تعرف على الإبداع: المروحية عالية التقنية المصممة للطيران على المريخ

عندما تطلق ناسا المركبة الجوالة بيرسيفيرانس في رحلتها إلى المريخ هذا الأسبوع، سيكون لها رفيق مطوي بجانبها في الفضاء مخروط مقدمة صاروخ أطلس V: طائرة هليكوبتر تسمى Ingenuity، والتي من المقرر أن تصبح أول طائرة مروحية على الإطلاق تحلق على أخرى كوكب. يمكن لهذه المروحية التجريبية المصغرة أن تفتح مجالًا جديدًا تمامًا لاستكشاف المريخ أثناء قيامها بمسح الكوكب من الجو.

ولكن إذا كنت تعتقد أنه من الصعب تصميم مركبة أرضية للمناورة حول كوكب يبعد مئات الملايين من الأميال، فتخيل المحاولة لتصميم طائرة هليكوبتر يمكنها الطيران في جو رقيق جدًا، بالكاد يكون موجودًا، في درجات حرارة متجمدة، أثناء الملاحة بشكل مستقل.

تحدثنا إلى أحد كبار المهندسين وأحد كبار العلماء في مشروع Ingenuity في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا لمعرفة كيف قاموا بذلك وكيف قد يبدو مستقبل استكشاف المريخ.

تحدي غير مسبوق

إن بناء طائرة هليكوبتر يمكنها الطيران على كوكب آخر ينطوي على العديد من التحديات، وأكثرها إلحاحا هو كيفية جعل شيء ما يبقى في الهواء عندما يكون الغلاف الجوي رقيقا للغاية. تبلغ كثافة الغلاف الجوي للمريخ حوالي 1% فقط من كثافة الغلاف الجوي للأرض، وهو ما يعادل ارتفاع 100 ألف قدم. ولتوضيح مدى صعوبة الطيران، يبلغ الارتفاع القياسي لطائرة هليكوبتر على الأرض ما يزيد قليلاً عن 40 ألف قدم.

تعمل المروحيات عن طريق تحريك الهواء بسرعة كبيرة باستخدام شفرات دوارة، والتي تدفع الهواء إلى الأسفل وتخلق قوة رفع. لكن على المريخ، يوفر الهواء الرقيق قوة رفع قليلة جدًا، حتى عند تحريكه باستخدام الشفرات. على الرغم من أن المصممين حصلوا على بعض المساعدة من حقيقة أن الجاذبية أقل على المريخ، بما يزيد قليلاً عن ثلث قوة الجاذبية عليه على الأرض، لا تزال هناك مشكلة كبيرة تتمثل في صنع مركبة يمكنها دعم نفسها بغلاف جوي رقيق فقط للعمل مع.

قال جوش رافيتش، قائد الهندسة الميكانيكية في شركة Ingenuity، لموقع Digital Trends: "الحل لهذه المشكلة هو الكتلة المنخفضة، وهو ما كان الحل الأمثل". التحدي الأصعب بشكل عام للمهمة بأكملها، هو إبقاء الكتلة منخفضة. يجب أن يكون وزن المروحية بأكملها أقل من 4 أرطال (1.8 كيلوجرام) مما استلزم استخدام مواد مختارة بعناية، والهيكل الرئيسي صغير جدًا، وهو مكعب بقياس 14 سم (5.5 بوصة) في الحجم.

وتضع مسألة الوزن قيودًا على جوانب أخرى من المركبة أيضًا: "علينا أن نوازن بين الكيفية "كمية الطاقة التي يمكنك حملها على شكل بطاريات لتشغيل السيارة، وما هو حجم الشفرات التي يمكن أن تصل إليها،" رافيتش قال. هناك حاجة إلى البطاريات حيث يتم جمع الطاقة باستخدام لوحة شمسية أعلى السيارة مما يسمح لها بالشحن بشكل مستقل.

