نظام السواتل للتصميم في بعثات استكشاف القمر والمريخ

وتطالب نظم تصميم السواتل لبعثات استكشاف القمر والمريخ بإيجاد حلول هندسية تتجاوز المركبات الفضائية التقليدية المدارة للأرض، حيث أن وكالات الفضاء والكيانات التجارية تعجل بخطط الوجود المستمر على القمر والبعثات البشرية للمريخ، والسواتل التي تدعم هذه الجهود - المدارات، والهبوط، والدوارات، ومنابر نقل النفايات - يجب أن تعمل في ظروف متطرفة، وأن تحافظ على موثوقيتها العالية على مدى فترات طويلة، وأن تستوعب الأهداف العلمية والتشغيلية المتزايدة الطموح.

الاعتبارات الرئيسية في تصميم النظام الساتلي

ويجب أن يُحسب لكل ساتل مصمم لاستكشاف القمر أو المريخ مجموعة من العوامل البيئية والتشغيلية التي تختلف اختلافا ملحوظا عن تلك الموجودة في المدار الأرضي المنخفض، ومن الضروري فهم هذه الاعتبارات في مرحلة التصميم المبكرة لنجاح البعثة.

Environmental Resilience

وتفرض بيئتا القمر والمريخ ضغوطا شديدة على مواد المركبات الفضائية والإلكترونيات، وعلى القمر، تذبذب درجة الحرارة السطحية من حوالي -173 درجة مئوية في الليل إلى 127 درجة مئوية خلال اليوم، كما أن المريخ يواجه متطرفات دنيوية مماثلة، وإن كان يعتدلها الغلاف الجوي الرقيق، مع وجود مشاكل في درجات الحرارة السطحية تتراوح بين - 140 درجة مئوية عند تراكم الأعمدة في الشتاء إلى 20 درجة مئوية في الغلاف الجوي في صيفي.

البيئة الإشعاعية

فبعد الغلاف المغنطيسي الواقي للأرض، تتعرض سواتل القمر والمريخ للأشعة الكونية المجرية، والظواهر الجسيمية الشمسية، والأحزمة الإشعاعية المحاصرة )وإن لم يكن للمريخ مجال مغناطيسي عالمي(، ويمكن أن يتسبب الإشعاع في حدوث اضطرابات سطحية، وارتفاع في الجرعات التراكمية، وتدهور الخلايا الشمسية والإلكترونيات، ويستخدم المهندسون مجموعة من المكونات الدرامية المحتوية على الإشعاع.

الإمداد بالطاقة وإدارتها

(ب) [الطاقة الكهربائية الموثوقة هي شريان الحياة لأي مركبة فضائية، فاللوحات الشمسية هي أكثر المصادر شيوعاً لبعثات الأنهار والمريخ، ولكن أداءها يتوقف على المسافة من الشمس، وتراكم الغبار المحلي، وتوافر ضوء الشمس أثناء مرحلة البعثة، فعلى سبيل المثال، تدوم الليالي المتحركة نحو 14 يوماً من الأرض، مما يرغم المركبات الفضائية التي تعمل خلال الليل على الاعتماد على البطاريات أو على المولدات المشعة

هيكل الاتصالات

أما الاتصالات بالأرض من مسافات القمر أو المارتيان فتؤدي إلى حدوث تساهل )حوالي ١,٣ ثانية ذهابا وإيابا إلى القمر و ٤ إلى ٢٤ دقيقة إلى المريخ( وإلى محدودية النطاق الترددي، وإلى الحاجة إلى استخدام هوائيات عالية التردد وإلى توجيه محدد.

الاستقلالية والعمليات

ونظراً للتأخيرات الطويلة في الاتصالات، يجب أن تعمل السواتل القمرية والمريخية بصورة مستقلة لفترات طويلة دون تدخل أرضي، ويشمل التلقائي كشف الأخطاء، والاستعادة، وصيانة المدار، والجدول الزمني للصكوك، ودخول الوسائط الآمنة، وتستخدم النظم الحديثة البرمجيات ذاتياً على متن السفن التي يمكن أن تحلل القياس عن بعد، وتقيّم الظروف، وتعدل الخطط، على سبيل المثال، تستخدم أجهزة الاستخبارات الوطنية () عينات فضائية، كمادة.

مكونات تصميم سواتل القمر والمريخ

وفيما عدا الاعتبارات الشاملة، يتألف كل ساتل من عدة نظم فرعية رئيسية يجب أن تُصمَّم وفقاً للمتطلبات المحددة لمرحلة الجسم والبعثة المستهدفة.

