الملاحة الفضائية
يُطلق اسم الملاحة الفضائية space navigation على مجموعة العلوم والتقانات والتجهيزات التي تسمح بقيادة مركبة فضائية إلى وجهتها، سواء أكانت الرحلة مأهولة أم غير مأهولة، ذهاباً وإياباً أم ذهاباً فقط، وضمن الفضاء القريب من الأرض أم البعيد.
الملاحة الفضائية ومتطلباتها
تتطلب الرحلات الفضائية عناية في التخطيط ودقة بالغة في القياسات من أجل إيصال مركبة الفضاء إلى وجهتها. وقد تمكنت بعض المركبات الفضائية التابعة لبرنامج أبولو Apollo من السفر من الأرض إلى القمر والهبوط على سطحه على مسافة بضع عشرات الأمتار من هدفها. كما سمح التخطيط الدقيق لمركبة الفضاء مارس باثفايندر Mars Pathfinder بالطيران من الأرض إلى المريخ والهبوط عليه على بعد 19كم فقط من مركز المنطقة الهدف.
يتوجب على مركبة الفضاء اتباع مسار محدد عبر الفضاء من أجل الانتقال من كوكب إلى آخر. وتختلف كمية مصدر الطاقة التي يتوجب على صاروخ إطلاق المركبة وعلى صواريخ الدفع على متنها تأمينها تبعاً لنوع المسار. كما يجب أخذ حركة الكواكب حول الشمس في الحسبان عند تحديد المسار.
تعتمد معظم المركبات الفضائية على تضافر منظومات ملاحية آلية داخلية مع أوامر من محطات المراقبة الأرضية للحفاظ على مسارها الصحيح. وتستطيع محطات المراقبة الأرضية الاتصال مع المركبة الفضائية في حال وقوعها ضمن مجال رؤية إحدى محطات الاستقبال الأرضية. وهذا يطرح مشكلة بالنسبة للمركبات على مدارات منخفضة إذ تكون المركبة ضمن نطاق رؤية محدود جداً من الأرض في لحظة معينة. وتتمثل إحدى الطرق لتجاوز هذه المشكلة في وضع سواتل خاصة على المدار تؤدي دور مُرَحِّل بين المركبة الفضائية والمحطات الأرضية موفرة بذلك استمرارية الاتصالات. وهو ما تعتمد عليه وكالة الفضاء الأمريكية ناسا NASA من أجل مكوك الفضاء الأمريكي الذي يستخدم منظومة سواتل ترحيل المعطيات والملاحقة tracking and data relay satellite system.
وقد تبتعد مركبات الفضاء في المهمات الكونية ملايين الكيلومترات عن الأرض، وتغدو الإشارات الراديوية في هذه الحالة ضعيفة جداً، وتحتاج إلى محطات استقبال أرضية ضخمة لكشفها. وقد أسست وكالة الفضاء الأمريكية ومختبر الدفع النفاث jet propulsion laboratory شبكة الفضاء البعيد deep space network، وهي منظومة من ثلاث محطات ملاحقة؛ كل منها مزودة بعدة هوائيات ضخمة. وتقع هذه المحطات في كاليفورنيا وإسبانيا وأستراليا، وتوفر اتصالاً مستمراً مع المركبات الفضائية البعيدة
مبادئ الملاحة الفضائية
تشتمل الملاحة الفضائية على شقين: الأول معرفة موقع مركبة الفضاء وتوقعه وسرعتها، وهو ما يُعرف بتحديد المدار، والثاني تشغيل المحرك الصاروخي بغية تعديل سرعة المركبة؛ وهو ما يُسمى بالتحكم بمسار الرحلة.
ويمكن التمييز بين حقلين في الملاحة الفضائية الأول يخص المهمات الفضائية إلى الكواكب البعيدة، والثاني المهمات الفضائية ضمن الفضاء القريب من الأرض؛ وعلى الأخص الرحلات المأهولة.
1- الملاحة الفضائية بعيدة المدى outer-space
وهي إرسال مركبة الفضاء إلى كوكب بعيد في مدار حول الشمس. ويُطلق على الجزء من مدارها الشمسي بين الإطلاق والوجهة اسم مسار مركبة الفضاء. ويتضمن تحديد المدار إيجاد العناصر المدارية للمركبة وأخذ الاضطرابات التي تؤثر في المدار الطبيعي في الحسبان. أما التحكم بمسار الرحلة فيتضمن قيادة نظام دفع المركبة الفضائية من أجل تغيير سرعتها.
