راهبرد مبتکرانه برای خدماترسانی و احیای جیمز وب
محققان برنامهای برای نگهداری و سرویسدهی به رصدخانههای فضایی آینده توسعه دادهاند که از دادههای ماموریتهایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب و گایا استفاده میکند؛ این برنامه به طراحیهای جدیدی که بر پایداری و توانایی سرویسدهی تاکید دارند، کمک میکند.
زیگفرید اگل (Siegfried Eggel)، از دانشگاه ایلینویز (University of Illinois) آمریکا، توضیح میدهد: «چالشهای عمدهای در اجرای قابلیت خدماترسانی به نسل بعدی تلسکوپهای فضایی وجود دارد، به ویژه در طراحی و روشهای اجرایی که باید برطرف شوند؛ این چالشها میتوانند شامل هماهنگی با فناوریهای جدید و نیازهای پیچیدهای باشند که باید در نظر گرفته شوند.»
چالشهای سرویسدهی تلسکوپهای دور
یکی از چالشهای اصلی فاصله است. تلسکوپهای مدرن در نقطه لاگرانژی (L2) قرار دارد که حدود ۱.۵ میلیون کیلومتر از زمین فاصله دارد؛ با وجود این که این تلسکوپ با زمین هماهنگ است و دسترسی به آن کمی آسانتر از دیگر ماموریتهای فضایی میباشد، اما فاصله زیاد باعث میشود تا حمل و نقل آن هم زمانبر و هم پرهزینه باشد.
علیرغم این چالشها، نقطه لاگرانژی L2 محیطی آرام و کم تداخل را ارائه میدهد که میتواند به طور قابل توجهی تاثیر ماموریتهایی مانند گایا (Gaia) را افزایش دهد؛ با وجود چالشهای فنی مختلف، نتایج این ماموریتها باعث توجیه تلاشهای صورت گرفته میشود.
اگل میگوید: «گایا شبیه یک سیلندر چرخان است که دارای پنل خورشیدی در حالت بستهای قرار دارد تا آسیبی نبیند، اما پس از یک دهه سوخت آن به پایان رسیده است.»
به گفته اگل، روتویک بومنا (Rotvik Bomena) یک مفهوم جدید را طراحی کرد تا نوعی پیوند عنکبوت مانند را اضافه کند که میتواند عمر آن را بدون ایجاد مانع در جمعآوری دادهها افزایش دهد.
براساس گزارشها، تلسکوپ گایا به زودی از کار خواهد افتاد و زمان کافی برای دسترسی به آن وجود ندارد، اما تلسکوپ جیمز وب احتمالا برای چندین سال دیگر فعال خواهد ماند و امکان تمدید ماموریت آن وجود دارد؛ بنابراین، کمک به جیمز وب هنوز ممکن است.
اگل توضیح میدهد: «تلسکوپ جیمز وب دارای آینههای بدون محافظ و قطعهبندی شده که برخی از آنها قبلا در اثر برخورد میکرو شهابسنگها آسیب دیدهاند. کل سطح آینه جیمز وب شش متر قطر دارد. تلسکوپ بزرگ بعدی تقریبا دو برابر این اندازه خواهد بود.»
ناسا در حال برنامهریزی برای جایگزینی آینههای شکسته جیمز وب است؛ زیرا اگر آینهها تعویض نشوند، این کار مشابه با خرید یک ماشین گرانقیمت و سپس دور انداختن آن پس از اتمام بنزین میباشد؛ به عبارتی نگهداری و تعمیر آینهها باعث افزایش عمر و کارایی وسیله نقلیه میشود.
عملیات نزدیک شدن ایمن، اجتناب از آسیب!
جنبه دیگر روتویک بومنا، عملیات نزدیک شدن ایمن است که برای جلوگیری از آسیب رسیدن به تلسکوپ در زمان نزدیک شدن و توقف باید از روشهای خاصی بهره گرفت.
به گفته بومنا، فضاپیمایی که برای تعمیر یا سوختگیری یک تلسکوپ فرستاده میشود، باید هنگام رسیدن به آن ترمز کند. استفاده از جتهای حرارتی برای کاهش سرعت شبیه به هدف قرار دادن یک تلسکوپ با شعلهافکن است و میتواند به ساختار حساس آن آسیب بزند؛ بنابراین، برای کاهش سرعت بدون ایجاد حرارت، میتوان از پیشنهادات دیگری مانند استفاده از سامانههای متفاوت یا روشهای تدریجی برای کاهش سرعت بهره جست.
