مستقبل الميكاترونيك في بعثات استكشاف الفضاء

Mechatronics: The Unseen Infrastructure of Modern Spaceflight

كل قمر صناعي يتجه نحو الأرض يعتمد على عجلات التفاعل وأجهزة التحكم في المواقف المغنطيسيه التي تستقر مع الدقائق الثانية

في أبسطها، نظام ميكاترونيك في الفضاء يجب أن يحوّل بشكل موثوق إشارات الاستشعار إلى عمل مادي بينما يُعالج درجات الحرارة القصوى، الفراغ، الإشعاع المؤين، الغبار الميكروسكوبي، المهندسون يُحققون ذلك من خلال اختيار دقيق، إعادة التكرار، البرمجيات المتسامحة، النظم الميكانيكية الناتجة غالبا ما توصف بأنها هياكل ذكية، لأنها تُمزّقُ وجهازاً مُ مُوزّع، وجهازاًاً، وجهازاً، وجهازاًاًاً

ولا يزال نطاق الميكاترويك في الفضاء آخذا في الاتساع حيث تستخدم المركبات الفضائية المبكرة صناديق منفصلة لكل وظيفة، تدمج التصميمات الحديثة قوالب السيارات، والوصلات البينية المشعرة، ومراقبة المنطق على لوحات واحدة تدير مجموعات من الغازات المفلورة المحتوية على الإشعاع، وهذا التوحيد يقلل من الكتلة، والكبلات، والإخفاقات في الاتصال - ثلاثة من أكثر المصادر شيوعا في البعثة، حيث لا يصبح الطيران الفضائي أكثر اتساما بالطابع تجاريا بالطابع وأكثر روتينا.

المباني الرئيسية للميكانيكيين الفضائيين

"الحساسات التي تنقذ "الفويد

ويجب أن تتحمل أجهزة الاستشعار من طراز الفضاء تقلبات حرارية من - ١٥٠ درجة مئوية إلى أكثر من ٢٠٠ درجة مئوية على سطح القمر وعلى القصف المستمر بواسطة الأشعة الكونية، حيث تتدهور أجهزة الاستشعار التقليدية من طراز سيليكون التابعة لدائرة الرصد المركزية بسرعة دون أن تدر، بحيث يتحول المصممون إلى نيتاليوم، أو قنبلة السيليكون، أو وحدات التعقب الميكانيكية المتخصصة (أجهزة الحاسبة الضوئية)

وتشمل تكنولوجيات الاستشعار الناشئة صورا متعددة القنوات للأجهزة الفائقة الأطياف يمكن أن تحدد التركيبة المعدنية على مسافة، وتخفض إلى أدنى حد من الظواهر السيزمية التي تكشف الحركة الأرضية من النشاط تحت سطح الأرض، وعلى القمر، فإن الموقع التالي [(FLT:0]Lunar Geophysical Instrument Suite سيستخدم جهازاً حساساً للغاية ومتكاملاً مع نظام ميكانيكي

كما أن التطورات الجديدة في مجال الاستشعار الفيبرى ]FLT:0[( ]الاستشعار الفيزيائي[ ]FLT:1]( تكتسب أيضاً مساراً لرصد الصحة الهيكلية للمركبات الفضائية، ويمكن لهذه المستشعرات أن تكشف عن وجود سلالات ودرجات حرارة وهتزازات على طول الألياف الضوئية الوحيدة الموزعة، وتستبدل عشرات أجهزة الاستشعار التقليدية للعلامات، وقد اختبرت وكالة الفضاء الأوروبية أجهزة الاستشعار الاصطناعية للدماغ على جهاز الاصطناعيب الاصطناعيب الاصطناعي في الساتليترات التي تعمل على جهاز الاصطناعيب الاصطناعيب الاصطناعيات التي تعمل بالدقة في الاصطناعياد على الاصطناعياد على الاصطناعياد في الساتلي .

الجهات الفاعلة المعنية بالحركة الدقيقة

يجب أن يوصل المشتغلون في الفضاء إلى درجة عالية من التمزق مع الحد الأدنى من الكتلة، في حين أن لديهم مواقع بدون طاقة، فإن معدات الدافع الهرموني، ومحركات الفطائر الكهربية، ومحركات الرؤوس التي لا تُشَدّد في شكل عظمة، وأجهزة الترميز الآلية التي تستخدمها المريخ 2020، تستخدم جهازاً متحركاً متعدد الأبعاد يُستبدل به جهازاً متحركاً، وجهازاً مُستخدماً مُتَاً مُتَعَاًاً مُتَعَاً.

