رد الفعل التكنولوجيا في الجيل القادم من المركبات الفضائية بعثات المريخ

ومع أن البشرية ترسم مسارا نحو بعثات أكثر طموحا للمريخ، يواصل مهندسو المركبات الفضائية دفع حدود تكنولوجيا مراقبة المواقف، وقدرة على توجيه مركبة فضائية - معروفة بمكافحة المواقف - أمر حاسم بالنسبة للاتصالات وتوليد الطاقة والمراقبة العلمية، ومن بين أكثر الأدوات الموثوقة والكفاءة لهذه المهمة، عجلة الرد، وهي أداة تعمل على استخدام أجهزة العجلات التي أصبحت حجر الزاوية في تصميم المركبات الفضائية الحديثة.

دور مراقبة القدّاس في بعثات الفضاء العميقة

أما مراقبة السعة فهي عملية توجيه مركبة فضائية في اتجاه مرغوب فيه أو المحافظة على توجه معين ضد الاضطرابات الخارجية، وتشمل هذه الاضطرابات في بعثات المريخ ضغط الإشعاع الشمسي، وتدرجات الجاذبية من الكوكب، وآثار الكويكبات المجهرية، وبدون رقابة نشطة، فإن المركبة الفضائية ستتعثر بشكل لا يمكن التحكم فيه، وتعرض للخطر عملية التواؤم بين السلاسل الشمسية، وتضع علامات على الموجات، وتضع عجلات.

أساسيات تكنولوجيا العجلات الرهينة

كيف يعمل العجلات

إن عجلات الرد هي كتلة متقلبة تتجه إلى مركبة فضائية، ووفقا لقانون حفظ الزخم المتقلب، عندما تعجل المحرك أو تعطل العجلة، يجب أن تدور المركبة الفضائية في الاتجاه المعاكس للحفاظ على الزخم الكلي، وبضبط سرعة ثلاثة أو أكثر من العجلات الموجهة على طول أكاسيد الاورتون، يمكن للمركبات الفضائية أن تحقق أي موقف مرغوب فيه.

العناصر والمواد الرئيسية

وعادة ما تشمل مجموعة من عجلات التفاعل عجلات الذباب (التي تكون في كثير من الأحيان قرصا مركبا أو معدنيا)، ومحركا بلا فرش، وعلامات (الحملات المضغية أو العلامات المغناطيسية النشطة)، ومسكنا قد يحتوي على نظم مرطبة، وتشتمل تصميمات الجيل القادم على مواد متقدمة مثل سبائك التيتانيوم ومواد التشحيم التي تحمل كربوناتا، وذلك للحد من الكتلة، مع زيادة الاتصالات الفية في الأعصاب.

ألف - المزايا على النظم البديلة

ثراسات ضد العجلات الرقابية

فالأعمال التي تقوم بها هذه المركبات هي التي توفر التحكم في المواقف بطرد الدافع، وتولد العراك من خلال قوات الرد، ويمكنها أن تُسلّم بسرعة عالية، مما يجعلها مثالية للمناورات الكبيرة مثل تغيرات الطائرات المدارية، بيد أنها تستهلك الوقود المحدود، وكل عجلات حروق تضيف خطر التلوث من جراء الحرق من جانب المحركات، وتُوفِّر عجلات رد الفعل قدرة غير محدودة تقريباً على الدفع طالما توافرت الطاقة الكهربائية.

أجهزة التحكم

أما السلاسل التي تستخدمها أجهزة التحكم (الأجهزة) فهي جهاز آخر لتبادل الزخم يتناوب محور العجلات العمودية للثعبان المستمر لتوليد السخرية، ويمكن أن توفر هذه الأجهزة عجلات أعلى من عجلات التفاعل من الكتلة المماثلة، مما يجعلها شعبية في محطات فضائية كبيرة مثل محطة الفضاء الدولية، غير أن أجهزة التصوير المزودة بمقياس للجمارك أكثر تعقيداً وضائعاً، وثغرة في الجيل.

العجلات التالية للرقص للمريخ

تعزيز الموثوقية والارتقاء

وتفرض بعثات المريخ متطلبات شديدة الموثوقية، ويمكن أن يؤدي فشل عجلة الرد إلى تدمير بعثة، كما شوهد في المركبات الفضائية السابقة حيث أدت شذوذات العجلات إلى فقدان السيطرة على المواقف، وتشمل الجيل التالي مستويات متعددة من التكرار: فحم محرك مزدوج، ومجسات ذاتية ذاتية زائدة، ووصلات كهربائية متداخلة، وترصد السلاسل المتطورة للكشف عن الأخطاء مسارات حرارية سليمة.