نظم الإشهار

Propulsion is required for launch vehicle injection correction, trajectory maneuvers, tropical insertion, station —keeping, and de-orbit or disposal. For lunar missions, chemical propulsion (hypergolic bipropellant hydrazine) is common, while Marsers may use larger bipropellant motors insertion (MOI propulsion).

الصكوك العلمية

وتُعرِّف مجموعة الحمولة العودة العلمية للبعثة وتشمل الأدوات المشتركة كاميرات عالية الاستبانة، ومطيافات (مرئية، وموجة، وأشعة غاما، ونيوترون)، وسائقات رادار، ومفاتيح مغنطيسيات، ومواصفات لأجهزة الاستنشاق الحرارية، مثلا، تحمل أجهزة التليف الليزري (LRO)، وأجهزة لكشف خرائط وزن الأشعة الليزر.

نظم الطاقة

(ب) أن تكون السلاسل الشمسية قادرة على توفير الطاقة القصوى خلال فترات شروق الشمس، مع تخزين الطاقة للسيارات من أجل الكسوف أو التشغيل الليلي؛ أما بالنسبة للمدارات الاستوائية، فتشمل فترة الكسوف قصيرة (حتى ساعة واحدة)، ولكن المدار المنخفض عند ارتفاع الترددات يمكن أن ينتج كسوفات أطول.

طرائق الاتصال

وتحتاج نظم الاتصال في الفضاء العميق إلى هوائيات عالية الجودة (عادة مفكرات شبه نمطية) من أجل الوصول إلى الشبكة الفضائية ذات النطاق الزاخر أو النطاق الترددي الكنيفي، بالإضافة إلى بيانات الهوائيات المنخفضة الدخل الشاملة للوصلات الجوية وقياسات الاتصالات عن بعد في حالات الطوارئ.() وتُستخدم أجهزة مدارية للمريخ التي تستخدم كميادين للترددات العالية (تمثل في 400 ميغاهيرتز) في الاتصالات القصيرة المدى مع أجهزة التخزين الأرضية.

النظم الهيكلية والحرارية

ويجب أن يكون هيكل السواتل ضعيفاً ومع ذلك قوياً بما يكفي للبقاء على قيد الحياة، مع توفير منبر ثابت للصكوك، وتشمل المواد المشتركة سبائك الألمنيوم - الاليثيوم، ومركبات الكربون - البيرفلورية، وألواح مراكب العسل، وتتحقق السيطرة الحرارية من خلال وسائل سلسة (تركيز المبيدات، والمشعات، ومضادات الحرارة) والنظم النشطة (الأجهزة الحرارية، والنوافذ).

على الحاسوب المزود بالبرود والبرمجيات

وتستخدم النظم الفرعية للقيادة والبيانات (CDH) أجهزة معالجة مجهزة مجهزة مستمدة من الإشعاعات مثل RAD750 (على أساس نظام الكهرباء) أو نظام " RG740 " الجديد (SPARC V8). وتشمل برامجيات تشغيلية في الوقت الحقيقي، وبرامجيات للطيران لمراقبة المواقف، وحماية الأعطال، وإدارة الحمولة، وبروتوكولات الاتصالات.

التحديات والحلول

إن تاريخ استكشاف القمر والمريخ يُستنزف مع الدروس المستفادة من الفشل والنجاحات، وقد دفعت التحديات المشتركة إلى إيجاد حلول هندسية مبتكرة.

التعرض للأشعة والتخفيف منها

وبدون حقل مغناطيسي للأرض، يتراكم سواتل القمر والمريخ الجرعة الإشعاعية بسرعة، وتشمل الحلول حماية الإلكترونيات الحرجة ذات المستويات العالية (الثابتة أو التنغستن)، باستخدام تصوّت ثلاثي الأبعاد على الدوائر الحساسة، واختيار عمليات شبه الموصل (مثلاً، جهاز التحكم في الأشعة السيليكونية) التي لا تزال أقل تعقيداً.

الميول القصوى والسير الحراري

(ب) إن دورات الـ[الليلات الليلية القمرية] تؤدي إلى تكرار التدوير الحراري الذي يمكن أن يشق المفاصل والمواد الخردة، ويدور المريخون مثل [(FLT:0]) [المدارات ذات القوة الفلورية: 1] و متغيرات الأنابيب ) في وحدات الأشعة المزودة بالأشعة (RHUs)

Limited Launch Windows and Mass Constraints

(د) فتح نوافذ إطلاق المريخ كل 26 شهراً بسبب المواءمة الكوكبية، مما يدفع الحاجة إلى شراء طويلة المدى وتصميم قوي يمكن أن يتسامح مع الجداول الزمنية، فالماس يُدفع دائماً بأقساط؛ ويزيد الكيلوغرام من تكلفة الإطلاق وقد يتطلب صاروخاً أكبر.

