قبل ثلاث سنوات ، اقترحت تطوير مركبة فضائية للانطلاق إلى القمر وتصوير مواقع هبوط أبولو ولونوخود بجودة كافية لتمييز الآثار المتبقية قبل نصف قرن. تطوعت مجموعة من المهندسين المتحمسين للمشاركة في المشروع وتولوا هذه المهمة. المرحلة الأولى من التطوير -
الوصف الفني للقمر الصناعي (المشروع المتقدم) - استغرق ثلاث سنوات ولم تكتمل بعد.
لإكمال المرحلة الأولى ، أعلنت عن حملة لجمع التبرعات على موقع
boomstarter.ru . تم دعمنا من قبل ألف ونصف شخص ، وبلغ إجمالي المبلغ الذي تم جمعه مليون و 750 ألف روبل. كل العمل في المشروع يتم على أساس تطوعي ، وقد ذهب جزء من الأموال التي تم جمعها لشراء المعدات والمكونات لتطوير نماذج أولية لنظام الاتصالات اللاسلكية والاتصال بالليزر. لقد خصصنا الجزء الأكبر من المبلغ الذي يجب دفعه مقابل فحص الدولة للمشروع المعد في معهد روسكوزموس. إذا بقيت الأموال بعد الفحص ، فسوف نشاركها بين المشاركين في التنمية ، بما يتناسب مع المساهمة في القضية المشتركة ، أي في نص الوثيقة النهائية.
فيما يلي إجابات لبعض
الأسئلة الشائعة حول المشروع.
لم تكن مهمة الفريق هي إعداد وصف تقني للمشروع فحسب ، بل أيضًا جعله وفقًا لمتطلبات توثيق صناعة الفضاء الروسية. سيكلف إعداد مثل هذا المشروع المسبق لمركبة فضائية صغيرة حوالي مليون روبل ، والمنظمات ذات الصلة التي كنا سنقوم بها في غضون شهرين ، ولكننا لا نرغب فقط في تقديم المال إلى بعض مكاتب التصميم ، والحصول على الوثيقة المطلوبة ووضعها على الرف. كان الهدف هو تشكيل مجموعة من المتخصصين القادرين على القيام بمشروع متقدم ، وجمع قمر صناعي ، وتنفيذ برنامج الرحلة بأكمله.
في الواقع ، هذا جزئيا سبب التأخير. لم يكن جميع المتحمسين على استعداد للعمل في فريق ، ولم يتمكنوا جميعًا من وضع نتائج عملهم في وثيقة هندسية جادة ، ولم يتمكن الجميع من الجمع بين العمل التطوعي مع العائلة / المدرسة / العمل. أرى اللوم الرئيسي على التأخير في نفسي - لم أظهر الدقة والمثابرة المطلوبين ، لقد ألهمني القليل من المثال الشخصي.
اليوم ، يستمر العمل في بناء الفريق ، ويتم إعداد الوثيقة ببطء ولكن بثبات. أود أن أشير إلى أن الفشل في الوفاء بالمواعيد النهائية في صناعة الفضاء ظاهرة شائعة.
يمكنك التحدث عن هذا بمزيد من التفصيل باستخدام مثالنا الخاص.
ما هي صعوبات إنشاء مركبة فضائية؟ لماذا لا يمكنك "شراء وتجميع مُنشئ"؟ لماذا لا تفي جميع مشاريع الفضاء تقريبًا المتعلقة بتطوير التكنولوجيا الجديدة بالمواعيد النهائية المحددة؟ بعد كل شيء ، تحتوي جميع المركبات الفضائية على مجموعة واحدة من الأنظمة الموجودة على متنها ، ويبدو أن الفضاء هو نفسه في كل مكان - الفراغ والإشعاع وضوء الشمس ... يبدو غريبًا أنه في علم الفضاء ، لا يتم توحيد كل شيء مثل أجهزة الكمبيوتر الشخصية ، بحيث يمكنك بشكل مستقل في المنزل أو في مرآب لتجميع الأقمار الصناعية الخاصة بك. ولكن في الواقع ، فإن كل مركبة فضائية تقريبًا هي عمل يدوي ، وأسلاك على الالتواءات وشريط سكوتش ، وهو نهج مبتكر وغالبًا برامج مكتوبة ذاتيًا.