وحيث إن العناصر المدارية الخاصة بالأرض وحركاتها الذاتية معروفة جيداً، فإنه من الممكن تحويل القياسات التي تُجرى على حركة المركبة مشاهدة من الأرض إلى عناصر مدارية شمسية المركز heliocentric؛ وهي ضرورية لوصف مسار المركبة.
وتشتمل القياسات المهمة التي تُجرى من الأرض لمسار مركبة الفضاء على:
- المسافة التي تفصل المركبة عن الأرض (المدى).
- مُرَّكبة سرعة المركبة على محور المركبة - الأرض (نحو الأرض أو بالاتجاه المعاكس).
- موقع المركبة في فضاء الأرض (تحت شروط معينة).
- الملاحة البصرية، وفيها تقوم المركبة باستخدام أجهزة التصوير على متنها لمعاينة كوكب محدد أو جسم محدد بالنسبة إلى نجوم مرجعية (وهي متوافرة على متن بعض المركبات).
ويمكن بناء نموذج رياضي يصف تسلسل موقع مركبة الفضاء في فضاء ثلاثي الأبعاد بالنسبة للزمن؛ بإجراء تحصيل متكرر للأنواع الثلاثة (أو الأربعة) من هذه المعطيات.
ولا تنحصر فائدة السجل الملاحي للمركبة في تخطيط مناوراتها القادمة فحسب، بل أيضاً في إعادة بناء مراقباتها لكوكب أو جسم صادفته. وهناك استخدام آخر لمعطيات الملاحة يتمثل في إنشاء التنبؤات، وهي مجموعات من المعطيات تتنبأ بالمواقع في السماء وبالترددات الراديوية لشبكة الفضاء العميق الضرورية لملاحقة المركبات الفضائية.
2- الملاحة الفضائية قريبة المدى:
تعتمد الملاحة الفضائية ضمن الفضاء القريب من الأرض، بصورة أساسية على التوجيه العطالي؛ أي التوجيه الذي يستند إلى عطالة جيروسكوب دوار spinning gyroscope بصرف النظر عن القوى الخارجية ومن دون مرجعية الشمس أو القمر.
ويتم ـ باستخدام ثلاثة جيروسكوبات ومقاييس تسارع accelerometer ـ إجراء قياسات دقيقة لأي تغيير في السرعة (تسارع) ـ موجباً كان أو سالباً ـ وفق أي من المحاور الثلاثة أو جميعها. كما يقوم حاسوب على متن المركبة بتحديد موقعها. ويمكن إجراء تصحيحات على المسار بوساطة إجراء دوران حول محور أو أكثر؛ وتشغيل محرك نفاث أو محرك صاروخي مصغر. كما تقوم حواسيب خاصة على الأرض وعلى متن المركبات الفضائية بمراقبة موقع المركبة وإلى أين يفترض أن تتجه (آلياً أو حسب الطلب). ويتم نقل تلك المعطيات من ذاكرة المنظومة الحاسوبية إلى شاشات إظهار أمام الطاقم في الرحلات المأهولة.
وفي حالة التلاقي الفضائي بين مركبتين فضائيتين أو بين مركبة ومحطة مدارية (كما هي الحال في التحام مكوك الفضاء مع المحطة الفضائية الدولية) توفِّر معطيات أنظمة الرادار والتصويب للطاقم التصحيحات المطلوبة.
وقد غدا ممكناً للمركبات الفضائية ـ بعد تشغيل منظومة نافستار Navstar لتحديد الموقع في أواخر الثمانينات من القرن العشرين ـ التحقق من مواقعها بدقة من رتبة أمتار ومن سرعاتها بدقة من رتبة بضعة أمتار في الثانية.
