مسابقه سوخت‌رسانی به ماهواره‌ها در مدار

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، سوخت‌گیری مجدد ماهواره در مدار می‌تواند ماموریت‌ها را تمدید کند، زباله‌های فضایی را کاهش دهد و پرواز‌های فضایی پایدار را امکان‌پذیر سازد.

 

در بخش قبلی، سوخت‌گیری در مدار (OOR) را بررسی کردیم، مفهومی که از عصر فضا وجود داشته است.

 

به لطف تحقیقات مداوم آژانس‌های فضایی مانند ناسا و زیرمجموعه‌های بخش فضای تجاری، OOR می‌تواند به زودی به واقعیت تبدیل شود. علاوه بر برنامه‌هایی برای انبار‌های سوخت در مدار، که اسپیس‌ایکس امیدوار است از آنها برای ارائه خدمات به ماموریت‌های استارشیپ و سوپرهوی استفاده کند، OOR همچنین برای سوخت‌گیری مجدد ماهواره‌ها نیز در دست بررسی است.

 

به طور خاص، شرکت‌های فضایی تجاری مانند Arkisys و Orbit Fab در حال توسعه پلتفرم‌های تجاری هستند که می‌توانند ماهواره‌ها را سوخت‌گیری کنند و عمر مفید آنها را تا حد زیادی افزایش دهند.

 

این امر همچنین تهدید ناشی از زباله‌های مداری (با نام مستعار زباله‌های فضایی) را که از کنترل خارج شده‌اند، به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. در صورت عدم کنترل، این زباله‌ها به یک مشکل خودجوش تبدیل می‌شوند که عملیات مدار پایین زمین (LEO) را در سال‌های آینده تهدید می‌کند - که به عنوان اثر کسلر شناخته می‌شود.

 

در حالی که در حال حاضر استراتژی‌های زیادی برای حذف یا از بین بردن زباله‌های فضایی در دست تدوین است، این استراتژی‌ها به علائم می‌پردازند، نه به علت اصلی. با حذف این الگو که ماهواره‌ها و فضاپیما‌ها نمونه‌هایی از فناوری یکبار مصرف هستند، می‌توان مشکل زباله‌های فضایی را در منبع آن بررسی کرد.

 

سوخت‌گیری ماهواره‌ای

 

برای روشن شدن موضوع، سوخت‌گیری در فضا بسیار چالش‌برانگیز است، زیرا ماهواره‌ها برای آن طراحی نشده‌اند. به طور سنتی، تکنسین‌ها مخازن سوخت ماهواره را از طریق شیر‌های سه‌گانه مهر و موم شده که با لایه‌های محافظ پوشانده شده‌اند، پر می‌کنند. پس از این، سیستم سوخت ماهواره دیگر هرگز قابل دسترسی نخواهد بود. شرایط مداری نیز اوضاع را پیچیده می‌کند، جایی که ریزگرانش چالش‌های ناوبری مختلفی را ایجاد می‌کند.

 

همانطور که اشمیت توضیح داد: «سوخت‌گیری ماهواره آسان نیست. اولین چیزی که ممکن است به آن فکر کنید پیچیدگی عملیات‌های مهار و رباتیک است (که در واقع به خودی خود به اندازه کافی سخت هستند)، اما برای نزدیک شدن به یک ماهواره و سوخت‌گیری مجدد آن، یک مانع بزرگ دیگر وجود دارد. اول، شما باید هدف را با استفاده از ماهواره سرویس‌دهنده خود شناسایی کنید - کاری که فقط با استفاده از نرم‌افزار پیشرفته ناوبری فضایی قابل انجام است.

 

علاوه بر این، هنگامی که به هدف نزدیک می‌شوید، باید موقعیت و جهت نسبی خود را کنترل کنید تا با پیکربندی هدف شما مطابقت داشته باشد - که این نیز کاری بسیار چالش برانگیز در حوزه ناوبری فضایی است. برای انجام این کار، اکثر راه‌حل‌های پیشنهادی از نوعی کد QR در ماهواره هدف به عنوان مرجع بصری استفاده می‌کنند -، اما این در اکثر ماهواره‌های موجود در فضا وجود ندارد.

 

 

اشمیت می‌گوید خبر خوب این است که این وضعیت در شرف تغییر است. امروزه، بسیاری از شرکت‌های فضایی تجاری در حال ظهور هستند تا تقاضای خدمات در مدار برای فضاپیماها، ماهواره‌ها و شاید (روزی) ایستگاه‌های فضایی را برآورده کنند. علاوه بر این، فناوری سوخت‌گیری مجدد ماهواره به لطف آزمایش‌های پیشگامانه انجام شده توسط ناسا و سایر آژانس‌های فضایی، پیشرفت کرده است. نتایج این آزمایش‌ها از آن زمان در دسترس بخش تجاری قرار گرفته است و بسیاری از استارت‌آپ‌ها برای ایجاد کاربرد‌های لازم ظهور کرده‌اند.

