بازنگری در زباله‌های مداری: از رویکرد آماری تا رویکرد دوز

ایالات متحده - خبرگزاری اخباری

بازنگری در زباله‌های مداری: از رویکرد آماری تا رویکرد دوز

بشریت با هر ماهواره‌ای که به فضا پرتاب می‌کند، بینش ارزشمندی در مورد چگونگی عملکرد در محیط فضایی به دست می‌آورد. با این حال، یادگیری واقعی از تجربه عملی ناشی می‌شود؛ در غیر این صورت، ما در معرض گرفتار شدن در تعصبات آزمایشگاهی ناشی از پرسیدن سوالات اشتباه قرار می‌گیریم. این محدودیتی است که به نظر می‌رسد بخش فضایی با برخورد شهاب‌سنگ‌های کوچک و زباله‌های مداری (MMOD) با آن روبرو است. یک تغییر قابل توجه در سراسر صنعت در مورد چگونگی در نظر گرفتن و کاهش خطرات MMOD برای ماموریت‌های آینده در افق است.

اگر محیط طبیعی فضا به طور یکنواخت و به طور منعقد خطرناک بود، خیلی زود خطرات خود را آشکار می‌کرد. ماهواره‌های اولیه مانند اسپوتنیک توسط شهاب‌سنگ‌های طبیعی، دم ستاره‌های دنباله‌دار و قطعات سیارک‌ها نابود می‌شدند. در عوض، ما دریافتیم که فضا نسبتاً پایدار است، که منجر به توسعه هنجارهای مهندسی با تمرکز بر کاهش ویژگی‌های شدید آن شد: دما، خلاء و بار الکتریکی. آنچه از دهه ۱۹۶۰ به طور بنیادی تغییر کرده است، افزایش تصاعدی ترافیک و "آلودگی" آهسته اما مداوم فضا توسط میلیون‌ها قطعه زباله مداری است که محیط مدرن MMOD را ایجاد می‌کند.

در حال حاضر، اکثر ماهواره‌های کوچک (smallsats) سیستم‌های حفاظتی اختصاصی در برابر زباله را ندارند. تجزیه و تحلیل گزارش ارزیابی زباله‌های مداری (ODAR)، همراه با موفقیت مشاهده شده اپراتورهای تجاری و تمایل طبیعی به تکرار موفقیت‌های گذشته، نتایج متوسطی به بار آورده است. ماهواره‌ها در مقایسه با وسعت حجم مداری ناچیز هستند، و سیستم‌های پیشرانه داخلی امکان مانورهای گریز را در هنگام شناسایی برخورد احتمالی فراهم می‌کنند. رویدادهای با تأثیر بالا و برخوردهای ماهواره به ماهواره قابل مدیریت تلقی می‌شوند زیرا قابل ردیابی و قابل مشاهده هستند. این قابلیت مشاهده بسیار مهم است، نه فقط برای باور، بلکه برای دانش، که غرایز قابل اعتماد را در مورد فراوانی نگرانی و اثربخشی استراتژی‌های مختلف کاهش تقویت می‌کند.

با این حال، ریز-MMOD (micro-MMOD) چالشی متمایز را ارائه می‌دهد، که به طور بالقوه کلید بزرگترین رازهای صنعت را در خود دارد. ریز-MMOD به جمعیت ردیابی‌نشده ذرات کوچکتر از ۳ میلی‌متر اشاره دارد. این دسته اکثریت قریب به اتفاق اشیاء در مدار پایین زمین (LEO) را از نظر تعداد تشکیل می‌دهد. سوال حیاتی مطرح می‌شود: اگر نتوانیم این ذرات را ردیابی کنیم، چگونه می‌توانیم حضور و تأثیر آنها را به دقت ارزیابی کنیم؟

تاسیسات نوردهی طولانی مدت ناسا (LDEF)، که بین سال‌های ۱۹۸۴ تا ۱۹۹۰ به دور زمین می‌چرخید، دقیقاً برای رسیدگی به چنین سوالاتی طراحی شده بود. ماموریت آن این بود که مواد و زیرسیستم‌های استاندارد را برای دوره‌های طولانی در معرض محیط LEO قرار دهد، سپس آنها را برای تجزیه و تحلیل دقیق "زخم‌های" حاصله به زمین بازگرداند. یافته‌ها شوکه کننده بود: یک محیط پیچیده، جهت‌دار و با شار بالا. خلاصه ناسا بیش از ۳۰،۰۰۰ برخورد قابل مشاهده MMOD را در نمای بیرونی LDEF فاش کرد. برخوردها تقریباً ۲۰ برابر بیشتر در سمت رو به جلو نسبت به سمت عقب، و ۲۰۰ برابر بیشتر در سمت جلو نسبت به سمت رو به زمین بودند. داده‌ها نشان داد که به طور متوسط ​​حدود ۵۲۱۷ برخورد در سال در ارتفاع ۴۵۰ کیلومتری در طول ماموریت ۵.۷۵ ساله آن وجود دارد. با در نظر گرفتن مساحت خارجی LDEF تقریباً ۱۵۱.۹۷۵ متر مربع، این معادل حدود ۳۴ برخورد در هر متر مربع در سال در سطوح زباله دهه ۱۹۹۰ است. با جمعیت فعلی زباله که تقریباً سه برابر بیشتر از سال ۱۹۹۰ است، این به طور تقریبی به حدود ۱۰۰ برخورد در هر متر مربع در سال در LEO پرتردد می‌رسد.

