ماذا يحدث عندما يحتاج قمر صناعي يدور حول الأرض إلى التزود بالوقود؟ وتستخدم أقمار صناعية خاصة للتزود بالوقود على ارتفاع 36,000 ألف كيلومتر فوق خط الاستواء. كل ما يتعلق بتطوير صيانة وتزود بالوقود وتحديث الأقمار الصناعية
تحتاج الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض إلى وقود لأنظمة المناورة والاستقرار الخاصة بها. في أغلب الأحيان، يكون هذا الوقود من نوع ثنائي ميثيل هيدرازين (UDMH) المخزن في خزان داخل القمر الصناعي. سواء كان قمرًا صناعيًا للتصوير الفوتوغرافي أو تلسكوبًا فضائيًا أو قمرًا صناعيًا للاتصالات - عندما ينفد الوقود، يصبح القمر الصناعي أداة عديمة الفائدة لا يمكن أن تعمل، حتى لو كانت جميع أنظمتها الأخرى سليمة، وخلاياها الشمسية توفر الكهرباء والاتصالات مع إنها تعمل.
فإذا تذكرنا أن أقمار الاتصالات على سبيل المثال تكلف مئات الملايين من الدولارات، وهي قادرة على العمل لسنوات عديدة (معظمها أكثر من عقد من الزمان - على سبيل المثال، أول قمر صناعي للاتصالات الإسرائيلي عاموس 1، والذي تم تصميمه وتم بناؤه في مصنع الفضاء التابع للصناعات الفضائية الإسرائيلية، ويعمل بنجاح في الفضاء منذ عام 1996، وسيحل محله خلال هذا العام شقيقه الأصغر والحديث عاموس 3)، كما أن أقمار الاتصالات تكسب الكثير من المال، فهي من العار الكبير أن نفقد هذه الأقمار الصناعية بسبب فقدان وقودها، في حين كان من الممكن استخدامها لأشهر وسنوات أكثر.
واستنادا إلى التحليل الاقتصادي والتكنولوجي، بدأت العديد من الشركات الرائدة في مجال الفضاء في تطوير فكرة إعادة تزويد الأقمار الصناعية بالوقود في الفضاء، وعلى وجه الخصوص أقمار الاتصالات، التي تعمل في مدار خاص على ارتفاع 36,000 ألف كيلومتر فوق خط استواء الأرض. ويعرف هذا المدار بالمدار الثابت بالنسبة للأرض - حيث يدور القمر الصناعي الموجود في هذا المدار حول الأرض في زمن يساوي زمن دوران الأرض حول نفسها، وبالتالي فهو ثابت فوق نقطة معينة على سطح الأرض. إن إطلاق الأقمار الصناعية في هذا المدار ليس بالمهمة السهلة، ويتم استخدام جزء كبير من الوقود الموجود فيها في مناورات تحديد المواقع في مدارها. الاستثناءات هي الأقمار الصناعية التي يتم إطلاقها مباشرة إلى مدار ثابت بالنسبة للأرض، وليس مدار عبور، ومن الجدير بالذكر أن أحد الأقمار الصناعية الأولى في العالم التي سيتم إطلاقها باستخدام هذه المناورة سيكون القمر الصناعي عاموس 3 المملوك لشركة الاتصالات الفضائية الإسرائيلية شركة.
صيانة الفضاء
الاسم المقبول لمفهوم الصيانة والتزود بالوقود وتحديث الأقمار الصناعية هو OOS - On Orbit Servicing. المثال الأبرز (والأغلى) هو مهام صيانة تلسكوب هابل الفضائي. تم إطلاق هذا التلسكوب الفضائي إلى الفضاء من قبل وكالة ناسا في عام 1990، ومنذ ذلك الحين استقبل عدة زيارات بواسطة المكوكات الفضائية، التي جلبت معها معدات جديدة (تم استبدال الخلايا الشمسية والكمبيوتر والجيروسكوبات والكاميرا والمجموعات الإلكترونية المختلفة على مر السنين) و فريق من رواد الفضاء المهرة الذين قاموا بعدد من عمليات الطفو في الفضاء بغرض التعامل مع التلسكوب. العيب الواضح لهذه الصيانة هو تكلفتها العالية - حيث تكلف كل مهمة ترقية وصيانة مئات الملايين من الدولارات، وأحيانًا أكثر من ذلك. الميزة - القدرة على الارتجال والاختراع والتغلب على الأخطاء التي أظهرها رواد الفضاء، والتي كان من الممكن تجنبها لو كانت مهمة روبوتية.
