دور العجلات الرهينة في دعم بعثات البحوث العلمية الفضائية

Reaction Wheels: The Foundation of Spacecraft Attitude Control

وتتوقف بعثات البحث العلمي الفضائية على القدرة على توجيه الأدوات بدقة قصوى وعلى الحفاظ على توجه ثابت على مدى فترات طويلة، وتوفر عجلات الرد هذه القدرة دون أن تنفق الدفعات، مما يجعلها لا غنى عنها للمقاريب والمطياف وغيرها من الحمولات الحساسة، وتخزن هذه الأجهزة الكهروميكانيكية زخماً هائلاً في تناوب المناشف وتحويل هذا الزخم إلى هيئة المركبات الفضائية من أجل إحداث تناوب مركبها.

How Reaction Wheels Work: Physics and Mechanics

إن عجلات الرد هي أساساً قرص أو أسطوانة مُعدة على تجمع مؤثر داخل المركبة الفضائية، وعندما يُسرع المحرك الكهربائي في العجلة، فإن الحفاظ على قوة الدفع المعظم يؤدي إلى تناوب المركبة الفضائية في الاتجاه المعاكس، وذلك بتنسيق ثلاث أو أربع عجلات متوافقة مع محاور مختلفة، فإن نظام مراقبة السلوك يمكن أن يُوجّه المركبة الفضائية في أي اتجاه ذي أثر كبير.

العناصر والنظر في التصميم

وتشمل عجلات التفاعل الحديثة محركاً من طراز DC بلا فرش، وعجلة ذبابة ذات لحظة عالية من عدم التعرض للإصابة، وعلامات دقيقة (كثيراً من الاتصال الأنيازي أو الهيدرودينامي)، ووحدة إلكترونية للمراقبة، ويجب أن تزيل المواد الفراغات والإشعاعات والدورات الحرارية القصوى، ويعتبر التشحيم تحدياً حاسماً في التصميم؛ ويستخدم العديد من العجلات الفضائية المحتوية على عجلات المصغرة الخاصة أو التصافرطية.

3 - اتحادات مراقبة المحور

وتستخدم معظم المركبات الفضائية ثلاث عجلات للرد على الركبة من أجل التحكم في ثلاث أكسس، بالإضافة إلى رابع في تشكيلة مائلة للتكرار، وهذا الترتيب الهرم ذو الأربع حروف يسمح بفقدان أي عجلة واحدة مع الحفاظ على سلطة الموقف الكاملة، ويمكن أن يساعد التلسكوب الفضائي الهبل الذي أطلق أصلا بأربع عجلات، على سبيل المثال، ويعتمد على هذا التصميم.

لماذا التعافي من العجلات أمر أساسي بالنسبة للبعثات العلمية

وتتطلب الحمولات العلمية مثل الكاميرات ذات الاستبانة العالية، والمطيافات، والمضاربات، والرسومات المتزامنة، توجيه الاستقرار الذي يقاس في الحلقتين الثانية أو الأفضل، وتُدخل مراقبة المواقف القائمة على التكرار جذع من الاحتراق وأجهزة إطفاء المحركات، وتلوث البيئة البصرية التي تمتد من جرعاتها، وتستهلك محركاً محدوداً من حيث القدرة على الحركة.

تحديد الدقة وخفض عدد الجليسات

إن القدرة على الاحتفاظ بنقطة ثابتة لتحقيق التكامل الطويل أمر حاسم في الكشف عن البقوليات المغلوطة، ودراسة المجرات البعيدة، أو إجراء قياسات فلكية، وتشتغل عجلات الرد بأدنى قدر من اليقظة عندما تكون متوازنة، بل حتى الاختلالات الصغيرة يمكن أن تحفز الجليس، وتستخدم البعثات الحديثة منابر انعزالية نشطة لليقظة، وتجميعات للتحكم في الموجات الدوارة من أجل إلغاء الاضطرابات المتبقية.

