ناسا تطلق Capstone ، وهو القمر الصناعي المكعب بوزن 55 رطلاً على القمر

26 يونيو 2022: أعلنت وكالة ناسا يوم الأحد عن تأخير يوم واحد على الأقل لإطلاق CAPSTONE لإتاحة مزيد من الوقت لإجراء فحوصات الأنظمة النهائية. تم تحديث المقال.

في السنوات القادمة ، ستكون ناسا مشغولة في القمر.

صاروخ عملاق يعلو كبسولة بدون رواد فضاء حول القمر والعودة ، ربما قبل نهاية الصيف. سيقوم موكب من مركبات الهبوط الروبوتية بإسقاط التجارب على القمر لجمع رزم من البيانات العلمية ، وخاصة حول الجليد المائي المحبوس في المناطق القطبية. بعد سنوات قليلة من الآن ، سيعود رواد الفضاء إلى هناك ، بعد أكثر من نصف قرن على آخر هبوط لأبولو على سطح القمر.

هذه كلها جزء من برنامج القمر للقرن الحادي والعشرين التابع لوكالة ناسا والذي سمي على اسم أرتميس ، الذي كان في الأساطير اليونانية الأخت التوأم لأبولو.

بمجرد هذا الأسبوع ، سيتم إطلاق مركبة فضائية تسمى CAPSTONE كأول قطعة من Artemis تتجه إلى القمر. بالمقارنة مع ما يجب اتباعه ، فهو متواضع في الحجم والنطاق.

لن يكون هناك أي رواد فضاء على متن CAPSTONE. المركبة الفضائية صغيرة جدًا ، بحجم فرن الميكروويف تقريبًا. لن يهبط هذا المسبار الآلي على القمر.

لكنها تختلف من نواح كثيرة عن أي مهمة سابقة للقمر. يمكن أن يكون بمثابة نموذج للشراكات بين القطاعين العام والخاص التي يمكن أن تقوم بها ناسا في المستقبل للحصول على تأثير أفضل على رحلاتها بين الكواكب.

قال برادلي شيثام ، الرئيس التنفيذي ورئيس شركة Advanced Space ، الشركة التي تدير مهمة وكالة ناسا: “لقد ذهبت ناسا إلى القمر من قبل ، لكنني لست متأكدًا من أنه تم تجميعها معًا على هذا النحو”.

كان من المقرر الإطلاق يوم الاثنين ، ولكن يوم الأحد ، تم تأجيل الإطلاق ليوم واحد على الأقل لمنح Rocket Lab ، شركة أمريكية ونيوزيلندية التي توفر رحلة CAPSTONE إلى المدار ، والمزيد من الوقت لإجراء فحوصات النظام النهائية.

وقالت ناسا: “تقوم الفرق بتقييم الطقس وعوامل أخرى لتحديد موعد محاولة الإطلاق التالية” في نشر مدونة. “فرصة الإطلاق التالية خلال الفترة الحالية هي يوم 28 يونيو”.

الاسم الكامل للمهمة هو عمليات تكنولوجيا نظام تحديد المواقع ذاتية الحكم Cislunar وتجربة الملاحة. سيكون بمثابة مستكشف للمدار القمري حيث سيتم في النهاية بناء محطة فضائية مأهولة كجزء من Artemis. ستعمل هذه البؤرة الاستيطانية ، المسماة Gateway ، كمحطة طريق حيث ستتوقف أطقم المستقبل قبل المتابعة إلى سطح القمر.

يعد CAPSTONE أمرًا غير معتاد بالنسبة لناسا من عدة نواحٍ. على سبيل المثال ، إنه موجود على منصة إطلاق ليس في فلوريدا ولكن في نيوزيلندا. ثانيًا ، لم تصمم ناسا أو تبني CAPSTONE ، ولن تقوم بتشغيله. الوكالة لا تملكها حتى. ينتمي CAPSTONE إلى Advanced Space ، وهي شركة تضم 45 موظفًا في ضواحي دنفر.

تتخذ المركبة الفضائية مسارًا بطيئًا ولكن فعالًا نحو القمر. هناك فرص إطلاق يومية حتى 27 يوليو. إذا انطلقت المركبة الفضائية من الأرض بحلول ذلك الوقت ، وبغض النظر عن اليوم الذي ستنطلق فيه ، فستصل إلى مدار حول القمر في نفس اليوم: 13 نوفمبر.

تواصل مهمة CAPSTONE جهود ناسا للتعاون بطرق جديدة مع الشركات الخاصة على أمل اكتساب قدرات إضافية بتكلفة أقل بسرعة أكبر.

قال بيل نيلسون ، مدير ناسا: “إنها طريقة أخرى لناسا لمعرفة ما تحتاجه لمعرفة ذلك وخفض التكلفة”.

