تصميم مركبة فضائية قادرة على تشغيل الكويكبات وبعثات الرندسات الكويكباتية

تحدي ديب سبايس ريندزفو

إن بعثات إعادة الزحف ذات المذنبات والستيرويد تمثل بعض أكثر المسعىات المطلوبة تقنيا في علوم الكواكب، وعلى عكس البعثات التي تلتقط لمحة موجزة عن المكنسة الفضائية التي تمر بها، يجب أن تكون مطابقة لخط التراب الأساسي الذي يتكون من جسم صغير غير منتظم، والذي كثيرا ما يكون له مجال ترجيحي ضعيف، وهذه الأجسام هي بقايا من النظام الشمسي المبكر، وتكشف عن وجود أهداف ذات سمة عالية.

Understanding the Operational Environment

الميول القصوى والسير الحراري

فالكعكات والستيرويدات تفتقر إلى جو كبير إلى درجة حرارة متوسطة، وقد تتعرض مركبة فضائية في المدار حول إحدى هذه الهيئات للإشعاع الشمسي من جانب واحد بينما يواجه الجانب الآخر مساحة كبيرة عند درجة الصفر المطلقة تقريباً، وبالنسبة للأجسام التي تدور ببطء، مثل العديد من الكويكبات، فإن درجات الحرارة السطحية يمكن أن تتأرجح من أكثر من 100 درجة مئوية في ضوء الشمس إلى أقل من 150 درجة مئوية في ظلها.

Micrometeoroid and Debris Hazards

وتُملأ غيبوبة كومية بالغبار وجسيمات الجليد التي تسافر في أعالي النسب، بل إن حبة الرمل التي تضرب مركبة فضائية على بعد عدة كيلومترات في الثانية يمكن أن تتسبب في أضرار كبيرة، وكثيرا ما تكون الآلات مغطاة في إعادة التدفئة، ويمكن أن يركّز الحطام بفعل المدار أو الهبوط، ويجب أن تُدرّب المركبات الفضائية في مناطق حرجة تصل إليها دروع العجلات أو هياكل الضغط المماثلة.

البيئة الإشعاعية

بالإضافة إلى الغلاف المغنطيسي الواقي للأرض، والأشعة الكونية المجرية، والظواهر الجسيمية الشمسية تشكل تهديداً مستمراً للالكترونيات وصحة الإنسان في البعثات الم طاقمة، والمركبات الفضائية الآلية، والشاغل الرئيسي هو آثار ذات هدف واحد حيث تسبب الجسيمات العالية الطاقة تقلبات عضلية، أو تمزقات، أو أضرار دائمة لشبه الموصلات، وتُستخدم المكونات التي تُستخدم طوال العمر، والتي يجب أن تشمل البرمجيات

تصميم الهياكل والمواد

الوزن الخفيف ولكن المواد القابلة للتداول

وتتطلب كل كيلوغرام من الكتلة من الوقود الدفعي الكبير التعجيل بذلك، فإن مصممي المركبات الفضائية يبحثون دائما عن مواد أخف، كما أن الألومنيوم - ليثيوم، والتيتانيوم، ومركبات الكربون - المحررة توفر نسبا عالية من القوة إلى الوزن، أما بالنسبة لبعثات الكويكبات، التي قد تحتاج المركبة الفضائية إلى أن تهبط أو ترسو على السطح، فيجب أن تقاوم المواد أيضا الإغراق من أسطح حادة ومرنة.

Impact-Resistant Structures]

وقد استخدمت بعثة أوسيريس - ريكس درعاً من خمسة طوابق على كبسولة إعادة العينات التي تستخدمها لحماية العينات أثناء العودة، وبالنسبة للحافلة الفضائية نفسها، كثيراً ما توضع الأجهزة الإلكترونية الحرجة والدبابات الدافعة في منطقة أساسية محمية، بينما تكون العناصر الأقل حيوية في موقع يسمح باستيعاب الآثار.() وتُقدم هياكل شطائر العسل التي تحمل أغطية الوجه الألومنيوم في المستقبل قدراً جيداً من الارت ومقاومة عند الكتلة المتقدمة المنخفضة.