مدخرات الوقود وتوقيت البعثة

وتحرق المحركات التقليدية الدفعات التي تستخدمها المركبات الفضائية في كل مرة تحتاج فيها إلى التناوب، وتقصر مدة البعثة على حمولة الوقود، وتستهلك عجلات الرد فقط الطاقة الكهربائية التي يمكن أن توفرها الألواح الشمسية أو مولدات النظائر المشعة على مدى سنوات عديدة، وتتيح هذه الميزة للبعثات مثل تلسكوب كيبلر الفضائي أن تراقب باستمرار لمدة تزيد على تسع سنوات، وتمسح أكثر من 000 150 نجم، وتحصل العمليات على عينات إحصائية أكبر من أجل دراسات التخطيط الزمان.

القدرات على العمل والارتقاء السريع

ويمكن لعجلات الرد أن تتسارع بسرعة، مما يمكن المركبة الفضائية من العودة من هدف إلى آخر في دقائق - شيء مستحيل مع النظم البطيئة القائمة على الدفع، وتستخدم بعثة " ترانزيت " (سواتل المسح الطائر) عجلات للرد على مسارها السريع بين مختلف قطاعات السماء، وتغطي مساحة المحيط السمعي بأكمله تقريبا في سنتين، وهذا الاختراق يسمح باكتشاف البلازما الأرضية التي تدرس في وقت قريب.

القيود والتحديات الهندسية

وعلى الرغم من مزاياها الكثيرة، فإن عجلات الرد تؤدي إلى وضع أساليب للفشل وإلى قيود تشغيلية محددة يتعين على مخططي البعثات أن يتصدوا لها، والفشل الأكثر شيوعا هو التحلل بسبب ارتدائه أو تلوثه أو فقدانه للتزليق، مع مرور الوقت، مع زيادة الاحتكاك، مما يؤدي إلى حدوث سباقات وخصائص مضرة، ويمكن لعملية الشيخوخة أن تؤدي إلى زيادة اليقظة، وارتفاع السحب الحالي، والضبط النهائي للعجلات، وتشمل أنماط الفشل الأخرى أخطاء في استخدام أجهزة البرمجيات.

الاضطرابات والاضطرابات

لأن عجلات الرد لا يمكنها إلا تخزين كمية محدودة من الزخم المتكرر، بل تصل في نهاية المطاف إلى أقصى سرعة لها وتتطلب تحلية، وهذه العملية، تسمى أيضاً تفريغ الزخم، وتشمل تطبيق السجاد الخارجية باستخدام القاذفات أو المراكب المغناطيسية لتقليص سرعة العجلات إلى نطاق إسمي، وبالنسبة للبعثات في المدار الأرضي المنخفض، فإن الأنهار المغناطيسية تتفاعل مع ميدان الدفع في الكوكب.

استراتيجيات الفشل والتعافي

وفشلت عجلات الرد الأكثر شيوعا في بعثة كيبلر: فقد فشل عجلتان من عجلاتها الأربع خلال أربع سنوات، مما قلل من قدرتها على الحفاظ على نقطة ثابتة لقياس التصوير، ولم تعد المركبة الفضائية قادرة على البقاء ثابتة في الميدان المستهدف، وإنهاء عمليات العجلات الرئيسية، وأعاد المهندسون تخصيص العجلتين المتبقيتين إلى جانب إطلاق الصواريخ من أجل إيجاد طريقة بديلة متحركة تنقذ أقل قيمة.

الإحساس الحراري والتشعب الإشعاعي

وتولد عجلات الرد الحرارة من الحركية والاحتكاك، التي يجب رفضها عن طريق أجهزة التشعير، ويمكن أن تسبب سرعة العجلات العالية التدفئة المحلية؛ ويمكن للتوسع الحراري غير المتساوي أن يفسد التوازن بين الروتين وتدهور التربة، وفي الفضاء العميق، يمكن أن تلحق مستويات الإشعاع أضرارا بالأجهزة الالكترونية وارتفاع معدلات التشحيم على مدى عقود.

دراسات الحالات: عجلات الرد في البعثات العلمية الملحوظة

وتكشف دراسة بعثات محددة عن كيفية تمكين عجلات الرد من تحقيق إنجازات - وكيف أن الفشل قد درس دروسا قيمة.