يجب أن تكون شفرات المروحية كبيرة – حيث يبلغ طولها أقل من 4 أقدام (1.2 متر) – لتوفير قوة رفع كافية لتطير الطائرة. ولصنع شفرات كبيرة وخفيفة بدرجة كافية، استخدم الفريق مواد جديدة بما في ذلك مركبات مشابهة لألياف الكربون. هناك أربع شفرات في المجمل، مرتبة في دوارين، يدور كل منهما بسرعة تصل إلى 2400 دورة في الدقيقة، وهو أسرع بكثير من سرعة شفرات طائرات الهليكوبتر على الأرض والتي تبلغ حوالي 500 دورة في الدقيقة.

مشكلة البرد

هناك قضية أخرى تحتاج إلى ابتكارات مادية وهي مشكلة درجة حرارة السطح، والتي يمكن أن تنخفض إلى 100 درجة فهرنهايت تحت الصفر في الليل. عندما يكون الجو باردًا جدًا، لا تعمل الأنظمة الإلكترونية بشكل موثوق وتحتاج السيارة إلى استخدام طاقة ثمينة لتبقى دافئة. لذلك توصل فريق Ingenuity إلى حل باستخدام طبقات رقيقة من العزل حول المكونات الإلكترونية الدقيقة للمركبة.

وقال رافيتش: "عادة يمكنك حل هذه المشكلة عن طريق وضع الكثير من العزل السميك هناك، ولكن العزل ثقيل للغاية". "انتهى بنا الأمر إلى استخدام جزء من الغلاف الجوي نفسه، تمامًا مثل البطة أو الإوزة التي تحتوي على طبقة عازلة تحت ريشها، فنحن نستخدم الغاز من الغلاف الجوي للمريخ. إذا كنت تستخدم ما يكفي من البطانيات الحرارية الرقيقة، فيمكنك الحصول على القليل من العزل.

إحدى المشكلات المعقدة الأخيرة الناجمة عن البرد هي مشكلة كيفية تفاعل المواد المبللة مع درجات الحرارة المنخفضة. وقال: "معظم طائرات الهليكوبتر على الأرض لديها مخمدات مرنة تعمل على رفع الوزن القادم إلى المحور المركزي للطائرة المروحية". تمتص هذه المخمدات الاهتزازات الكبيرة الناتجة عن دوران الشفرات بسرعات عالية جدًا. "لكن هذه لا تعمل بشكل جيد في درجات حرارة المريخ، لذلك كان علينا القيام بالكثير من التصميم لجعل هذا يعمل كنظام أكثر صلابة."

مستكشف مستقل

لا يمكن إطلاق المروحية مباشرة من الأرض بسبب تأخر الاتصالات لعدة دقائق بين هنا والمريخ. وبدلاً من ذلك، سيكون Ingenuity مستقلاً في الغالب، ويستخدم أجهزة الاستشعار الخاصة به لاكتشاف البيئة المحيطة به ويتحرك وفقًا لذلك.

ولهذه المهمة، ستستخدم الأدوات الموجودة على متن الطائرة، بما في ذلك كاميرا الملاحة، ومقياس الارتفاع بالليزر، وحزمة جيروسكوب مقياس التسارع تسمى وحدة قياس القصور الذاتي (IMU). وباستخدام هذه الأدوات، يمكن للمركبة أن تحدد إلى أين تتجه وإلى أي مدى تبتعد عن الأرض. ويمكنه أيضًا اكتشاف بعض المخاطر لتجنب العقبات المحتملة في طريقه.

وهذا يعني أن الفنيين الموجودين على الأرض يقدمون للمركبة خطة طيران، ومن ثم يمكن لشركة Ingenuity تنفيذها، كما أوضح رافيتش: "الطريقة التي تحلق بها المروحية هي أننا أدخل خطة طيران، في الأساس مسار طيران، قائلًا "أدر الشفرات لهذه المدة، حلّق إلى هنا، استدر، حلّق هنا"... ثم يقوم Ingenuity بتنفيذ هذا التسلسل من خلال بحد ذاتها."

تحتاج المروحية إلى البقاء ضمن نطاق الاتصالات مع العربة الجوالة، والذي يبلغ حوالي كيلومتر واحد، ومن الأفضل أن يكون لها خط رؤية مباشر. ولكن أبعد من ذلك، يمكن لـ Ingenuity العمل بشكل مستقل ويمكنه الشحن والإقلاع والهبوط دون أي دعم من العربة الجوالة. وتتمثل الخطة في أن تتعامل المروحية مع تحدي واحد في كل مرة، لمعرفة مدى قدرتها على المناورة حول الكوكب.

