قمري الصغير...

إلى أي مدى يمكن الترويج لاتجاه تقليص حجم الأقمار الصناعية وهل هناك ثمن لتقليص حجم القمر الصناعي؟ حول الأقمار الصناعية النانوية ومكانتها في استكشاف الفضاء اليوم وفي المستقبل

طال عنبر، منشور في مجلة جاليليو – إبريل 2008

وتعتبر الأقمار الصناعية، التي تتحرك في مداراتها حول الأرض لمدة 51 عاما، أجهزة معقدة للغاية. الأقمار الصناعية مجهزة بأنظمة مختلفة تسمح لها بأداء مهامها: مصدر الطاقة، الكمبيوتر، أنظمة التحكم، أنظمة الدفع، الكاميرات، معدات الاتصالات، معدات التحكم في درجة الحرارة - وهذه بالطبع قائمة جزئية فقط.

لسنوات عديدة، بدا أن الأقمار الصناعية ستكون دائمًا كبيرة وثقيلة ومكلفة. مع تطور تصغير المكونات الإلكترونية، وفي المقام الأول معالجات الكمبيوتر، بدأت الأقمار الصناعية (جزئيًا) في "الانكماش". لقد فتح تصغير بعض الأقمار الصناعية الطريق أمام المزيد من المهام الفضائية المتكررة، وبتكاليف أقل، ولاستخدام منصات إطلاق أقمار صناعية أصغر وأضعف - مما أدى أيضًا إلى خفض التكلفة الإجمالية للمهمة الفضائية.

إلى أي مدى يمكن تعزيز اتجاه تقليص حجم الأقمار الصناعية؟ هل هناك ثمن لتخفيض القمر الصناعي؟ سنقدم هنا مجال الأقمار الصناعية الصغيرة، والتي يشار إليها غالبًا باسم الأقمار الصناعية النانوية، ونرى ما هو مكانها في استكشاف الفضاء اليوم وما هي التطبيقات المحتملة التي يمكن أن تناسبها في المستقبل.

ميني مايكرو نانو

يختلف التقسيم إلى أحجام الأقمار الصناعية، ويعتمد على المحدد. البعض يقسم الأقمار الصناعية إلى أحجام حسب الوزن، والبعض الآخر يفعل ذلك حسب تكلفة المهمة. وعلى الرغم من الاختلافات، فإن التعريف الشائع والمقبول في مجتمع الفضاء العالمي هو:

• قمر صناعي كبير - يزن أكثر من 1,000 كجم
• قمر صناعي متوسط ​​– يتراوح وزنه بين 500 كجم و1,000 كجم
• قمر صناعي صغير – يتراوح وزنه بين 100 كجم و500 كجم
• قمر صناعي صغير – يتراوح وزنه بين 10 كجم و100 كجم
• قمر صناعي نانو – يتراوح وزنه بين 1 كجم و10 كجم
• قمر بيكو – يتراوح وزنه بين 100 جرام و1 كجم
• الفيمتو ستالايت – يزن أقل من 100 جرام

يجب أن نتذكر أن هذا التقسيم ليس قانونًا غير قابل للانتهاك، وأن الأقمار الصناعية المختلفة يتم تعريفها بشكل مختلف من قبل مطوريها. سنركز هنا على الأقمار الصناعية النانوية.

قصة CubeSat

كيوبيسات (كوبيسات) هو اسم عام لمنصة أقمار صناعية صغيرة، تم تطويرها بالتعاون بين جامعة ستانفورد ومعهد كاليفورنيا للفنون التطبيقية، كطريقة مبتكرة تسمح للطلاب بإطلاق قمر صناعي بسرعة وبتكلفة زهيدة. تكوين القمر الصناعي الأساسي في هذه العائلة هو مكعب يبلغ طول حافته 10 سم.

تم إطلاق أول قمر صناعي CubeSat بتكلفة قمر صناعي طلابي - عشرات الآلاف من الدولارات فقط. عند بداية استخدام أقمار CubeSat، كانت الأقمار الصناعية نفسها، بناءً على محتواها، يتم بناؤها من قبل الراغبين فيها، وفق المخططات المقدمة لهم. اليوم، أصبح من الشائع استخدام مجموعة أدوات الأقمار الصناعية المعدة مسبقًا، والتي تباع بأحجام وتصميمات متنوعة. في الواقع، أدى تصميم CubeSat إلى خلق توحيد في مجال الأقمار الصناعية الصغيرة، حيث أن الغالبية المطلقة من هذه الأقمار الصناعية تعتمد على منصة CubeSat.

