إعادة تأطير الحطام المداري: من النهج الإحصائي إلى نهج الجرعة

الولايات المتحدة - وكالة أنباء إخباري

إعادة تأطير الحطام المداري: من النهج الإحصائي إلى نهج الجرعة

مع كل قمر صناعي نطلقه إلى الفضاء، تكتسب البشرية رؤى قيمة حول كيفية العمل في هذا المحيط المعقد. إن التعلم الحقيقي يأتي من التجربة العملية؛ بخلاف ذلك، نقع في فخ التحيزات المختبرية التي تنبع من طرح الأسئلة الخاطئة. يبدو أننا نقترب من هذا الحد فيما يتعلق بالاصطدامات بين النيازك الدقيقة والحطام المداري (MMOD)، ونحن على وشك حدوث تحول واسع النطاق في الصناعة لكيفية النظر إلى مخاطر MMOD والتخفيف منها في المهمات المستقبلية.

لو كان الفضاء الطبيعي بيئة خطرة بشكل موحد وحتمي، لاكتشفنا ذلك منذ زمن طويل. لكان سبوتنيك قد تحطم خارج مداره بفعل النيازك، وذيول المذنبات، وشظايا الكويكبات. اكتشفنا بدلًا من ذلك أن الفضاء مستقر إلى حد ما، وطورنا معايير هندسية للتخفيف من خصائصه الأكثر تطرفًا من حيث درجة الحرارة، والفراغ، والشحنات الكهربائية. ما تغير منذ الستينيات هو حركة المرور في الفضاء و"التلوث" البطيء بملايين القطع من الحطام المداري. هذه هي بيئة MMOD الحديثة.

معظم الأقمار الصناعية الصغيرة لا تحمل أنظمة حماية مخصصة للحطام. لقد أدى تحليل تقرير تقييم الحطام المداري (ODAR) والنجاح الملحوظ للمشغلين التجاريين، بالإضافة إلى غريزة تقليد ما نجح في الماضي، إلى تحقيق نجاح متواضع. الأقمار الصناعية صغيرة نسبيًا مقارنة بالحجم المداري، وتسمح أنظمة الدفع بتجنب الاصطدامات عند تحديد الاقتراب. تبدو "الضربات الكبيرة" والاصطدامات بين المركبات الفضائية قابلة للإدارة لأننا نستطيع تتبعها. يمكننا رؤيتها. الرؤية ليست مجرد تصديق، بل هي معرفة، ولدينا حدس جيد حول مدى القلق الذي يجب أن نشعر به وأي تدابير وقائية فعالة.

الجسيمات الدقيقة من الحطام المداري (Micro-MMOD) مسألة مختلفة. قد تكون هي المكان الذي تكمن فيه الألغاز الكبرى. تشير Micro-MMOD إلى المجموعة غير المتعقبة من الأجسام التي يقل حجمها عن 3 ملليمترات. إنها تشكل الغالبية العظمى من الأجسام في المدار الأرضي المنخفض (LEO) من حيث العدد. إذا لم نتمكن من تتبعها، فكيف نعرف بوجودها؟ تم بناء منشأة ناسا للتعرض طويل الأمد (LDEF)، التي حلقت بين عامي 1984 و1990، للإجابة على أسئلة كهذه: إطلاق مواد وأنظمة فرعية قياسية في المدار الأرضي المنخفض لسنوات، ثم إعادتها إلى الأرض والسماح للناس بفحص الندوب بأيديهم ومجاهرهم. ما وجدناه كان بيئة فوضوية، واتجاهية، وعالية التدفق. كما لخصت ناسا: "تم تحديد أكثر من 30 ألف ضربة MMOD قابلة للملاحظة على السطح الخارجي لـ LDEF... حوالي 20 ضعفًا من التأثيرات على الوجه الأمامي مقارنة بالوجه الخلفي، و200 ضعف على الجانب الأمامي مقارنة بالجانب المواجه للأرض." لقد ذهلت عندما قرأت ذلك. ثلاثون ألف ثقب. على مدى 5.75 سنوات، هذا يعادل تقريبًا 5217 ضربة سنويًا على ارتفاع حوالي 450 كم. كانت المساحة الخارجية لـ LDEF حوالي 151.975 مترًا مربعًا، وهو ما يعادل حوالي 34 ضربة لكل متر مربع سنويًا عند مستويات الحطام التاريخية. كان ذلك حوالي عام 1990، عندما كان عدد السكان حوالي ثلث العدد الحالي. بالاستقراء التقريبي، فإننا نقترب من 100 ضربة لكل متر مربع سنويًا في المدار الأرضي المنخفض المزدحم.