فقط بعض المشاريع متعددة السواتل وصلت إلى مستوى ما قبل الإنتاج: GPS ، GLONASS ، سواتل الاتصالات الثابتة بالنسبة للأرض ، وبعض المشاريع الأخرى.
السواتل النانوية بتنسيق CubeSat موحدة إلى حد ما بسبب التكلفة المنخفضة والأبعاد القياسية والشعبية بين المعاهد والشركات الخاصة.
لماذا تختلف الأقمار الصناعية في كل مكان؟مقارنة بأجهزة الكمبيوتر الشخصية ، فإن
الفرق الأول من رواد الفضاء هو حجم السلسلة. يبلغ حجم جميع المركبات الفضائية العاملة في مدارات قريبة من الأرض حوالي ألف ونصف. هناك العديد من أجهزة الكمبيوتر في حي حضري واحد.
والفرق الثاني هو الفرق في الظروف المادية في المدارات المختلفة. في مدار الأرض المنخفض ، حوالي 40-45٪ من الوقت ، توجد الأقمار الصناعية في ظل الأرض. هذا يعني أنه يمكنهم التخلص بسهولة من الحرارة الزائدة المتراكمة من الشمس ومن أنظمة التدفئة على متن الطائرة. يضيء الجهاز في المدار الثابت بالنسبة للأرض أو الطيران بين الكواكب 100٪ تقريبًا من الوقت ، وفقدان الحرارة يمثل مشكلة كبيرة - وهذا يعقد النظام لتوفير الظروف الحرارية ، ويزيد من حجم المشعات والكتلة. لذلك ، لا يمكنك فقط أخذ تصميم القمر الصناعي القريب من الأرض وإطلاقه إلى القمر.
مع القمر الصناعي ، تتضاعف الصعوبات الحرارية: عليك أولاً التحليق في ضوء الشمس المستمر ، ثم الدوران حول القمر ، مع التناقص التدريجي. كلما انخفض طول منطقة الظل. ولم نصل بعد إلى الحسابات الحرارية ، بينما لا نكمل سوى وصف التصميم الأساسي وتكوين الأجهزة.في المدار الأرضي المنخفض ، يمكن للأقمار الصناعية استخدام مجال مغناطيسي لتوجيه نفسها - التغيرات في الموقع في الفضاء بالنسبة لمركز الكتلة (بعبارة أخرى ، يمكن للقمر الصناعي اختيار مكان "البحث" عنه أو الالتفاف باستخدام الألواح الشمسية ، باستخدام نفس القوة للدوران الذي ينحرف إبرة البوصلة). أي أن الأقمار الصناعية القريبة من الأرض في مدار منخفض لا تحتاج إلى محركات وقود وصواريخ - ما يكفي من الألواح الشمسية لتشغيل محركات دولاب الموازنة والملفات المغناطيسية للعمل بكفاءة وتكون مفيدة. عندما يضعف المجال المغناطيسي أو يكون غائبًا تمامًا ، يحتاج الجهاز إلى محركات صواريخ للقيام بالتناوب. إذا أخذت فقط بعض الأقمار الصناعية القريبة من الأرض وقمت بإطلاقها إلى القمر ، فسوف يتحول إلى صرير عديم الفائدة ويمكنه فقط إرسال "beep-beep-beep" التي لا نهاية لها في جميع الاتجاهات ، والتي ستفقد بسرعة في ضوضاء الراديو للفضاء. في أفضل الأحوال ، يمكن أن تكون ملتوية على طول محور واحد وتستخدم لمهمة الطيران ، دون الذهاب إلى المدار.
عامل الإشعاع الكوني مهم أيضًا - في المدار المنخفض ، تكون الأقمار الصناعية محمية بشكل كبير من تأثيرات الجسيمات الكونية من نصف الكرة الأرضية ، المجال المغناطيسي والغلاف الجوي العلوي. ومع ذلك ، كما تظهر الممارسة ، يمكن للإلكترونيات الأرضية الحديثة للأغراض الصناعية
أن تعمل لمدة تصل إلى عام في الفضاء بين الكواكب.
