دال - التقدم المحرز في تكنولوجيات العجلات الرهينة لبعثات الفضاء العميقة

إن استكشاف الفضاء العميق يتطلب الدقة غير العادية في مراقبة موقف المركبات الفضائية - القدرة على توجيه المركبة وتثبيتها ضد قوى الجاذبية المتردية، والضغط الإشعاعي الشمسي، والزخم من النظم المتحركة - وقد كانت عجلات الرد على المركبات، طيلة عقود، حجر الزاوية في هذه القدرة، مما يوفر طريقة نظيفة وفعالة لضبط الاتجاه دون استهلاك الوقود الثمين، ومع قيام البعثات بفتح أبوابها في النظام الشمسي، وتحتاج إلى مزيد من الدقة.

إن تحديات الفضاء العميق متمايزة، فخلافا للسواتل الموجودة في مدار أرضي منخفض، التي يمكن أن تعتمد على المضاعفات المغناطيسية للتحلية، يجب أن تعمل المسبارات الفضائية العميقة بصورة مستقلة لسنوات أو عقود، وتواجه درجات حرارة شديدة، وتعرض للإشعاع، والحاجة إلى الموثوقية المطلقة، وقد تطورت عجلات الرد على الطلب لتلبية هذه الطلبات من خلال الابتكارات في المواد، والحملات، والتحكم في الأجهزة الإلكترونية، وتكامل في النظم.

ما هي العجلات الراتب؟

إن عجلات التفاعل هي نوع من أجهزة تبادل الزخم، وهي تتألف من دوار جماعي من معدن أو دوارة مركبة مركبة على متن مركبة ذات صلة داخل مركبة فضائية، وتجرب المركبة الفضائية، بتسريع عجلة القيادة أو تباطؤها، تناوبا متساويا ومعاكسا بسبب الحفاظ على الزخم المتوازي، مما يسمح بمراقبة المواقف من ثلاث ضواحي دقيقة دون طرد أي كتلة، مما يجعل من قبيل العجلات التفاعلية لبعثات الحافظة الطويلة الأجل.

وتستخدم معظم المركبات الفضائية أربع عجلات على الأقل للرد (ثلاثة عجلات أولية وواحدة زائدة) مرتبة في تشكيلات التخدير أو الترشيد، ويضبط حاسوب التحكم سرعة كل عجلات لتوليد الناقلة السائلة المرغوبة، ويمكن لعجلات الرد أن توفر حلاً دقيقاً للغاية على ترتيب ثانيات القرن، وهو أمر أساسي للملاحظات الفلكية، والاتصالات اللازرية، والتوجه الصامت.

حفظ النمط الأنقائي

إن الفيزياء التي خلفت عجلات الرد بسيطة بشكل واضح، فكل عمل له رد فعل متساو ومعاكس، وعندما يُطبق محرك العجلات على العجلة لتقلب على مدار الساعة بسرعة أكبر، فإن المركبة الفضائية تعانى من تسارع في اتجاه عكسي، ومن خلال التحكم المستقل في ثلاث أو أربع عجلات، يمكن للمركبات الفضائية أن تدور حول أي محور، ويظل الزخم الكلي للمركبات الفضائية خارج نطاقها.

الاعتبارات الرئيسية المتعلقة بالتصميم

وتشتمل تصميمات العجلات على مقايضة بين القدرة على تخزين الزخم، والناتج العنيف، والكتلة، والحجم، وعمر الحياة، ويتيح تخزين الزخم العالي فترات أطول بين مناورات التحلية (حيث يُلقى الزخم الزائد بواسطة القاذورات أو المراكب المغنطة المغنطة)، ولكن العجلات الأكبر حجماً تزيد من الوزن واستهلاك الطاقة، وتحدد قدرة التشحيم مدى سرعة ارتدائها على التناوب، وهو أمر أساسي بالنسبة للاضطرابات التي تُتُتُتُتُت في معالجة الاضطرابات التي تُكَتْتْتْتْ مثل الاضطراباتُها.