 

توسعه

 

بین سال‌های ۲۰۱۱ تا ۲۰۱۳، ناسا آزمایش‌های OOR را از طریق برنامه ماموریت سوخت‌رسانی رباتیک (RMM) خود انجام داد، یک نمایش فناوری که به طور مشترک توسط دفتر قابلیت‌های سرویس‌دهی ماهواره (SSCO) در مرکز پرواز فضایی گودارد (GSFC) و آژانس فضایی کانادا (CSA) توسعه داده شده است. این ماموریت از یک بازوی مکانیکی ماهر با هدف ویژه (SPDM) - معروف به دکستر - در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) برای نشان دادن سوخت‌رسانی ماهواره‌ای در مدار به وسیله رباتیک استفاده کرد.

 

دفتر قابلیت‌های سرویس‌دهی ماهواره در مرکز پرواز فضایی گودارد (GSFC) ماموریت سوخت‌رسانی رباتیک را برای نشان دادن فناوری و ابزار‌های سوخت‌رسانی ماهواره‌ها در مدار توسعه داد. پس از تکمیل اثبات مفهوم، ناسا تمام داده‌ها را از طریق برنامه انتقال فناوری ناسا به بخش تجاری منتقل کرد. این آزمایش شامل جعبه‌ای تقریباً به اندازه یک ماشین لباسشویی بود که شامل ابزار‌های رباتیک، رابط‌های ماهواره‌ای و تخته‌های فعالیت بود.

 

در همین حال، به نظر می‌رسد آزمایش‌های مشابهی توسط آژانس فضایی ملی چین (CNSA) انجام شده است. بین ۲ تا ۶ جولای، ماهواره‌های Shijian-۲۱ و Shijian-۲۵ چین ظاهراً در مدار ادغام شدند. رسانه‌های دولتی بعداً تأیید کردند که هدف از Shinjian-۲۵ آزمایش فناوری‌های سوخت‌گیری بوده است، اگرچه جزئیات کمی در این مورد به اشتراک گذاشته شد.

 

سازمان فضایی اروپا (ESA) همچنین چندین طرح برای سرویس‌دهی در مدار (IOS) ماهواره‌ها و فضاپیما‌ها دنبال کرده است. یکی از مشارکت‌های کلیدی، توسعه ماژول سوخت‌رسانی (ERM) سیستم اروپایی ESPRIT است که زیرساخت سوخت‌رسانی و ارتباطات از راه دور (ESPRIT) را برای دروازه ماه فراهم می‌کند، که امکان انتقال سوخت در فضا را فراهم کرده و طول عمر ماموریت‌های اطراف ماه را افزایش می‌دهد.

 

سکو‌های فضایی

 

شرکت آرکیسیس در سال ۲۰۱۴ تأسیس شد تا معماری لازم برای ایجاد پلتفرم‌های مداری مشابه بنادر دریایی را توسعه دهد. همانطور که بنادر سنتی امکان سرویس‌دهی، بارگیری و سوخت‌گیری مجدد کشتی‌های دریایی را فراهم می‌کردند، پلتفرم‌های آرکیسیس (که در مجموع با نام بندر شناخته می‌شوند) «سرویس‌دهی فضایی» را امکان‌پذیر خواهند کرد. این شامل نمونه‌سازی اولیه، آزمایش، مونتاژ و ادغام خواهد بود و در عین حال به عنوان مقصدی برای وسایل نقلیه انتقال مداری عمل می‌کند.

 

یکی از اجزای حیاتی در این پلتفرم‌ها، سیستم RAFTI شرکت Orbit Fab است، یک رابط اتصال و سوخت‌گیری مشترک که جایگزین شیر‌های پر و خالی موجود ماهواره می‌شود تا سوخت‌رسانی در مدار و زمین را امکان‌پذیر سازد. در ۴ فوریه ۲۰۲۱، Arkisys و Orbit Fab اعلام کردند که برای ایجاد قابلیت‌ها و فناوری لازم برای تحقق سوخت‌رسانی ماهواره و پیشبرد پروتکل‌ها، با یکدیگر همکاری می‌کنند.