تبلغ تكلفة عقد Advance Space مع وكالة ناسا لشركة CAPSTONE ، التي تم توقيعها في عام 2019 ، 20 مليون دولار. إن رحلة CAPSTONE إلى الفضاء صغيرة ورخيصة أيضًا: أقل بقليل من 10 ملايين دولار لإطلاق Rocket Lab.

قال كريستوفر بيكر ، المدير التنفيذي لبرنامج تكنولوجيا المركبات الفضائية الصغيرة في وكالة ناسا: “ستكون أقل من 30 مليون دولار في أقل من ثلاث سنوات”. “تكلفة سريعة نسبيًا ومنخفضة نسبيًا”.

حتى بيريشيت ، جهد ضئيل من قبل منظمة إسرائيلية غير ربحية للهبوط على سطح القمر في عام 2019 ، بتكلفة 100 مليون دولار.

قال السيد بيكر: “إنني أرى هذا كمرشد لكيفية المساعدة في تسهيل المهمات التجارية خارج الأرض”.

قال السيد شيثام إن المهمة الأساسية لـ CAPSTONE هي أن تستمر ستة أشهر ، مع إمكانية سنة إضافية.

ستساعد البيانات التي تجمعها مخططي البؤرة الاستيطانية القمرية المعروفة باسم البوابة.

عندما أعلن الرئيس دونالد ج.

دفع ذلك وكالة ناسا إلى جعل محطة فضائية حول القمر جزءًا أساسيًا من كيفية وصول رواد الفضاء إلى سطح القمر. مثل هذا الموقع التدريجي سيجعل من السهل عليهم الوصول إلى أجزاء مختلفة من القمر.

لن تستخدم Gateway أول مهمة هبوط من طراز Artemis ، والتي من المقرر إجراؤها حاليًا في عام 2025 ولكن من المحتمل أن يتم تأجيلها. لكن البعثات اللاحقة سوف.

قررت وكالة ناسا أن أفضل مكان لوضع هذه البؤرة الاستيطانية سيكون في ما يعرف بمدار هالة شبه مستقيم.

مدارات الهالة هي تلك التي تتأثر بجاذبية جسمين – في هذه الحالة ، الأرض والقمر. يساعد تأثير الجسمين في جعل المدار مستقرًا للغاية ، مما يقلل من كمية الوقود اللازم للحفاظ على دوران المركبة الفضائية حول القمر.

كما أن تفاعلات الجاذبية تحافظ أيضًا على المدار بزاوية 90 درجة تقريبًا عند عرض خط البصر من الأرض. (هذا هو الجزء شبه المستقيم من الاسم.) وبالتالي ، فإن المركبة الفضائية في هذا المدار لا تمر أبدًا خلف القمر حيث سيتم قطع الاتصالات.

يقع المدار الذي ستسافره البوابة على بعد حوالي 2200 ميل من القطب الشمالي للقمر ويدور على بعد 44000 ميل بينما يمر فوق القطب الجنوبي. ستستغرق رحلة واحدة حول القمر حوالي أسبوع.

من حيث الرياضيات الأساسية ، فإن المسارات الغريبة مثل مدار هالة قريب من المستقيم مفهومة جيدًا. لكن هذا أيضًا مدار لم تذهب إليه أي مركبة فضائية من قبل.

وهكذا ، CAPSTONE.

قال دان هارتمان ، مدير البرنامج في Gateway: “نعتقد أن لدينا خصائص مميزة للغاية”. “ولكن مع حمولة CAPSTONE المحددة ، يمكننا المساعدة في التحقق من صحة نماذجنا.”

من الناحية العملية ، بدون أي أقمار صناعية لنظام تحديد المواقع العالمي حول القمر لتحديد المواقع بدقة ، قد يستغرق الأمر بعض التجربة والخطأ لمعرفة أفضل السبل للحفاظ على المركبة الفضائية في المدار المطلوب.

قال السيد شيثام: “أكبر عدم يقين هو معرفة مكانك في الواقع”. “أنت لا تعرف حقًا مكانك في الفضاء أبدًا. لذلك لديك دائمًا تقدير لمكانها مع وجود بعض عدم اليقين حولها “.

مثل بعثات ناسا الأخرى ، سيقوم CAPSTONE بتثليث تقدير موقعه باستخدام إشارات من شبكة الفضاء السحيق التابعة لناسا من هوائيات طبق الراديو ثم ، إذا لزم الأمر ، يدفع نفسه مرة أخرى نحو المدار المطلوب بعد اجتياز أبعد نقطة من القمر.

