ناسا برای ماه برج مراقبت فضایی میسازد
همزمان با برنامهریزی ناسا برای ایجاد نخستین زیرساخت فضایی پایدار بشر در مدار ماه مهندسان در حال توسعه الگوریتمها و راهبردهای عملیاتی برای مدیریت رفتوآمد فضاپیماها در اطراف این قمر هستند؛ سامانهای که میتوان آن را نوعی کنترل ترافیک هوایی برای فضای نزدیک ماه دانست.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از ساینس تک دیلی، بر اساس این طرح Gateway که در دو دهه آینده میتواند به نخستین بندر فضایی بشر در نزدیکی ماه تبدیل شود قرار است میزبان کپسولهای سرنشیندار اوریون، ماهنشینها، وسایل نقلیه باری و فضانوردانی باشد که میان زمین، ماه و در مراحل بعدی مناطق دورتر از فضای عمیق سفر میکنند.
البته برخلاف فرودگاههای زمینی Gateway فاقد باند پرواز، مسیر تاکسی و گیتهای مشخص خواهد بود. فضاپیماها در عوض در شبکهای نامرئی از مسیرهای مداری حرکت میکنند که تحت تاثیر گرانش زمین، ماه و محیط پیرامون آن قرار دارد و مسیر حرکت در آن بر اساس قواعد دقیق ریاضی تعیین میشود.
چرا مدار Gateway به مدیریت ترافیک نیاز دارد؟
مهندسان دانشگاه تگزاس A&M، مرکز فضایی جانسون ناسا و دانشگاه پوردو مجموعهای از الگوریتمها و راهبردهای عملیاتی را برای فضاپیماهایی که در نزدیکی Gateway منتظر میمانند و همچنین مدیریت همزمان چند وسیله نقلیه در یک محیط مداری مشترک توسعه دادهاند.
این پژوهش که نتایج آن در مجله Acta Astronautica منتشر شده است دستورالعملهای ریاضی و به نوعی قوانین راهنمایی و رانندگی مداری را برای کمک به حرکت ایمن و قابل پیشبینی چند فضاپیما در اطراف Gateway ارائه میکند.
هدف اصلی این پژوهش ایجاد تعادل میان مصرف سوخت و نیازهای عملیاتی و در عین حال کاهش خطر برخورد میان فضاپیماهاست.
دایان دیویس، دانشیار مهندسی فضایی در دانشکده مهندسی دانشگاه تگزاس A&M و یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: آینده اکتشاف ماه به همان اندازه که به فناوری موشک وابسته است، به مدیریت ترافیک نیز وابسته خواهد بود.
مدار خاص Gateway چه چالشی ایجاد میکند؟
ایجاد حضور انسانی پایدار در نزدیکی ماه تنها به رساندن فضاپیماها به این منطقه محدود نمیشود. فضاپیماها باید بتوانند در یک محیط گرانشی مشترک مستقر شوند و بدون ایجاد اختلال برای یکدیگر در آن حرکت کنند.
این محیط برای Gateway و فضاپیماهای بازدیدکننده از آن عمدتا به مدار هالهای نزدیکخطی یا Near Rectilinear Halo Orbit (NRHO) مربوط میشود.
Gateway قرار است در این مدار کشیده و تقریبا پایدار به دور ماه حرکت کند. این مدار امکان حفظ خط دید ارتباطی با زمین را فراهم میکند و برای حفظ موقعیت خود به سوخت نسبتا کمی نیاز دارد.
دیویس توضیح داد که Gateway و فضاپیماهای اطراف آن در طول حرکت در این مدار کشیده بهطور مداوم تحت تاثیر نیروهای گرانشی متغیر زمین و ماه قرار میگیرند.
این مسیر با مدارهایی که پیش از این برای فضاپیماهای سرنشیندار استفاده شدهاند نیز تفاوت دارد. Gateway در بخشی از مسیر خود تا حدود هزار مایل معادل حدود ۱۶۰۰ کیلومتر از قطب شمال ماه نزدیک میشود و سپس در بخش دیگری از مسیر تا حدود ۴۰ هزار مایل معادل حدود ۶۴ هزار کیلومتر، فراتر از قطب جنوب ماه فاصله میگیرد.