الفرق الثالث بين الأجهزة هو الحاجة إلى تغيير المدار. كقاعدة عامة ، لا تحتاج الأقمار الصناعية الصغيرة القريبة من الأرض إلى تغيير المدار من المدار الذي أطلقت فيه. في الحالات القصوى ، يمكنك استخدام تقنيات الديناميكية الهوائية ، على النحو
الذي قررته في
الأصل كوكب. بالنسبة للأقمار الصناعية في المدارات العالية ، يلزم تصحيح المدار بالفعل بسبب مدة الرحلة ، والعوامل المزعجة التي تبدأ في التراكم بمرور الوقت: ضغط ضوء الشمس ، وخطورة الشمس والقمر والمشتري وفينوس. تصحيح المدار هو تغيير طفيف في المدار من خلال زيادة أو تقليل سرعة الطيران.
أثناء تشغيل الجهاز ، سيطيريعتمد تصميم المركبة بين الكواكب بشكل كبير على قدرات الإطلاق عند الإطلاق. إذا كانت هناك وحدة تسريع دقيقة بما يكفي قادرة على تحديد المسار المطلوب وسرعة الفضاء الثانية للمسبار بين الكواكب على الفور ، فإن هذا يوفر بشكل كبير كتلة الوقود على الجهاز نفسه. إذا لم يكن هناك كتلة معززة مناسبة أو لم تكن هناك قدرة كافية على حمل الصواريخ ، فيجب عليك صب المزيد في الجهاز. ولكن حتى لو ساعد المسرع ، فسيتعين على الهدف مرة أخرى أن يطفئ بسرعة كبيرة بين الكواكب. في حالة الرحلة إلى القمر ، يلزم إسقاط حوالي 850 م / ث لدخول المدار. تخيل صاروخًا قادرًا على تسريع 100 كيلوجرام من البضائع بسرعة أسرع طائرة نفاثة - ليس هناك ما يكفي من طفاية حريق مثل الأفلام.
عند تصميم الساتل الميكروي القمري ، أخذنا في الاعتبار خيارين للإطلاق: الإطلاق المرتبط بالمدار الثابت بالنسبة للأرض والبدء في مدار الانتقال القمري.
المدار الأرضي هو مدار شائع للأغراض التجارية ، حيث يطير 15-20 صاروخًا كل عام. أي مجموعة كبيرة والعديد من الفرص لتمرير الرحلة. ولكن هذا هو 36 ألف كيلومتر فقط ، وتحتاج إلى الطيران عشرة أضعاف القمر.
المدار الانتقالي القمري هو انطلاق نحو القمر بالسرعة الكونية الثانية تقريبًا. تحدث عمليات الإطلاق هذه مرة واحدة سنويًا. تطلق الصين والهند واليابان وروسيا وكوريا الجنوبية أو على وشك إطلاق القمر على القمر ، وهناك فرصة للقفز على ذيل شخص ما. ومع ذلك ، يتم تأجيل عمليات الإطلاق العلمية المعقدة باستمرار ، لذلك يمكنك الاتفاق على رحلة مشتركة ، وإنشاء قمر صناعي والانتظار عدة سنوات حتى تكون جاهزية الحمل الرئيسي. الخيار المثالي هو تسليم أجهزتنا على الفور إلى المدار القمري - لا نأخذ في الاعتبار ، بسبب الاحتمال المنخفض لإيجاد "رحلة" مناسبة.
يتطلب خيارا الإطلاق نظامين مختلفين للدفع ، مع احتياطيات وقود مختلفة. كانت كتلة البدء للنسختين من الأجهزة مختلفة مرتين ، وظهرت النسخة "الثابتة بالنسبة للأرض" عند 200 كجم تقريبًا - لم يعد هذا ساتلًا صغريًا. اعتبرت المحركات هيدرازين ثنائي المكونات (هيدرازين / رباعي أكسيد النيتروجين) ، كأكثر المواد الكيميائية فعالية للاستخدام في الفضاء. أيون ، لم يتم النظر في محركات البلازما بسبب التكلفة العالية والأبعاد الكبيرة للخلايا الشمسية وصعوبات التحكم والملاحة.