وهناك تكنولوجيا واعدة أخرى للمحاضرين هي: electrostrictive polymer، التي تتغير عندما يُطبق حقل كهربائي، ويمكن أن تكون هذه الأفلام ذات الوزن الضعيف عضلات اصطناعية للقضبان الصغيرة أو المشابك، وتوفر حركة سلسة دون وجود ضوضاء أو شواغل تتعلق بالتزليق، بينما لا تزال في مرحلة التطوير المبكر للفضاء، فإنها قد اختبرت على رحلات فرعية وعرضت بوعود خاصة

بالنسبة للتطبيقات العالية القوة، ] مُصَوِّرات خطية كهربائية تعمل على استبدال نظم الهيدروليكية والتصويرية، التي تستخدمها هذه المُلَكِّمات آلية مُسَدَّرة بواسطة محرك لا يُستَفَدَّل، وتوفر مراقبة دقيقة للمواقع دون تسربات السوائل.

المراقبة والحساب

ويحقق جهاز الميكانيكي الفضائي أي جهاز حاسوب على متنه يدير حلقات التحكم، ويعالج بيانات الاستشعار، ويتواصل مع حافلة المركبات الفضائية، ويحمل نظاماً آخر من نظم التطوير المهيمن للأشعة دون الحمراء، وأجهزة التحكم في المفاعلات الصغيرة، مثل تلك القائمة على أساس مجموعة ال الليون أو سلسلة التصويب المغناطيسي، وتستخدم على نطاق واسع نظم التشغيل ذات الوقت مثل نظام VxWorks أو نظام RTEMS.

ويجب أن تعالج حلقات المراقبة في الفضاء حالات التأخير، والمربية، والمسائل التي تفتقدها أحياناً الرسائل المشتركة عندما تسافر البيانات عبر الحافلات المشتركة والوصلات اللاسلكية، ويصمم المهندسون هذه الحلقات التي تشكل هامشاً يُعزى إلى أسوأ توقيت، وكثيراً ما يستخدم نظاماً للتحكم في النماذج لتوقع دول المستقبل، ويُعتبر نظاماً مكثفاً من الناحية الحسابية ولكنه ملائم لتنفيذ نظام FPGA، مما يتيح استخداماً واحداً في آن واحد.

الاتجاه نحو Software-defined mechatronics ] يتسارع، بدلا من قوانين مراقبة التعبئة الصلبة في البرمجيات الثابتة، فإن خوارزميات التحكم في تحميل النظم الحديثة من مكتبة في وقت الأحذية، مما يتيح إعادة تشكيل نفس المعدات لمراحل مختلفة من مراحل البعثات.

(الروس) المستقل و(كوست) الاستقلال

ولفترة طويلة من الزمن، كانت هذه الجرعات المكوكية خاضعة للمراقبة عن بعد، تنتظر من مشغلي البشر فحص كل صورة ورسم مسار آمن، وطول الوقت حتى 20 دقيقة في كل مكان في المريخ، وسفر عشائر الطائرات يوميا، وتحدّد أهداف التطوّر المائي الحديثة التي تدور حول هذا النموذج، وتتبع الرادار الآن كشفادار، واكتشافاذبية البصر، وحتى اختيار جزء من الهدف العلمي باستخدام مخططات الفضائية الأوروبية.

وسيتطلب الأمر المزيد من الاستقلالية في البعثات المقبلة إلى عوالم المحيط مثل اليوروبا أو انسيلادوس، كما أن آلية فرعية تستكشف في حدود أميال الجليد يجب أن تبحر وتجمع العينات وتعيد إرسال البيانات دون اتصال في الوقت الحقيقي، وسيتعين على أساسها الميكاترونيك إدارة الطوافات والدفع والأدوات المتشابكة في الوقت الذي تفسر فيه مستلزمات الاستشعار عن بعد بواسطة السون والكيميائيات.