هل يمكن أن تكون الأقمار الصناعية الحديثة من فئة ESPA تتعرض لضربات مرة أو مرتين يوميًا؟ عندما أشارك هذا، لا يصدق الأصدقاء الذين يديرون كوكبات الأقمار الصناعية هذا العدد. وفي نفس الوقت، يقولون إن MMOD ليس محركًا مهمًا للمخاطر وليس لديهم متطلبات تتجاوز ODAR. كيف يمكننا التوفيق بين هذا التناقض؟

جزء من الإجابة هو أن ليست كل الضربات متساوية. مقاطع الفيديو الفيروسية عالية السرعة التي تحول الألمنيوم إلى قصاصات دقيقة تكون دقيقة، لكنها لا تمثل الحالة المتوسطة. كانت غالبية ثقوب LDEF عبارة عن ثقوب صغيرة جدًا، أقل من ملليمتر. ضربات MMOD لا تبدو كلها متشابهة. بعضها كارثي، مثل التفاعلات المتسلسلة السينمائية في فيلم "Gravity" (2014). العديد منها عبارة عن ثقوب دقيقة تخترق الهياكل أو القماش أو الخزانات. هذه يمكن أن تخلق حطامًا ثانويًا دون قتل قمر صناعي. ولأننا نادرًا ما نرى ما يحدث في الموقع، فإن حالات الفشل غالبًا ما تُنسب إلى أسباب خاطئة. كم عدد الأقمار الصناعية التي فشلت بهدوء بسبب MMOD؟ كم عدد بصمات MMOD التي تبدو مشابهة جدًا لضربات البروتونات؟ يجب أن نتوقع بعض هذا الارتباك.

لهذا السبب أستمر في القول إن مقاطع الفيديو وعينات العودة هي متطلبات مسبقة لتقييم مخاطر MMOD بشكل صادق. فكر مثل عالم الأوبئة. أنت تنظر إلى مجموعات الجسيمات والتعرض، وليس فقط الاقترانات المنفصلة. الجرعة مهمة. هذا يجعل خطر MMOD يبدو أشبه بمخاطر إشعاع ألفا وبيتا. كل من MMOD وهذه الإشعاعات هي مجموعات من الجسيمات التي تفضل عدم إدخالها في الأنظمة الحساسة. إذا كانت الجرعة هي العدسة الصحيحة، فإن استراتيجية الحماية المناسبة تصبح واضحة: تضخيم الحماية حول الأنظمة التي لا يمكنك تحمل خسارتها، وتركيز هذه الأنظمة لتكون الحماية فعالة.

