة على التكيف والتنقل والتلاعب هذه الركائز تدعم قدرة الآلي على أداء عمل مفيد بينما تحافظ على نفسها وعلى البنية التحتية للمحطة

Environmental Resilience and Redundancy

فالتكوينات غير السليمة بيئياً تتجاوز التكتل المعماري، إذ أن النظم الفرعية الحرجة مثل الحواسيب، والكهرباء، والاتصال كثيراً ما تكون مكررة أو ثلاثية، ويضمن تصميم مصمم مصمم غير ملوث أن الآليين إذا فشل أحد المكونات، لا يزال بإمكانهم إكمال مهمتهم أو العودة إلى دولة آمنة على الأقل، وهذا الفلسف ينطبق على الهيكل الآلي بشكل مستمر:

الملاحة، والإقامة المحلية، والتلاعب

يجب أن يعرف الإنسان الآلي الذي يُستخدم في نظام التحكم الآلي، أو أن يُدخل إلى موقع مستهدف بدقة عالية، وأن يُعتمد على نظام الترميز الداخلي في مواقع المتزامنة، أو رسم الخرائط، وأن يُستخدم نظام " سونغ " ، أو نظام " آلي " ، أو " مجهز " ، أو " مجهز " ، أو " مجهزة " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " ، أو " جهاز " أو " جهاز " جهاز " أو " أو " جهاز " أو " أو " أو " أو " أو " أو " أو " أو " أو " أو &

نظم الطاقة وآلية التشغيل الذاتية

فالعملية المستقلة المستقرة تتطلب بنية قوية للطاقة، فالأسطوانات المصممة للعمل في المحطات الداخلية يمكن أن تعاد شحنها عن طريق محطات الرسو أو أجهزة الدفع المحمولة التي توضع في أماكن العمل المشتركة، أما بالنسبة للعمليات الخارجية، فإن الآلية قد تحمل صفائفها الشمسية أو تعمل من مصدر طاقة مركزي بينما تُعالج في نظام للسكك الحديدية، وتُركِّز على كثافة الطاقة، وحياة البيوت، والسلامة.

الأسلحة الآلية والمناولة لمهام الدقة

والقدرة على التفاعل المادي مع بيئة المحطة هي المهمة المحددة لآلي صيانة، ويمثل المناشير الآلية المستخدمة في الفضاء بعض أكثر النظم الآلية تقدما التي بنيت على الإطلاق، وتوازن الوصول، والقوة، والدقة، والكتلة المنخفضة.

درجة الحريّة والتصميم في مجال العمل

وجهاز الصيانة الآلي لديه 6 أو 7 درجات من الحرية ليوفر المرونة اللازمة للوصول إلى موقع العمل من مجموعة متنوعة من الزوايا والعمل حول العقبات

تصميم المفاعل النهائي والتداخل بين المفاعلات

المفاعل النهائي هو يد الآلي و تصميمه محدد المهام بالنسبة للنفقة العامة، المفاعل النهائي قد يكون حزناً متعدد الأغراض

الهيكل الآلي ومصانع صنع القرار

ويتمثل الجانب الأكثر صعوبة في تصميم الروبوتات المستقلة لإصلاح المحطات الفضائية في تمكينها من العمل دون توجيه إنساني مستمر، كما أن التأخير في الاتصالات بين الأرض والمحطة قصير بالنسبة للمدار الأرضي المنخفض، ولكن بالنسبة للمراكز المقبلة في مدار القمر أو في نقاط لاغرانج، فإن التأخيرات ستكون أطول وأكثر تقييدا، ويجب أن يكون الآلي قادرا على اتخاذ القرارات محليا.