التصفيق يغير تصميم النظم الميكانيكية، التمزق الذي يمكن أن يتصدى للعقبات غير المتوقعة يحتاج إلى نظام تعليق مع الامتثال الكافي للبقاء على قيد الحياة أو التسلق بدون التصفيق، وتعليق العمل على مركبتنا المريخية هو حل ميكانيكي سلبي يعمل جيداً على التضاريس المسطحة، ولكن يكافح مع المنحدرات الشديدة،

والملاحة ذات الصلة بالتدريج هي منطقة أخرى تدمج فيها الميكاترونيك والاستقلال الذاتي، وتستخدم بعثة المريخ 2020 نظاماً للملاحة في المنطقة يقارن الصور التي تلتقط في الوقت الحقيقي بالخرائط المدارية التي تم تحميلها مسبقاً، مما يتيح للمركبات الفضائية التي تهبط أن تتحول بعيداً عن التضاريس الخطرة أثناء التصويب.

جمعية الخدمات المدارية والخدمة الداخلية

كانت الخدمة الآلية للسواتل ذات مرة مظاهرة نادرة، أصبحت الآن واقعاً عملياً، ونجحت مركبة تمديد بعثة (نورثروب غرومان) في إمساك سواتل ثابتة في المدار الأرضي، باستخدام أجهزة الجذب المميتة لإرفاق حلقة الركل المتطورة للمركبات، وتعويض أجهزة التحكم الآلي في أجهزة التحكم في المركبات الأرضية

إنّ التجمّع الفضائي هو حدود أخرى، أما خدمة الفضاء في المدار، والجمعية، والتصنيع (أوسام-1) فإنّه سيظهر التجمّع المستقلّ لجهاز اتصالات هوائيّة أثناء وجوده في المدار، وسيستخدم جهازا آلياً مكوّناً يتكون من ستة عشر بوصة، ويستخدم أداة للضغط على العجلات الكهربائية الهيكلية ويربط أجهزة فضائية كبيرة

تحد حاسم للتجمع المداري هو إدارة الزخم المتقلب لقطع الغيار، عندما تهب الذراع، تدور المركبة الفضائية في الاتجاه المعاكس، وتحتاج إلى عجلات للرد أو الدفعات لتثبيت المنصة، وتستخدم مخططات التحكم المتقدمة مقاييس "الإدارة القصوى" التي تخطط لإلغاء مسارات الذراع، وأحياناً بإحداث أسلحة متعددة في اتجاهات معاكسة، هذا إجراء قياسي متبادل

وسيتضمن الجيل القادم من مركبات الخدمات ] مراكب قائمة على رؤية حاسوبية ] تلغي الحاجة إلى علامات ائتمانية، وباستخدام نماذج التعلم العميق التي تم تدريبها على آلاف الصور الساتلية، يمكن للمركبات الفضائية التي تقدم الخدمات أن تعترف بتجهيز الرعي لجهاز ساتلي - حتى ساتل غير مصمم لخدمة - وترشد جهاز التلاعب التابع لها إلى اختبارات الوصل الصحيحة.

البنى التحتية للوقود والإنشاءات

(أ) إنّ أنظمة التكسير المُتقدّمة، وأجهزة التفريغ المُتطوّرة، وأجهزة التفريغ المُتطوّرة، وأجهزة التفريغ المُتقدّمة، وأجهزة التّنقّل المُتّجَّرة، وأجهزة التّنقّل المُتّصلة، وأجهزة التّبّع، وأجهزة التّثّبّبّتّبّبّتّبّتّتّتّتّبّبّت،

فبعد الحفر، يتم اختبار التصنيع الإضافي مع إعادة الترجيح في المختبرات، ويمكن للذراع الآلي المجهز برأس متداخل ليزر أو ميكرويف أن يصبغ الغبار القمري في لبنات البناء، مصحوبا بكاميرا حرارية مغلقة ترصد درجة حرارة المسبح، وهذا هو الترسبات في أكثر أشكاله تكاملا: تركيبة في الوقت الحقيقي للاستشعار الحراري، ومراقبة الحركة،

فالإدارة الحرارية على سطح القمر تمثل قيودا فريدة، إذ يتعين على الملاجئ، لمدة 14 يوما من الظلام في القطب الجنوبي، أن تعتمد على مصادر الطاقة المخزنة أو النظائر المشعة الحرارية، كما أن بعض التصميمات تستخدم تخزين الطاقة الحرارية في مواد التغيير التدريجي لإبقاء المفاصل دافئة بينما تعطل المحركات، مما يقلل من الطاقة اللازمة لأجهزة التسخين.

