المركبات الفضائية الروبوتية Robotic Spacecraft

.

المركبة الفضائية الآلية Robotic Spacecraft هي مركبة فضائية غير مأهولة Unmanned Spacecraft ، وعادة ما تكون تحت التحكم الآلي عن بعد Telerobotic Control. وغالبا ما يطلق على المركبة الفضائية الروبوتية التي صممت لعمل قياسات البحث العلمي مسبارا فضائيا Space Probe. يعتبر العديد من البعثات الفضائية أكثر ملاءمةً للمركبات الآلية عن المركبات المأهولة ، وذلك بسبب انخفاض التكلفة وانخفاض عوامل المخاطرة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن بعض الوجهات الكوكبية مثل فينوس أو المناطق المجاورة للمشتري هي بيئة خطيرة للغاية لبقاء الإنسان فيها ، حتي باستخدام التكنولوجيا الحالية. الكواكب الخارجية Outer Planets مثل زحل وأورانوس ونبتون بعيدة جدًا عن الوصول إليها باستخدام تكنولوجيا الطيران الفضائي المأهولة حاليًا ، لذا فإن المسابر البعيدة هي الطريقة الوحيدة لاستكشافها.

 

والكثير من الأقمار الصناعية Satellites هي مركبات فضائية روبوتية ، كما هو الحال بالنسبة للعديد من مركبات الهبوط Landers والعربات الجوالة Rovers .

 

تاريخها History

تم إطلاق أول مركبة فضائية روبوتية بواسطة الاتحاد السوفييتي (اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية) في 22 يوليو 1951 م، في رحلة شبه مدارية تحمل كلبين Dezik و Tsygan. وتم إجراء أربع رحلات أخرى مماثلة خلال خريف عام 1951 م.

 

تم وضع أول قمر صناعي Satellite ، سبوتنيك 1 ، في مدار أرضي بطول 215 في 939 كم (116 في 507 ميل بحري nmi) بواسطة الاتحاد السوفييتي في 4 أكتوبر 1957 م. وفي 3 نوفمبر 1957 م ، أطلق الاتحاد السوفييتي سبوتنيك 2 التي تزن 113 كيلوجرام (249 رطل) ، وحملت المركبة سبوتنيك 2 أول حيوان حي في المدار ، وهي الكلبة لايكا Laika. وبما أن القمر الصناعي سبوتنك لم يُصمم ليتم فصله عن المرحلة العليا لمركبة الإطلاق ، فإن الكتلة الكلية في المدار كانت 508.3 كيلوجرام (1،121 رطلاً).

 

في السباق الوثيق مع السوفييت ، أطلقت الولايات المتحدة أول قمر صناعي لها ، وهو إكسبلورر Explorer 1 ، في مدار أبعاده 193 ميلًا في 1373 ميل بحري (357 في 2543 كم) في يوم 31 يناير 1958 م. إكسبلورر كان بأبعاد: الطول 80.75 بوصة (205.1 سم) وقطر 6.00 بوصة (15.2 سم) وزنه 30.8 رطلا (14.0 كجم) ، مقارنة بـ سبوتنك 1 ، الذي كان يأخذ شكل كرة قطرها 58 سم (23 بوصة) و تزن 83.6 كيلوجراما (184 رطل). وقد حمل إكسبلورر 1 أجهزة استشعار أكدت وجود أحزمة فان ألين Van Allen Belts ، وهو اكتشاف علمي كبير في ذلك الوقت ، في حين لم يكن سبوتنيك 1 يحمل أي مستشعرات علمية. وفي 17 آذار / مارس 1958 م ، أطلقت الولايات المتحدة قمرها الصناعي الثاني ، فانجارد Vanguard 1 ، الذي كان بحجم حبة الجريب فروت ، وظل في مدار أبعاده 360 في 2080 ميل بحري (670 في 3850 كم) اعتبارًا من عام 2016 م.