وكثيرا ما تكون الحياة التشغيلية لعجلات الرد عاملا يحد من البعثات الموسعة، فسرعات العجلات يمكن أن تتفاوت بسبب الاحتكاك والاختلالات والآثار الحرارية، مما يتسبب في ذبذب وجلة تؤدي إلى تدهور أداء الأجهزة، وتخفف النظم الموازنة النشطة وأجوريم المراقبة المتطورة من هذه الآثار، ورغم هذه التعقيدات، فإن عجلات التفاعل لا تزال الخيار المفضل لمراقبة المواقف الدقيقة على معظم المركبات العلمية ومركبات الاستكشاف الفضائية.

التطورات التكنولوجية الأخيرة

وقد شهد العقد الماضي تقدما ملحوظا في تكنولوجيا عجلات التفاعل، مدفوعا بمطالب البعثات الرئيسية مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي، المريخ 2020، والاختبارات القادمة إلى اليوروبا والكوكب الخارجية، ويمكن تجميع هذه التطورات في أربع فئات عريضة هي: القدرة على التسارع والزخم، والحد من الاحترار، والموثوقية، والطول، والتقليل إلى أدنى حد.

زيادة تخزين المواد الخام والرموز

ويمكن لعجلات التفاعل الحديثة أن تخزن زخماً أكبر بكثير لكل كتلة من الوحدات من سابقيها، وهذا يتحقق من خلال عدة ابتكارات، أولاً، تحولت المواد الدوارة من المعادن التقليدية إلى السبيكات العالية السلسلة ومركبات الألياف الكربونية، وتوفر الألياف الكربونية درجة عالية من التشعب والكثافة المنخفضة، مما يسمح للدوارات بأن تدور بسرعة دون تشوه، على سبيل المثال، عجلات التفاعل المستخدمة في نظام " جيمس ويب " .

ثانيا، تحسن التصميم الآلي، إذ أن محركات البلدان النامية التي لا تحصى والتي لها مغناطيسات دائمة عالية الطاقة (مثل الساماريون -كوبالت أو نيوديميوم) توفر كثافة حرارية أعلى دون التسخين المفرط، وكثيرا ما تكون هذه المحركات مدمجة بأجهزة إلكترونية متقدمة للطاقة يمكنها أن تحقن موجات دقيقة، وتخفف من التداخل التسارعي والكهربي.

ثالثا، تم تحقيق الإدارة الحرارية على الوجه الأمثل، فالعملية العالية السرعة تولد الحرارة، التي يجب تفريقها لتجنب التأثيرات الضارة والإلكترونيات، كما أن الوصلات الحرارية الجديدة التي تستخدم صحائف الجرافات الحرارية والأنابيب الحرارية تتيح للعجلات أن تسخن بمزيد من الفعالية، مما يتيح استمرار العمليات ذات التردد العالي أثناء المطالبة بالمناورات مثل التحليقات الكوكبية أو الإدخال المداري.

انخفاض عدد الإصابات والنواحي

ومن أهم التحديات التي تواجه عجلات التفاعل، التذبذبات الميكانيكية التي يمكن أن تضفي على الصور، أو تتدخل في المقاطع الحساسة، أو تعطيل وصلات الاتصال بالليزر، وهذه اليقظة تنشأ عن اختلال التوازن في الروتور، مع وجود قصور في التأثيرات، وتشويه السيارات، ولمعالجة ذلك، وضع المهندسون عدة نُهج تكميلية.

وتستخدم نظم الموازنة النشطة كتل مجهرية قابلة للتعديل أو مُصَوِّرات فائقة الكهرباء لتصحيح الاختلالات المتبقية بصورة دينامية أثناء التشغيل، ويمكن لهذه النظم أن تلغي اليقظة في الترددات الحرجة، وتخفض درجة الجليس بأوامر ضخامة، وعلى سبيل المثال، أظهرت برامج الرقابة الفعالة على اليقظة في الوكالة الوطنية الآسيوية - تخفيضات في اليقظة تصل إلى 90 في المائة.