قال رافيتش: "سنقوم بسلسلة من المهام المتزايدة التعقيد". "اسميًا، تتكون المهمة من رحلة واحدة إلى ثلاث رحلات، ولكن يمكن أن تصل إلى خمس رحلات اعتمادًا على كيفية سير الأمور... ستكون كل رحلة أكثر تعقيدًا بعض الشيء. الأول، سنرتفع، ونحوم، ونهبط. والثاني قد يكون الارتفاع، والالتفاف، وربما التحرك قليلاً، ثم العودة والهبوط. وفي النهاية، إذا سارت الأمور على ما يرام، فقد يقررون النهوض والتحليق في هذا الاتجاه والعثور على نقطة هبوط جديدة والاحتفاظ بها كقاعدة العمليات التالية.

إثبات المفهوم

ليس المقصود من الإبداع أن يكون مهمة علمية، لذا فهو لن يجمع بيانات علمية، على الرغم من أن الخبراء يأملون أن يتمكنوا من الاستفادة من بعض البيانات التي يجمعها. الهدف من المهمة هو إثبات أنه من الممكن تقنيًا الطيران بطائرة هليكوبتر على كوكب آخر وجمع البيانات الهندسية للمساعدة في تصميم طائرات الهليكوبتر المريخية المستقبلية.

وهذا يعني أن هناك درجة معينة من المرونة في كيفية تحرك المركبة، حيث ليست هناك حاجة للمناورة إلى موقع محدد على السطح. من المرجح أن تبقى المركبة على بعد بضع مئات من الياردات من مركبة المثابرة، حتى تتمكن من تحديد موقعها بالنسبة لذلك. وقال رافيتش: "إلى حد ما، لا أعتقد أنه من المهم جدًا مدى الدقة التي نكنها أثناء طيراننا - فالمروحية ستعرف بالضبط المكان الذي تعتقد أنها فيه". "من مستوى أعلى، لا يهم كثيرًا إذا كان 10 أقدام في هذا الاتجاه أو 10 أقدام في هذا الاتجاه عندما يهبط - طالما أنه يهبط بأمان."

المساعدة من الجو

وإذا نجح مفهوم الإبداع عملياً كما هو متوقع، فإن طائرات الهليكوبتر يمكن أن تقدم شيئاً لا يقدر بثمن المساعدة في مهام المركبة الفضائية المستقبلية، والتقاط صور للسطح وجعل الاستكشاف أسرع وأكثر دقيق.

مات جولومبيك، أحد قدامى المهمات العلمية المريخية والمتخصص في اختيار مواقع الهبوط على المريخ والذي كان الباحث الرئيسي بالنسبة للاقتراح الأول لطائرة هليكوبتر المريخ، أوضح لموقع Digital Trends كيف يمكن أن تكون طائرات الهليكوبتر مفيدة للاستكشاف المستقبلي عمليات.

سد فجوة القرار

إحدى المهام الأكثر قيمة التي يمكن أن تؤديها طائرات الهليكوبتر المستقبلية هي التقاط صور عالية الدقة لملء ما يعرف باسم "فجوة الدقة" في صور سطح المريخ. يشير ذلك إلى “الفرق بين الصور ذات الدقة الأعلى التي لدينا من المدار، والتي تبلغ حوالي 25 سم (حوالي 10 بوصات) لكل بكسل وتسمى صور هاريسقال جولومبيك: "مقارنة بما يمكنك رؤيته على الأرض في مهمات العربة الجوالة السابقة، حيث تكون الدقة لدينا أقرب إلى 3 سنتيمترات لكل بكسل". "هذا يتعلق بالحجم."

على الرغم من أن الصور عالية الوضوح لسطح الكوكب التي تم التقاطها باستخدام أداة HiRISE مفصلة بشكل لا يصدق بالنظر إلى أنها تم التقاطها من المدار، إلا أنها ليست مفصلة بما يكفي لإظهار السمات الهيكلية للأرض مثل النتوءات، أو لتحديد المناطق ذات الاهتمام العلمي مثل صخور معينة يمكن للمركبات الجوالة استكشافها يزور. لذلك يتعين على المركبات الجوالة استكشاف المنطقة التي تهبط فيها للعثور على الصخور أو غيرها من الميزات المثيرة للاهتمام من الناحية العلمية للتحقيق فيها.