التصور والتفاهم البيئي

نظام التصور الآلي يجب أن يفسر بيئة المحطة في الوقت الحقيقي هذا لا يتضمن معرفة تصميمات المحطة الأرضية فحسب بل أيضاً فهم حالة المعدات التي تصادفها

التخطيط وتنفيذ المهام

نظراً لتشخيص مشكلة و مكتبة لإجراءات الإصلاح يجب أن يولد الروبوت سلسلة من الإجراءات التي تحقق هدف الإصلاح بينما تحترم قيود السلامة هذه العملية التخطيطية تعتبر الوضع الحالي للآليين (الشكل الذكي، مستوى البطاريات، الأدوات المتاحة) و الهندسة في منطقة العمل، وأي قيود زمنية، شبكات العمل الهرمية أو المخطّطين للزجاج

كشف الخزنة، التشخيص، الاسترداد

ونظرا لتعقيد نظم المحطات الفضائية، لا بد أن يواجه الإنسان في حالات لا تضاهي توقعاته السابقة المبرمجة، كما أن الخوارزميات المستقلة للكشف عن الأخطاء تقارن القراءات المستشعرة بالقراءات التي تُجرى على النماذج السلوكية للنظام الذي يجري إصلاحه، مثلا إذا كان من المفترض أن يحرك الصمام 90 درجة، ولكن ينتقل فقط إلى 45 درجة قبل مواجهة المقاومة، يمكن للآلي أن يستنتج أن الصمامات عالقة أو أن الآلية غير متوافقة.

التمكين من أداء الوظائف المستقلة

وقد أدت التطورات الأخيرة في عدة مجالات تكنولوجية إلى جعل رؤية الروبوتات المستقلة تماما أكثر قابلية للتحقيق مما كان عليه قبل عقد من الزمن، كما أن نضج الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي ومعدات الاستشعار يعجل بنشر نظم روبوتية قادرة في الفضاء.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

(أ) أن تكون الركيزة المعرفية للآلي المستقل، وأن نماذج التعلم العميق تستخدم في كشف وتصنيف الأجسام، مما يمكّن الآلية من التعرف على آلاف المكونات المختلفة، والوصلات، والأدوات، وقد تم استكشاف القدرة على تعزيز القدرة على معالجة الأسلحة الآلية في المحاكاة لأداء مهام التجميع أو الإصلاح المعقدة، وتعلم المهارات الحركية الدقيقة التي يصعب برمجتها باليد، وبعد التدريب الأولي، يمكن تعديل النماذج باستخدام البيانات التي يتم جمعها أثناء العمليات الفعلية

أجهزة الاستشعار وتجهيز البيانات على متنها

إن أجهزة الاستشعار الحديثة ذات الصف الآلي مصممة وقوية ومتزايدة القدرة، إذ أن وحدات الأشعة الليدرية ذات الصلصة توفر سحابات كبيرة من البيئة لا توجد فيها أجزاء متحركة، مما يزيد من الموثوقية في بيئة الإطلاق المعرضة للاهتزاز، كما أن أجهزة الاستشعار القائمة على الرؤية العملية توفر حلا زمنيا عاليا وقابلا للتأثر، ومثالا للكشف عن الأجسام السريعة التآكل أو التغيرات الشبه في الموقع.

اختبار النظم الآلية الفضائية وتقييمها

ولا يمكن إطلاق أي نظام آلي متجه إلى العمليات الفضائية دون اختبار دقيق يثبت قدرته على العمل بشكل صحيح عبر النطاق الكامل للظروف المتوقعة، ولأن الإصلاحات لا يمكن أن تتم بعد الإطلاق، فإن التحقق أمر حاسم لنجاح البعثة.

المحاكاة والوصايا الرقمية

إنّ التطوّر يبدأ بتحفيز عالي التخمين، ديناميات الآليين، أجهزة الاستشعار، أجهزة التحكم،

بذور الاختبارات البدنية والضوءات الشاذة

اختبارات المختبر على الأرض يجب أن تعوض عن الجاذبية، والروبوتات التي تستهدف الجاذبية الصغرية غالبا ما تختبر على طاولات الهواء التي توفر ما يقرب من 2D حركة، على نظم الغاز الآلي التي تزيل وزن الإنسان، أو أثناء رحلات الطائرات شبه الهوائية التي توفر فترات قصيرة من الجاذبية الصغرية، وتسمح مرافق الحرق الحيائي، مثل مختبر الحيتاني التابع لوكالة ناسا، باختبارات أكبر