وتشمل التقنيات السلبية تحسين التجمعات ذات التأثيرات ذات الكرات الكراتية وأجهزة سطوانات السائلة التي تستوعب الطاقة في الصعود، كما أن الجبال التي تستخدم الينابيع المدروسة والرمل تزيد من تهوية العجلات قبل وصولها إلى حافلة المركبات الفضائية، وبعض العجلات المتقدمة تتضمن امتصاصات داخلية للإهتزازات أو أجهزة صبغ في إطار المحركات.

ومن الإنجازات الأخرى استخدام التعويض عن الاضطرابات القائمة على البرامجيات، وتشمل نظم مراقبة المواقف الحديثة نماذج لتوقيع العجلات على العجلات وتعديل سرعة العجلات بصورة نشطة لتجنب الارتداد المثير للوسائل المسببة للارتباك في هيكل المركبات الفضائية، وهذه التقنية المعروفة باسم " طريقة البرمجيات " أو " توجيه الكيس " ، تستخدم في ساتل المسح الاستخراجي العابر (TESS) وسلسلة العملياتية الثابتة.

التأثير العام هو أن عجلات التفاعل الحديثة يمكن أن تعمل بمستويات مجهرية منخفضة مثل القليل من أجهزة التصوير المصغرة، مما يتيح تحقيق استقرار في تحديد المواقع ونقطة التلال دون الثانية، وهذا أمر حاسم بالنسبة لبعثات مثل تلسكوب نانسي غريس روماني للفضاء، الذي سيتطلب دقة كبيرة في تحديد النقاط بالنسبة لأدواتها الواسعة النطاق.

تعزيز الموثوقية والطول

وكثيرا ما تستمر البعثات الفضائية العميقة من 10 إلى 20 سنة، وهي تتجاوز كثيراً مدة تصميم العديد من عجلات التفاعل التجاري، ومن أجل تلبية هذا الشرط، تركز صناع العجلات على استخدام نظم التركيب مدى الحياة، وحيث أن الفشل هو أكثر الأسباب شيوعاً لعجلات الرد على الحياة، فقد امتدت الجهود الكبيرة إلى تمديد ساعات عملها.

ومن بين الابتكارات الرئيسية استخدام أقفاص البوليمر المهبل بالزيوت المهبل (المعروفة أيضا بنظم تشحيم الزيوت) وهذه الأقفاص تُطلق ببطء مواد التشحيم بمرور الوقت، وتحتفظ بفيلم رقيق بين الكرات والأعراق دون إحداث جر أو تلوث، ويشمل نهج آخر التشحيم الصلب مثل فولفيد المنغلوب (MoS2) أو المكسور للكربون.

كما يستخدم المصانع فحصا دقيقا واختبارا مشتعلا، وكل عجلة تخضع لفترات طويلة في فترات متباينة السرعة ودرجات الحرارة لفقدان وفيات الرضع، كما أن مراقبة العمليات الإحصائية وقابلية التتبع تكفلان الجودة المتسقة، ونتيجة لذلك تراكمت بعض عجلات الرد على مدار 15 عاما من العمليات المستمرة على مدار دون تردي، وعلى سبيل المثال، كانت عجلات التفاعل على مركبة الفضاء كاسيني تعمل بلا عيوب لمدة 20 سنة.

إن إعادة التوحيد هي استراتيجية أخرى للموثوقية، إذ أن معظم المركبات الفضائية تحمل أربع عجلات للرد (واحدة كقطعة احتياطية) ويمكن أن تعالج خوارزميات التحكم فقدان عجلة واحدة مع الحفاظ على القدرة الكاملة على توجيه المركبات، وفي بعض الحالات، تُدرج عجلة خامسة للبعثات ذات الأهمية البالغة، مثل تحليق الإنسان للفضاء أو عودة العينات.

وبالإضافة إلى ذلك، تم وضع نظم لرصد الأوضاع للتنبؤ ببقايا الحياة المفيدة، وهذه النظم تتبع سرعة العجلات، وتتحمل درجة الحرارة، وطيف اليقظة، وحالات التيار المتحرك، وشبهات العلم قبل أن تؤدي إلى الفشل، ويمكن أن تكتشف خوارزميات التعلم الآلات في الاحتكاك أو الاختلال، مما يتيح الصيانة الاستباقية أو التخطيط للطوارئ، وقد استخدمت هذه القدرة التنبؤية أثناء بعثة كيبلر لإدارة تدهور العجلات وتوسيع نطاق العمليات العلمية.