این یک سوال حیاتی را مطرح می‌کند: آیا ماهواره‌های مدرن کلاس ESPA ممکن است روزانه یک یا دو برخورد را تجربه کنند؟ هنگامی که این احتمال مطرح می‌شود، اپراتورهای صورت فلکی اغلب ناباوری ابراز می‌کنند، اما در عین حال ادعا می‌کنند که MMOD یک عامل مهم ماموریت نیست و الزامات آنها فراتر از ODAR نیست. این یک تناقض قابل توجه را ارائه می‌دهد که نیاز به آشتی دارد.

بخشی از توضیح در این واقعیت نهفته است که همه برخوردها برابر نیستند. در حالی که ویدیوهای برخورد با سرعت بالا اغلب سناریوهای دراماتیکی را به تصویر می‌کشند که آلومینیوم را به رنگین‌کمانی تبدیل می‌کنند، اینها موارد شدید را نشان می‌دهند و نه تجربه متوسط. اکثریت سوراخ‌های برخورد LDEF سوراخ‌های بسیار ریز، کمتر از یک میلی‌متر بودند. برخوردهای MMOD به روش‌های مختلفی ظاهر می‌شوند؛ برخی فاجعه‌بار هستند، شبیه به واکنش‌های زنجیره‌ای که در فیلم "جاذبه" (۲۰۱۴) به تصویر کشیده شده‌اند، در حالی که بسیاری دیگر سوراخ‌های ریز از طریق سازه‌ها، پارچه‌ها یا مخازن هستند. این سوراخ‌های ریز می‌توانند زباله‌های ثانویه تولید کنند بدون اینکه لزوماً باعث خرابی فوری ماهواره شوند. علاوه بر این، مشاهده نادر این رویدادها در محل منجر به نسبت دادن نادرست شکست‌ها می‌شود. این سوال باقی می‌ماند: چند ماهواره به دلیل MMOD به آرامی شکست خورده‌اند، و چند امضای MMOD شبیه به برخوردهای پروتون یا سایر رویدادهای تابشی هستند؟ چنین سردرگمی مورد انتظار است.

این امر بر ادعای مکرر نویسنده مبنی بر اینکه مستندات ویدیویی و ماموریت‌های بازگشت نمونه، پیش‌نیاز ارزیابی صادقانه خطر MMOD هستند، تأکید می‌کند. دیدگاه باید به سمت اپیدمیولوژیست تغییر کند، که جمعیت ذرات و قرار گرفتن در معرض تجمعی را تجزیه و تحلیل می‌کند، به جای اینکه صرفاً بر رویدادهای برخورد مجزا تمرکز کند. مفهوم "دوز" حیاتی می‌شود. این بازنگری، خطر MMOD را مشابه خطرات تابش آلفا و بتا قرار می‌دهد - هر دو شامل جمعیت ذراتی هستند که سیستم‌های حساس بهتر است از آنها اجتناب کنند. اگر دوز لنز صحیح باشد، استراتژی حفاظت بهینه روشن می‌شود: محافظت در اطراف سیستم‌های حیاتی و غیرقابل جایگزین را تقویت کنید و این سیستم‌ها را متمرکز کنید تا کارایی حفاظت به حداکثر برسد.