المقراب الفضائي الهبل

وقد حمل المركب في الأصل أربع عجلات رد فعل من شركة بينديكس (أعلى مستوى هونيويل) وبعد بعثة خدمات في عام 2009، حل محل رواد الفضاء عجلتين، وعمل المقراب بثلاث عجلات وظيفية حتى عام 2018 عندما فشل ثالث، وحتى مع عجلتين فقط من عجلات العمل، استمر تشغيله في العمليات العلمية باستخدام مزيج من الأنهار الجليدية والثبات المغناطيسية، رغم انخفاض مستوى القدرة على إصلاحه.

جيمس ويب تلسكوب الفضاء

ويستخدم الصندوق ست عجلات للرد على الترددات - أربعة عجلات أولية واثنين من المساندة لتحقيق دقة الإشارة إلى 0.066 ثانية من القوس، وتتكون العجلات من الصلب وتسير بسرعة تصل إلى 000 6 ريم بري، وتتكون من أجهزة إطفاء تعمل على الإهتزازات لتقليل الجليس إلى أدنى حد، وتخضع لجهاز برمجيات متطور يُنتج عنه نماذج ويلغي الاضطرابات.

Kepler and K2

فقدان (كيبلر) لعجلتين من ردود الفعل أجبر على إعادة استخدام مبدع للضغط الإشعاعي الشمسي للمساعدة على تثبيت المركبة الفضائية، تقنية استخدمت لاحقاً في مهمة (كي 2) هذا التحكم في المواقف الهجينة سمح باستمرار رصد العجلات الجديدة، مما أدى إلى اكتشافات كثيرة للمركبات على الرغم من المعدات المتدهورة، وأدت التجربة إلى تحسين المواصفات المتحركة للبعثات المقبلة، بما في ذلك ساتل المسح الزجري المعزز الذي يستخدم أربعة

بعثة غايا

إن مهمة قياس رواسب الجايا التي تقوم بها وكالة الفضاء الأوروبية تعتمد على عجلات رد الفعل لمسح الموجات فوق المستقرة لرسم مواقع بلايين النجوم، وعجلات غايا تخضع للدقة الثانية الدقيقة، والمركبات الفضائية تدور باستمرار بمعدل ثابت بينما تستعد لتغطية السماء، وأي اضطرابات في العجلات ستؤدي إلى تدهور قياسات الأشعة الفلكية،

التطورات المستقبلية في تكنولوجيا الارتداد

ولدعم الجيل القادم من البعثات العلمية - مثل المقراب المجزأة الكبيرة، ومرصدات الموجات الجاذبية، وتكنولوجيا العجلات المتقطعة - الرد السريع - يجب أن تتقدم في الموثوقية والدقيقة والارتباط.

عمليات الصيد غير المشروع وغير المبلّغ عنه

ويقضي التعليق المغناطيسي على الملامح الميكانيكية بالكامل، ويزيل مخاطر اللبس والتلوث، وتقوم عدة مؤسسات بحثية وشركات فضائية جوية بتطوير عجلات تفاعلية مغناطيسية نشطة ذات تأثير مغناطيسي يمكن أن تعمل بسرعة عالية جداً مع عدم احتكاكها، وتعود هذه العجلات أساساً بأرواح غير محدودة، حيث لا يوجد أي اتصال مادي، ويتمثل التحدي في الحفاظ على الاستقرار والكفاءة في استخدام الوحدات التجريبية لعشرات ساعات من العمليات المستمرة.

المواد المتقدمة والصناعات التحويلية

فالعمليات المركبة ذات الطوافات العالية المتطورة الجديدة تخفض الكتلة المتحركة بينما تزيد القدرة على الزخم المنفرد، فالصناعة المضافة )الطباعة( تتيح قياساً جغرافياً معقداً للرفض الديناميكي الأمثل للحرارة، وتحسن تقنيات قياس التوازن - بما في ذلك الموصل الآلي للتوازن بين الموقع، وتساعد هذه الابتكارات مصممي المركبات الفضائية على تجهيز حزم أكبر من الزخم في مجموعات أصغر وأخفر، وتحرير أدوات العلوم.