تصميمات أصغر وألياف

وقد أدى الاتجاه نحو السواتل الصغيرة، بما فيها سواتل كوبيسات وسمولسات، إلى الطلب على عجلات تفاعلية مدمجة منخفضة الكتلة، حيث تقدم شركات عديدة الآن عجلات للرد خارج الكشوف تقل وزنها عن 200 غرام وتتناسب مع معامل نموذج كوبيسات واحد، وتستخدم هذه العجلات الصغيرة أجهزة تكييف صغيرة وأجهزة تكييف ذات مقاييس معتدلة خصيصا لتقديم أداء ملائم لبعثات رصد الأرض والزب المشتركة بين الكواكب.

ويستفيد التصغير أيضا من المركبات الفضائية الكبيرة عن طريق تحرير الكتلة والحجم من الحمولات أو الوقود، وعلى سبيل المثال، فإن تجمعات عجلات التفاعل في مختبر علوم المريخ أصغر بكثير من تلك الموجودة في القضبان السابقة، ولكنها توفر قدرة مماثلة على الصمامات، وقد أتاح هذا الادخار الجماعي نقل المزيد من الأدوات العلمية.

وقد مكّنت أوجه التقدم في الطباعة بواسطة 3D من إحداثيات معقّدة في المساكن المتحركة والدوارات التي تقلل من الوزن بينما تحافظ على القوة، ويستخدم بعض المصنّعين قطعاً من التيتانيوم أو الألمنيوم المصنعة بصورة مضافة لضميمة العجلات، مما أدى إلى قطع الكتلة بنسبة تصل إلى 30 في المائة مقارنة بالأجهزة التقليدية، وبالمثل، فإن إدماج أجهزة توليد الطاقة الإلكترونية والتحكم مباشرة في التجمعات المتحركة يقلل من الكوادر والوصلات.

الأثر على بعثات الفضاء العميق

ويحدث الأثر التراكمي لهذه التطورات تحولا في استكشاف الفضاء العميق، إذ أن تحسين عجلات الرد يمكّن من تصميمات البعثات التي كانت في السابق مستحيلة أو غير عملية، وهنا عدة أمثلة ملموسة على كيفية تغيير عجلات الرد الأفضل لمشهد الاستكشاف.

الأراضي الكوكبية والعمليات السطحية

كما أن مراقبة المواقف المسبقة أمر حاسم أثناء الدخول والنسب والهبوط على الكواكب والقمر، وتوفر عجلات الرد نقطة الغرامة اللازمة لتوجيه المركبة الفضائية أثناء الرحلة الجوية، ومواءمة الرادار المتحركة مع السطح، وثبات المركبة قبل التحلل، وتحتاج البعثات المقبلة مثل عودة المراسبلور إلى الدقة في إطار هدف بضع مئات من الميترات - وهو ما يعتمد على الترددات العالية.

على الراكب الكواكبي، عجلات الرد تساعد في إبقاء الهوائيات موجهة نحو الأرض والصفوف الشمسية نحو الشمس، ويستخدم غطاء المثابرة مجموعة من عجلات التفاعل المتخصصة لجهاز تحديد الذراع، مما يتيح تحديد محدد للكاميرات ونظم الليزر لاختيار العينات، وتعني التحسينات الطويلة أن هذه العجلات يمكن أن تعمل لسنوات في بيئة مارتيان الغبارية.

الإلحاق بالحجر المداري والمناورات

عندما تصل مركبة فضائية إلى كوكب مستهدف، عجلات تفاعل أساسية لإحداث حروق الضم المداري، تُوجّه المحرك الرئيسي للمركبات الفضائية في الموقف الصحيح وتُبقيه ثابتاً ضد تسارع الدافع، ويسمح تخزين الزخم العالي بمقابلات أكبر خلال الحرق، ويحسن كفاءة الوقود، على سبيل المثال، بعثة القطبية في جوبيتر

وأثناء الرحلات الجوية بين الكواكب، تستخدم عجلات الرد في مناورات التصحيحات المسارية، ولإرشاد صحون الاتصالات نحو الأرض، ويعني ارتفاع طول العجلات الحديثة أن هذه العجلات يمكن أن تُنفذ على نحو أكثر تواتراً مع احتمال أقل من تدهور العجلات، مما يؤدي إلى مزيد من الدقة في الملاحة.