أمثلة على استخدام منظومات الملاحة الفضائية
1- أبولو 17: استخدم ملاحو أبولو ثلاث منظومات ملاحية لتحديد مسارات الرحلة السليمة إلى القمر ثم العودة إلى الأرض. وقد اُستخدمت تلك المنظومات ـ التي شكلت معاً منظومة الملاحة والتوجيه الرئيسية ـ مجتمعة أو متفرقة. فمنظومة التوجيه العطالية اشتملت على مقاييس تسارع كانت تتحسس لكل تغيير في سرعة المركبة أو اتجاهها. وكان الحاسوب على متن المركبة يتلقى المعطيات المتعلقة بمخطط الرحلة من المنظومة العطالية ومن محطات الملاحقة الأرضية. وكان بمقدور رواد الفضاء تزويد الحاسوب بمعطيات جديدة في أثناء الرحلة. في حين اشتملت منظومة الملاحة البصرية على مرقاب (تلسكوب) ماسح وآلة السدس sextant. وكان بمقدور رواد الفضاء باستخدام تلك الأدوات التسديد على النجوم ورسم موقع مركبتهم. وكان يتم إرسال كل معلومات الملاحة والتوجيه إلى حواسيب المحطات الأرضية لحساب أي تغيير ضروري على المسار أو السرعة.
2- المحطة الفضائية الدولية: ينبغي أن تكون المحطة الفضائية الدولية قادرة على معرفة موقعها في الفضاء بصورة دقيقة، ومواقع الأجسام الأخرى، وكيفية التحرك من نقطة في الفضاء إلى أخرى. وتستخدم المحطة الفضائية الدولية لهذه الغاية كلتا منظومتي تحديد الموقع الشامل الأمريكية والروسية. وهي مزودة أيضاً بعدة جيروسكوبات لمعرفة اتجاهها وموقعها. وتسهم المعطيات المحصلة من المنظومات المختلفة في مساعدة المحطة الفضائية الدولية على الملاحة في الفضاء.
3- مكوك الفضاء الأمريكي: تحافظ منظومة الملاحة في مكوك الفضاء ـ والتي هي جزء من منظومة أشمل تُعرف باسم منظومة التوجيه والملاحة والتحكم ـ على تقدير دقيق لموقع المركبة وسرعتها، وهو ما يُعرف باسم شعاع الحالة. ويتم حساب متوسطات أخرى، مثل التسارع وزاوية المواجهة انطلاقاً من الموقع والسرعة والوضع attitude من أجل استخدامها في التوجيه وإظهارها لرواد الفضاء.
وتستخدم هذه المنظومة عدداً من التقنيات والتجهيزات كوحدات قياس العطالة inertial measurement units وراصدات النجوم ومعدات الملاحة البصرية ومنظومة الملاحة الجوية التكتيكية تاكان TACAN ورادار قائس للارتفاع ورادار تلاق ومنظومة هبوط ذات حزمة مسح ميكروية، إضافة إلى منظومات تحديد الموقع الشامل GPS.
إعداد رواد الفضاء ودورهم في الملاحة الفضائية
يخضع المرشحون لمهمات فضائية إلى تدريب مكثف قبل أن يتم اختيارهم. وعادة ما تجمع البرامج التدريبية بين الدراسات الأكاديمية والتدريب الرياضي وقيادة الطائرات. ويتم تدريب المرشحين العلميين والمهندسين أيضاً على قيادة طائرة نفاثة. ويتلقى المرشحون دروساً أساسية في مجالات مختلفة، مثل علم الفلك والجيولوجيا وعلم الوظائف والدفع الصاروخي والحواسيب وعلم الفلك التجاذبي. كما يصبح كل رائد فضاء أيضاً مختصاً في مجال معين من الهندسة الفضائية مرتبط بالمركبة الفضائية أو مركبة الإطلاق أو منظومة الملاحقة.
وتهدف برامج تدريب رواد الفضاء إلى تعريفهم بالمركبة الفضائية وظروف الحياة على متنها والأجهزة التي سيستخدمونها والمهام التي يفترض بهم القيام بها من أجل ضمان جاهزيتهم لأداء مهماتهم في الفضاء ومواجهة ما هو مخطط له وما هو غير متوقع على حد سواء.