یک ایستگاه فضایی به تنهایی میتواند با انجام مانورهای گاهبهگاه پیشرانشی مسیر خود را حفظ کند، اما زمانی که چند فضاپیما از جمله یک کپسول سرنشیندار Orion یک وسیله نقلیه باری بدون سرنشین و یک ماهنشین بزرگ همزمان نیاز داشته باشند به Gateway نزدیک شوند به آن متصل شوند از آن جدا شوند یا در اطراف آن منتظر بمانند مدیریت ترافیک بسیار پیچیدهتر میشود.
دیویس در این باره گفت: برخوردها و خسارتهای جدی ممکن است رخ دهد. برای تضمین ایمنی خدمه و موفقیت ماموریت، مدیریت موثر ترافیک در مدار NRHO بسیار حیاتی است.
انتظار مداری برای حفظ فاصله ایمن
یکی از مفاهیم اصلی در سامانه پیشنهادی Loitering یا انتظار مداری است؛ به این معنا که فضاپیما در حالی که منتظر دریافت مجوز برای انجام مرحله بعدی ماموریت است موقعیت خود را نسبت به یک مدار یا مسیر مشخص حفظ کند.
دیویس گفت: انتظار مداری در فضا به معنای حفظ موقعیت یک فضاپیما نسبت به یک مدار یا مسیر مشخص بدون انجام فوری یک مانور است.
این مفهوم تا حدی به مدیریت ترافیک در فرودگاهها شباهت دارد. هواپیماها ممکن است در گیت منتظر بمانند روی مسیرهای تاکسی متوقف شوند یا پیش از دریافت مجوز فرود یا حرکت در آسمان به گردش ادامه دهند.
در اطراف Gateway نیز ممکن است فضاپیمایی مجبور باشد برای باز شدن یک محل اتصال پایان یافتن ماموریت دیگر یا فراهم شدن شرایط مناسب عملیاتی چند ساعت، چند روز یا حتی چند هفته منتظر بماند.
با این حال یک تفاوت اساسی وجود دارد: در فضا هیچ سطح ثابتی وجود ندارد و تمام وسایل نقلیه همواره در حال حرکت هستند.
دیویس این شرایط را چنین توصیف کرد: هر فضاپیما دائما در حال حرکت است. این یک منطقه طلایی است؛ باید فضاپیماهای پارکشده را به اندازه کافی از یکدیگر دور نگه داشت تا ایمن باشند، اما در عین حال آنقدر به مقصد نزدیک باشند که منابع به شکل کارآمد استفاده شوند.
هزاران شبیهسازی برای پیدا کردن مسیر ایمن
مهندسان برای بررسی این مسئله هزاران شبیهسازی رایانهای انجام دادند تا روشهای مختلف حف۰ظ فاصله مناسب میان فضاپیماها در اطراف Gateway را آزمایش کنند.
در این شبیهسازیها عواملی که در ماموریتهای واقعی نیز ممکن است رخ دهند از جمله خطاهای ناوبری، عملکرد ناقص یا غیرایدهآل پیشرانهها و اختلالات کوچک محیطی در نظر گرفته شد؛ عواملی که میتوانند بر موقعیت واقعی فضاپیماها در ماموریتهای آینده برنامه آرتمیس تاثیر بگذارند.
نتایج نشان داد که با افزایش نسبتا محدود تعداد یا میزان مانورهای حفظ موقعیت میتوان فضاپیماها را به شکل قابل توجهی نزدیکتر به موقعیتهای برنامهریزیشده نگه داشت در حالی که تغییر چندانی در میزان مصرف پیشران ایجاد نمیشود.
دیویس گفت: دقت بیشتر در تعیین موقعیت به برنامهریزان ماموریت اجازه میدهد پیشبینی بهتری از محل قرارگیری هر فضاپیما داشته باشند و سوخت ارزشمند را حفظ کنند.
