كيف نتحكم في المركبات الفضائية في الفضاء العميق ؟
هل تساءلت يومًا عن كيفية التحكم في تلسكوب هابل على سبيل المثال أو محطة الفضاء الدولية IS ؟ من على الارض فى مراكز المراقبه والاتصال ؟؟
إذا كان لدى البشر على الأرض مشاكل في التحكم في المحركات مثل السيارة أو بعض الآلات الاخرى ، فماذا عن المحركات الأكبر التي لا يقودها البشر وفي الفضاء العميق ؟! بعيدا عن الارض والتى تمثل عيوننا المستكشفه للكون؟؟
هناك العديد من الحلول التي ابتكرها المهندسون لحل مشكلة التحكم والاتصال في المسابر المنطلقه إلى الفضاء :
(المسابر الفضائية والأقمار الصناعية والتلسكوبات). بعض هذه الحلول مناسبة لجميع أنواع المحركات والبعض الاخر يتطلب تقنيات اخرى فهيا نتعرف عليها :
محركات الدفع الصاروخيه
الدافعات الصاروخيه هي العمود الفقري للتحكم في اغلب الأشياء في الفضاء. تعمل محركات الدفع الصاروخيه على أساس فيزيائي بسيط للغاية ، نعرفه جميعا ،وهو قانون نيوتن الثالث ، والذي ينص على أنه
(لكل فعل رد فعل مساوٍ للقوة ومعاكسًا في الاتجاه) تذكر معي مشاهد من فيلم الحركة المفضل لديك ، عندما يقوم شخص ما بإطلاق النار من سلاح ما ، يرتد من يحمل المدفع المضاد للخلف عندما تنطلق القذيفه إلى الأمام.
هذا ابسط تطبيق لقانون نيوتن الثالث السابق ، وهو أيضًا ما يحدث تماما في محركات الدفع الصاروخية عند توجيهها للاشتعال في اتجاه محدد ، وحرق الوقود لإنشاء حركة في الاتجاه المعاكس للفتره المطلوبه .
محركات الدفع الخاصة بأحد مكوكات الفضاء
قد يبدو اعتماد محركات الدفع على قانون بسيط مثل قانون نيوتن الثالث بمثابة دعوة للتقليل من قدراتها ، لكني أود التاكيد ، أيها القراء الأعزاء ، الى أن محركات الدفع ليست شيئًا تافهًا على الإطلاق!
تُستخدم محركات الدفع في واحدة من أهم المناورات الفضائية وأكثرها عنفًا على الإطلاق ، وهي ما يسمى بمساعدة دفع الجاذبية ، والتي يمكننا فهمها ببساطه على أنها تسارع / تباطؤ بمساعدة الجاذبية
الدفع باستخدام الجاذبية
إنها مناورة فضائية تُستخدم لتغيير سرعة مركبة فضائية دون الحاجة إلى حرق الكثير من الوقود. حيث يتم تغيير مسار المركبة الفضائية باستخدام الدافعات الصاروخيه للاقتراب من مجال الجاذبية لكوكب وسيط ، ثم يتم تبادل الطاقة الحركية بين الكوكب والمركبة الفضائية ، مما يؤدي إلى تغيير في سرعة المركبة. ثم تتدخل الدوافع مرة أخرى بعد تبادل الطاقة الحركية للمساعدة في تضخيم تأثير الجاذبية.
للتسريع ، يجب أن تتحرك المركبة في نفس اتجاه دوران الكوكب ، أو في الاتجاه المعاكس لدورانها لإبطاء سرعتها.
المناورة في الفيديو التالى نفذتها الكثير من المركبات الفضائيه مثل فوياجر Voyage1 التي تجوب الفضاء الخارجي الان ، و وايضا على مسبار روزيتا الذي زار المذنب الضخم شوريموكوف
والمركبه نيو هورايزونز New Horizons التي زارت بلوتو وغيرها الكثير من المسابر المتوجهه الى اهداف معينه من كواكب النظام الشمسي.
فيديو يشرح عملية الدفع باستخدام الجاذبيه
على الرغم من أن الدافعات الصاروخيه سهلة الاستخدام في العديد من المحركات ، إلا أن تكلفة ووزن الوقود لا يمكننا تحملها احيانا ، تمامًا مثل تلسكوب هابل.
يعمل تلسكوب هابل منذ اكثر من 29 عامًا ، وكان من غير المعقول حمل وقود كافٍ لهذه الفترة الطويلة. تخلق محركات الدفع سحبًا من الغازات نتيجة احتراق الوقود ، مما قد يعطل تشغيل الأدوات والمعدات الدقيقة على متن هابل. لهذا الغرض ، صممت عقول الهندسة البشرية وسائل أخرى تسمح لنا بقيادة المركبات الفضائية والتحكم فيها من مسافة بعيدة.