وكانت النتيجة جهازًا معقدًا إلى حد ما ، يمكن مقارنته تمامًا بما يمكن أن يولد في مكتب تصميم الشركات الحكومية.
تؤدي الاختلافات في المدارات إلى اختلاف آخر - في وسائل نقل المعلومات. على الرغم من التجارب المتكررة لاتصالات الليزر في الفضاء ، يظل الاتصال اللاسلكي هو الطريقة الرئيسية لإرسال المعلومات في الفضاء. كلما كان الجهاز أقرب إلى الأرض ، كلما كان مجمع الراديو أصغر ، واستهلاك الطاقة وحجم الهوائي. لذلك ، يمكن لـ CubeSat الصغير القريب من الأرض إرسال القياس عن بُعد وحتى الصور إلى هواة الراديو على الأرض ، مع وجود مساحة صغيرة جدًا من الألواح الشمسية وهوائي شامل الاتجاهات من لعبة الروليت الخاصة بالنجار.
إذا أردنا العمل بالقرب من القمر وإرسال كميات كبيرة من البيانات ، فسيتعين علينا رعاية لوحة هوائي مدبب يبلغ قطرها نصف متر على الأقل وألواح شمسية بمساحة حوالي متر. لم يعد من الممكن توفير الاستقبال على الأرض للسلك من ورقة النافذة - ستحتاج المحطات الخطيرة إلى هوائيات يبلغ قطرها عدة أمتار ، ويفضل أن تكون عدة عشرات من الأمتار. لا يوجد سوى عدد قليل من هذه المحطات في روسيا ، والعشرات في العالم ، وجميعهم مشغولون بعملهم. من غير المرجح أن يتم تخصيص هوائيات بطول 64 متر أو 32 متر.
على الأقل لا يمكنك الاعتماد على هذا. يمكنك الحفظ على الأرض عن طريق زيادة قطر الهوائي على الجهاز. ولكن كل 10 سم من قطر الهوائي أو حجم البطاريات الشمسية للقمر الصناعي تؤثر بشكل كبير على خصائصه بالقصور الذاتي وتتطلب المزيد من الوقود واستهلاك الطاقة لأنظمة التوجيه. تزيد احتياجات الطاقة من الألواح الشمسية ، كتلة البطاريات ، مما يؤدي إلى زيادة كتلة ونمو خزانات الوقود - وهكذا إلى ما لا نهاية ... وبالتالي ، فإن تطوير تكنولوجيا الفضاء هو حل وسط أبدي.
من أجل توفير الوزن ، حددنا قطر الهوائي بـ 40 سم ، على أمل أنه بحلول وقت الإطلاق على الأرض سنجد هوائي استقبال 12 مترًا أو أكبر. والأفضل ثلاث قارات مختلفة. إذا لم نجدها ، فسنضطر إلى نقل البيانات بسرعة منخفضة جدًا: عشرات الكيلوبتات في الثانية ، ولكن سيكون الاستقبال متاحًا لهام الراديو.الاتجاه الصحيحالتوجه في الفضاء هو المشكلة التالية. يمكن للأرض استخدام مجال مغناطيسي أو ديناميكا هوائية أو تقنيات أخرى. تبقى محركات الصواريخ في الفضاء بين الكواكب ، ولكن هناك أداة أخرى توفر توجيهًا عالي الدقة وتسمح لك بالتحكم بشكل فعال في موضع الجهاز بالنسبة لمركز محركات الكتلة - الحذافة. هذه محركات كهربائية ذات عجلات ضخمة ، والتي ، أثناء الدوران ، تساهم في تحويل الجهاز في الاتجاه المعاكس. للتوجيه على ثلاثة محاور ، هناك حاجة إلى ثلاثة محركات حذافة ، ولكن عادة ما تضع أربعة - واحد للاحتياطي.