يتم إطلاق الأقمار الصناعية Cubesat باستخدام قاذفة عامة، وهي عبارة عن صندوق يتم فيه إدخال ما يصل إلى ثلاثة أقمار صناعية في وقت واحد. وعندما وصلت منصة الإطلاق إلى الفضاء، انفتحت العلبة وقام زنبرك بدفع الأقمار الصناعية إلى الفضاء. كقاعدة عامة، لا يتم إطلاق الأقمار الصناعية النانوية - والأقمار الصناعية المكعبة الموجودة فيها - كحمولة مخصصة وفريدة من نوعها، ولكن كحمولة مصاحبة لعمليات إطلاق مختلفة حول العالم. تم تنفيذ جزء كبير من عمليات إطلاق الأقمار الصناعية CubeSat حتى الآن باستخدام منصة إطلاق الأقمار الصناعية الروسية Dnieper. وتم تنفيذ عمليات إطلاق إضافية باستخدام منصة الإطلاق الروسية كوزموس 3. كما تسمح الهند بإطلاق هذه الأقمار الصناعية إلى الفضاء باستخدام صاروخ PSLV (الذي تم استخدامه في يناير 2008 لإطلاق القمر الصناعي الراداري الإسرائيلي تيكسار).
زيادة إمكانية الوصول إلى الفضاء

وكان هدف مطوري منصة CubeSat هو خفض سعر المركبة الفضائية إلى الحد الأدنى، وإعفاء المهتمين بإطلاق قمر صناعي بحثي صغير من الحاجة إلى تصميم جسم القمر الصناعي وجزء من نظام التشغيل الخاص به، والذي يعمل حاليًا يأتي مع الجسم تم إطلاق العشرات من الأقمار الصناعية CubeSat إلى الفضاء حتى الآن، وهناك عشرات المشاريع الأخرى في مراحل مختلفة من التخطيط. إن زيادة إمكانية الوصول إلى الفضاء من ناحية، وانخفاض سعر مشروع القمر الصناعي من ناحية أخرى، يمكّنان من تحقيق المبادرات التعليمية والبحثية والوصول إلى الفضاء بالنسبة للبلدان النامية، التي لم تكن لتتمكن من إطلاق قمر صناعي إلى الفضاء. بطرق أخرى

استخدام المكونات الجاهزة للتطبيقات الفضائية بشكل عام - وللأقمار الصناعية النانوية بشكل خاص

بشكل عام، تعتبر الصناعات الفضائية في العالم متحفظة للغاية فيما يتعلق بالمكونات والأنظمة المدمجة في الأقمار الصناعية. ومع ذلك، فإن استخدام المكونات الجاهزة (COTS، التجارية الجاهزة) في مجال الفضاء أصبح ببطء ليس حقيقة فحسب، بل يكاد يكون ضرورة، بسبب التكاليف الكبيرة (في المال والوقت والموظفين). من البدائل.

أشارت القوات الجوية الأمريكية، في وثيقة تعود إلى عام 2006، إلى مزايا التقنيات الجاهزة في مجال الفضاء - تقصير أوقات تطوير المكونات الفردية؛ البساطة والسرعة في تطوير الأنظمة الفضائية بناءً على المعايير؛ تقليل تكلفة الاختبار، وذلك بسبب استخدام أدوات اختبار الشبكة القياسية والوصول عن بعد؛ تطوير أسرع للبرمجيات، بناءً على الوحدات الموجودة؛ والحد من القوى العاملة اللازمة لتشغيل القمر الصناعي؛ وتقاسم أصول الاتصالات بين منصات الفضاء المختلفة.

إن إمكانية الوصول إلى مجموعات بناء الأقمار الصناعية الصغيرة، وخاصة مجموعة CubeSat، تجعل مكون التكلفة لهيكل القمر الصناعي هامشيًا - وهو الأمر الذي يسمح بتوجيه الجزء الأكبر من الميزانية إلى MET.

العيب الكبير هو عدم وجود التكرار

نظرًا لأن الأقمار الصناعية تعمل في ظروف بيئية صعبة للغاية (نطاق درجة الحرارة يصل إلى مئات الدرجات المئوية، والإشعاع، والمجال المغناطيسي القوي) وعادةً ما يكون من المستحيل تزويدها بخدمات الإصلاح والصيانة، فقد تم بناء أنظمة احتياطية مختلفة فيها، مما يسمح بالتكرار - ذلك هو استمرار عمل القمر الصناعي بشكل طبيعي حتى لو حدث عطل في النظام الرئيسي.