[[FctuLT:0] Autonomous construction] on the Moon will require a fleet of specializedroids that can cooperate without human supervision. A wall-buildingroidprint, navigate to a regolith pile, collect material, and deposit it in the correct location-all while coordinating with a secondroid that scans the structure for defects.

مجموعة العينات والعودة: ميكاترونيك في العمل

وفى هذه الحالة، فإن مهمة العودة من الكويكبات والمريخ تمثل حافة التصويب في الميكاترونيك، حيث تم بنجاح توجيه عملية التعبئة على سطح السفينة " هايبوسا 2 " ، ونجحت في إطلاقها على متن مركبة من طراز " كويكب ريوغو " ، وطلقت من سلسلة من " تسلسل " ، و " ملامسة " ، واقية " .

ويمكن أن تستخدم بعثات الاعتراض المتطورة أو الكويكبات العابين والثروات لترسيخ مركبة فضائية إلى هيئة منخفضة الجاذبية، ثم تسحبها إلى الداخل، ويجب أن تشعل هذه الآليات النار بشكل صحيح بعد سنوات من الصقر البارد، مع وجود درجات حرارية يمكن أن تسبب توسعاً متبايناً بين السكك الحديدية والعلامات المركبة التي تؤدي إلى تكاثر البرمجيات ذات الصلة بالحمول المزدوجة.

ويفرض ختان مستوى النظافة المطلوب لمناولة العينات قيودا إضافية، ويجب ألا يتجاوز المنشط المواد الكيميائية المتطايرة التي يمكن أن تلوث العينة، بحيث يتم اختيار المواد لمحتوى منخفض التقلب وختم في المنافذ المعدنية، وأن تُستخدم مراحل التشحيم الجافة مثل انكماش المافيا أو انكماش التنغستن، التي تُطبق من خلال الترسب بالأفلام الموحة للأفلامزيت.

سلسلة شراء العينات من المجموعة إلى الأرض تتضمن مضخات متعددة من الميدرات، و الأنبوب المملئ بالأرض المريخية يجب أن ينتقل من الحفرة الملتوية إلى تخزينه الداخلي ثم يعاد استرجاعه لاحقاً بواسطة رصيف مُستجمع، مُحمّل على مركبة مرنة،

أجهزة آلية للبرمجيات الجاهزة والتصميمات المُلهمة بيولوجيا من أجل الفضاء

نظم الميكانيكية المتقطعة ليست المسار الوحيد للأمام، فالآليات السائلة التي تستخدم مواد متوافقة وملئات متحركة، تجذب الاهتمام بالتطبيقات الفضائية حيث يكون الاتصال اللطيف و التعبئة غير المستقرة في شكل سائل متحرك،

كما أن التصاميم التي تُلهم النسيج البيولوجي تمتد أيضاً إلى العزل، حيث إن البرمجيات التي تُعدّ عدة أنواع من الروبوتات التي تُبث مباشرة من خلال نظام الارتداد الآلي الذي يُستخدم في نظام ناسا، تستخدم أرجلاً متعددة التجويف، أو تدور تبعاً للتضاريس، ولكل رجل مفاصل يُعيد تشكيلها، حتى لو فشل في ذلك الجهاز الآلي.

إن آلية النزاهة هي مفهوم آخر ملهم بيولوجياً قد اكتسبت مشقة للاستكشاف الكواكبي، يستخدم هؤلاء الآليون شبكة من الكابلات والهدنة لتشكيل هيكل متوافق مع الوزن الخفيف، يمكن أن يغير شكله بتعديل توتر الكابلات، ويمكن أن يسقط الرزمة المتوترة من أرضية وضوءة إلى حد بعيد.

أجهزة آلية مصفحة ومزودة بأجهزة مترونية موزعة

وفي حالة وجود مقياس كبير واحد، فإن حزام الوحدات المتوسطة الصغيرة والبسيطة يوفر القدرة على التكيف، ويجري دراسة مفاهيم العزل لاستكشاف الأنابيب التي تُقام على سطح القمر، حيث تقوم الأم بنشر شبكة من القفزات أو الزحف، وتستخدم كل مجموعة من الأساطيل الآلية التي تمول من نظام الرصد المتعدد الأطراف، وسلوكها القصير المدى، ومضيفة متحركة لمسحات المعلومات ذات الأولوية.