 

دیو بارنهارت، مدیرعامل آرکیسیس، از طریق ایمیل به Interesting Engineering گفت: «شرکت Orbit Fab در توسعه فناوری حیاتی برای سوخت‌گیری، یعنی پمپ بنزین و شیر گاز، پیشگام بوده است! سیستم RAFTI آنها پیشرفته است و قرار است در ماموریتی که طی دو سال آینده انجام می‌شود، آزمایش شود تا عملکرد آن در مدار تأیید شود. Arkisys Port نیز در حال بررسی «رابط‌های» سوخت‌گیری Orbit Fab است، همانطور که به آنها و برخی دیگر گفته می‌شود، برای اولین ماموریت ما.

‌

می‌توان سوخت‌گیری ماهواره را به دو صورت در نظر گرفت؛ یکی روشی که آرکیسیس پیشنهاد می‌دهد، یک پلتفرم ثابت یا پایدار در مدار (مثلاً ماژول پورت ما) است که ماهواره به آن می‌آید و مشابه یک پمپ بنزین ثابت روی زمین «پر» می‌شود. روش دیگر این است که هواپیما‌ها روی باند فرودگاه توسط یک کامیون سوخت‌رسانی که به سمت آنها می‌رود، سوخت‌گیری می‌شوند؛ در فضا، این یک فضاپیمای سرویس‌دهنده فضایی خواهد بود که به سمت یک ماهواره پرواز می‌کند و بازوی سوخت‌رسانی رباتیک و فناوری آن را فراهم می‌کند.

 

بارنهارت گفت، هر دوی این رویکردها، طول عمر ماهواره‌ها را افزایش می‌دهند، تعداد ماهواره‌های از کار افتاده در مدار را کاهش می‌دهند و پایداری را ارتقا می‌دهند. همانطور که نگهداری از ماشین‌ها یا هواپیما‌ها به جای اسقاط آنها به کاهش زباله‌هایی که ایجاد می‌کنیم کمک می‌کند، سوخت‌گیری مداری نیز به پاکسازی و ایمن نگه داشتن مسیر‌های مداری کمک می‌کند. با توجه به حجم بالای ترافیکی که انتظار می‌رود مدار LEO در سال‌های آینده داشته باشد، پاکسازی جاده از زباله‌ها و ضایعات بسیار توصیه می‌شود.

 

راهنمایی و اقتصاد

 

طبیعتاً، قبل از دستیابی به این چشم‌انداز پایداری در فضا، باید بر برخی چالش‌ها غلبه کرد. این چالش‌ها شامل چالش‌های فنی برقراری ملاقات ایمن در مدار و چالش اقتصادی مقرون‌به‌صرفه کردن سیستم‌های سوخت‌گیری و سرویس‌دهی به سکو‌ها می‌شود. غلبه بر چالش اول برای جلوگیری از برخورد در مدار ضروری است، که نه تنها ماهواره‌های فعال را تهدید می‌کند، بلکه می‌تواند باعث انفجار‌هایی شود که منجر به تولید زباله‌های فضایی بیشتر می‌شود.

 

بارنهارت گفت: «تصور کنید جاده‌های شهر مسدود شوند، نه فقط به دلیل خودرو‌های پارک شده در آنها، بلکه به دلیل وسایل نقلیه‌ای که برای ورود و خروج از خطوط عبور می‌کنند. هر ارتفاع مداری مانند یک خط ترافیکی در یک بزرگراه چند بانده است. راه حل در تغییر طرز فکر نهفته است. درست مانند خودرو‌های مدرن امروزی که به راحتی سرویس می‌شوند، ماهواره‌های آینده نیز باید برای نگهداری پس از پرتاب طراحی شوند.

 

برای حل این مشکل، توسعه‌دهندگان در حال کار بر روی نرم‌افزار‌های هدایت و ناوبری هستند تا امکان ملاقات ایمن و جلوگیری از برخورد را فراهم کنند. این شامل Translunar، شرکتی که اشمیت اوایل امسال از طریق چالش سرمایه‌گذاری جدید دانشگاه پردو تأسیس کرد، نیز می‌شود. اشمیت گفت: «[ما]در حال توسعه مدل‌های پیشرفته هوش مصنوعی برای ناوبری نسبت به هر ماهواره‌ای، صرف نظر از وجود نشانگر‌های از پیش تعیین‌شده، هستیم. این همچنین شامل ناوبری دوربرد است که به ما امکان می‌دهد از فاصله ده‌ها کیلومتری به هر هدفی در فضا نزدیک شویم!

