الملخص:
مع تزايد عدد الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض، أصبح الحطام الفضائي قضية مهمة تهدد سلامة المركبات الفضائية. وفي مواجهة البيئة المدارية المزدحمة بشكل متزايد، تعمل شركات تصنيع الأقمار الصناعية والمؤسسات البحثية على تطوير أجهزة استشعار جديدة للصدمات، ودروع واقية أخف وزنا، وهياكل درع باستخدام مواد جديدة وتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد، على أمل السماح للأقمار الصناعية بالحفاظ على عملياتها العادية قدر الإمكان حتى لو تعرضت لحطام عالي السرعة.
في الوقت الحالي، يمكن للحطام الفضائي الموجود في المدار الأرضي المنخفض أن يتحرك بسرعة تبلغ حوالي 7 كيلومترات في الثانية. في مثل هذه السرعات، حتى جزء صغير يمكن أن يلحق الضرر بإلكترونيات القمر الصناعي، أو يخترق المكونات الخارجية، أو حتى يتسبب بشكل مباشر في تعطل القمر الصناعي بأكمله. تظهر بيانات وكالة الفضاء الأوروبية أن عدد الأجسام التي صنعها الإنسان في مدار الأرض قد تضاعف منذ عام 2017، وتتفاقم المشكلة مع استمرار نشر مجموعات الأقمار الصناعية التجارية.
لا يقتصر الحطام الفضائي على الأقمار الصناعية وحطام الصواريخ المهجورة فحسب، بل يشمل أيضًا الشظايا المعدنية والبلاستيك وشظايا الطلاء وغيرها من الأشياء الصغيرة التي تنتج بعد الاصطدامات. ونظرًا لأن العديد من الحطام قد يكون صغيرًا جدًا، فلا يمكن للأنظمة الأرضية تتبعه مباشرة، ولكن لا يمكن الاستهانة بالقوة التدميرية التي تنتجها الطيران عالي السرعة. تقدر وكالة الفضاء الأوروبية حاليًا أن هناك عشرات الآلاف من الأجسام التي يمكن تتبعها في المدار، والعدد الفعلي للحطام الذي يزيد حجمه عن سنتيمتر واحد وهو كبير بما يكفي لإحداث أضرار كارثية لمركبة فضائية قد يتجاوز 1.2 مليون.
بالإضافة إلى محاولة الحد من توليد حطام فضائي جديد، بدأت الشركات المصنعة للأقمار الصناعية أيضًا في النظر في قضية عملية أخرى: كيفية جعل الأقمار الصناعية أكثر عرضة "للبقاء" عندما لا يكون من الممكن تجنب الاصطدامات. بدأت شركة Odin Space في سانتا آنا، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية، في بيع شريط استشعار لاصق مثبت على سطح القمر الصناعي. إنه مجهز بمستشعر اهتزاز بالداخل، والذي يمكنه تسجيل الاهتزاز الناتج عند إصابة القمر الصناعي، ومساعدة المشغلين على تحديد الحجم التقريبي وقوة التأثير للصدمة.
تعد هذه التكنولوجيا بحل مشكلة طويلة الأمد في صناعة الأقمار الصناعية الصغيرة. ووجدت دراسة أجريت عام 2021 أن حوالي واحد من كل خمسة أقمار صناعية صغيرة يتوقف عن العمل خلال عام من إطلاقها، وأن سبب حوالي 60% من هذه الإخفاقات غير واضح. تعد ضربات الحطام أحد الأسباب المحتملة، لكن أعطال الأقمار الصناعية غالبًا ما لا تترك أدلة كافية للمشغلين لتحديد ما حدث.
إذا تمكنت الأقمار الصناعية من تسجيل توقيت التأثيرات وشدتها وخصائصها، فيمكن للمصنعين ربط هذه البيانات بأعطال الأقمار الصناعية لتحديد التهديدات الفعلية في البيئات المدارية المختلفة بشكل أفضل. ويمكن أيضًا استخدام هذه البيانات لتحسين التصميم الهيكلي للأقمار الصناعية في المستقبل، مما يسمح للمهندسين بتعزيز أنواع الحطام الأكثر شيوعًا واتجاهات التأثير دون زيادة الوزن الواقي للقمر الصناعي بأكمله.