في العديد من الأقمار الصناعية، يكون الرصيد ممتلئًا، وعادةً ما يكون مضاعفًا. وفي بعض الأنظمة، يكون الرصيد ثلاثيًا. أكبر عيب للأقمار الصناعية الصغيرة هو النقص شبه الكامل في الاحتياطيات، وذلك لسبب بسيط - لا يوجد مكان لها في القمر الصناعي. ومن بين الاستثناءات القمر الصناعي الإسرائيلي الصغير ISAT-1، الذي تعمل جميع أنظمته فيه بكامل طاقتها.

هيكل الرحلات الجوية وأسراب الأقمار الصناعية

تم اختبار أقمار صناعية صغيرة في العقد الماضي كمرشحات للرحلات الهيكلية في الفضاء، أي رحلة قمرين صناعيين أو أكثر مع الحفاظ على موقع مشترك في الفضاء وتغييرات في التكوين الهندسي للهيكل. يمكن أن يكون لأسراب الأقمار الصناعية المستقبلية، والتي يمكن أن تحتوي على عشرات أو مئات من الأقمار الصناعية الصغيرة، استخدامات متعددة في الأبحاث، كما هو الحال في البحث عن موجات الجاذبية، وفي الأبحاث الفلكية، وفي المسح السريع للكواكب والأقمار، وفي المهام العسكرية.

ومن التحديات التي تواجه مطوري فكرة سرب الأقمار الصناعية، يمكننا أن نذكر نظام إدارة الهيكل، ووسائل التحكم والسيطرة لكل قمر صناعي ونظام اتصالاته مع الأقمار الصناعية الأخرى، وضرورة تجنب الاصطدام بالأجسام الأخرى في الفضاء - وهذا ليست سوى قائمة جزئية. يتم تطوير الخوارزميات اللازمة لبناء الرحلات الجوية في الفضاء، من بين أمور أخرى، في معهد آشر لأبحاث الفضاء في التخنيون. سيتضمن سرب الأقمار الصناعية الصغيرة العديد من الأقمار الصناعية ذات الاحتياطيات المنخفضة، لكن إجمالي احتياطيات السرب سيكون مرتفعًا - ستكون الأقمار الصناعية العادية قادرة على أداء مهام الأقمار الصناعية المعطلة، دون الإضرار بالمهمة التي تم إطلاقها من أجلها إلى الفضاء.

الأقمار الصناعية النانوية "الأزرق والأبيض".

إسرائيل موجودة على خريطة الأقمار الصناعية النانوية، ويتم حاليًا بناء قمرين صناعيين هناك، وهما في مرحلة دمج أجزاء القمر الصناعي (التكامل) في مرافق محطة الفضاء التابعة لصناعة الطيران. وتم تصميم الأقمار الصناعية من قبل خبراء الجمعية الإسرائيلية للأقمار الصناعية النانوية (INSA)، التي تأسست عام 2006 من قبل مجموعة من مهندسي الفضاء من الصناعات الفضائية المختلفة في إسرائيل.

سيتم استخدام أول قمر صناعي نانوي إسرائيلي، المعروف باسم ISAT-1، لإثبات وظيفة مكونات القمر الصناعي في ظل ظروف حقيقية - أي في الفضاء. كما ذكرنا سابقًا، تعتبر صناعة الأقمار الصناعية محافظة للغاية، ويرجع ذلك أساسًا إلى استحالة إصلاح المكونات التي تعطلت في الفضاء وبسبب التكلفة الهائلة لمشاريع الأقمار الصناعية. ولذلك، فإن المكونات التي نستخدمها في حياتنا اليومية، مثل معالجات Pentium، لم تصل بعد إلى الفضاء، وذلك ببساطة لأنه لا يوجد مصنع يرغب في المخاطرة بإطلاق مكون لم يتم اختباره بعد في الفضاء.

إن استخدام الأقمار الصناعية النانوية يجعل من الممكن كسر هذه الحلقة المفرغة، ووضع مختبرات صغيرة في الفضاء لدراسة سلوك المكونات الجديدة في الفضاء. أحد العوائق الرئيسية في صناعة الفضاء هو إثبات تشغيل المكونات والأنظمة المصممة للتركيب في الأقمار الصناعية - وهي عملية طويلة ومكلفة، ويتم تنفيذها في عدد قليل من المختبرات فقط حول العالم (في إسرائيل، مختبر متقدم للغاية لـ تعمل بيئات التصوير الفضائية في مجمع مركز سوريك للأبحاث النووية).

