تصميم مركبة فضائية لبعثات عودة العينات من الكوميات والستيرويدات

The Engineering Frontier of comet and Asteroid Sample Return

وفي التسلسل الهرمي للمساعي الفضائية العميقة، لم يواكب سوى القليل من الإنجازات ما تنطوي عليه عملية إعادة العينات من كومة أو كويكب، وهذه العمليات تتطلب مركبة فضائية لسفر مئات الملايين من الكيلومترات، والتقاء بجسد لا يتجاوز في كثير من الأحيان مبنى المدينة، وجمع المواد البكرية من سطحها أو تحتها، ثم إعادة تلك الشحنات إلى الأرض بطريقة آمنة.

التحديات الرئيسية في تصميم المركبات الفضائية لبعثات العودة العينية

ويختلف تصميم مركبة فضائية لعودة العينات اختلافاً جوهرياً عن بناء مدار أو أرض، ويجب أن تؤدي المركبة الفضائية مراحل متعددة عالية الخطورة: المرور العابر في الفضاء العميق، والتقاء الدقيق، والتفاعل السطحي، واكتساب العينات واحتواءها، والوسط، وعودة الأرض، والعودة في الغلاف الجوي، وأن تستحدث كل مرحلة أساليب فشل يمكن أن تُدمِّرها، وتتناول الأجزاء الفرعية التالية بالتفصيل التحديات الرئيسية التي تدفع عملية التصميم.

الأخطار البيئية للهيئات الصغيرة

فالكوميونات والستيرويدات تحتل بيئة قاسية ومتغيرة، إذ يجب أن تتحمل المركبات الفضائية تقلبات حرارة شديدة أثناء انتقالها من مدارات تقارب الشمس ثم تتحول إلى الفضاء الخارجي، وعلى السطح، يمكن أن تتراوح درجات الحرارة من درجة عالية من التلاحم الفضائي غير المستقر، كما أن المادة السطحية التي تُرفع من درجة الحرارة إلى أقل من المادة 150 من الترميز، وهي في ظلها تثير قلقا آخر:

مجموعة العينات ونزاهة التخزين

ولا يمكن أن تكون العينة سوى نصف المعركة، إذ يجب تخزين المواد المجمعة بطريقة تحفظ قيمتها العلمية خلال أشهر أو سنوات العبور إلى الأرض، كما أن التطهير هو مصدر قلق رئيسي: يجب أن تكون العينة معزولة عن التفوق من المركبة الفضائية، وعن مخلفات الوقود، وعن أي مواد بيولوجية قد تضر بتحليلات الكشف عن الحياة في المستقبل.

العمليات المستقلة وتأخر الوقت

ولا يمكن أن تكون التأخيرات في الاتصالات بين الأرض والمركبات الفضائية بالقرب من الكويكب أو المذنب عدة دقائق إلى عشرات دقائق، تبعا للمسافة، مما يجعل السيطرة عن بعد غير عملية في الوقت الحقيقي للمناورات الحرجة مثل الهبوط وأخذ العينات والارتفاع، ويجب أن تتمتع المركبة الفضائية بدرجة عالية من الاستقلالية، بما في ذلك الكشف عن المخاطر على متن السفن وتجنبها، والتوجيه والملاحة بالنسبة للهدف، والقدرة على القيام بمحاولة متطورة دون تدخل.

اعتبارات التصميم الخاصة بالمركبات الفضائية العائدة العينية

ويجب أن تكون جميع النظم الفرعية على عينة من المركبات الفضائية الخاصة بعودة المركبات الفضائية على الوجه الأمثل بالنسبة لموجزات البعثات المحددة، ويجب أن تتوازن عملية التصميم بين الكتلة والطاقة والتحكم الحراري والموثوقية والتكلفة مع تلبية المطالب الفريدة لعمليات الجسيمات الصغيرة.

الإدانة والملاحة

"العملية" "العملية" "العملية" "العملية" "العملية" "العملية" "الإنطلاق" "الإنطلاق" "الخاصة" "والعملية" "الإنطلاق"

وتعتمد الملاحة على أجهزة الاستشعار الضوئية والليزرية، ويجب أن تبنى المركبة الفضائية نموذجا مفصلا للجسم المستهدف من بعيد، ثم صقل هذا النموذج أثناء النهج، والكاميرات الضوئية، والجهاز اللاصق، وأحيانا تستخدم الرادار لرسم الخرائط، وتحديد مواقع العينات الآمنة، وتتبع موقع المركبة الفضائية فيما يتعلق بالجسد.

تكنولوجيات أخذ العينات

وتتوقف الطريقة التي يتم اختيارها لجمع العينات اعتمادا كبيرا على طبيعة الهدف ونوع المواد المرغوب فيها، وفيما يلي استراتيجيات أخذ العينات الرئيسية التي طُهرت أو هي قيد التطوير:

• هذه التقنية التي تستخدمها شركة (أوسيريس-ريكس) و(جياكسا) في إزالة مخاطر السطو على السطح، وهي تُجري اتصالاً موجزاً، ثم تُسحب مباشرة.
• يمكن نشر آلية للحفر من أجل العينات السطحية: بالنسبة للبعثات التي تحتاج إلى مواد من أسفل طبقة السطح المجوّلة، يمكن نشر حفر دوائي أو ذي تركيزي، والتدفئة أكثر تعقيدا من TAG لأنها تتطلب رسوة السطح لرد فعل على حافة الحفر التي أطلقتها شركة JAXAs Hayabusa2
• Contamination Prevention Systems:] All sampling mechanisms must be designed to minimize contamination. This includes using materials with low outgassing, keeping sample paths clean, and sealing the sample container immediately after acquisition. Many missions use a double-seal lid mechanism or a flexible bellows that collapses to seal the container.
• Strategies for Loose Regolith and Ice:] For comets, where the surface may consist of a mixture of dust, ice, and organic compounds, sampling mechanisms must accommodate a range ofميكانيكيal properties. Devices that scoop, brush, or use electrostatic attraction have been considered for future missions.