كما تنطبق على ]] البنيانات الساتلية المتنقلة ، بينما يمكن أن تؤدي وحدات صغيرة ذاتية الحيازة - كل منها لديه القدرة الخاصة، والحساب، ومركب اتصالات غير مجهزة بنظم أوسع، وهذا النهج يسمى أحياناً " مركبة فضائية مخدرة " ، إلى استبدال وحدة التحكم في الوصلات الاصطناعية بعد الفشل.

(ب) تمثل النموذج [Swarm-to-mission تحولاً أساسياً في فلسفة تصميم المركبات الفضائية، بدلاً من بناء مركبة فضائية واحدة وموثوقة بدرجة عالية، يمكن للمهندسين نشر عشرات من الوحدات البسيطة التي توفر القدرة المطلوبة بصورة جماعية، وإذا فشلت وحدة واحدة، فإن الجهاز الآلي يُعيد توزيع وظيفته.

المهابتات والتل: إغلاق موقع الصدع البشري

بينما الاستقلال الكامل هو الهدف الطويل الأجل، العديد من المهام الحاسمة لا تزال تستفيد من الإشراف البشري، خاصة بالنسبة للشبهات غير المتوقعة،

ويظل التأخير في الوقت هو الحاجز الأساسي الذي يواجهه التعاون عن بعد من الأرض إلى المريخ، وفي غضون 20 دقيقة من بدء العملية، يتعذر الحصول على ردود الفعل المباشرة من القوة، بل يستخدم المشغلون استراتيجية " الحركة والانتظار " ، ويرسلون النتيجة، ثم يرسلون الرسالة التالية، وليس هذا النهج الهش الذي يُستخدم في عمليات الرصد الذاتي الاصطناعي، وإنما يُستخدم فيه النموذج الأولي للتحكم في البرمجيات.

المشغل يشاهد ما سيفعله الآليون استجابةً للقيادات، المحاكاة تستكمل مع بيانات الاستشعار الفعلية عند وصولها،

Overcoming Extreme Environmental Challenges

وتواجه نظم الأشعة الفضائية أربعة ضغوط بيئية أولية: الإشعاع، والفراغ، ودرجة الحرارة، وتأثيرات النيتروجين الميكرومائية، ويسبب الإشعاعات التي تصيب أحد المناسبات التي يمكن أن تدور في الذاكرة أو مترجمات الشحن، مما يؤدي إلى حركة غير خاضعة للمراقبة، وتشمل أنابيب التحلل الإشعاعية الزائدة، وأجهزة المراقبة المحدودة حاليا، وأجهزة التثبيت ذات الصلبة الحرارية.

إدارة الطاقة حرجة بنفس القدر، نظام ميكاترونيك على أرض تعمل بالطاقة الشمسية يجب أن يعطي الأولوية للاختراع خلال نوافذ الطاقة المحدودة، تصميمات المصانع تستخدم المكثفات الخارقة للطاقة لحركات الطواريء العالية، ثم تُحمّل من البطاريات الأولية، والجدول الزمني للطاقة الذي يعتمد على FPGA يمكن أن يوقف العمليات غير الحرجة عندما تُصبح مُصاباً بمرضة، ويُبقي على مُسرعة القدرة على البقاء

إن آثار التهابات الميكانيكية تشكل خطراً خاصاً على قطع الغيار، إذ يمكن أن يخلق الجسيمات التي تضرب قطار التروس حطام يعطل الآلية، ويستجيب المصممون بمساكن مقفلة، وختمات مطاطية، ومواد مسببة للتكرار مثل مركبين ذاتيي، ويستخدم بعض الملاجئون إشارات مغنطية من خلال حائط محكم، مما يزيل الحاجة إلى ختم مادي يمكن أن يلحق بأض.