تم تصميم قمر صناعي لإثبات المكونات الفضائية لاختبار المكونات في الظروف الفضائية مع دمجها في منصة فضائية صغيرة. ستكون العملية أسرع وأرخص من الاختبارات في المختبرات، وميزتها الكبرى هي خلق تراث، تراث فضائي، أي إثبات أن مكونات معينة تعمل وقد عملت في الفضاء. هذا نوع من "ختم الكوشر" للمكونات والأنظمة. ومن المتوقع أن يتم إطلاق أول قمر صناعي للرابطة إلى الفضاء في النصف الأول من عام 2009، وذلك باستخدام منصة إطلاق الأقمار الصناعية دنيبر.

وتشارك جامعة بن غوريون أيضًا في تطوير الأقمار الصناعية النانوية، وقد اشترت بالفعل عدة مجموعات لبناء قمر صناعي من الشركة الأمريكية Pumpkin. ولم يتم نشر التفاصيل الفنية حول القمر الصناعي أو الموعد المقرر لإطلاقه حتى الآن.

درس طلاب مدرسة هانداسايم الثانوية-هرتسليا موضوع الأقمار الصناعية الصغيرة تحت قيادة الدكتورة آنا هيلر. وكجزء من الدراسات، انخرط الطلاب في جوانب مختلفة من تخطيط محطة أرضية لاستقبال البث عبر الأقمار الصناعية، وفي توصيف قمر صناعي صغير، وفي إجراء أعمال بحثية حول أنظمة الأقمار الصناعية. تم تقديم نموذج للقمر الصناعي الذي تم تطويره في المدرسة الثانوية في مؤتمر إيلان رامون الدولي للفضاء في عام 2007.

ويجري حاليا إنشاء مختبر صغير للأقمار الصناعية في هرتسليا. وكجزء من المختبر، سيقوم طلاب المدينة، الذين سيدرسون في منهج فريد، بتصميم وبناء قمر صناعي نانو سيتم إطلاقه إلى الفضاء في غضون 3 سنوات تقريبًا. وقد أبدى وزير العلوم والثقافة والرياضة غالب مجادلة إعجابه بالمشروع وأعلن أن مكتبه سيدعمه بل ويشجع الطلاب العرب المتفوقين في العلوم على المشاركة في المشروع.

مراحل إطلاق القمر الصناعي ISAT-1

التطبيقات الممكنة

إن تنوع التطبيقات الممكنة للأقمار الصناعية النانوية هائل. ومع ذلك، يجب أن نتذكر: القمر الصناعي النانوي ليس عادة بديلاً عن قمر صناعي أكبر. ولن تتضاءل أهمية أقمار التصوير والاتصالات رغم تشغيل الأقمار الصناعية النانوية. يمكن استخدام الأقمار الصناعية النانوية في مجموعة متنوعة من المهام العلمية، لإثبات التقنيات، ولحماية الأصول الفضائية، وللإعلان الفضائي، ولإظهار التقنيات المبتكرة، والمزيد. أحد التطبيقات المثيرة للاهتمام، والتي يمكن أن تكون أرضًا خصبة لاستخدام الأقمار الصناعية النانوية، هو وضع هذه الأقمار الصناعية الصغيرة كحراس، لحماية الأصول الفضائية الأساسية مثل أقمار التصوير الفوتوغرافي أو الاتصالات.

المزيد عن الأقمار الصناعية الصغيرة

• مجتمع مستخدمي الأقمار الصناعية Cubesat
• موقع شركة Pumpkin المصنعة لأجهزة الأقمار الصناعية الصغيرة
• الموقع الإلكتروني للجمعية الإسرائيلية للأقمار الصناعية الصغيرة

عندما يقترب تهديد من القمر الصناعي، على شكل سلاح فضائي من نوع ما، سيتمكن قمر صناعي صغير من الانتقال إلى مسار تصادمي مع التهديد، وبالتالي حماية القمر الصناعي الكبير. يمكن وضع هذه الأقمار الصناعية الصغيرة حول القمر الصناعي وعلى مسافة ما منه، أو دمجها في منافذ مخصصة داخل القمر الصناعي. مثل هذا المزيج سيسمح لهم بتلقي الكهرباء منه لتشغيلهم.