رابین وولندز (Robyn Woollands)، از اساتید مهندسی هوافضا در دانشگاه ایلینویز، میگوید: «یکی از اهداف اصلی آنها با این کار، یافتن راهی برای سفر به مقاصد فضایی به صورت مقرون به صرفه و بدون اتکا به ماهوارهبرهای بزرگ و گرانقیمت است.»
برای تعمیر تلسکوپ فضایی جیمز وب، برنامهریزی برای دستیابی به یک مسیر بهینه وجود دارد که از جادههای پنهان در منظومه شمسی استفاده میکند؛ این مسیر به اندازه و ساختار فضاپیما کمک میکند تا ماموریت تعمیر به واقعیت نزدیکتر شود، اگرچه هنوز نیاز به پیشرفتهای مهندسی بیشتری دارد.
روشهای جدید برای طراحی مسیر
الکس پاسکارلا (Alex Pascarella)، دانشجوی دکتری، روش جدیدی برای نمونهبرداری سریع از فضای راهحل توسعه داده است که میتواند زمان محاسبات را کوتاه کند. نتایج نشاندهنده این هستند که این روش جدید میتواند نیاز به سوخت اضافی برای بازگشت از یک اختلال غیرمنتظره ۷ روزه را تا ۹۰ درصد کاهش دهد.
پاسکارلا میگوید: «نوآوری در اینجا است که چگونه ما دو رویکرد مجزا را برای طراحی مسیر گرد هم آوردهایم: نظریه سامانههای دینامیکی و نظریه کنترل بهینه.»
او ادامه میدهد: «رویکرد سنتی طراحی مسیر در سامانههای چندبدنه مانند سامانه خورشید-زمین براساس محاسبه منیفولدهای ثابت یک مدار است؛ منیفولدها، مسیرهایی در فضا هستند که به طور طبیعی فضاپیما را به یک مدار خاص هدایت میکنند؛ این روش به مدت دههها به طور موثر در تحقیقات دانشگاهی و هم در برنامه های کاربردی زندگی واقعی مورد استفاده قرار گرفته است.»
پاسکارلا تصریح میکند: «زمانی که بخواهید به جای رسیدن به مدار هدف، با یک فضاپیمای هدف در مکانی خاص در فضا و زمان قرار ملاقات کنید، محاسبات کمی چالشبرانگیز میشود و با یک فضاپیمای کم رانش روبهرو هستید که موتور آن برای مدت طولانی کار میکند نه فضاپیمایی با رانشگرهای قویتر که با انفجارهای کوتاه فعالیت میکند و پیش از آن با آنها سر و کار داشتیم.»
این نوع محاسبات نیازمند بهینهسازی کنترل و تحلیل مسیرهایی است که به سوختگیری و شرایط خاص محموله شما وابسته هستند. برای این کار، لازم است که موقعیت و سرعت هر دو فضاپیما در یک زمان خاص یکسان شود تا تماس موفقیتآمیز صورت گیرد.
او اضافه میگوید: «برای رسیدن به مداری خاص در فضا، تخمینهای اولیه میتوانند به نقاط نزدیک به مدار مورد نظر برسند؛ زیرا نوع مداری که هدف قرار دادهاند، منیفولدهای جدیدی را ایجاد میکند.»
پاسکارلا خاطرنشان میکند: «بعد از ایجاد نقشه راهحلهای اولیه، از نظریه کنترل بهینه برای تولید مسیرهای بهینه استفاده میشود. کنترل بهینه به ما امکان میدهد مسیرهایی را پیدا کنیم که از نزدیکی زمین عبور کرده و در کمترین زمان با تلسکوپ فضایی خود ملاقات میکنند. نمونهبرداری اولیه از فضای راهحل بسیار حیاتی است؛ زیرا مسائل کنترل بهینه به شدت دشوار هستند و ما به یک حدس اولیه خوب برای انجام این وظیفه نیاز داریم.»
به گفته اگل، طرح تعمیر و سوختگیری گایا یک طرح کامل است که میتواند اجرایی شود، اما برای تلسکوپ جیمز وب نیاز به مهندسی بیشتری وجود دارد.