تحتاج محركات دولاب الموازنة إلى الكهرباء للتشغيل فقط ، ولكنها تعمل فقط عندما تكتسب السرعة أو عندما تنطفئ. في مرحلة ما ، تكتسب الحذافة أقصى سرعة وتصبح عديمة الفائدة ، ثم يجب أن يتم "تفريغها" ، وأن يتم كبحها حتى لا يفقد الجهاز اتجاهه في الفضاء. بعد ذلك ، من أجل التفريغ ، يتم أيضًا استخدام محركات الصواريخ ، ويجب أن تكون هذه محركات ذات دفع منخفض جدًا حتى لا تتسبب في دوران قوي للجهاز. في بعض الأحيان ، يتم استخدام محركات الصواريخ في نظام التوجيه للغاز - على الغاز المضغوط العادي ، مثل طفاية حريق الفيلم نفسه ، هناك تصميمات أخرى: صاروخ حراري أو كهربائي (بلازما ، أيون).
انطلق مصممنا الدائم للقمر الصناعي القمري بيتر كودرياشوف لتقليل كتلة الجهاز. لهذا الغرض ، في التكرار الأخير للمشروع ، قرروا التخلي عن الرحلة من المدار الثابت بالنسبة للأرض ، مع التركيز فقط على تقاطع القمر. حل آخر كان استبدال المحركات. يتمتع نظام الدفع المسير المكون من مكونين بقدرة عالية ، وهو غير مناسب لتفريغ الحذافات ، لذلك احتاج القمر الصناعي إلى نظام دفع ثانٍ للتوجيه. هذا أدى إلى تعقيد وتفاقم المشروع. وجد بيتر حلًا بديلًا - لوضع محركات حرارية أحادية المكونات ذات قوة دفع متوسطة. توفر أربعة محركات دفعًا مناسبًا لتغيير السرعة المدارية ، ويسمح لك تباعدها على الجانبين بتوجيه الجهاز عن طريق الانحراف والانعراج ، ويتم التحكم في دوران اللفة بمحركين إضافيين منخفضي الدفع. يبدو أن هذا القرار هو حل وسط ، ولكن هناك أيضًا عيوب لا يزال يتعين التحايل عليها.نشأت صعوبات عند محاولة التوفيق بين محركات الصواريخ ومحركات دولاب الموازنة. كانت الحذافات المختارة ، التي تعمل بشكل جيد على المركبات القريبة من الأرض من حجمنا ، أضعف من أن تعوض سرعة الدوران التي حددتها محركات الصواريخ في دائرتنا.
يمكن تقليل الزخم الدوراني لمحرك الصواريخ في الملعب والانحراف عن طريق تحريك المحرك بالقرب من المركز ، ولكن بعد ذلك تتفاقم مشكلة أخرى. تخفيض الرافعة المالية ، أي الفرق بين محور المحرك والمحور المركزي للجهاز ، سيؤدي إلى حقيقة أن كل عملية لتفريغ محركات الحذافة ستؤدي إلى بعض التغيير في مدار القمر الصناعي ، وسيتغير التغيير ، لأنه فحركة محرك الصاروخ غير مستقرة وتعتمد على الضغط في خزان التعزيز.العامل الرئيسي الذي يؤثر على تصميم المركبة الفضائية وأبعادها وقوة المحرك وحجم الألواح الشمسية هو الحمولة. أي أجهزة من أجل المعلومات التي يتم من خلالها الإطلاق الكامل. في حالتنا ، هذا هو تلسكوب ونظام ضوئي لتصوير سطح القمر. باستخدامه أيضًا ، كانت هناك تغييرات أثرت على تصميم الجهاز ، ولكن هذا موضوع لمناقشة أخرى. بشكل عام ، كانت التغييرات إيجابية - تم تقليل التلسكوب ، لكن التغيير أدى إلى مراجعة كبيرة للتصميم ، الأمر الذي استغرق وقتًا مرة أخرى.
حول ميزات تصوير القمر ، لا يزال الأمر يستحق التحدث بشكل منفصل.
آمل أن يكتمل التصميم الأولي للساتل الميكروي القمري قريبًا ، وسنكون قادرين على مشاركة النتائج المعممة لعمل الثلاث سنوات +.