في الوقت الحاضر، لا يزال الألومنيوم أحد أكثر المواد الواقية شيوعًا للمركبات الفضائية. تستخدم العديد من الأقمار الصناعية ألواح الألمنيوم وتستخدم هياكل قرص العسل المصنوعة من الألومنيوم لتقوية جسم الطائرة. يتميز هذا الحل بخفة الوزن ونضج نسبيًا في التصنيع، ولكنه يتمتع بقدرات حماية محدودة عند مواجهة الحطام عالي السرعة.
الحل الأكثر إثباتًا هو Whipple Shield. يضيف هذا الهيكل طبقة عازلة خارجية رقيقة على بعد بضعة سنتيمترات أمام الغلاف الرئيسي للقمر الصناعي. عندما يضرب الحطام عالي السرعة الهيكل الخارجي، سيتم كسره وتبخيره أولاً، ثم ستضرب سحابة الحطام المتكونة الطبقة الواقية الرئيسية الخلفية، مما يقلل من طاقة التأثير التي تنتقل في النهاية إلى داخل المركبة الفضائية. لقد أثبت درع ويبل فعاليته الكبيرة، لكن المشكلة تكمن في أنه يضيف وزنًا ويشغل مساحة داخلية قيمة، وهما من أكثر المعايير حساسية في تصميم الأقمار الصناعية.
يعمل مركز أتوميك 6 بالقرب من أتلانتا بالولايات المتحدة الأمريكية على تطوير بديل يسمى "الدرع الفضائي". ولم تكشف الشركة عن المكونات المحددة للطوب الواقي المركب، لكن كل قالب وقائي يبلغ حجمه حجم كف اليد، ويبلغ سمكه حوالي 2.5 سم، ويزن تقريبًا وزن هاتف آيفون.
أظهرت اختبارات Atomic-6 أن المادة يمكنها إيقاف مقذوفات الألمنيوم بحجم حبة البازلاء التي تتحرك بسرعة 7.2 كيلومتر في الثانية. وقال الرئيس التنفيذي للشركة تريفور سميث إنه على عكس الهياكل الواقية التقليدية، فإن هذه المادة لا تنتج كميات كبيرة من الشظايا عالية السرعة مماثلة لتلك التي تتشكل بعد كسر الدرع المعدني، ولكنها يمكن أن تبخر الشظايا المعدنية المصطدمة وتمتصها المادة الواقية.
وفي الوقت نفسه، تحاول فرق بحثية أخرى تقليل وزن أنظمة الحماية من خلال مزيج من المواد المختلفة. على سبيل المثال، تم استخدام ألياف الكيفلار في المعدات المضادة للرصاص، كما تم استخدامها في الهيكل الواقي لمحطة الفضاء الدولية. يقوم الباحثون بتجربة الجمع بين الكيفلار وسيراميك نسيج نكستيل لإنشاء طبقات واقية خفيفة الوزن، خاصة للأقمار الصناعية الأصغر حجمًا والأقل تكلفة.
وضع الباحثون في جامعة بادوا في إيطاليا أنظارهم على تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد. إنهم يستخدمون الألومنيوم والكيفلر والراتنج المقوى بألياف الكربون لإنشاء هياكل وقائية تجريبية. أكبر ميزة للطباعة ثلاثية الأبعاد هي قدرتها على تصميم هياكل تجويفية معقدة داخل المواد. تسمح هذه التجاويف للأجزاء عالية السرعة بالخضوع لتجزئة متعددة واستهلاك الطاقة أثناء عملية اختراق الطبقة الواقية، وبالتالي تحقيق تأثير حماية مرحلي مشابه لدرع ويبل.