الملاحظات العلمية

وتعتمد مقابس الفضاء مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي وتلسكوب نانسي غريس روماني الفضائي على عجلات رد الفعل من أجل تحقيق الاستقرار أثناء التعرض الطويل، وتحتوي عجلات رد فعل يوست، التي بنيها هونويل، على ضبط دقيق للعجلات وعلى إلغاء نشط لضبط حركة الاستقرار داخل المليمترات، مما يسمح للمقريب بمراقبة الجرافات المزروعة وأجهزة إطفاء الغلاف الجوي دون أن يُطَّرَرَع.

أدوات في الموقع على مدارات الكواكب - مثل أجهزة المغناطيس، ومحللات البلازما، والمطياف - المطياف الثابتة - تزيل العجلات الرطبة التي تسببها آليات أخرى على متنها، مما يتيح لهذه الأدوات تحقيق حساسيتها الكاملة، وترتبط نوعية البيانات من بعثات مثل بعثة البرمجيات المتعددة الأبعاد في الغلاف الجوي المغنطيسية ارتباطا مباشرا بأداء نظام مراقبة السلوك الذي يستخدم العجلات.

تخفيض المخاطر وتحقيق وفورات في التكاليف

إن تحسين الموثوقية يقلل مباشرة من مخاطر البعثة، إذ أن فقدان عجلة الرد يمكن أن يكون حدثاً سينتهي إلى نهاية البعثة، كما يُنظر إليه في مقراب كيبلر الفضائي، الذي فشل بعد فشل عجلتين من عجلات رد الفعل الأربعة، وهذه العجلات الحديثة ذات الطول الممتد والرصد المتوقع للصحة، تخفف من هذا الخطر، مما يتيح للبعثات أن تستمر لفترة أطول وتجمع المزيد من العلوم، وبالنسبة للبعثات الرئيسية التي تكلف بلايين الدولارات، فإن هذه الموثوقية عامل حاسم.

فبخلاف المخاطر، يمكن لعجلات التفاعل المتقدمة أن تقلل من التكلفة الإجمالية للبعثة، ومن خلال إزالة الحاجة إلى إطلاق النار على مدافع الصبغة المسببة للتآكل (التي تستهلك الوقود)، فإن عجلات الرد تسمح بزراعة الدفع الصغيرة وحافلات المركبات الفضائية الخفيفة، ويمكن تخصيص المدخرات الجماعية لمزيد من الأدوات أو صفائف شمسية أكبر، وبالإضافة إلى ذلك، فإن انخفاض الحاجة إلى نظم الدفع الفرعية يبسط التصميم العام للمركبات الفضائية، ويخفض تكاليف التكامل والاختبار.

الاتجاهات المستقبلية

إن مسار تكنولوجيا العجلات الرجعية يشير إلى قدرات أكبر، فالباحثين والمهندسين يستكشفون المواد الجديدة، وخطط المراقبة، والنظم الهجينة التي تعد بزيادة الحدود.

المواد المتقدمة والموصلات العليا

ويمكن قريبا استكمال أو استبدال ألياف الكربون بالمواد الناشئة مثل الغرافين أو نانووب الكربون، التي توفر حتى نسبا أعلى من القوة إلى الوزن والسلوك الحراري، وتكون معاملات العجلات المؤثرة احتمالا متقنا: يمكن أن تزيل الاتصال الميكانيكي كليا، مما يتيح التناوب الخالي من الاحتكاك عند درجات الحرارة المبردة، على الرغم من أنه لا يزال في مرحلة المختبر، [العملية: البحث الممول]

كما يجري تطوير وسائل التصريف المغناطيسي باستخدام حلقات المراقبة النشطة، وهي تحمل على الدوارة في الحقول المغناطيسية، وتقضي على الاتصال المادي، وفي حين أن هذه العوامل أكثر تعقيدا وغيابا في الطاقة، فإنها تتيح إمكانية الدقة القصوى والهزاء المفرط، وقد أثبتت بعض النماذج التشغيل لسنوات دون ارتداء ملابس.