وقد تطورت البرامج التدريبية لرواد الفضاء كثيراً منذ أولى البرامج الفضائية ـ مثل البرنامج التدريبي الروسي فوستوك Vostok والأمريكي مركوري Mercury ـ التي تضمن تعريف الرواد ببنية المركبة، والتأقلم مع البزات مكيّفة الضغط التي تُلبس داخل الكبسولة الفضائية، والتدرب على ممارسة مختلف النشاطات بارتداء البزات في بيئات متنوعة كالمنبذة centrifuge التي تحاكي القوة الهائلة التي تخضع لها أجسادهم نتيجة تسارع الإطلاق والهبوط. واشتملت البرامج كذلك على تمارين للبقاء على قيد الحياة حيث إن الكبسولات كانت تهبط في المحيط باستخدام المظلات، إضافة إلى معارف نظرية وعملية في علوم الفلك والطيران والطب الفضائي وغيرها.
أما البرامج الحديثة التي تعنى بتدريب رواد مكوك الفضاء والمحطة الفضائية الدولية وملاحيهما؛ فتستغرق عاماً على الأقل قبل أولى رحلاتهم. وتشتمل على تلقي المعارف في صفوف دراسية وتدريب على محاكيات وتدريب على البقاء على قيد الحياة ومشروعات أخرى. كما يتطلب العديد من المهمات تدريباً محدداً إلى جانب التدريب العام إذا ما اشتملت المهمة على تجارب أو مناورات معقدة، وعلى الأخص التدريب على قيادة المركبة باستخدام منظومات الملاحة الفضائية والتوجيه والاتصالات، وعلى إجراء المناورات من أجل الالتحام مع المحطات الفضائية أو الانفصال أو الرجوع إلى الغلاف الجوي.
ويوجد عدد محدود جداً من مراكز التدريب الفضائية عالية التخصص في العالم. ففي الولايات المتحدة يُعد مركز جونسون Johnson الفضائي العائد لوكالة الفضاء الأمريكية «ناسا» NASA في هيوستون Houston بتكساس أهم تلك المراكز. أما في روسيا فيتم تدريب المرشحين في مركز يوري غاغارين Yuri Gagarin لتدريب رواد الفضاء (الذي يُعرف باسم مدينة النجوم) بالقرب من موسكو. وتُدرب وكالة الفضاء الأوربية ESA روادها في مركز الفضاء الأوربي الواقع في مدينة كولونيا Cologne بألمانيا. أما وكالة تطوير الفضاء الوطنية NASDA اليابانية؛ فتدرب روادها في مركز الفضاء تسوكوبا Tsukuba بالقرب من طوكيو.
الآفاق الراهنة والمستقبلية
سيطر العلماء على التقانات الضرورية للملاحة بصورة آمنة ضمن الفضاء الذي يفصل الأرض عن القمر؛ وهو أقرب الأجسام السماوية إلى الأرض والذي تمكن رواد الفضاء من الهبوط عليه واستكشافه. وقد انصبت الأبحاث بعدها في محورين: الأول تطوير تقانات الملاحة الفضائية بما يخدم إنشاء محطات مدارية مأهولة تكون قاعدة لرحلات مأهولة نحو كواكب وأجسام سماوية أبعد، وقد تحقق ذلك بفضل المركبة المدارية السوڤييتية مير Mir؛ ثم بفضل المحطة الفضائية الدولية التي يتعاقب رواد الفضاء وملاحوه على سكناها، وأضاف استخدام منظومات تحديد الموقع الفضائية مثل نافستار في الملاحة الفضائية دقة ووثوقية على المعطيات الملاحية. أما الثاني فهو تطوير تقانات للملاحة نحو الكواكب البعيدة في مهمات غير مأهولة، وقد نجحت بالفعل عدة مركبات في الهبوط على سطح المريخ واستكشافه، مثل المسبار سبيريت Spirit [ر] أو الدوران في فلك كواكب أخرى باستخدام شبكة الفضاء البعيد.
ويستمر العمل على تطوير منظومات الملاحة الفضائية وتجهيزاتها لزيادة المدى والوثوقية والدقة خاصة مع الطلب المتزايد على رحلات السياحة الفضائية من جهة، والحلم المستمر بالعثور على موارد مائية وطاقية في الكواكب المجاورة تمهيداً لغزوها واستيطانها من جهة أخرى.
محمد خالد شاهين
المراجع
الموسوعة العربية
التصانيف
الأبحاث