 

نجحت تسعة بلدان أخرى في إطلاق أقمار صناعية باستخدام مركبات الإطلاق Launch Vehicles الخاصة بها: فرنسا (1965 م) واليابان والصين (1970 م) والمملكة المتحدة (1971 م) والهند (1980 م) وإسرائيل (1988 م) وإيران (2009 م) وكوريا الشمالية (2012 م) ، ونيوزيلندا (2018 م).

 

التصميم Design

في تصميم المركبة الفضائية ، تعتبر القوات الجوية الأمريكية المركبة الفضائية تتكون من الحمولة النافعة للبعثة Mission Payload والحافلة Bus (أو المنصة Platform). توفر الحافلة Bus الهيكل الفيزيائي والتحكم الحراري Thermal Control والطاقة الكهربائية Electrical Power والتحكم في التموضع Attitude Control والقياسات عن بعد Telemetry والتتبع Tracking والقيادة Commanding.

 

يقسم مركز الدفع النفاث JPL نظام الطيران Flight System للمركبة الفضائية إلي نظم فرعية Subsystems . وتشمل هذه:

 

نظام فرعي Subsystem : الهيكل Structure

هذا هو الهيكل الفيزيائي الأساسي. وهو:

  • يتيح التجميع الميكانيكية Mechanical Integrity الشاملة للمركبة الفضائية.
  • يدعم مكونات المركبة الفضائية ويضمن تحملها لمؤثرات عملية الإطلاق.

 

نظام فرعي Subsystem : معالجة البيانات Data handling

ويطلق عليها أحيانًا اسم النظام الفرعي للقيادة والبيانات Command And Data Subsystem. وغالبًا ما تكون مسؤولة عن:

  • تخزين تسلسل الأوامر Command Sequence Storage .
  • الحفاظ على الساعة الداخلية للمركبة الفضائية Spacecraft Clock.
  • جمع بيانات القياسات الخاصة Spacecraft Telemetry بالمركبة الفضائية وإرسال تقارير بها (مثل صحة المركبة الفضائية Spacecraft Health).
  • جمع بيانات البعثة وإرسال تقارير بها (مثل الصور الفوتوغرافية).

 

نظام فرعي Subsystem : تحديد التموضع والتحكم فيه Attitude determination and control

هذا النظام مسؤول بشكل رئيسي عن الإتجاه الصحيح للمركبة الفضائية في الفضاء (التموضع Attitude) على الرغم من تأثيرات التدرج الخارجي للجاذبية المضطربة ، وعزم الدوران للمجال المغنطيسي Magnetic-Field Torques ، والإشعاع الشمسي Solar Radiation ، والسحب الأيرودينامي Aerodynamic Drag ؛ بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون مطلوبًا إعادة تموضع أو توجيه الأجزاء المتحركة ، مثل الهوائيات Antennas والمصفوفات الشمسية Solar Arrays.

 

نظام فرعي Subsystem : الهبوط على التضاريس الخطرة Landing on hazardous terrain

في بعثات استكشاف الكواكب التي تتكون من مركبات فضائية روبوتية ، هناك ثلاثة أجزاء رئيسية في عمليات الهبوط على سطح الكوكب لضمان الهبوط الآمن والناجح. وتشمل هذه العملية الدخول Entry في مجال الجاذبية الكوكبية والغلاف الجوي ، والنزول Descent من خلال هذا الغلاف الجوي نحو المنطقة المخطط لها/المستهدفة ذات القيمة العلمية ، والهبوط الآمن الذي يضمن الحفاظ على سلامة الأجهزة على متن المركبة. في الوقت الذي تمر فيه المركبات الفضائية الآلية بهذه المراحل ، يجب أن تكون قادرة على تقدير موقعها Position مقارنة بالسطح من أجل ضمان تحكمها بنفسها بشكل موثوق فيه وقدرتها على المناورة بشكل جيد. كما يجب على المركبات الفضائية الآلية أن تقوم بكفاءة بإجراء تقييم للمخاطر وتعديل المسار في الوقت الفعلي Real Time لتجنب تلك المخاطر. ولتحقيق ذلك ، تحتاج المركبة الفضائية الآلية معرفة دقيقة بالمكان الذي تتواجد فيه المركبة الفضائية بالنسبة للسطح (التمركز Localization) ، و معرفة بالذي يمكن أن يشكل خطر ناتج من التضاريس (تقييم المخاطر) ، وحيث ينبغي أن توجه المركبة الفضائية في الوقت الحاضر (تجنب الأخطار). وبدون القدرة على عمليات التمركز Localization وتقييم المخاطر وتجنبها ، تصبح المركبة الفضائية الآلية غير آمنة ويمكنها بسهولة الدخول في حالات خطرة مثل التصادمات السطحية ومستويات استهلاك للوقود غير مرغوب فيها و/أو مناورات غير الآمنة.