أجهزة قياس المراقبة المتكاملة

إنّ ممرّات التحكم متشابهة مع عجلات الردّة، لكنّها تستخدم كمية مُقَوَّلة لتغيير اتجاه محور العجلات، مما يوفر ناتجاً أكبر بكثير من المُتَجَزّع للمركبات الفضائية المتفجّلة، وقد تجمع النظم المستقبلية بين عجلات التفاعل وأجهزة التصوير المُتّسمة بالارتداد في وحدة هجينة واحدة، مما يتيح ارتفاع مستوى أجهزة التصفّر المُ المُّة لنظم الفضائية المُ المُ المُّبةُّةُ المُّةُّةُ المُ المُصْعَةُّةُّةُّةُّةُّةُ وثَةُّةُّةُ.

التعلم في مجال الآلات والرقابة المستقلة

وتستخدم المعلومات الاستخبارية الفنية والتعلم الآلي لتعظيم عملية عجلات الرد، ويمكن للخرافي الديكي أن يتوقع ارتداء العجلات وتعديل الملامح التشغيلية لتمديد الحياة، ويمكن لنظم الكشف عن الأخطاء والتعافي منها أن تعيد تشكيل نظام مراقبة السلوك بصورة تلقائية استجابة لأورام العجلات، مما يتيح استمرار عمليات البعثات دون تدخل ميداني، وهذا الاستقلال ذو قيمة خاصة بالنسبة للبعثات الفضائية العميقة التي تتأخر في الاتصال.

التنسيق المتعدد الأطياف والمراقبة الهرمية

وبالنسبة للمركبات الفضائية الكبيرة مثل المحطات الفضائية أو المراكز الخارجية المتعددة الوسائط، فإن تنسيق عجلات التفاعل المتعددة عبر هيكل مرن يمثل مشكلة رقابة معقدة، وقد تستخدم الهياكل المستقبلية استراتيجيات مراقبة موزعة يدير فيها المتحكمون المحليون كل عجلة بينما يكفل المشرف المركزي الاستقرار العالمي، ويجري استكشاف هذا النهج في موائل الممر القمري والمريخ العابر، حيث تُستخدم أساليب اليقظة والمرونة الهيكلية في التحكم في المواقف المعقدة.

تقليص عدد بعثات الأسلحة الصغيرة

أما السواتل الصغيرة، بما فيها سواتل " كيوبسات " وأجهزة استئصال الشرايين، فإنها تستخدم بصورة متزايدة في استكشاف الفضاء العميق، وقد أثبت " ماركو كوبيسات " ، التي ترافق " المريخ " ، أن المركبات الفضائية الصغيرة يمكنها أن تؤدي نقلات الاتصالات بين الكواكب، وأن البعثات المتحركة المقبلة التي تضم عشرات أو مئات من المركبات الفضائية الصغيرة تحتاج إلى عجلات رد فعل لا تكون صغيرة فحسب بل وتتكامل أيضاً مع أجهزة أخرى ذات سواتل صغيرة الحجم.

خاتمة

إن تكنولوجيا العجلات الهندسية للرد على العمل قد قطعت شوطا طويلا من جذورها كتلة بسيطة من حيث الارتداد، حيث إن أحدث انجازات في علوم المواد، وحمل التكنولوجيا، ومراقبة الاهتزاز، والتقليل إلى أدنى حد من عجلات التفاعل إلى مستويات عالية الأداء، والعناصر الموثوقة التي تعتبر أساسية بالنسبة لبعثات الفضاء العميقة الطموحة، ومن الملامح الثابتة التي يقوم بها تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى المنافذ.

For further reading on advanced spacecraft attitude control systems, the NASA attitude control systems page] provides a general overview, while detailed technical specifications are available in the NASA Glenn Research Center reaction wheel information.