به گفته پژوهشگران دانستن موقعیت مورد انتظار هر وسیله نقلیه، هماهنگی زمان اتصال فضاپیماها به Gateway، برنامهریزی عملیات ملاقات و نزدیکشدن (Rendezvous) و کاهش خطر برای ماموریتهای سرنشیندار و رباتیک را آسانتر میکند.
دیویس تاکید کرد: هر مانور هزینهای دارد. درست مانند کنترل ترافیک هوایی روی زمین، فضاپیماها برای هماهنگی ایمن حرکات خود به موقعیتها و مسیرهای قابل پیشبینی نیاز دارند.
افزایش قابلیت پیشبینی همچنین میتواند توالی پیچیده ورود فضاپیماها به Gateway و خروج آنها را سادهتر کند.
آرایش رشته مرواریدها برای مدیریت ترافیک ماه
پژوهشگران به جای اینکه اجازه دهند هر فضاپیمای بازدیدکننده بهصورت مستقل در اطراف Gateway منتظر بماند پیشنهاد میکنند فضاپیماها در موقعیتهایی دقیق و از پیش محاسبهشده در جلو یا عقب Gateway قرار بگیرند تا زمانی که مجوز اتصال یا خروج را دریافت کنند.
پژوهشگران این آرایش را رشته مرواریدها (String of Pearls) نامیدهاند.
دیویس گفت: مشابه چیدمان مرواریدها روی یک رشته گردنبند، فضاپیماها بهطور طبیعی در امتداد مدار ماه و نسبت به Gateway مرتب میشوند.
به گفته او حفظ موقعیت فضاپیماهای در حال انتظار نسبت به Gateway امکان ایجاد آرایشی نزدیکتر را فراهم میکند و خطر نزدیک شدن کنترلنشده یا خطرناک وسایل نقلیه به یکدیگر را کاهش میدهد.
این تغییر ممکن است در ظاهر کوچک به نظر برسد، اما میتواند چارچوب مهمی برای مدیریت عملیات پیچیدهتر در اطراف ماه ایجاد کند.
دیویس گفت: این آغاز نوع جدیدی از کنترل ترافیک است؛ یک مرز هیجانانگیز جدید در برنامهریزی زیرساختهای یک سامانه حملونقل کامل.
تجربه ناسا در طراحی Gateway
دیویس پیش از پیوستن به بخش هوافضای دانشگاه تگزاس A&M در سال ۲۰۲۶ بیش از یک دهه در مرکز فضایی جانسون ناسا فعالیت کرده بود و در آنجا بهعنوان مهندس ارشد و رهبر طراحی ماموریت Gateway کار میکرد.
او اکنون بهعنوان دانشیار، در زمینه دینامیک مداری در فضای زمین ماه (Cislunar Astrodynamics) و مدیریت ترافیک فضایی پژوهش میکند و همزمان به آموزش دانشجویانی میپردازد که قرار است در طراحی و اجرای ماموریتهای پیچیده آینده ماه نقش داشته باشند.
دیویس گفت: هیچ چیز به اندازه آموزش و پرورش مهندسان و دانشمندان آینده مرا هیجانزده نمیکند. این یک فرصت فوقالعاده است زیرا آنها کسانی خواهند بود که ماموریتهای ماه را طراحی و ترافیک فضایی بشر را در خارج از زمین مدیریت خواهند کرد.
در صورتی که سفر به ماه در آینده به فعالیتی معمول تبدیل شود، حفظ حرکت ایمن فضاپیماها تنها به موشکها و وسایل نقلیه فضایی وابسته نخواهد بود بلکه به مجموعهای از قواعد ریاضی و مداری نیز نیاز خواهد داشت که مشخص میکنند کدام فضاپیما باید منتظر بماند کدام وسیله میتواند حرکت کند و چگونه میتوان فاصله ایمن میان فضاپیماها را در فاصله نزدیک به ۲۴۰ هزار مایل معادل حدود ۳۸۶ هزار کیلومتر از زمین حفظ کرد.
انتهای پیام/