النشر الإضافي والفحص داخل المدار

عندما يصل الآليون إلى المحطة، عادة ما يخضعون لمرحلة تشغيل تدريجية، أولاً، القوى الآليّة على الاتصالات وترسيها، التحقق الأساسي من أن جميع المفاصل تتحرك بشكل صحيح،

الاتجاهات المستقبلية في تصميمات الأجهزة الفضائية

ويتطور ميدان الروبوتات الفضائية بسرعة، ويقوده النشر الوشيك لمراكز فضائية أكبر، وهياكل أساسية للسيزلونار، وبعثات بشرية طويلة الأمد، وسيتضمن الجيل القادم من الروبوتات المستقلة ذاتيا تكنولوجيات يجري حاليا الاضطلاع بها في مراحل البحث والتطوير.

أجهزة آلية للتلاعب

فالأسلحة الآلية الجامدة التقليدية ممتازة للمهام العالية القوة ولكنها يمكن أن تكافح مع الأجسام أو المهام الهشة التي تتطلب لمساً دقيقاً، وتستخدم البرمجيات مواد متوافقة مع بعضها البعض مثل النسيج والمنسوجات لخلق مقابر ومتلاعبات يمكن أن تتوافق مع الأشكال غير القانونية دون الإضرار بها، وفي سياق المحطة الفضائية، يمكن للمصابين النهائيين الناعم أن يتعاملوا مع الكابل أو الهياكل القابلة للانتشار أو التجارب البيولوجية البسيطة.

الروبوتات النموذجية والقابلة للثقة

فالآلي الوحيد الذي يبني الغرض مكلف ويمكن استخدامه بصورة غير كافية، فالآليات النموذجية تتألف من وحدات متعددة متطابقة أو مماثلة يمكن أن تعيد ترتيب نفسها في تشكيلات مختلفة لمهام مختلفة، وقد يُشكل آلي نموذجي نفسه كذراع ذي عينة طويلة، وذلك للزحف عن طريق قنوات التموين وفحص الأنابيب، ثم يُعيد تشكيله في إطار منصة مُقرَّرة أو مُعجلة من أجل نقل جزء كبير من محطات الوصلة.

الروبوتات ذات الصدريات الموزعة

يمكن أن يكون سطوح من الروبوتات الصغيرة والبسيطة أكثر فعالية من عدد قليل من الأجهزة الكبيرة والمعقدة، ويمكن للآليات السويدية أن تغطي مساحة أكبر، وأن تقوم بعمليات تفتيش موازية، وأن تُحدث فائضاً، ويمكن تكليف الحراس بتفتيش روتيني لسطح المحطة بأكملها، مع كل آلي يركز على المنطقة المخصصة له، وإذا اكتشف أحد الآليين عيباً، فإنه يمكن أن يطلق على محطة تنسيقية متخصصة.

المواد المتقدمة والصناعات التحويلية في الموقع

كما أن الآلات التصليحية في المستقبل قد لا تصلح المكونات الموجودة فحسب بل تصنّع أيضا قطعا بديلا في الموقع باستخدام الصنع المضاف (3D) ويمكن أن يطبع روبوت يحمل مخزونا من البوليمرات أو الفلزات تحت غطاء مسمى " إيفنات " ، أو حتى لوحات دائرة، ثم يُثبتها باستخدام جهاز التلاعب بها، مما يقلل من الحاجة إلى جرد قطع الغيار ويتيح للمحطة التكيف مع أوجه الفشل غير المنظورة.

خاتمة

"الآليات المستقلة" "تتطور من المظاهرات التجريبية إلى البنية التحتية الأساسية لمحطة الفضاء" "الجماعة الهندسية أحرزت تقدماً ملحوظاً في إنشاء نظم آليّة قادرة على تحمّل البيئة الفضائية" "و"الشبكات المُعقدة" "تُستخدم في التلاعب الحسن" "وتكون قرارات ذكية ذات حد أدنى من المدخلات البشرية"