 

همانطور که بارنهارت توضیح داد، چالش دوم ممکن است دشوارتر باشد - یعنی توجیه تجاری. به طور خلاصه، سرویس‌دهی به ماهواره‌ها می‌تواند با تکثیر ماهواره‌های کوچک (CubeSats) در مدار پیچیده شود. این ماهواره‌های کم‌جرم بسیار مقرون‌به‌صرفه هستند و می‌توانند در دسته‌های کوچک پرتاب شوند، اما صرفاً به عنوان یک فناوری یکبار مصرف طراحی شده‌اند.

 

بارنهارت توضیح داد: «ارزش «سوخت‌گیری» در فضاپیما‌های بزرگ‌تر و آنهایی که ۱۰ سال یا بیشتر در فضا می‌مانند، بیشترین معنا را دارد. «ارزش» آنها بالاتر است و بنابراین بازگشت سرمایه با عمر طولانی‌تر افزایش می‌یابد. از طرف دیگر، ظهور جدید منظومه‌های ماهواره‌ای LEO و کوچک تقریباً رویکرد متضادی را در پیش می‌گیرد: بهینه‌سازی هزینه و کارایی هر یک از ماهواره‌ها برای دوام آوردن تنها چند سال و سپس جایگزینی آنها. افزایش عمر آنها منطقی نیست، زیرا صد‌ها تا هزاران عدد از آنها وجود دارد و «سوخت‌گیری» آنها زمان زیادی می‌برد، بنابراین ارزش پیشنهادی آنها برای سوخت‌گیری متفاوت است.

 

او افزود که راه‌حل در تغییر طرز فکر نهفته است. «درست مانند ماشین‌های مدرن امروزی که به راحتی سرویس می‌شوند (به قطعات plug-and-play یا پورت‌های شارژ خودرو‌های برقی فکر کنید)، ماهواره‌های آینده باید برای نگهداری پس از پرتاب طراحی شوند. اروپا در حال حاضر در اینجا پیشرو است: تا سال ۲۰۳۵، تمام ماهواره‌های اتحادیه اروپا ملزم به پشتیبانی از سرویس‌دهی در مدار خواهند بود.

 

«خب، قیاس چطور؟ بستگی به «وسیله نقلیه» شما دارد: آیا مازراتی می‌رانید یا پینتو، و آیا در پیست مسابقه هستید یا جاده فرعی؟ هر سناریو به تدارکات متفاوتی نیاز دارد -، اما برنامه‌ریزی بهتر، همه را ایمن‌تر، طولانی‌تر و کارآمدتر نگه می‌دارد.

 

انتظار می‌رود چندین توسعه‌دهنده ماهواره در سال‌های آینده به نقاط عطف مهمی دست یابند و سازمان‌های دولتی نیز در حال پیوستن به این پروژه هستند. در سال ۲۰۲۳، نیروی فضایی ایالات متحده قراردادی ۱.۶ میلیون دلاری با عنوان «تحقیقات نوآوری کسب و کار‌های کوچک» (SBIR) شرکت SpaceWERX به تیمی به رهبری شرکت Arkisys اعطا کرد تا مونتاژ رباتیک ماهواره را به نمایش بگذارند. بر اساس این قرارداد، شرکت‌های Arkisys، Novawurks، Motiv Space Systems، Qediq، iBoss و دانشگاه تگزاس A&M نحوه مونتاژ یک ماهواره تثبیت‌شده سه‌محوره با بازوی رباتیک روی ماژول پورت Arkisys را نشان خواهند داد.

 

در چهلمین سمپوزیوم فضایی که در ماه آوریل برگزار شد، نیروی فضایی همچنین اعلام کرد که با استارتاپ فضایی Astroscale برای انجام یک نمایش سوخت‌گیری مداری قرارداد بسته است. طبق توافق آنها، فضاپیمای APS-R این شرکت در تابستان ۲۰۲۶ به مدار ژئوسینکرون پرتاب خواهد شد، با یک ماهواره نیروی فضایی ملاقات کرده و آن را سوخت‌گیری خواهد کرد. سپس APS-R خود را از فضاپیمای دیگری که توسط Orbit Fab ساخته شده است، سوخت‌گیری خواهد کرد و پس از آن به ماهواره دیگر نیروی فضایی سوخت‌رسانی خواهد کرد.

 

اگرچه این تلاش‌ها هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند و چالش‌ها همچنان پابرجا هستند، اما کمبود افراد و استارتاپ‌هایی که خود را وقف تحقق راه‌حل‌ها کرده‌اند، وجود ندارد. این تلاش‌ها در کنار شرکای بی‌شماری در بخش دولتی، دانشگاه‌ها و مؤسسات تحقیقاتی، در یک هدف واحد متحد شده‌اند: پایدار کردن فضا و در دسترس قرار دادن آن برای نسل‌های آینده.