الاستعداد للخدمة في الفضاء
اليوم، يتم بناء الأقمار الصناعية دون القدرة على الاحتفاظ بها في الفضاء، إلا في حالات استثنائية (بما في ذلك تلسكوب هابل الفضائي والأقمار الصناعية الفريدة لعروض التكنولوجيا). وهذا يعني، على سبيل المثال، أنه ليس من الممكن فتح اللوحات أو استبدال مجموعات الأقمار الصناعية أو إعادة تزويدها بالوقود.
إحدى الأفكار التي تدرسها الهيئات البحثية المختلفة حاليًا هي توحيد الاتصال الكامل بالأقمار الصناعية. ومن شأن هذا التوحيد أن يمكّن من تطوير أقمار صناعية للصيانة يمكنها التعامل مع مجموعة واسعة من الأقمار الصناعية، من بلدان مختلفة ولتطبيقات مختلفة. طورت شركة ألمانية نظاما يمكنه الاتصال بأي قمر صناعي للاتصالات في المدار الثابت بالنسبة للأرض - عن طريق الاتصال بفوهة عادم المحرك المثبت في هذه الأقمار الصناعية، والذي تم استخدامه للمناورات المطلوبة لإيصالها إلى مكانها في حزام الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض . ولأغراض الاتصال، تم تطوير جهاز تحديد المدى بالليزر شديد الحساسية وأجهزة استشعار الاتصال، بالإضافة إلى آلية قفل ميكانيكية يمكن تركيبها على فوهات العادم، وهي مخروطية الشكل. تبدو التجارب المختلفة لهذه التقنية واعدة، وميزتها الكبيرة هي الاستقلال عن تصميم (تخطيط) قمر صناعي محدد، بحيث يمكن للقمر الصناعي الواحد الاتصال بأي قمر صناعي مستهدف.
الخدمات التي سيتم تقديمها للأقمار الصناعية في الفضاء
وستكون أقمار الخدمة قادرة على الوصول إلى الأقمار الصناعية في مدارات متنوعة - من المدارات المنخفضة (LEO) على ارتفاع مئات الكيلومترات، إلى المدارات العالية (36,000 كم). ومن المعلوم أن تكلفة الإطلاق والتشغيل - وبالتالي تكلفة الخدمة على العميل - ستختلف حسب ارتفاع القمر الصناعي وطبيعة الخدمة التي سيتم طلبها. وبشكل عام يمكن تقسيم أنواع الخدمة الفضائية للأقمار الصناعية إلى فئات:
* الفحص والمراقبة – سيقترب قمر الخدمة من القمر الصناعي المستهدف لمسافة تصل إلى عشرات السنتيمترات ويفحصه عن كثب. سيتم إرسال نتائج الفحص (عادةً صور عالية الدقة) إلى العميل، الذي سيكون قادرًا على التحقق من حالة القمر الصناعي وتقييم الخدمات الإضافية التي سيتم طلبها، مثل استبدال التجميعات، وتحرير الأجزاء العالقة (مثل كهوائي)، الخ. في هذا النوع من الخدمة، لا يتعين على القمر الصناعي الذي يوفره الاتصال بالقمر الصناعي المستهدف، بل يقوم بإجراء عمليات القرب.
* المناورة – هذا النوع من الخدمة أكثر تعقيدا من خدمات الفحص والمراقبة، ويتضمن الاتصال المادي بالقمر الصناعي المستهدف وإجراء تغيير في مداره. يمكن أن يعني التغيير رفع قمر صناعي من مدار منخفض إلى مدار مرتفع (على سبيل المثال، في حالة فشل الإطلاق، و"عالق" القمر الصناعي المخصص للوصول إلى مدار ثابت بالنسبة للأرض في مدار منخفض، حيث لا قيمة له) ; - إنزال قمر صناعي انتهى عمره إلى مدار منخفض سيؤدي في النهاية إلى احتراقه في الغلاف الجوي، بغرض الحفاظ على نظافة الفضاء من حطام القمر الصناعي وشظاياه؛ المناورة داخل الحزام الثابت بالنسبة للأرض ونقل الأقمار الصناعية إلى موقع جديد والمزيد.