التوطين- التمركز – التموضع Localization .

 

نظام فرعي Subsystem : الدخول والنزول والهبوط Entry, descent, and landing

يحتوي الاستشعار المتكامل Integrated Sensing على خوارزمية تحويل الصور للتفسير الفوري لبيانات صور الأرض ، والقيام في الوقت الفعلي بإجراء كشف وتجنب مخاطر التضاريس الأرضية التي قد تعوق الإنزال الآمن ، وزيادة دقة الهبوط في الموقع المطلوب باستخدام تقنيات العلامات الأرضية Landmark Localization Techniques. ويكمل الاستشعار المتكامل Integrated Sensing هذه المهام بالاعتماد على معلومات مسجلة مسبقًا و علي الكاميرات لتفهم المركبة موقعها وتحديد أين هي وما إذا كانت في المكان الصحيح أو تحتاج إلى إجراء أي تصحيحات (التمركز Localization). تستخدم الكاميرات أيضًا للكشف عن أي مخاطر محتملة سواء كانت زيادة في استهلاك الوقود أو كانت مشكلة فيزيائية مثل نقطة هبوط ضعيفة أو فوهة أو جانب جرف يجعل من الهبوط غير مثالي (تقييم المخاطر).

 

نظام فرعي Subsystem : الاتصالات اللاسلكية Telecommunications

النظام الفرعي للاتصالات اللاسلكية Telecommunications Subsystem يتكون من الهوائيات الراديوية Radio Antennas وأجهزة الإرسال Transmitters وأجهزة الاستقبال Receivers. ويمكن استخدام للتواصل مع المحطات الأرضية على الأرض Ground Stations ، أو مع المركبات الفضائية الأخرى.

 

نظام فرعي Subsystem : الطاقة الكهربائية Electrical Power

عادة ما يكون مصدر الطاقة الكهربائية على متن المركبة الفضائية من الخلايا الشمسية (الضوئية) أو من مولد حراري كهربي يعمل بالنظائر المشعة. وهناك مكونات أخرى ضمن ذلك النظام الفرعي مثل بطاريات Batteries لتخزين الطاقة ودوائر التوزيع Distribution Circuitry التي تربط المكونات بمصادر الطاقة.

 

نظام فرعي Subsystem : التحكم في درجة الحرارة والحماية من البيئة Temperature control and protection from the environment

غالبا ما تكون المركبات الفضائية محمية من تقلبات درجات الحرارة بالمواد العازلة. تستخدم بعض المركبات الفضائية المرايا ومظلات لحماية إضافية من التسخين الشمسي. كما أنها تحتاج في كثير من الأحيان إلى الحماية من النيازك الدقيقة Micrometeoroids والحطام المداري Orbital Debris.