طول العمر والقابلية للاعتماد

[تتم تصميم بعثات سطحية لمدة طويلة من أشهر إلى عدة سنوات، ولكن كثيراً منها يتجاوز التوقعات (مثلاً، ]

الاتجاهات المستقبلية في تصميم النظام الساتلي

وتعيد التكنولوجيات الناشئة وأولويات الاستكشاف المتغيرة تشكيل كيفية تصور المهندسين للجيل القادم من منصات السواتل للقمر والمريخ.

التنويم الطفولي والمنصات المنخفضة الكثافة

ForbeSat‐class missions to Mars (e.g., MarCO) and the lunar surface (e.g., Lunar Flashlight) demonstrates that smaller spacecraft can achieve valuable science and technology demonstration goals.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وتنتقل منظمة العفو الدولية من البحث إلى الاستخدام التشغيلي، ويمكن للتعلم الآلي على متن الطائرة أن يصنف الملامح السطحية، ويكشف عن الشذوذ في بيانات الأجهزة، ويعطي الأولوية لمحتوى الوصلة. Peregrine، وهي بعثة مجهزة باللونار، وتستخدم مبادرة AI لتجنُّب المخاطر أثناء النسب.() وقد يستخدم مدارو المريخ المستقبلون أداة " AI " في إعادة رصد الأهداف الذاتية للظواهر الدينامية (المتة) (المعاصفة (المعاصفة).

استخدام الموارد في الموقع

ويمكن أن تؤدي تعبئة الموارد المحلية - مثل إعادة استخدام الأكسجين أو الجليد المائي للوقود أو ثاني أكسيد الكربون المريخي لأغراض التجهيز الجوي - إلى خفض كبير في الكتلة التي يجب إطلاقها من الأرض. ويمكن أن تشمل السواتل المصممة لدعم عمليات الاتحاد الدولي للأخشاب المدارية مستودعات الوقود أو إعادة الشحن أو محطات الاتصالات.

ساتلا سوار للأسلحة ومعمارات موزعة

وبدلا من الاعتماد على ساتل واحد أحادي القارات، يمكن للبعثات المقبلة أن تنشر أفران مركبة فضائية صغيرة وتعاونية تعمل كصفيفة حساسية افتراضية، ويمكن أن توفر هذه الأوار قياسات متعددة النقاط للغلاف الجوي المريخي، أو المجال المغناطيسي، أو علم الزلازل (مع العديد من صغار المهبطين على السطح) على سطح القمر، يمكن أن ترسم خرائط توزيع الأسلحة الملاحية ذات النطاق الزمني الأعلى.

الاتصالات البصرية والوصلات العالية - البيانات

وتُعرض نظم الاتصال باللاسلكية معدلات بيانات تزيد بنسبة تتراوح بين 10 و 100 مرة عن الإذاعة ذات القوة، مما يتيح نقل أشرطة الفيديو ذات التعريف العالي ومجموعات البيانات الكبيرة للصكات.

Propulsion for Faster Transits

(أ) تخفيض وقت السفر إلى المريخ من 8 إلى 9 أشهر إلى 3-4 أشهر من شأنه أن يقلل من التعرض للإشعاع بالنسبة للطاقم وتبسيط اللوجستيات.() أما الدافع الحراري النووي والدفع الكهربائي النووي فيجري تطويره من قبل ناسا والشركاء التجاريين.() ويمكن استخدام مرحلة نقل المريخ ذات الطاقة النووية في إيصال سواتل شحن كبيرة أو وحدات موائل.()

خاتمة

إن تصميم النظام الساتلي لاستكشاف القمر والمريخ هو من الانضباط الذي يوازن القيود البيئية القاسية مع السعي الدؤوب إلى الاكتشاف العلمي، ومن الاعتبارات الأساسية للإشعاع والمراقبة الحرارية إلى آخر الاتجاهات في مجال الطاقة النووية والدفع النووي، يجب تصميم كل نظام فرعي ليبقى على الأرض ويزدهر خارجها، وبما أن الوكالات مثل ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية، التي ينضم إليها عدد متزايد من الشركاء التجاريين والدوليين، ستدفع إلى تطور قدرات السواتل.

Further Reading:]