* الصيانة - هذا النوع من الخدمة هو الأكثر تعقيدا، لذا فإن تكلفته ستكون مرتفعة أيضا. كجزء من خدمة الأقمار الصناعية، سيقترب القمر الصناعي للمعالجة والصيانة من القمر الصناعي المستهدف، ويقوم بإجراء المسح والتشخيص، ثم الاتصال به. ومن ثم ستبدأ عمليات الصيانة نفسها، والتي يمكن أن تشمل تفكيك الخلايا الشمسية واستبدالها بأخرى جديدة، وتركيب أنظمة أقمار صناعية جديدة بدلاً من الأنظمة التي تعطلت أو أصبحت بالية، وإصلاح المجمعات التي بها أعطال، وما إلى ذلك. ومن المفهوم أنه سيتم التخطيط للأقمار الصناعية التي تحتاج إلى صيانة في الفضاء مسبقًا وفقًا لذلك، وسيتم تركيب التجميعات القابلة للاستبدال على مثبتات خاصة، دون الحاجة إلى اللحام أو الشد - بحيث يمكن للقمر الصناعي الخاص بالخدمة إزالتها بسهولة من الموقع واستبدالها مع النظام الجديد الذي سيجلبه معه. سيكون من الضروري تصميم فتحة للقمر الصناعي لملء الوقود الذي يمكن نقله من القمر الصناعي للتزود بالوقود والخدمة (تم تطوير هذا النظام بالفعل في الاتحاد السوفيتي في السبعينيات لمحطات ساليوت الفضائية التي يتم تزويد الوقود بها) تم نقله من مركبة فضائية إمداد آلية وغير مأهولة من نوع Progress).
الأقمار الصناعية الصغيرة - لمهام الصيانة والخدمة في الفضاء
تعتبر مهام الصيانة في الفضاء مناسبة بشكل خاص للأقمار الصناعية الصغيرة، والتي تسمى الأقمار الصناعية الصغيرة. تتفوق هذه الأقمار الصناعية في صغر حجمها ووزنها المنخفض (عند إطلاقها عادة ما تزن عشرات الكيلوجرامات إلى حوالي 150 كيلوجرامًا)، ووقت التطوير القصير نسبيًا والبساطة. في السنوات الأخيرة، أثبتت الأقمار الصناعية الصغيرة التابعة للولايات المتحدة بالفعل قدرتها على تنفيذ الأنشطة بالقرب من الأقمار الصناعية الأخرى، كجزء من تجارب القوات الجوية الأمريكية (الأقمار الصناعية Xss-10 وXss-11) وكجزء من وكالة ناسا (مهمة DART - مظاهرة لتكنولوجيا الالتقاء المستقلة).
إحدى الصعوبات في المهام التقريبية الأوتوماتيكية هي الحاجة إلى المناورة بحذر شديد ودقة بالقرب من القمر الصناعي المستهدف، دون الإضرار به. في الواقع، فشلت مهمة DART التابعة لناسا، لأنه خلال إحدى مناورات الاقتراب، ضربت المركبة الفضائية المناورة القمر الصناعي المستهدف. تعتبر مهمة DART غير عادية بين بعثات وكالة ناسا، حيث أن معظم جوانبها التقنية سرية ولم يتم الكشف عنها للعامة. تستثمر القوات الجوية الأمريكية جهودها في فحص تقنيات النشاط القرب في الفضاء، من بين أمور أخرى لفحص الأقمار الصناعية للدول الأخرى، وحتى تطوير القدرة على العمل ضدها عند الضرورة، وذلك من خلال مجموعة متنوعة من الوسائل: الاصطدام المتعمد، والإخفاء مجال رؤية التصوير بالأقمار الصناعية، مما يخلق حملاً زائدًا أو قصيرًا على القمر الصناعي، وتعتيم الخلايا الشمسية، وما إلى ذلك.
Geo Ring - ريادة الأعمال في مجال الإصلاحات المدارية والخدمات للأقمار الصناعية
شركة Geo Ring هي شركة تجارية توحد عدة شركات وكيانات أوروبية، تعمل على تطوير مفهوم إعادة تزويد أقمار الاتصالات بالوقود في مدار ثابت بالنسبة للأرض. وتخطط الشركة لتطوير عدة أقمار صناعية للخدمة، منها ناقلة، وقمر صناعي صغير لنقل الوقود، وقمر صناعي صغير للمراقبة والإشراف على عمليات الاقتراب والالتحام والتعامل مع القمر الصناعي المستهدف. وسبق للشركة أن سجلت العديد من براءات الاختراع المتعلقة بنظام التزود بالوقود والمناورة، كما وقعت بالفعل مذكرات تفاهم مع شركات ومشغلي أقمار الاتصالات - بما في ذلك الشركة العربية لأقمار الاتصالات الفضائية عربسات، ومقرها المملكة العربية السعودية.