إلغاء المراقبة المتكاملة والتأشيرات

وستتضمن عجلات التفاعل في المستقبل أجهزة إلكترونية ذكية تلغي بنشاط الاهتزازات باستخدام كتل مضادة للصدمات أو مجهزات فطائرات فطائر، مع الرفض البرمجي، سيتيح ذلك أدوات بصرية أكثر حساسية للعمل باستقرار درجة الميكرومات، ويمكن أن تتنبأ خوارزميات التعلم الماكنة بتدهور المحركات وتكيف استراتيجيات التحكم من أجل توسيع نطاق الحياة التشغيلية الآمنة.

إعادة التوحيد والعمارة الموحدة

وتستدعي تركيبات السواتل الصغيرة وتصميمات المركبات الفضائية المجزأة عجلات تفاعلية نموذجية وموحدة يمكن استبدالها في المدار، ويهدف برنامج الخدمة في المدار التابع للناسا، والجمعية، والصناعة التحويلية، إلى إظهار الاستبدال الآلي لعجلات الرد، وتوسيع نطاق عمر البعثة، ويمكن أن تؤدي هذه القدرات إلى ثورة تخطيط البعثات عن طريق السماح لمركبات فضائية متنقلة بتلقي عجلات جديدة بدلا من التخلي عنها.

دور العجلات الرقابية في بعثات الصلاة القادمة

أما المراصد المخطط لها مثل تلسكوب نانسي غرايس الفضائي الروماني، والمقعد الأوروبي الكبير جدا (المستند إلى الأرض، ولكن ذات صلة كمقارنة)، والملاحة الفضائية المقترحة لازر إنترفيروميتر، فهي تعتمد على عجلات رد الفعل من أجل تحديد دقيق ومراقبة خالية من الجر، وسيتطلب نظام الليسا، على وجه الخصوص، تشغيلا خاليا من الاضطرابات على مستوى المناوتر؛ ومع ذلك، لا تستخدم عجلات الرد على الميكروس.

رومان تلسكوب الفضاء

وسيحمل مقراب الفضاء في نانسي غريس روماني، الذي سيبدأ في منتصف العشرينات، كاميرا عالية الاستبانة وتصويراً متزامناً للصور المباشرة للطائرات الخارجية، وسيحتاج عجلات رد الفعل التي يقوم بها إلى الانتظار حتى الثانية من الطفيليات، حتى في الوقت الذي يتناوب فيه على أهداف جديدة كل بضع ساعات، وسيستخدم المقراب شكلاً من الهرم ذي أربع عجلات مع العزلة النشطة.

ليزر إنترفورومتر الفضاء

وستتألف شركة ليسا من ثلاث مركبات فضائية تحلق في تشكيلة مثلثية تفصلها 2.5 مليون كيلومتر، وستستخدم كل مركبة فضائية عجلات رد الفعل لضبط موقف الأسوار وأجهزة الدفع التعويض عن السحب من أجل إجراء تعديلات دقيقة، ويجب أن تكون العجلات هادئة للغاية لتجنب القذف في قياسات الموجات الجاذبية، وقد وضعت وكالة الفضاء الأوروبية عجلات تفاعلية منخفضة الارتفاع تعمل بسرعة مستمرة وتتوقف عن العمل في بعثة مغنطية.

الاستنتاج: رد الفعل على العجلات بوصفها منفذي الاكتشافات

وقد قامت عجلات الرد على العمل على أساس كل اكتشاف علمي رئيسي قائم على الفضاء خلال العقود الأربعة الماضية، ومن صور حقول العوالق في هوبل إلى آلاف المرشحين من الكبلر، فإن هذه الأجهزة غير المجهزة بالعجلات قد وفرت الاستقرار والقابلية للاختراق التي تجعل العلم دقيقا ممكنا، وفي حين أنها لا تفتقر إلى اللبس المسبب للضعف، وإلى تسارع الارتداد في أداء المهام، وإلى الفشل في الهندسة المبتكرة.

For further reading, consult the NASA Technical Reports Server entry on reaction wheel design], the ]ESA Gaia mission page for a real-world application, and the Hubble reaction wheel replacement video from NASA.