ويمكن استخدام المروحية كأداة استطلاع لمهام المركبة الفضائية، والتقاط صور أكثر تفصيلاً من تلك الممكنة من المدار. يمكن استخدام هذه الصور في تحديد المجالات ذات الاهتمام العلمي الخاص، حتى يتمكن الفريق من إرسال المركبة مباشرة إلى الأهداف الأكثر قيمة للبحث.

توسيع مناطق تغطية المركبات الجوالة

هناك شيء واحد قد لا تدركه بشأن مهمات روفر المريخ وهو مدى صغر المساحة التي تغطيها كل مركبة، حيث أن قوتها محدودة للعمل عليها، وكل خطوة تقوم بها تحتاج إلى التخطيط بعناية. على سبيل المثال، ستغطي المركبة ما بين 3 و12 ميلاً (5 و20 كيلومترًا) خلال مهمتها الرئيسية. وقد قطعت المركبة الأبعد مدىً على الكوكب، أوبورتيونيتي، مسافة لا تصدق تبلغ 28 ميلاً (45 كيلومترًا) على مدار عمرها البالغ 14 عامًا. وعلى الرغم من أن هذا مثير للإعجاب بالنسبة لمركبة متجولة تستكشف كوكبًا بعيدًا، إلا أن هذه المسافات لا تمثل سوى جزء صغير من إجمالي مساحة سطح المريخ.

على سبيل المثال، قد تستغرق المركبة الجوالة أسابيع لتقطع مسافة كيلومتر واحد. في حين أن إنجينيويتي يمكنها السفر لمسافة تصل إلى كيلومتر واحد في 90 ثانية فقط، على الرغم من أن الفريق لا يخطط لتشغيل المروحية بهذه السرعات العالية في مهمتها الأولى. لكن المروحيات المستقبلية يمكن أن تستكشف مساحة أكبر بكثير من الكوكب، وستكون الصور التي تلتقطها ذات قيمة كبيرة لوضع نتائج العربة الجوالة في سياق أوسع. من شأن مثل هذه الصور أن تساعد العلماء على فهم الجيولوجيا العالمية للكوكب وتخبرهم ما إذا كانت المناطق التي درستها المركبة تمثل بيئة المريخ الأكبر.

يمكن أن تساعد المروحية أيضًا في توسيع منطقة التحقيق عن طريق تقليل مقدار الوقت الذي تستغرقه المركبات الجوالة للتنقل حول السطح بشكل كبير. في الوقت الحالي، يتم تحديد مسارات قيادة العربة الجوالة باستخدام الصور المتوفرة بأعلى دقة، ولكن لا تظهر هذه الصور دائمًا العوائق أو المخاطر، مما يضطر السائقين إلى التنقل ببطء بحرص.

وقال جولومبيك: "عادةً، يبلغ الحد الأقصى لمسافة المركبة الفضائية في اليوم ما بين 60 إلى 100 متر". "ولكن إذا كانت لديك هذه المعلومات عالية الدقة، فستخبرك على وجه التحديد بمكان محرك الأقراص الآمن كانت المسارات، يمكنك مضاعفة ذلك أو ثلاثة أضعافه بسهولة، وبالتالي الوصول إلى وجهتك بسرعة أكبر بكثير.

العثور على مكان الهبوط

ومع ذلك، قبل أن تتمكن المركبة من الاستكشاف، يجب عليها الهبوط. ويمكن أيضًا أن تستفيد عملية اختيار موقع الهبوط من الدعم الجوي.

"إن اختيار موقع الهبوط عبارة عن مزيج من تحديد مدى أمان السطح للهبوط باستخدام المركبة الفضائية التي صممتها وبنتها - لا يحب المسافرون أن تكون هناك صخور كبيرة تحتهم والتي يمكن أن تؤثر عليهم أو تقلبهم، والمنحدرات الشديدة ليست أمرًا جيدًا بشكل عام، و فالمناطق الرقيقة جدًا التي قد تغوص فيها هي خيارات سيئة، لذلك هناك مجموعة كاملة مما نسميه القيود الهندسية. قال جولومبيك.

