تتحسن الشركات الخاصة أكثر فأكثر في إطلاق المزيد والمزيد من الكتلة إلى الفضاء باستخدام صواريخ أكبر وأكبر. ولكن، لا يزال هناك عائق كبير أمام حجم الأجسام التي يمكننا الوصول إليها في المدار، ألا وهو الحجم الجميل. وهذا يفرض قيودًا مادية على الشكل العام لما يمكننا إطلاقه، ويحد بشدة من أحجام مجموعة الاتصالات أو قمر صناعي للطاقة على سبيل المثال. لكن ورقة بحثية جديدة أجراها باحثون في جامعة نانجينغ للملاحة الجوية والفضائية ومعهد بكين للتكنولوجيا تقدم حلاً – وحدة ذاتية التشكيل وقابلة للنشر يمكنها ضبط موقعها وأبعادها الخاصة.
لفهم كيف يقدم ذلك ميزة، من الأفضل أن ننظر إلى الطريقة التي يقوم بها المهندسون حاليًا بحل هذه المشكلة. عادةً ما يستخدمون ذراعًا قابلة للنشر وقابلة للدحرجة – وهي عبارة عن شريط رفيع وصلب من ألياف الكربون يمكن أن يلتف مثل شريط قياس، ثم يسترخي ليستقر بشكل مستقيم بمجرد نشره في الجاذبية الصغرى. تكمن المشكلة في أن هذه الأنظمة لا يتم نشرها بشكل مثالي في البيئات الحقيقية تقريبًا، وعندما نتحدث عن تجميع وحدات متعددة معًا، فحتى بضعة ملليمترات من الخطأ يمكن أن تتسبب في فشل المهمة بأكملها.
يتطلب إصلاح ذلك اتخاذ خطوات بعد هذا الكشف الأولي لتصحيح أي أخطاء قد تكون تم إدخالها. قام الباحثون ببناء النظام كمجموعة من ثلاث حجرات زاوية سداسية متصلة بقضبان من ألياف الكربون. والأهم من ذلك، أن كل حجرة زاوية تحتوي على ميزتين – بكرة ودوافع – تسمح للتجميع بأكمله بتعديل حجمه في الوقت الفعلي.
يصف فريزر مشروع NIAC لملاءمة أذرع التطويل المركبة القابلة للدوران في هدية الصاروخ
باستخدام محرك متدرج لقيادة البكرة، يمكن لكل وحدة تقصير أو إطالة قضبان ألياف الكربون الخاصة بها عند الطلب. وهذا لا يسمح لها فقط بتعديل حجمها حسب الهيكل الذي تنوي الانضمام إليه، ولكنه يسمح أيضًا بإجراء تعديلات طفيفة، يتم توفيرها من خلال حلقة تحكم ردود الفعل، لضمان أن كل وحدة تتلاءم بدقة مع النمط الهيكلي المخطط.
إن مناورة التجميع المعياري في مكانه هو المكان الذي تأتي فيه أجهزة الدفع. تم تجهيز كل حجرة زاوية بمحرك غاز بارد، وكلها متصلة بنظام تحكم مركزي يستخدمها لدفع الوحدة إلى الأمام أو الخلف أو تدويرها لتتناسب مع سرعة الدوران للهدف المقصود. بمجرد أن يتم مناورة الوحدات بشكل قريب بما فيه الكفاية عن طريق الدافع، تتولى القوة المغناطيسية زمام الأمور، مع وجود مغناطيس دائم مدمج في كل حجرة أيضًا، مما يؤدي إلى سحب الوحدات معًا خلال السنتيمترات القليلة الأخيرة.
يبدو كل هذا جيدًا من الناحية النظرية، ولكن لإثبات أنه جيد بالفعل من الناحية النظرية، كان على الباحثين تطوير نوع من الإطار الرياضي للجمع بين الزوايا الصلبة وأذرع ألياف الكربون القابلة للانحناء، ودمج ذلك مع الكتل المتغيرة مع استهلاك الوحدة للوقود الدافع. بمعنى آخر، كان هناك الكثير من الرياضيات المعقدة، واستخدم الباحثون بعض التقنيات المختلفة لصياغة معادلات التحكم الديناميكية اللازمة للتحكم بفعالية في الوحدات أثناء الطيران.
تعتبر المواد الاصطناعية حلاً محتملاً آخر لمشكلة الهدايا، كما يصف فريزر.
ولكن ماذا عن الممارسة العملية؟ سيكون إطلاق سلسلة من هذه الوحدات في وقت مبكر من تطويرها أمرًا مكلفًا للغاية. لذا بدلًا من ذلك، تحول الباحثون إلى طاولة الهوكي الهوائي. أو بشكل أكثر تحديدًا، استخدموا محامل هوائية دقيقة تنزلق فوق لوح من الجرانيت، وهو قريب بدرجة كافية من لعبة الهوكي الهوائي لتبرير القياس. كما قاموا أيضًا بإعداد نظام تتبع فوق الطاولة، لمراقبة موضع القرون باستخدام مجموعة من الكاميرات من الأعلى بينما تحركها أجهزة الدفع تجاه بعضها البعض. قامت هذه الكاميرات نفسها أيضًا بتغذية إحداثيات الوقت الفعلي في خوارزمية التحكم، مما يسمح للوحدات بتعديل موضعها بسرعة.
كان هذا التعديل ضروريًا للوحدات المتصلة فعليًا، وفقًا للورقة البحثية. إذا تم إيقاف هذا التعديل في الوقت الفعلي، فإن عيوب التصنيع والانحرافات الناتجة عن ثني ألياف الكربون أدت إلى فقدان المزالج المغناطيسية، مما تسبب في فشل التجميع. مع تمكين “التحكم النشط في التحويل”، تمكنت وحدات التحكم من ضبط أطوال ذراع الرافعة وأخطاء تحديد الموقع بنسبة تزيد عن 98%، مما مكّن المغناطيس من التثبيت في مكانه.
يمثل هذا العمل خطوة أولى نحو إطلاق التجميع المستقل للهياكل الكبيرة في المدار – وعلى وجه التحديد نوع من البنية التحتية الفضائية المعيارية التي يمكن أن تكون حاسمة عندما نتخذ أول خطوات البنية التحتية الرئيسية لدينا بعيدًا عن جاذبية كوكبنا. في نهاية المطاف، يمكن أن يكون هناك أسراب كاملة من الوحدات المستقلة التي تجمع كل شيء بدءًا من منصات الطاقة إلى مراصد الفضاء السحيق. لكن في الوقت الحالي، تعد هذه الخطوة المكونة من قطعتين مجتمعتين معًا على طاولة هوكي الهواء باهظة الثمن بمثابة إنجاز آخر على الطريق إلى هذا الحلم طويل المدى.
يتعلم أكثر:
EurekAlert / معهد بكين للتكنولوجيا – التحليل الديناميكي والتجارب حول التحكم في تجميع الوحدات المستوية القابلة للنشر
Q. Duan, J. Sun, & H. Hu – التحليل الديناميكي والتجارب حول التحكم في تجميع الوحدات المستوية القابلة للنشر
UT – “مسطرة ذكية” يمكن أن تساعد أسراب التلسكوبات الفضائية في تصوير الكواكب الخارجية
UT – يمكن للروبوتات بناء رادارات ضخمة من المواد الخارقة في المدار