 

نظام فرعي Subsystem : الدفع Propulsion

دفع المركبات الفضائية هو طريقة تسمح للمركبة الفضائية بالسفر عبر الفضاء عن طريق توليد قوة دفع Thrust لدفعها إلى الأمام. ومع ذلك ، لا يوجد نظام دفع واحد متعدد الاستخدام: مثل نظام Monopropellant ، ونظام Bipropellant ، ونظام الدفع الآيوني Ion Propulsion ، إلخ. كل نظام دفع يولد الدفع بطرق مختلفة قليلاً ولكل نظام مميزاته وعيوبه. ولكن معظم محركات المركبات الفضائية اليوم تعتمد على محركات صاروخية Rocket Engines. الفكرة العامة وراء محركات الصواريخ هي أنه عندما يلتقي المؤكسد مع الوقود يحدث إطلاق متفجر للطاقة والحرارة بسرعات عالية ، مما يدفع المركبة الفضائية إلى الأمام. يحدث هذا بسبب مبدأ أساسي واحد يعرف باسم قانون نيوتن الثالث. وفقا لنيوتن ، “لكل فعل رد فعل مساوي في المقدار ومضاد له في الإتجاه”. ومع إطلاق الطاقة والحرارة من مؤخرة المركبة الفضائية ، يتم دفع جسيمات الغاز خلف المركبة للسماح للمركبة الفضائية بالاندفاع إلى الأمام. السبب الرئيسي وراء استخدام محرك الصاروخ اليوم هو أن الصواريخ هي أقوى أنواع الدفع هناك.

 

نظام الدفع أحادي الوقود Monopropellant Propulsion

لكي يعمل نظام الدفع ، عادة ما يكون هناك دائما خط للمادة المؤكسدة وخط للوقود. بهذه الطريقة ، يتم التحكم في دفع المركبة الفضائية. ولكن في نظام الدفع أحادي الوقود Monopropellant Propulsion ، لا توجد حاجة إلى خط للمادة المؤكسدة ولا يحتاج سوى لخط الوقود فقط لأن المؤكسد مرتبط كيميائياً في جزيء الوقود نفسه. ولكن من أجل التحكم بنظام الدفع ، لا يمكن أن يحدث احتراق الوقود إلا بوجود عامل حفاز Catalyst . هذا النوع مفيد للغاية لأنه يجعل محرك الصاروخ أخف وزنا وأرخص ، ومن السهل التحكم به ، وأكثر موثوقية. ولكن ، العيب هو أن تلك المادة الكيميائية شديدة الخطورة في التصنيع والتخزين والنقل.

 

نظام الدفع ثنائي الوقود Bipropellant

نظام الدفع ثنائي الوقود Bipropellant هو محرك صاروخي يستخدم وقد دافع سائل Liquid Propellent. وهذا يعني أن كلا من المادة المؤكسدة والوقود في الحالات السائلة. هذا النظام فريد من نوعه لأنه لا يحتاج إلى نظام إشعال Ignition System ، فالسائلين سوف يشتعلان تلقائياً بمجرد تلامسهما ببعضهما البعض وينتج الدفع اللازم لدفع المركبة إلى الأمام. والفائدة الرئيسية لهذه التقنية هي أن هذه الأنواع من السوائل ذات كثافة عالية نسبياً ، مما يسمح لحجم خزان الدفع أن يكون صغيراً ، وبالتالي زيادة فعالية الحيز المتوفر. الجانب السلبي هو نفسه الخاص بنظام الدفع أحادي الوقود Monopropellant : خطير جدًا في التصنيع والتخزين والنقل.

 