یکی از رازهای پایدار در صنعت فضایی، علت دقیق خرابی فضاپیما است. ابهام ذاتی محیط فضا به این معنی است که بازرسی مستقیم غیرممکن است؛ ما به داده‌های تله‌متری تکیه می‌کنیم، که اغلب با تأخیر چند دقیقه‌ای از صدها کیلومتر دور دریافت می‌شود. نویسنده معتقد است که خرابی‌های در مدار به طور مداوم اشتباه نسبت داده می‌شوند. بخشی از خرابی‌هایی که در حال حاضر به عنوان مشکلات تابش، نرم‌افزار یا ساخت و ساز طبقه‌بندی می‌شوند، ممکن است در واقع ناشی از ریز-MMOD و اثرات ثانویه آن باشند. هم مشکلات ساخت و ساز و هم برخوردهای MMOD می‌توانند به طور ظریف سخت‌افزار را در مقیاس میلی‌متر از حالت بهینه منحرف کنند و منجر به خرابی‌هایی شوند که هنگام تجزیه و تحلیل از زمین تقریباً یکسان به نظر می‌رسند. این نسبت دادن اشتباه به ویژه در مرحله استقرار حیاتی است، جایی که حتی یک اختلال در مقیاس میلی‌متر، چه از ریز-MMOD و چه از ساخت و ساز حاشیه‌ای، می‌تواند به یک خرابی فاجعه‌بار منجر شود که در داده‌های تله‌متری قابل تشخیص نیست اما از نظر نتیجه فاجعه‌بار است. به دست آوردن نسبت دادن صحیح به ویژه برای تولیدکنندگان پنل خورشیدی مانند Atomic-6 مهم است. کسب و کار ما به اعتماد مشتریان مبنی بر اینکه ما قطعه‌ای نخواهیم بود که ماموریت آنها را از بین ببرد، بستگی دارد. از آنجایی که هر بخش جداگانه فرصتی دیگر برای ساخت و ساز نادرست یا عدم قطعیت برای عملکرد در زنجیره علّی استقرار موفقیت‌آمیز است، ما برای به حداقل رساندن تعداد قطعات محصول پرچمدار پنل خورشیدی خود، آرایه Light Wing، تلاش کردیم.

مفهوم اثرات ثانویه به طور خاص خلاف شهود است. فضاپیماهای فلزی هر بار که برخورد می‌کنند، زباله تولید می‌کنند، نه فقط زمانی که از هم می‌پاشند. حتی اگر یک ذره MMOD به پوست فلزی نفوذ نکند، تراشه و لایه‌برداری حاصل می‌تواند قطعات بزرگتر و مضرتر از پرتابه اصلی را ایجاد کند. برخی مطالعات نشان می‌دهند که این تخریب ثانویه مسئول چندین برابر بیشتر از علائم اطراف فضاپیما نسبت به برخورد اولیه که آن را آغاز کرده است. اگر یک اپراتور بخواهد از تولید تخریب جلوگیری کند، باید از تمام راه‌حل‌های MMOD مبتنی بر فلز برای آنهایی که مبتنی بر کامپوزیت هستند، اجتناب کند. MMODهای مبتنی بر کامپوزیت پس از برخورد، قطعات ریز MMOD سخت را خارج نمی‌کنند، انرژی را به طور مؤثرتری جذب کرده و از طریق شبکه خود خود را حفظ می‌کنند.

یک سوال رایج مطرح می‌شود: اگر ما سالانه صدها برخورد را تجربه می‌کنیم، چرا ماهواره‌ها هر هفته از آسمان سقوط نمی‌کنند؟ پاسخ احتمالاً در این واقعیت نهفته است که در حالی که MMOD به طور متوسط ​​ممکن است کمتر از آنچه اغلب تصور می‌شود مضر باشد، تأثیر آن در سناریوهای خاص و پرانرژی بسیار مضرتر است. این درک ظریف نیازمند تعمیق مدل‌های ذهنی ما است، نه شانه بالا انداختن. Atomic-6 به طور فعال در حال بررسی این چالش‌های خلاف شهود برای مفروضات استاندارد MMOD است و محصولاتی را برای پاسخگویی به این چالش‌ها توسعه می‌دهد.

نگاه به آینده، خطر رویدادهای تولید زباله در حال افزایش به نظر می‌رسد. چندین فضاپیمای برنامه ماهواره هواشناسی دفاعی (DMSP) سال‌ها پس از از کار افتادن "متلاشی شده‌اند"؛ ۱۶ مورد هنوز در مدار هستند و حدس هر کسی در مورد زمان‌بندی آنها به اندازه من خوب است. پویایی درگیری در فضا به معنای ماهواره‌های بیشتر، مانورهای دراماتیک‌تر و فرصت‌های بیشتر برای اشتباهات است. مفاهیم رهگیر که توسط موتورهای جامد تغذیه می‌شوند، در حال گسترش هستند. عملیات برخورد و نزدیکی، هم مزایا و هم حالت‌های خرابی جدید تولیدکننده زباله را معرفی می‌کنند. اگر به خوبی انجام شود، RPO می‌تواند با افزایش طول عمر مانور، زباله را کاهش دهد. اگر بد انجام شود، رویکرد و لمس می‌تواند یک ماهواره را نابود کند. ما در حال ورود به لحظه‌ای هستیم که در آن افزایش قابل توجهی در قابلیت می‌تواند مشکل را حل کند، و افزایش کمتر می‌تواند آن را تشدید کند.

خبرگزاری اخباری