وتتعقد هذه القيود الهندسية أيضًا بسبب الغلاف الجوي الرقيق للمريخ، حيث يجعل ذلك من الصعب على المركبات إبطاء سرعتها باستخدام المظلات عند وصولها للهبوط. لذلك يحتاج الفريق إلى النظر في ارتفاع موقع الهبوط أيضًا، للتأكد من أن المركبة يمكنها الهبوط هناك بأمان.

"ثم لديك أهداف علمية، والتي تعتمد على الحمولة التي تحملها و الأهداف العلمية للمهمة هي الأشياء التي تريد أن تتعلمها وتكتشفها عن المريخ على. "وعليك أن تزن كل هذه الأشياء معًا للتوصل إلى مكان [للهبوط] يكون آمنًا ومثيرًا للاهتمام من الناحية العلمية أيضًا لهذه المهمة المحددة."

يعتمد الأشخاص الذين يختارون مواقع الهبوط، مثل جولومبيك، بشكل كبير على الصور المأخوذة من المدار لمعرفة المواقع التي ستلبي هذه المعايير. وأصغر الانحرافات عما هو متوقع يمكن أن تسبب مشاكل، مثل تلك التي واجهتها مركبة الهبوط InSight التي هبطت على المريخ في عام 2018. تمكن فريق إنسايت من العثور على موقع مسطح وخالي من الصخور بشكل مناسب، وكانت توقعاتهم حول المواد التي تشكل السطح دقيقة تمامًا. ومع ذلك، تبين أن التربة الموجودة أسفل سطح المكان الذي تستقر فيه مركبة الهبوط مختلفة قليلاً عما كان متوقعًا، حيث تم ضغطها في مادة أكثر صلابة تسمى القشرة الصلبة. وقد تسبب هذا في العديد من المشاكل في محاولة القيام بذلك دفن مسبار الحرارة الخاص بمركبة الهبوط تحت السطح.

وقال جولومبيك: "هناك دائمًا غموض في البيانات المدارية التي تستخدمها لاستنتاج ما هو موجود بالفعل على السطح". "بشكل عام، بالنسبة لاختيار موقع الهبوط، كنا جيدين جدًا في قياس وتوصيف القيود الهندسية - الصخور الوفرة والمنحدرات، وما إلى ذلك - ويرجع ذلك في الغالب إلى أن صور HiRISE عالية الدقة بما يكفي لرؤية الصخور الكبيرة وقياسها المنحدرات. لكننا كنا أقل دقة بعض الشيء في فهم ما أسميه البيئة الجيولوجية. أي كيف نشأت تلك المنطقة، وما هي القوى الجيولوجية الرئيسية التي شكلتها. لقد كان ذلك أكثر صرامة."

نظرًا لأن الصور التي تم الحصول عليها من المدار ذات دقة محدودة، فمن الصعب رؤية أنواع التفاصيل اللازمة لتحديد الأهداف ذات الاهتمام العلمي بدقة أكبر، مثل المواد الرسوبية المحددة الصخور. إن الحصول على صور ذات دقة أعلى بكثير مثل تلك التي يمكن التقاطها بطائرة هليكوبتر سيكون أمرًا لا يقدر بثمن اختيار مواقع الهبوط التي كانت آمنة للمركبات وتزيد من فرص إجراء عمليات علمية مهمة الموجودات.

ويمكن للمروحيات أيضًا أن تحمل أنواعًا مختلفة من الأدوات مثل الرادار المخترق للأرض والذي يمكن أن يخبر العلماء مباشرة عما يكمن تحت سطح المريخ.

متعلق ب:رادار اختراق الأرض للخرسانة

الصيد من أجل الحياة من الأعلى

ومع ذلك، يمكن استخدام المروحيات لأكثر من مجرد دعم المهام الأخرى. يمكن تجهيز مثل هذه الآلة بأي نوع من الكاميرات، مثل الرادار أو الأشعة تحت الحمراء أو أدوات التصوير الحراري التي يمكنها الكشف عن تكوين ومعادن أرض المريخ.