المحرك الآيوني Ion Propulsion System

نظام الدفع الأيوني Ion Propulsion System هو نوع من المحركات التي تولد الدفع عن طريق قذف الإلكترونات أو تسارع الأيونات. عن طريق إطلاق إلكترونات عالية الطاقة علي ذرة المادة الدافعة (شحنتها متعادلة في الوضع الطبيعي) ، فإنه يزيل الإلكترونات من ذرة المادة الدافعة مما يجعل ذرة المادة الدافعة موجبة الشحنة كهربيا. يتم توجيه الأيونات موجبة الشحنة لتمر عبر شبكات مشحونة بشحنة موجبة وتحتوي على آلاف الثقوب الدقيقة المحاذية ومزودة بجهود كهربية عالية الفولطية. ثم ، تتسارع الأيونات موجبة الشحن والمحاذية لبعضها عبر شبكة مسرع مشحون بشحنة سالبة مما يزيد من سرعة الأيونات حتى 90,000 ميل في الساعة. توفر كمية الحركة Momentum لهذه الأيونات الموجبة الشحنة قوة دفع للمركبة الفضائية إلى الأمام. ميزة وجود هذا النوع من الدفع هو أنه فعال بشكل لا يصدق في الحفاظ على سرعة ثابتة ، وهذا ضروري للسفر في الفضاء العميق. ومع ذلك ، فإن كمية الدفع المنتجة منخفضة للغاية وتحتاج إلى الكثير من الطاقة الكهربائية للعمل.

 

الأجهزة الميكانيكية Mechanical Devices

غالبًا ما يلزم تحريك المكونات الميكانيكية للنشر Deployment بعد الإطلاق أو قبل الهبوط. بالإضافة إلى استخدام المحركات ، يتم التحكم في العديد من الحركات لمرة واحدة One-Time Movements بواسطة أدوات متفجرة Pyrotechnic Devices .

 

المركبات الفضائية الروبوتية في مقابل المركبات الفضائية غير المأهولة Robotic vs. Unmanned Spacecraft

المركبة الفضائية الروبوتية Robotic Spacecraft مصممة خصيصا لنظام بيئة محددة معادية. نظرا لمواصفاتها الخاصة بـ بيئة معينة ، فإنها يختلف اختلافا كبيرا في التعقيد والإمكانيات. في حين أن المركبة الفضائية غير المأهولة هي مركبة فضائية بدون أفراد أو طاقم ويتم تشغيلها بشكل أوتوماتيكي (توتصل العمل دون تدخل بشري) أو بالتحكم عن بعد (مع تدخل بشري). لا يعني مصطلح “المركبة الفضائية غير المأهولة” أن المركبة الفضائية آلية Robotic.

 

التحكم Control

تستخدم المركبة الفضائية الروبوتية القياس عن بعد Telemetry وترسله بالراديو إلى الأرض محتويا علي المعلومات المجمعة عن حالة المركبة. على الرغم من أنه يشار إليه عمومًا باسم “التحكم عن بعد Remotely Controlled أو “Telerobotic” ، فإن أول مركبة فضائية مدارية – مثل Sputnik 1 و Explorer 1 – لم تستلم إشارات تحكم من الأرض. بعد وقت قصير من تلك المركبات الفضائية الأولى ، تم تطوير أنظمة القيادة للسماح بالتحكم بها عن بعد من الأرض. زيادة الاستقلالية Autonomy أمر مهم للمسابير البعيدة حيث يمنع وقت نقل الإشارة من اتخاذ القرار والتحكم السريع من الأرض. تعد المسابر الأحدث مثل كاسيني-هيجنز و Mars Exploration Rovers مستقلة للغاية وتستخدم أجهزة الكمبيوتر على متنها لتعمل بشكل مستقل لفترات طويلة من الزمن.

 

المسابر الفضائية Space Probes

المسبار الفضائي هو مركبة فضائية روبوتية لا تدور حول الأرض ، ولكن بدلا من ذلك ، يستكشف في مكان أبعد في الفضاء الخارجي. قد يقترب مسبار فضائي من القمر ؛ أو يسافر عبر الفضاء بين الكواكب ؛ أو التحليق بالقرب منها Flyby ، أو الدوران في مدار Orbit ، أو الهبوط على الأجرام السماوية الأخرى ؛ أو الدخول في الفضاء البينجمي Interstellar Space.