كفاءة الطاقة والإدارة الحرارية

فالكهرباء هي مورد ثمين على متن مركبة فضائية مشتركة بين الكواكب، وقد صممت المحركات في الجيل القادم من عجلات الرد على الكثافة العالية للتوترات وخسائر الحديد المنخفضة، باستخدام مغناطيسات أقساط وأمثل أنماط الرياح، ويمكن للعجلات المتجددة أن تستعيد الطاقة عندما تنفجر العجلات وتغذي الطاقة في الحافلات، كما أن الإدارة الحرارية لها نفس القدر من الأهمية:

نقطة الدقة للصكوك العلمية

وكثيرا ما يتوقف الدفع العلمي لبعثة المريخ على استقرار ودقة توجيه الأجهزة، وتعطي الجيل القادم عجلات من شأنها أن توفر مراقبة الجليسات ذات المستوى الجزئي من خلال الإلغاء النشط للإهتزازات والارتطام بالعجلات فوق الصوتية، مما يتيح استخدام عينات من أجهزة التصوير ذات الاستبانة العالية، والمطياف، ورسم الخرائط بالرادارية بشكل غير مسبوق، على سبيل المثال، فإن أجهزة التصوير المتحركة المتحركة المتحركة تعمل على نحو ٣٠ مثبتة.

التحديات في بعثات المريخ الطويلة الأمد

الاضطرابات والاضطرابات

ومع مرور الوقت، فإن العواطف الخارجية الناجمة عن الإشعاع الشمسي وتدرجات الجاذبية تتراكم في عجلات التفاعل، مما يؤدي إلى ارتفاع معدلات الارتفاع نحو أقصى، وعندما تصل عجلة القيادة إلى سرعة التشبع، لا يمكن أن تستوعب زخما إضافيا، ويجب أن تؤدي المركبة الفضائية مناورة للتنبؤات، وهذا ينطوي عادة على إطلاق النار لإغراق الزخم الزائد، واستعمال أجهزة قياس الضغط المغناطيسي.

التأشيرة والجليس

وتنتج عجلات الرد بطبيعتها انحرافات دقيقة بسبب أوجه القصور والاختلالات في الرواد والنباتات، ويمكن لهذه الحركات أن تضعف أداء الأدوات الحساسة مثل أجهزة التقاطع أو الكاميرات، كما أن العجلات المتقدمة تستخدم الموازين، ومحركات العزل، والنهب النشط للحد من الجليس إلى مستويات النانوريدي، كما أن تجهيز الإشارات الرقمية يمكن أن يلغي الاضطرابات الدورية.

الإشعاع والآثار البيئية

ويجب أن تنجو المركبات الفضائية المسافرة إلى المريخ من أحزمة فان ألين، والظواهر الجسيمية الشمسية، والأشعة الكونية المجرية، ويمكن أن يلحق الإشعاع أضرارا بالأجهزة الالكترونية الآلية، ومواد المغناطيس المتدهورة، وأن يسبب التشحيم للتعددية، وتستخدم العجلات القادمة عجلات إلكترونية مجهزة بالإشعاع، ورياح حرارية محمية، ومواد التشحيم الاصطناعية التي تقاوم الانه.

التكامل مع نظم تحديد مواقع العبودية

ستار تراكرز وجيروسكوب

ولا تعد عجلات الرد سوى جزء من نظام مراقبة المواقف منغلقة، ويجب أن تعرف المركبة الفضائية توجهها نحو قيادة العجلات بشكل صحيح، إذ تقدم أجهزة تتبع النجوم موقفا مطلقا من خلال مقارنة الصور الميدانية للنجم على الفهرسة، بينما تقدم أجهزة النظارات بيانات عالية الجودة عن سرعة الانتشار القصير الأجل، وتضع الجيل القادم أجهزة الاستشعار ذات الترددات الدوارة من أجل تحقيق معلومات عن التأخّر في استخدام المركبات الفضائية.

الملاحة المستقلة

ويجب أن تقوم مركبة المريخ الفضائية أثناء النهوج والهبوط بتنفيذ مناورات دقيقة ومتعددة الضريبة، وتوفر عجلات الرد القدرة اللازمة لإبقاء أجهزة الاستشعار التي يتم تدريبها على الكوكب بينما تشعل النيران في إدخال المدار أو حروق الهبوط، وستستخدم نظم الملاحة المستقلة في المستقبل العجلات للتعويض عن حقول الجاذبية غير المؤكدة وتعديل مساراتها في الوقت الحقيقي، وهذا أمر مهم بشكل خاص بالنسبة للبعثات إلى الأرض الخطرة أو للمهام المتكررة والمستردة.