ويصف موقع الشركة على الإنترنت السيناريوهات المختلفة للخدمة لأقمار الاتصالات الثابتة بالنسبة للأرض، ومن بين أمور أخرى يبدو أن الشركة تخطط لبناء قمر صناعي صغير يحمل قمر الاتصالات ويكون قادرًا على تشغيل محرك صاروخي موجود فيه، وذلك من أجل وضع القمر الصناعي للاتصالات في مكان جديد في الحزام الثابت بالنسبة للأرض. يمكن أيضًا استخدام قمر صناعي من هذا النوع لرفع قمر اتصالات أنهى تشغيله إلى مدار مرتفع جدًا، وذلك لإفساح المجال لقمر صناعي آخر (في الوقت الحاضر، تقوم الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض بهذه المناورة قرب نهاية نشاطها، ولكن في بعض الأحيان ، بسبب عطل، لا تتم المناورة ويبقى القمر الصناعي في مكانه، ويشغل مساحة كبيرة من القمر الصناعي البديل، ومع مرور الوقت، وينحرف في مداره، قد يعرض الأقمار الصناعية المجاورة للخطر).
الآثار الأمنية
إن القدرة على العمل بالقرب من الأقمار الصناعية، من ناحية، وإمكانية القيام بأنشطة مختلفة عليها، من ناحية أخرى، يمكن أن تشكل في يوم من الأيام خطراً على الأقمار الصناعية. وعلى الرغم من أنه من السهل أن نفهم أن أنشطة الترقية والصيانة في الفضاء ستكون ملكًا لعدد قليل من البلدان، إلا أن هذه التكنولوجيا في المستقبل يمكن أن تكون أرخص وتكون في متناول البلدان التي ليست بالضرورة مسؤولة وتلتزم بالقانون الدولي. ويجب على مشغلي الأقمار الصناعية المختلفة الاستعداد لاحتمال التلاعب والتخريب المتعمد للأقمار الصناعية في المستقبل، وذلك من بين أمور أخرى عن طريق تركيب نظام لكشف الأقمار الصناعية المقتربة وإجراء مناورات مراوغة منها، أو حتى تحييدها.
وتبدو هذه الرؤية أشبه بالخيال العلمي أو المستقبل البعيد، لكنها قد تتحقق خلال عقد أو عقدين.
قامت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) بالولايات المتحدة، بالتعاون مع شركة بوينج ووكالة ناسا والقوات الجوية الأمريكية، بتنفيذ سلسلة ناجحة جدًا من تجارب الاقتراب والاتصال والفصل لاثنين من الأقمار الصناعية المخصصة، ASTRO وNEXT SAT، كجزء من برنامج بحثي يعرف باسم Orbital Express. وكجزء من البرنامج، تم أخذ عينات من النهج التلقائي وقدرات الإرساء، بالإضافة إلى العمليات المعقدة التي يتم إجراؤها باستخدام ذراع آلية يتم التحكم فيها عن بعد.
كم يكلف؟
ولا توجد في هذه المرحلة تقديرات دقيقة لتكلفة خدمة التعامل مع الأقمار الصناعية. من المفهوم أن المهام المعقدة أو المهام في المسار العالي ستكلف أكثر من مهام الاختبار البسيطة في المسار المنخفض. ولكن لكي يكون استخدام أقمار الخدمة اقتصاديا، يجب على مطوري أقمار الخدمة (مثل نظام هيرميس التابع لشركة Geo Ring) الوصول إلى نقطة التوازن بين تكلفة المهمة والسعر الذي سيتم دفعه من العملاء المحتملين.
يمكن الافتراض أن قمر الاتصالات الذي انحرف عن مداره أو لم يصل إليه على الإطلاق بسبب عطل في المحرك سيكون مرشحًا مناسبًا جدًا لإعادة المدار، لأنه حتى بسعر عشرات الملايين من الدولارات فإن الخسارة الإجمالية في سيتم تقليل حالة الفشل. بالمناسبة، من المحتمل أن تكون شركات التأمين التي تؤمن الأقمار الصناعية من عملاء هذا النوع من الخدمة، لأنه بعد إنقاذ قمر صناعي ضال ووضعه في المدار، ستتمكن الشركة من بيعه للمشغل (
تعليقات 3
رائعة على المستويات الصعبة
حقا مثيرة للاهتمام حقا.
نأمل أن يساعدنا مجال الفضاء أبناء الأرض.
مدهش
اعتقدت أن معظم "القوة" مستمدة من الطاقات الشمسية.
مقالة رائعة. يتطور مجال الفضاء بوتيرة سريعة، وما كان يُنظر إليه قبل عقد من الزمن على أنه خيال علمي أصبح اليوم حقيقة واقعة. ونتيجة لذلك، فإن بعض الأشياء الموضحة في المقالة قد تبدو وكأنها خيال علمي، ولكن في غضون سنوات قليلة سيكون هذا حقيقة. ومن واجب إسرائيل تطوير هذه القدرات والتقدم على أعدائنا في هذا المجال.