وهذا مهم لأن هذه الأدوات يمكنها التعرف على معادن معينة، مثل الطين، والتي تتشكل عند وجود الماء. تعد المناطق ذات الكثافة العالية من هذه المعادن الطينية أهدافًا رئيسية للبحث فيما إذا كانت موجودة أم لا ربما كانت هناك حياة على المريخ ذات يوم.

بعض الأهداف الأكثر إثارة للاهتمام بالنسبة للعلماء للبحث هي الجروف، أو المنحدرات شديدة الانحدار التي تشكلت بسبب التآكل، لأنها تكشف عن طبقات الصخور التي تكونت مع مرور الوقت. إن النظر إلى هذه الطبقات يشبه النظر إلى تاريخ المريخ. ومع ذلك، نظرًا لأنها شديدة الانحدار وصخرية، يصعب على المركبات الجوالة استكشافها، ويجب عليها المضي قدمًا بحذر شديد. على سبيل المثال، أمضت المركبة الجوالة أوبورتيونيتي عامًا كاملاً وهي تقود بحذر حول حافة أحد هذه الجرف لتصويرها، في حين أنه "كان من الممكن الحصول على هذا النوع من الصور في غضون يومين بواسطة طائرة هليكوبتر"، كما يقول جولومبيك. قال.

عندما سُئل عما إذا كان هناك موقع معين على المريخ يود شخصيًا استكشافه بطائرات الهليكوبتر، ضحك جولومبيك. "هناك المئات - الآلاف!" هو قال. "مساحة سطح المريخ تشبه مساحة السطح المكشوفة فوق الماء على الأرض. فكر في الاختلافات بين جراند كانيون وجبال الهيمالايا، وبين المناطق الساحلية والمناطق الداخلية. هناك العديد من الأماكن المختلفة التي ستخبرك بأشياء مثيرة للاهتمام."

الأدوات في صندوق أدوات المريخ

اتفق الخبيران على أن مستقبل استكشاف المريخ لا يتعلق بطائرات هليكوبتر أو مركبات جوالة، بل باستخدام كليهما كما هو مطلوب لمهام مختلفة.

قال رافيتش: "أنا مهندس في القلب، لذا بالنسبة لي، كل هذه الأدوات عبارة عن أدوات في صندوق الأدوات". "بالنسبة للأجسام الجوية مثل المريخ، ستكون هناك حجة قوية مفادها أن المركبة الجوية هي الحل لكل ما تريد القيام به. إذا كنت تريد النزول إلى حفرة كبيرة مثل الوادي، أو إذا كنت ترغب في تسلق جبل، فسيكون هذا هو أفضل إجابة. ولكن هناك دائمًا حد لما يمكننا حمله - ولهذا السبب تكون الطيور خفيفة جدًا بينما الأفيال ليست كذلك - لذلك ستكون دائمًا قادرًا على القيام بالمزيد من العلوم وحمل المزيد باستخدام مركبة [أرضية]".

تصبح الحاجة إلى أنواع متعددة من المركبات أكثر وضوحًا عندما يدخل البشر في الصورة، عند التخطيط للبعثات المأهولة المستقبلية إلى المريخ. قال رافيتش: "ربما نحتاج إلى كليهما أيضًا". "إذا نظرت إلى الناس اليوم، فإننا نتفاعل مع المركبات الأرضية والمركبات الجوية، ولا أرى أن هذا يتغير."

توصيات المحررين

• رحلة كونية: الخدمات اللوجستية الصعبة المتمثلة في وضع الناس على المريخ
• الأجواء الاصطناعية: كيف سنبني قاعدة بهواء قابل للتنفس على المريخ
• 7 دقائق من الرعب: انهيار تسلسل الهبوط المجنون على المريخ لـ Perseverance
• يمثل غبار المريخ مشكلة كبيرة لرواد الفضاء. وإليك كيف تحاربها وكالة ناسا
• كيف ستبحث مركبة "بيرسيفيرانس روفر" التابعة لناسا عن الحياة على المريخ؟