نظم الطاقة للبعثات الطويلة الأجل

مولدات كهربائية تعمل بالنظائر المشعة وأجهزة الأشعة الشمسية

فالبعثات التي تسافر إلى النظام الشمسي الخارجي، مثل بعثة روزيتا للمجيء 67P/Churyumov-Gerasimenko، كثيرا ما تعتمد على مولدات الطاقة الحرارية التي تعمل بالنظائر المشعة، لأن ضوء الشمس يصبح ضعيفا جدا بالنسبة للألواح الشمسية على مسافات كبيرة من الشمس، وبالنسبة للبعثات التي تُرسل إليها الأجسام القريبة من الأرض أو الكويكبات الرئيسية، فإن صفائف الطاقة الشمسية المتقدمة ذات المستويات العالية الكفاءة توفر مجموعة من العناصر.

تخزين البطاريات وإدارة الطاقة

وتحتاج البعثات الفضائية العميقة إلى تخزين للطاقة موثوق به لفترات الكسوف أو عندما تُنَفَّر المركبة الفضائية، وتُعدّ البطاريات التي تُستخدم فيها كثافة عالية من الطاقة أمرا شائعا، ولكن يجب إدارتها بحرا بعناية لمنع التسخين المفرط، وتستخدم نظم إدارة الطاقة أقصى أجهزة التتبع لتستخرج الطاقة من صفائف الطاقة الشمسية وتوزع الطاقة على أجهزة التدفئة والأدوات ونظم الارتداد.

التصميم الإجباري والتصميم المساري

Ion and Electric Propulsion

كما أن نظم الدفع الكهربائي، مثل محركات الدفع بالهال ومحركات الأيون المزودة بشبكات، تقدم دفعات محددة عالية جدا، مما يعني أنها تستهلك أقل دافعا لتغيير معين في السرعة، كما أن بعثة الفجر تستخدم دفعة الأيون للدخول في مدار حول فيستا وفي وقت لاحق من الزهور، مما يدل على قدرة هذه التكنولوجيا على إنتاج الكويكب، كما أن محركات الكهرباء تحتاج إلى قدر كبير من الطاقة الكهربائية.

Propulsion Chemical for Maneuverability

أما بالنسبة للتدخل المداري، أو الهبوط، أو جمع العينات، فإن نظم الدفع الكيميائي توفر زخما عاليا يسمح بالمناورات السريعة، ومحركات التكاثر باستخدام الوقود الفائق الفولطية مثل الهيدرزين الأحاديث ورابع النيتروجين يمكن الاعتماد عليها ويمكن إعادة استخدامها مرات عديدة، وتستخدم بعض البعثات نظما هجينة تجمع بين الدافع الكيميائي والكهربي لتحقيق التوازن في الكفاءة والاستجابة.

التوجيه، الملاحة، والمراقبة

الملاحة المستقلة حول الأجسام الصغيرة

فالكميات والستيرويدات ذات حقول الجاذبية الضعيفة للغاية، مما يجعل تحديد المدار التقليدي من الأرض أمراً غير موثوق به، ويجب أن تستخدم المركبة الفضائية صوراً بصرية لمقارنة الملاحة على متنها، بحيث تُقدّر مواقعها وسرعةها، كما أنَّ أجهزة الملاحة الجوية غير المألوفة يمكن أن تُعدِّل مسارها في الوقت الحقيقي دون انتظار برامجيات الملاحة الأرضية.

مراقبة الحركة والاستقرار

ويلزم توجيه إشارات دقيقة إلى الأدوات اللازمة لاتخاذ القياسات العلمية وإلى الهوائيات للتواصل مع الأرض، وعجلات الرد هي الآلية الرئيسية لتناوب المركبة الفضائية، ولكن يجب أن تُحل بصورة دورية باستخدام محركات الدفع، التي تستهلك الوقود، وتستخدم بعض المركبات الفضائية، مثل بعثة هايبوسا 2، مجموعة من عجلات التفاعل وأجهزة الدفع الصغيرة لمراقبة الصواريخ.

الاتصال ومعالجة البيانات

شبكات الاتصالات الفضائية العميقة

ويحتاج الاتصال بمئات الملايين من الكيلومترات إلى هوائيات كبيرة على الأرض وإلى أجهزة إرسال قوية على متن المركبة الفضائية، وتستخدم شبكة الفضاء العميق التابعة لناسا 70 متراً و34 متراً هوائيات للصحون في كاليفورنيا وإسبانيا وأستراليا للحفاظ على التغطية المستمرة، وتستخدم المركبات الفضائية الترددات ذات النطاق X وكميات الترددات ذات الترددات الكثيفة، مع معدلات البيانات التي تتراجع بمسافة.