عجله رد الفعل
احدى هذه الوسائل و المستخدمة على متن هابل هي ما يسمى بعجلة رد الفعل reaction wheels و هي عبارة عن عجلات ضخمة (أربعة في العادة) تدور بسرعات مختلفة وفي اتجاهات مختلفة مما يُنتج قوة عزم تضمن حركة هابل في الاتجاهات المضاده لاتجاه القوة الناتجه من الدوران .
صورة توضح أماكن ال reaction wheels و الجيروسكوبات على متن هابل التي تساعده على معرفة سرعته و اتجاه دورانه
في الواقع ايضا تعتمد عجلات رد الفعل أيضًا على قانون نيوتن الثالث أو قانون حفظ طاقة الحركة الدائرية.
حيث أن دوران جسم بسرعة دوران معينة في اتجاه معين يولد حركة بنفس سرعة الدوران في الاتجاه المعاكس.
لهذا السبب ، هناك سرعة قصوى يمكن أن يدور بها هابل وهي نفس السرعة القصوى لدوران العجلات على متنها
شكل الـreaction wheels على متن هابل
بالطبع ، لا يتم استخدام عجلات رد الفعل بواسطة تلسكوب هابل فقط ، بل يتم استخدامها والاعتماد عليها في العديد من المهمات الفضائية مثل تلسكوبات كبلر و كاسيني وغيرها .
على الرغم من أنه يبدو أنه يمكن حل جميع مشكلات التحكم باستخدام محركات الدفع الصاروخيه أو عجلات رد الفعل ، إلا أن هناك مجموعه خاصه جدًا من المركبات الفضائية الهامه والتي يحتمل تدميرها تمامًا وتعطلها بدون وسائل التحكم الخاصه التالية : تابع معي
الدوافع المغناطيسيه Magnetorquers
صورة توضح أماكن ال reaction wheels و الجيروسكوبات على متن هابل التي تساعده على معرفة سرعته و اتجاه دورانه
.تحدثنا عن التحكم في ما هو كبير وعملاق مثل تلسكوب هابل أو كبلر ، ولكن هناك فئة من الأجسام الفضائية ذات أهمية متساوية مع أحجام أصغر بكثير ، وهي ما يسمى بالأقمار الصناعية أو المكعبات ، وهي أقمار صناعية صغيرة الحجم مقارنة بالحجم الطبيعي للأقمار الصناعية.
تُستخدم النبضات المغناطيسية على متن هذه الأقمار الصناعية كوسيلة للتحكم في حركتها وضبط مسار دورانها ، ويعتمد عملها على وجود قضيب معدني يحمل تيارًا كهربائيًا ، مما يولد مجالًا مغناطيسيًا حوله ، والذي بدوره يتفاعل مع المجال المغناطيسي للأرض
عندما يتفاعل المجالان المغناطيسيان ، وبما أن مجال الأرض أقوى بكثير ، فإنه يؤثر على حركة واتجاه القمر الصناعي ، والذي ، لولا الدافع المغناطيسي ، لكان قد انحرف عن مساره المداري شيئًا فشيئًا ، تحت قوة السحب التي تمارسها جزيئات الغلاف الجوي عليها حتى يكون لدينا ما يشبه سقوط الشهب والنيازك بسبب احتكاكها الشديد مع الغلاف الجوي ، قبل أن تنضم إلى ملايين القطع من الحطام الفضائي لكل مهمات البشر في الفضاء المتواجده في المسار المداري المنخفض للأرض.
ولكن لكي تعمل الـدوافع المغناطيسيه Magnetorquers يتوجب وجود المسبار الفضائي فى مسار مداري حول الكوكب على مستوى منخفض ، حتى يكون تأثير المجال المغناطيسي للأرض قويا بما يكفى .
تلسكوب هابل الفضائي يستخدم هو الاخر أربعة من تلك الدوافع المغناطيسيه ، ولكن لا تقوم وحدها بالتحكم في الحركة المداريه بشكل كامل كما هو الحال في الأقمار الصناعيه الصغيرة .
ويرجع ذلك الى ضخامة وحجم التلسكوب هابل والذي يحتاج إلى ملف كهربي بوزن كبير لتوليد مجال مغناطيسي مناسب ، ولكنها تستعمل لتحد من سرعة عجلات رد الفعل ، عندما تبلغى أقصى سرعة لها؛ 90 درجة/15 دقيقة.
صناعة المحركات الفضائية تتطلب قائمة طويلة جدا من العلوم ولن نبالغ إذا قلنا أن علم الاتصال و التحكم على رأس القائمة.
تخيل أنك تنفق الكثير من الوقت والعمل والمال في بناء وتصميم مسبار فضائي ولكنه يفشل عند الإقلاع !!
أو يتعطل عند عبورة للغلاف الجوي للأرض !!
أو يضيع في ظلام الفضاء! بعد ان يتجاوز كل ما سبق!!
هنا يقول العلم والهندسة كلماتهما للنجاح في مهمتنا تحياتى لكم .... وللعلم ومحبيه ...