 

مركبة دراجون لشركة SpaceX

مركبة دراجون لشركة SpaceX مثال على مركبة فضائية روبوتية بالكامل في العصر الحديث. سبيس إكس دراجون هي مركبة فضائية روبوتية مصممة لإرسال ليس فقط البضائع إلى مدار الأرض ، ولكن أيضا البشر أيضا. الارتفاع الكلي للمركبة SpaceX Dragon هو 7.2 م (23.6 قدم) بقطر 3.7 م (12 قدم). تبلغ الكتلة الإجمالية لحمولة الإطلاق 6,000 كجم (13,228 رطل) و إجمالي الكتلة العائدة 3,000 كيلوجرام (6,614 رطل) ، إلى جانب إجمالي حجم الحمولة التي تبلغ 25 م ^ 3 (883 قدمًا ^ 3) وحجم إجمالي حمولة العودة يبلغ 11 م ^ 3 (388 قدمًا ^ 3). المدة الكلية للمركبة دراجون في مدار الأرض سنتان.

 

في عام 2012 م، صنعت المركبة دراجون التاريخ بأن أصبحت أول مركبة فضائية روبوتية تجارية لتسليم البضائع إلى محطة الفضاء الدولية وإعادة البضائع إلى الأرض بأمان في نفس الرحلة. هذا الإنجاز الذي حققته المركبة دراجون لم يتحقق من قبل إلا بواسطة الحكومات. في الوقت الحالي ، تهدف دراجون إلى نقل البضائع بسبب قدرتها على إعادة كميات كبيرة من البضائع إلى الأرض على الرغم من أنها مصممة أصلاً لنقل البشر.

 

والمسبار الفضائي Space Probe هو مهمة استكشاف فضائية علمية تغادر فيها مركبة فضائية الأرض وتستكشف الفضاء. قد يقترب مسبار فضائي من القمر ؛ أو يسافر عبر الفضاء بين الكواكب ؛ أو التحليق بالقرب Flyby ، أو الدوران في مدار Orbit ، أو الهبوط على الأجرام السماوية الأخرى ؛ أو الدخول في الفضاء البينجمي Interstellar Space.

 

مركبات الخدمة الروبوتية الفضائية Robotic Spacecraft Service Vehicles

وحدة MDA Space Service Servicing Vehicle – عبارة عن مستودع للتزود بالوقود في الفضاء وخدمة مركبات فضائية لأقمار الاتصالات في المدار المتزامن مع الأرض. الإطلاق المخطط في عام 2015 م.

 

مركبة تمديد البعثة Mission Extension Vehicle هي طريقة بديلة لا تستخدم نقل الوقود بنظام RCS في الفضاء. بدلاً من ذلك ، فإنه يندمج مع القمر المستهدف بنفس الطريقة التي يستخدمها نظام MDA SIS ، ثم يستخدم “أجهزة الدفع الخاصة به لتوفير التحكم في التموضع Attitude للهدف”.

.

ترجمة م/ عبد المجيد أمين الجندي

.

جاري إعداد ملف PDF .

*

اضغط هنا لتتابع صفحتنا علي الفيس بوكو 

***************************************************************

 

handwave-yellow

مواضيع ذات صلة

 .

الصفحة الرئيسية لمقالات الفضاء

 

قصة الإطلاق التجريبي لمركبة Starliner المأهولة إلى المحطة الفضائية الدولية

امتحان رائد الفضاء Astronaut Test

* حدوث خلل في أحد حواسيب محطة الفضاء الدولية Computer Bug on International Space Station

* أخبار محطة الفضاء الدولية International Space Station

* الروبوت الروسي فيودور FEDOR

 

سيناريوهات الإلتقاء الفضائي Space Rendezvous بمحطة الفضاء الدولية

.

handwave-yellow

Share this...شارك المقالة
Share on Facebook
Facebook
Tweet about this on Twitter
Twitter
Share on LinkedIn
Linkedin

**************************************

ملاحظة

  • إذا كان لديك مقالة تريد نشرها أو لديك تعديل أو اقتراح جيد ، فمن فضلك سجل اقتراحك في تعليق علي الموضوع .
  • أو راسلنا علي البريد التالي لنشر مقال خاص بك : info@inst-sim.com

مكتبة محاكاة الأجهزة


أترك تعليق