شبكة المتعلمين المتأخرين

وتفترض بروتوكولات الإنترنت الموحدة، مثل TCP/IP، وجود قدر قليل من المرونة والتواصل المستمر، لا توجد في الفضاء العميق، وتخزن شبكات التسامح المستمر مجموعات بيانات في المنصات الوسيطة وترسلها عندما تصبح وصلة، ويضمن هذا النهج المخزني والمستقبلي أن تصل البيانات في نهاية المطاف إلى وجهتها حتى إذا كانت الصلة متقطعة أو متأخرة بعد دقائق أو ساعات عديدة.

التغاضي عن الغير والتسامح

النظم الفرعية الخفيضة

(أ) إن إعادة التدوير هي العمود الفقري لمرونة المركبات الفضائية، فالنظم الفرعية الحرجة مثل القوة، والاتصالات، ومراقبة المواقف، والدافع هي عادة مكررة، وفي هيكل مزدوج، يحتوي كل سلسلة من الخيوط على مجموعة كاملة من المكونات، ويمكن أن تُستحوذ السلسلة الثانية على كامل إذا فشلت المرحلة الأولى.

موثوقية البرمجيات ومعالجتها

(ب) أن ترصد برامجيات مُتسامحة للبرمجيات صحة النظام ويمكنها إعادة تشكيل أو إعادة تشكيل المكونات عندما يتم اكتشاف حالات الشذوذ، وتكفل أجهزة توقيت المراقبة عدم علق الحاسوب في حلقة غير نهائية، وتصحح الذاكرة الرمزية للخطأ فترات السحب الممتدة من الإشعاع إلى واحد، ويمكن تحميل تحديثات البرمجيات البرمجيات الجاهزة من الأرض لتثبيت البقايا أو تحسين الأداء، ولكن يجب أن تعمل

التخطيط للطرق الآمنة والمواقف

وعندما يكتشف وجود شذوذ أن المركبة الفضائية لا يمكن أن تحل على الفور، فإنها تدخل تشكيلة آمنة ]، وفي ظروف آمنة، تُنقِّف المركبة الفضائية ألواحها الشمسية نحو الشمس، وتقيم وصلة اتصالات منخفضة الجودة مع الأرض، وتنتظر وجود أوامر أرضية، ويجب أن يكون تصميم أسلوب آمن قوياً بشكل لا يصدق، ويستخدم فقط أكثر العناصر الموثوقة في مراقبة البعثة.

الاختبارات والتقديرات قبل الإطلاق

اختبارات الدفن الحراري والتأشيرات

وتختبر المركبة الفضائية في غرف الفراغ الحراري التي تحاكي الفراغات والبيئات الحرارية للفضاء، وتكشف هذه الاختبارات المركبة الفضائية عن درجات الحرارة القصوى وظروف الضغط التي ستواجهها أثناء البعثة، وتحفز الاختبارات الصوتية ظروف إطلاق الصواريخ العنيفة، حيث يجب أن تنجو المركبة الفضائية من ارتفاع الحمولات وضوضاء الصوت، وتصمم الهياكل بأهمال من الاختبارات الآمنة فوق الحمولات المتوقعة.

اختبار الإشعاع

وتختبر المكونات الإلكترونية بتعريفها على مصادر الإشعاع لتحديد مدى تسامحها مع الجرعة المؤينة الكاملة والآثار ذات الظواهر الواحدة، وتُستبدل المكونات التي لا تستوفي المتطلبات بنسخ ملوثة بالإشعاع، وتستخدم بعض البعثات ] عناصر غير قابلة للتصديق أو يمكن استخدامها.

التكامل والتحقق على مستوى المنظومة

ويجب أن تعمل جميع النظم الفرعية معا دون عيوب، كما أن اختبار التكامل يمارس نظام التحكم في القيادة ومعالجة البيانات، وإدارة الطاقة، ومراقبة المواقف، والدفع ككل متكامل، كما أن عمليات المحاكاة في المواقع والتجهيزات داخل المواقع تختبر استجابة المركبة الفضائية لمدخلات الاستشعار المحاكاة، ويؤكد التحقق أن التصميم يفي بجميع متطلبات البعثة، بينما يكفل التحقق فعلا أن التصميم المقصود هو البيئة.