تختبر ناسا أيضًا فكرة مختلفة، وهي استخدام رغوة الألومنيوم كمادة وقائية. يوجد عدد كبير من الفراغات الصغيرة داخل رغوة الألومنيوم. وفي الاختبارات، تمكنت الطبقة الواقية من رغوة الألومنيوم التي يزيد سمكها عن 6 مم بقليل من توفير حماية مماثلة لدرع ويبل التقليدي، الذي يزن حوالي ضعف وزن محلول رغوة الألومنيوم. وهذا يعني أنه إذا تطورت التكنولوجيا ذات الصلة بشكل أكبر، فقد يتمكن مصنعو الأقمار الصناعية من تحسين قدرات الحماية دون زيادة وزن الإطلاق بشكل كبير.
ومع ذلك، لا يوجد "درع عالمي" يمكن تطبيقه على جميع الأقمار الصناعية. وبيئة الحطام في المدارات المختلفة ليست هي نفسها، وقد يختلف تكوين الحطام وحجمه وسرعته. يحتاج المهندسون إلى تحديد المواد والهياكل التي سيتم استخدامها بناءً على البيئة المدارية المحددة التي يقع فيها القمر الصناعي.
قال رانفيج ماري فيرجستاد، مصمم الحماية في شركة Thales Alenia Space، إنه إذا أمكن الحصول على بيانات أكثر دقة عن بيئة الحطام المداري، فيمكن للمهندسين اختيار المواد وتصميم الهياكل الواقية بطريقة أكثر استهدافًا. وبعبارة أخرى، فإن تطوير حماية الأقمار الصناعية في المستقبل لن يعتمد فقط على مواد أقوى، ولكن أيضًا على فهم أكثر دقة للبيئة المدارية.
هذا هو المكان الذي قد تلعب فيه أجهزة استشعار التأثير دورًا مهمًا. في الماضي، اعتمد مصنعو الأقمار الصناعية في المقام الأول على النماذج النظرية للتنبؤ بالتهديدات المحتملة للحطام، في حين يمكن لأجهزة الاستشعار المثبتة على الأقمار الصناعية توفير بيانات التأثير الواقعية. ومن خلال جمع هذه البيانات بمرور الوقت، يمكن للمشغلين الحصول على فهم أوضح لأنواع الحطام ومخاطر التأثير التي تواجهها الأقمار الصناعية فعليًا، وتحسين تصميم الحماية لأقمار الجيل التالي.
مع استمرار مجموعات الأقمار الصناعية الكبيرة في الدخول إلى مدار أرضي منخفض، تتغير البيئة الفضائية من مساحة تشغيل فضفاضة نسبيًا في الماضي إلى بنية تحتية مزدحمة بشكل متزايد. وتحذر وكالة الفضاء الأوروبية من أنه حتى لو توقفت عن إطلاق مركبات فضائية جديدة في المستقبل، فإن الحطام الموجود قد يستمر في التزايد بسبب الاصطدامات والتفكك. ولذلك، فإن الحد من توليد حطام جديد، وتحسين مقاومة تأثير الأقمار الصناعية، والتنظيف الاستباقي للحطام الفضائي الموجود، سيصبح من التدابير الرئيسية للحفاظ على توافر المدار الأرضي المنخفض على المدى الطويل.
بالنسبة لمصنعي الأقمار الصناعية، فإن المنافسة في المستقبل لا تقتصر فقط على جعل الأقمار الصناعية أخف وزنًا وأرخص وأسهل في الإطلاق، ولكن أيضًا كيفية جعلها قادرة على البقاء لفترة أطول في البيئة المدارية المتزايدة الخطورة. تسمح التقنيات مثل أجهزة الاستشعار والمواد المركبة الجديدة ورغوة الألومنيوم والهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد للأقمار الصناعية بالتحول تدريجياً من مجرد "تجنب" الحطام الفضائي إلى امتلاك قدرات استشعار نشطة وحماية سلبية أقوى.
التعليقات