أحد الألغاز المستمرة في الصناعة هو سبب فشل المركبات الفضائية. إنه غامض بطبيعته. لا يمكننا الخروج وفحص الألواح؛ نستدل من القياسات عن بعد، على بعد مئات الكيلومترات وأحيانًا متأخرة بدقائق. أعتقد أن هناك سوء تخصيص مستمر في حالات الفشل المدارية. بعض ما نسميه إشعاعًا، أو خطأ برمجيًا، أو عيوب تصنيع هو في الواقع Micro-MMOD وآثاره الثانوية. كل من مشاكل التصنيع و MMOD من شأنها أن تزعزع استقرار الأجهزة على نطاق الملليمتر بعيدًا عن الوضع الأمثل، والفشل الناتج بين الاثنين في الفضاء سيبدو متطابقًا تقريبًا من الأرض. من الناحية العملية، يهم هذا التخصيص الخاطئ أكثر أثناء النشر، حيث يمكن حتى للاضطراب على نطاق الملليمتر، سواء كان من Micro-MMOD أو ضعف التصنيع، أن يتسبب في فشل يبدو غير قابل للتمييز في القياسات عن بعد ولكنه كارثي في النتيجة. الحصول على التخصيص الصحيح مهم بشكل خاص لمصنعي الألواح الشمسية مثل Atomic-6. يعتمد عملنا على ثقة العملاء في أننا لن نكون المكون الذي ينهي مهمتهم. نظرًا لأن كل جزء منفصل يمثل فرصة أخرى لخلل في التصنيع أو عدم يقين للأداء في السلسلة السببية للنشر الناجح، فقد عملنا على تقليل عدد الأجزاء في منتجنا الرئيسي للألواح الشمسية، مصفوفة Light Wing، إلى الحد الأدنى المطلق.

الآثار الثانوية هي الجزء غير البديهي. تولد المركبات الفضائية المعدنية حطامًا في كل مرة تتعرض فيها لضربة، وليس فقط عندما تموت وتنثر أجزاء في حركة المرور. حتى لو لم تخترق جسيمات MMOD غلافًا معدنيًا، فإن الشظايا والتقشر يمكن أن تخلق شظايا أكبر وأكثر ضررًا من المقذوف الأصلي. في بعض الدراسات، يمثل هذا التفتت الثانوي أضعافًا مضاعفة من العلامات حول المركبة مقارنة بالضربة الأولية التي بدأتها. إذا أراد المشغل تجنب توليد شظايا، فسيتعين عليه تجنب جميع حلول MMOD القائمة على المعادن لصالح الحلول القائمة على المواد المركبة. لا تنفث المواد المركبة شظايا Micro-MMOD صلبة بعد تعرضها للضرب، بل تلتقط الطاقة بشكل أكثر فعالية وتحافظ على نفسها عبر شبكتها.

إذا كنت تفكر: "ولكن إذا كنا نتعرض لمئات الضربات سنويًا، فلماذا لا تسقط الأقمار الصناعية من السماء كل أسبوع؟" - هذا سؤال جيد. قد يكون MMOD أقل ضررًا مما يفترضه الناس في المتوسط، وأكثر ضررًا بكثير في الحالات القصوى. هذه علامة على تعميق نموذجنا الذهني، وليس التراخي. تكتشف Atomic-6 تحديات غير بديهية للحدس القياسي حول MMOD، ونحن نبني منتجات لمواجهة هذه التحديات.

كيف يبدو المستقبل؟ حسب تقديراتنا، فإن خطر أحداث إنشاء الحطام آخذ في الازدياد. لقد "تحطمت" مركبات برنامج الإدارة البيئية الجوية التابع لوزارة الدفاع لسنوات بعد إيقاف تشغيلها؛ لا يزال 16 منها في المدار، وتخمين أي شخص جيد مثلي بشأن التوقيت. ديناميكيات الصراع في الفضاء تعني المزيد من الأقمار الصناعية، والمزيد من المناورات الدراماتيكية، والمزيد من فرص الأخطاء. تتكاثر مفاهيم الاعتراضات التي تعمل بمحركات صلبة. عمليات الالتقاء والعمليات القريبة تقدم فوائد وأنماط فشل جديدة تؤدي إلى إنتاج الحطام. عند تنفيذها بشكل جيد، يمكن لعمليات الالتقاء والتقارب أن تقلل من الحطام عن طريق إطالة عمر المناورات. عند تنفيذها بشكل سيء، يمكن للنهج واللمس أن يدمر قمرًا صناعيًا. نحن ندخل لحظة يمكن فيها لزيادة كبيرة في القدرة أن تحل المشكلة، وزيادة أقل قد تؤدي إلى تفاقمها.

Ekhbary News Agency