دروس من البعثات التاريخية

روزيتا وفيلا

مهمة وكالة الفضاء الأوروبية كانت أول من يلتفت مع كومة و ينشر مهبطاً فيلا على سطحها

هايابوسا وهايبوسا(2)

وقد أظهرت بعثات (هايبوسا) التابعة لـ(جاكسا) إمكانية وتحديات عودة عينات الكويكبات، وقد عانت (هايبوسا) الأصلية من فشل في الدفع، وتوقف الاتصالات، وفقدان حاد في مراقبة المواقف خلال نهجها تجاه (إيتاكوا)، وقد تعلمت بعثة (هايبوسا 2) من هذه التجارب، وضمت تحسين الملاحة والدفع والتسامح، ونجحت في إعادة العينات من التفاؤل عن استخدام المحركات المحركات المحركات المحركات المحركات المتحركة.

OSIRIS-REx and Bennu

بعثة (أوسيريس) إلى (بينو) كشفت أن سطح الكويكب كان أكثر سطوحاً من المتوقع، مما يتطلب تعديلات على خطة جمع العينات، وآلية احتياز المركبات الفضائية استخدمت ذراعاً شبيهاً بالبراغ الذي اتصل بسطحه بإيجاز لجمع العينات، و نظام الملاحة للمركبات الفضائية كان عليه أن يُحدد مناطق الهبوط الآمن ذات القيمة المضافة.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

الاتصالات بالليزر

إن نظم الاتصالات البصرية التي تستخدم الليزر يمكن أن تنقل البيانات بأسعار أعلى من نظم الترددات اللاسلكية، وستظهر مهمة ناسا النفسية اتصالات الليزر في الفضاء الخارجي خارج القمر، وبالنسبة للبعثات الكويكباتية، فإن ارتفاع معدلات البيانات سيسمح بنقل الصور ذات الاستبانة العالية والبيانات العلمية بشكل أكثر تواترا، مما يقلل العبء على التخزين على متن السفن ويمكّن من اتخاذ القرارات في الوقت الحقيقي في بعض الحالات.

مفاهيم الدفع المتطور

ويجري حاليا دراسة الدفع الحراري النووي والدفع الكهربائي النووي من أجل قدرتهما على تخفيض فترات السفر إلى أهداف بعيدة، ويمكن لهذه النظم أن تمكن البعثات من المذنبات والستيرويدات في النظام الشمسي الخارجي غير العملي حاليا، ويمكن للأبحار الشمسية أن توفر دفعا مستمرا دون دفعات، مما يتيح للمركبات الفضائية أن تغير المدارات ببطء على مدى سنوات عديدة، ويجري، على نحو أقرب، تطوير محركات الدفع العالي في قاعات الفضاء ذات الأطول مدى الحياة المقبلة.

الاستخبارات الفنية وعلم النفس

ويجري إدماج التعلم من الآلات وآلات التصوير المغنطيسية في نظم المركبات الفضائية لأغراض مثل الاعتراف بالأرض، وتجنب المخاطر، والتحليل العلمي المستقل، حيث يمكن لـ ] تجربة المركبات العلمية المستقلة أن تُظهر بالفعل على متنها عملية اتخاذ القرارات بشأن الساتل الواحد لرصد الأرض، وبالنسبة للبعثات الكويكبات، يمكن أن تساعد المركبة الفضائية على تحديد السمات المهمة، وتحديد أولويات جمع البيانات، وتعديل عينات المراقبة الذاتية.

استخدام الموارد في الموقع

وقد تستخدم البعثات المقبلة الموارد من الهيئة المستهدفة نفسها، ويمكن أن تنتج المواد الكويكباتية أو المذنبة الوقود أو حتى العناصر الهيكلية، وبالنسبة للبعثات الطويلة الأجل أو المراكز الخارجية الدائمة، يمكن أن يقلل استخدام الموارد في الموقع من كمية الكتلة التي يجب جلبها من الأرض، وهذا ما لا يزال تكنولوجيا للمضاربة في المركبات الفضائية، ولكن قد اقتُرحت تجارب أساسية للبعثات القريبة من الأجل.

خاتمة

وتتطلب تصميم المركبات الفضائية المرنة لبعثات المذنبين والمعادن الكويكبات اتباع نهج متعدد الجوانب يعالج الإدارة الحرارية، وحماية الإشعاع، ومقاومة الأثر، والملاحة المستقلة، والتسامح الشديد إزاء الأخطاء، وتدفع كل بعثة حدود ما يمكن، وستستمر الدروس المستفادة من الإخفاقات والنجاحات السابقة في صقل الممارسات الهندسية، حيث أن الوكالات الفضائية والمؤسسات الخاصة تخطط للبعثات المقبلة إلى الأجسام القريبة من الأرض وما وراءها، بل ستشكل التكنولوجيات التي استحدثت لهذه البعثات الصغيرة.