Thermal Control for Extreme Environments

فالإدارة الحرارية هي المحرك الحرج للتصميم، إذ يجب أن تبقي المركبة الفضائية مكوناتها الداخلية ضمن نطاقات درجات الحرارة التشغيلية مع التعرض للبيئة الحرارية القصوى للفضاء العميق وقرب الجسم المستهدف، فالتحكم الحراري السلبي باستخدام العزل المتعدد المراحل، والمشعات، والأنابيب الحرارية يمكن أن تكملها سخانات نشطة، وفي بعض الحالات، فإن أجهزة التبريد التي تتطلب درجات حرارة منخفضة)١(.

نظم العودة والدخل

كما أن موكب العودة في البعثة هو أكثر من يُحتمل أن يكون مُثبطاً للأعصاب، ويجب أن تفصل المركبة الفضائية كبسولة من الكبسولة التي تحتوي على العينة، ثم تؤدي مناورة لفحص الكبسولة لضمان دخول الغلاف الجوي للأرض في الزاوية والسرعة الصحيحين، ويجب أن تكون الكبسولة مجهزة بدرع حراري قادر على البقاء على ارتفاع حرارة تتجاوز 2000#176؛

الموثوقية والتكرار

ونظراً إلى طول مدة بعثات إعادة العينات وارتفاع المخاطر فيها، فإن هندسة الموثوقية هي الأهم، وكثيراً ما تكون النظم الفرعية الحرجة مكررة (المجهزات المتخلفة، والموصلات، والمدافع)، غير أن القيود الجماعية تحول دون الازدواج الكامل لكل عنصر، وبالتالي يجري تحليل المفاضلة لتحديد حالات الفشل من نقطة واحدة والتخفيف من حدتها من خلال التصميم.

أمثلة على البعثات السابقة والمقبلة

وقد اكتسبت الأوساط الهندسية خبرة قيمة من البعثات التي سبق أن تدفقت، وقد دفعت كل بعثة إلى وضع الفن في مجالات محددة.

ستاردست ناسا (المجموعة 81 بي/ويلد 2)

وكانت ستاردست أول بعثة لإعادة المواد خارج الأرض من خارج نظام الأرض - مون، وقد استخدمت جامعاً مملوءاً بالهيروجيل لاستخلاص جزيئات الغبار المذنب أثناء ذبابة عالية السرعة من البرية 2، وقد عادت كبسولة إعادة العينة إلى الأرض في عام 2006، وأثبتت ستاردوست جدوى جمع الجسيمات الفائقة السرعة دون تدمير الجسيمات، وأطلعت تكنولوجيا الهضبة اللاحقة على ذلك.

(جي أكسا) (هايبوسا) و(هايبوسا2) (الستيرويدات إيتاكوا وريوجو)

(ب) كانت (جاكسا هيابوسا) (2003-2010) مقلّدة تُغلّب على المشاكل التقنية الشديدة، بما في ذلك عجلات رد الفعل الفاشلة ومشاكل المحركات، لإعادة عينة من الناموسيات من إيتاكوا، وتحققت من دفعة المؤن للفضاء العميق واستخدام عينات (TAG) وخلفها (هايبوسا2) (2014-2020)

(الستيرويد بينو)

(أوسيريس) الذي بدأ في عام 2016، قام بأخذ عينات من (تي جي) في (بينو) عام 2020 ومن المقرر أن يُوصل عينته في عام 2023، (بينو) هو كويكب ذو صبغة كبيرة، ومساحة شديدة، و أجبر البعثة على تقييم مئات المواقع المحتملة لأخذ العينات، وقد استخدمت المركبة الفضائية آلية لمسح الغازات المتطورة (تيو-و-غو) التي أطلقت

البعثات المقبلة بشأن الأفق

مهمة (إيزا) هي مهمة الدفاع الكوكبي، ستزور نظام (ديديموس) الثنائي، وتنشر (كوبيسات) لملاحظة دقيقة، (جو) مُتفجرات (مارتي) هي عبارة عن عينة من مواد العودة

إن تصميم المركبات الفضائية لبعثات عودة العينات عملية مستمرة للتعلم، إذ تكشف كل بعثة عن تعقيدات جديدة بشأن تنوع الهيئات الصغيرة والقدرة على التكيف اللازمة للعمل في بيئتها، وبما أن المجتمع المحلي يتجه نحو أهداف أكثر طموحا، بما في ذلك المذنبات والجسد المتعدد، فإن التحديات الهندسية لن تنمو إلا، ولكن المكافآت العلمية من إعادة المواد البكرية إلى مختبرات الأرض ستظل أقوى محفز لهذا العمل.

For additional technical depth on specific missions, readers can explore the mission pages at NASA's OSIRIS-REx site , the JAXA Hayabusa2 project page , and the MX mission website[FLT excellent]