(التصميم الحراري لنظم الميكانيكية في الفضاء العميق) يمثل تحديات فريدة في (المشتري) ، التدفق الشمسي هو 4% فقط من قيمة الأرض بينما هو في (فينوس) 200% ، يجب أن يعمل المفاعلون في درجات حرارة تتراوح بين 230 درجة مئوية في الظل و460 درجة مئوية على سطح الزهري

الاختبار والتقييم: العمل الأرضي

ولا يتردد أي نظام فضائي متنوع دون اختبار أرضي شامل، إذ يُدفع بالأشعة فوق البنفسجية فوق أرض المريخ بينما يقوم المهندسون بتصوير أخطاء متحركة للتحقق من الخوارزميات المسببة للخطأ، وتُنشأ الأسلحة الآلية على جداول الإطلاق الجوي لجرائم ميكروغرامية خفيفة وببعدين، بينما يجري اختبار الحركة المكونة من ثلاثة أديان في مرافق التعبئة تحت الماء أو أثناء المظلات

وتكلفة الاختبار مرتفعة، بحيث يستخدم المهندسون أساليب إحصائية للتقليل إلى أدنى حد من عدد دورات الاختبار مع الحفاظ على الثقة، وتعجل اختبارات الحياة في السنوات التي تضغط فيها على التشغيل إلى أسابيع من خلال تشغيل آليات بالسرعة والشحنات العالية، وتغذي البيانات المستمدة من هذه الاختبارات نماذج الموثوقية التي تنبئ بالوقت المناسب لكل عنصر، وإذا كان من المتوقع أن يفشل التأثير بعد 000 10 دورة من دورات التشغيل على القمر، يمكن أن تبرمجة نماذج التحكم على مدى العمر

(العملية) (العملية) (العملية)

The Road Ahead: AI, Edge Computing, and Self-Repair

يمكن أن يكون الخط بين نظام ميكاترونيك وعامل مستقل غير واضح، حيث يمكن أن يتم تدريب أجهزة التكافل على المحاكاة لأجهزة التحكم بالسيارات على الذبابة، وتعويض عن زيادات الاحتكاك المشترك أو تغييرها، وأجهزة البرمجيات المزودة بأجهزة فضائية متطورة، وأجهزة البرمجيات المزودة بأجهزة متطورة، وأجهزة التحكم الآلي التي تعمل على كشفها

المجهزون من طراز إدج آي مع كفاءة العمليات على أساس كل وقود سيمكنون من الاستمرار في القياس البصري للتضاريس التضاريسية، وحتى التفاعل بين البشر والأرض في الوقت الحقيقي، مع تركيبات آلية نموذجية حيث يمكن أن تُبدل تجمعات العجلات المكسورة بواسطة جهاز تلاعب مجهز بالزغف

والرؤية الطويلة الأجل هي وجود ملاحٍ متناهي للطبيعة في الفضاء، إذ أن موئلاً على القمر أو المريخ سيحافظ عليه أسطول من الروبوتات يمكن أن يُقنّع ويُفكّر ويحل محل الأجزاء الدودية باستخدام المكونات المصنعة محلياً، ولا يتطلب هذا النظام معدات متقدمة فحسب بل أيضاً هيكلاً للبرامجيات يسمح للآليات بتنسيق عمليات التفكيك المستقلة التي تصلح ما والوقت الذي تكيّف فيه البيانات.

(ب) ) تشكل أجهزة الاستشعار الكهرمائية ] حدوداً أخرى للأجهزة الفضائية المترونية.() ويمكن أن تقاس أجهزة الاستشعار عن طريق الماس التي تستخدم النيتروجينات الجاهزة، أو الميادين المغناطيسية، أو التناوب مع الدقة غير المسبوقة، أو التي تتيح الملاحة دون إشارات خارجية، أو كشف الهياكل الفوقية عن المدار.

الخلاصة: النظام العصبي - المركب الفضائي

إن الملاحين لا يعدون وظيفة دعم في مجال استكشاف الفضاء، بل هو تجسيد لطموحات البعثة، وكل عينة علمية مجهزة على المريخ، وكل ساتل مصلح يعود إلى الخدمة، وكل قاذفة تتحرك لبناء موائل قمرية تعتمد على الزيج الدقيق للهيكل الميكانيكي، والاستخبارات الإلكترونية، والتحكم التكييفي، وسيشهد العقد القادم حرقاً يبث عقيدات الجليد على جهازها الآلي