التطبيقات العالمية الحقيقية

مريخ

وقد درست شركة مينسوناس أوربيتر منذ عام 2006 مجموعة من الأدوات التي تعتمد اعتمادا كبيرا على عجلات الرد من أجل تثبيت نقطة الدخول، حيث تحملت شركة مورو مجموعتين متتاليتين من عجلات العجلات، من هونيويل، وقد أظهرت العجلات، على مر السنين، تدهورا تدريجيا في الأداء بسبب ارتدائه، ولكن المركبة الفضائية لا تزال تعمل من خلال إدارة دقيقة لسرعات العجلات وتحسين تأثيرها.

مختبر علوم المريخ (الكومنولث)

وعلى الرغم من أن الدوارات مثل الفضائح لا تستخدم عجلات رد الفعل للعزل، فإنها تعتمد عليها في توجيه الهوائي الدقيق أثناء وصلات البيانات، ويجب أن تتبع شبكة الفضائح العالية النطاق، الأرض على أن كلا الكوكبين يتعفنان - وهي مهمة تديرها عجلات الرد الداخلي، وهذه العجلات تتيح التمزق في اتجاه الهوائي دون نقل كامل المركبات، وإنقاذ الطاقة، والحد من الارتداد الذي يصيب البيئة المتدنية.

البعثات المقبلة للخيوط

أما بالنسبة للبعثات البشرية إلى المريخ، فإن عجلات الرد ستؤدي دورا أبرز، إذ تتطلب المركبات الفضائية المزروعة مراقبة عالية الشكل للمواقع في الرصيف، والمناورات التي تلغى، وسلامة الأطقم أثناء العمليات المدارية، كما أن الجيل القادم من العجلات التي تزيد من القدرة على الارتداد وتتحمل المسؤولية عن الأخطاء، يُطرح بالإضافة إلى ذلك تحديات فريدة في مجال التحكم في الحياة الفضائية.

التوجيهات والبحوث المستقبلية

الخصم العالي

ومن أكثر مجالات البحث واعدة استخدام المؤثرات العالية السرعة في المواصلات الفائقة السرعة، وهي عوامل تخفف من المغناطيسية الدوارة دون اتصال مادي، وتلغي الاحتكاك وترتدي بالكامل، ويمكن أن تدعم عوامل الإنتاج الخارق معدلات الدوار العالية وأن تزيد من عمر العجلات الدالة على عقود، وعلى الرغم من أن المتطلبات المبردة الحالية تزيد تعقيدا، فإن التقدم في التبريد السلبي قد يجعل هذا الأمر قابلا للتطبيق بالنسبة لبعثات الفضائية العميقة.

AI-Enhanced Control Algorithms

ويجري تطبيق التعلم من الآلات والاستخبارات الاصطناعية على إدارة عجلات التفاعل، ويمكن للشبكات العصبية التنبؤ بتدهور المحركات وضبط الجدول الزمني، مثل تعديل الحمل المسبق أو تغيير مسارات التشغيل السريع لتمديد الحياة، كما يمكن للمناورات التي تستهلك من أجل تقليل استخدام الوقود إلى أدنى حد، وتفادي التدخل في الملاحظات العلمية، ويقوم بعض الباحثين بتطوير عوامل تعلم التعزيز التي توازن بشكل مستقل بين العجلات المتعددة، حتى مع السلطة القائمة على التقلبات أو خفضها.

التصميمات النموذجية والمقدرة

فبدلا من عجلات بناء العتاد لكل بعثة، يتجه المصنعون نحو وحدات موحدة وقوية لعجلات الرد، مثلا، يمكن الجمع بين أسرة من العجلات ذات الوصلات البينية المشتركة ولكن نطاقات حرارة مختلفة لتلبية مختلف أحجام المركبات الفضائية، وهذا النهج يقلل من التكلفة والوقت المتاح للتحرك، ويتيح الاستبدال السريع أو الترفيع، و " خط الموصلات المتحركة " هو مبادرة من هذا النوع Nat.

خاتمة

وقد تطورت تكنولوجيا العجلات التفاعلية من قرص مبسط إلى نظام متطور موثوق به بدرجة عالية يدعم استكشاف المريخ الحديث، والجيل القادم من عجلات التفاعل - مع التأثيرات المغناطيسية، وتعزيز كفاءة الطاقة، وإدماج تكنولوجيا الطاقة - وعود بتوسيع نطاق كل من البعثات الآلية والبشرية، وبينما نخطط لحملات العودة العينية، والهبوط المكتظ، وفي نهاية المطاف قواعد القفل، فإن عجلة الرد البسيط ستستمر

External Links:
[FLT:] NASA Mars Reconnaissance Orbiter Spacecraft Overview
ESA: Attitude and Orbit Control Systems[FLT7]