سيختبر CAPSTONE أيضًا طريقة بديلة للعثور على موقعه. من غير المحتمل أن يقضي أي شخص الوقت والنفقات لبناء شبكة GPS حول القمر. ولكن هناك مركبات فضائية أخرى ، بما في ذلك مركبة الاستطلاع المداري القمرية التابعة لناسا، يدور حول القمر ، ومن المرجح أن يصل المزيد في السنوات القادمة. من خلال التواصل مع بعضها البعض ، يمكن لأسطول من المركبات الفضائية في مدارات متباينة أن ينشئ في جوهره نظامًا مخصصًا لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

تعمل شركة Advanced Space على تطوير هذه التقنية منذ أكثر من سبع سنوات ، والآن ستختبر المفهوم مع CAPSTONE لإرسال إشارات ذهابًا وإيابًا باستخدام مركبة الاستطلاع المدارية Lunar Reconnaissance Orbiter. قال السيد شيثام: “سنكون قادرين على تحديد موقع كلتا المركبتين الفضائيتين بمرور الوقت”.

عندما بدأت في تطوير CAPSTONE ، قررت Advanced Space أيضًا إضافة ساعة ذرية بمقياس رقاقة الكمبيوتر إلى المركبة الفضائية ومقارنة ذلك الوقت بما يتم بثه من الأرض. يمكن أن تساعد هذه البيانات أيضًا في تحديد موقع المركبة الفضائية.

نظرًا لأن Advanced Space تمتلك CAPSTONE ، فقد كانت تتمتع بالمرونة لإجراء هذا التغيير دون الحصول على إذن من وكالة ناسا. وبينما لا تزال الوكالة تتعاون بشكل وثيق في مثل هذه المشاريع ، يمكن أن تكون هذه المرونة نعمة لكل من الشركات الخاصة مثل Advanced Space و NASA.

قال السيد شيثام: “نظرًا لأن لدينا عقدًا تجاريًا مع البائعين لدينا ، عندما احتجنا إلى تغيير شيء ما ، لم يكن علينا المرور بمراجعة كبيرة لمسؤولي التعاقد الحكوميين”. “لقد ساعد ذلك من منظور السرعة.”

الجانب الآخر هو أنه نظرًا لأن شركة Advanced Space قد تفاوضت على رسوم ثابتة للمهمة ، لم تتمكن الشركة من الذهاب إلى وكالة ناسا لطلب أموال إضافية (على الرغم من أنها تلقت مدفوعات إضافية بسبب تأخيرات في سلسلة التوريد بسبب جائحة Covid-19). تقوم عقود ناسا التقليدية المعروفة باسم “التكلفة الإضافية” بتعويض الشركات عما تنفقه ثم تضيف رسومًا – يتم تلقيها كأرباح – علاوة على ذلك ، مما يوفر حافزًا ضئيلًا لها للحفاظ على التكاليف تحت السيطرة.

قال السيد شيثام: “مع ظهور الأمور ، كان علينا معرفة كيفية التعامل معها بكفاءة عالية”.

هذا مشابه لاستراتيجية ناسا الناجحة في استخدام عقود السعر الثابت مع شركة إيلون ماسك SpaceX ، والتي تنقل الآن البضائع ورواد الفضاء من وإلى محطة الفضاء الدولية بتكلفة أقل بكثير من مكوكات الفضاء الخاصة بالوكالة في السابق. بالنسبة إلى SpaceX ، مكنتها استثمارات ناسا من جذب عملاء من غير ناسا مهتمين بإطلاق الحمولات ورواد فضاء خاصين إلى المدار.

حتى CAPSTONE ، كان عمل Advanced Space في الغالب نظريًا – تحليل المدارات وكتابة البرامج لنظام تحديد المواقع العالمي المخصص – وليس بناء وتشغيل المركبات الفضائية.

لا تزال الشركة لا تعمل بالفعل في مجال بناء المركبات الفضائية. قال السيد شيثام: “اشترينا المركبة الفضائية”. “أخبر الناس أن الأجهزة الوحيدة التي نبنيها هنا في Advanced هي Legos. لدينا مجموعة كبيرة من Lego “.

في العقدين الماضيين ، انتشرت الأقمار الصناعية الصغيرة المعروفة باسم CubeSats، مما يمكّن المزيد من الشركات من بناء مركبات فضائية بسرعة بناءً على تصميم موحد يبلغ حجم كل مكعب فيه 10 سم أو أربع بوصات. يعد CAPSTONE من بين أكبرها ، حيث يبلغ حجمه 12 مكعبًا ، لكن Advanced Space كانت قادرة على شرائه ، تقريبًا ، من أنظمة Tyvak Nano-Satellite في إيرفين ، كاليفورنيا.

هذا لا يزال يتطلب الكثير من حل المشكلات. فمثلا، معظم CubeSats في مدار أرضي منخفض ، على بعد بضع مئات من الأميال فوق السطح. يبعد القمر ما يقرب من ربع مليون ميل.

قال السيد شيثام: “لم يطير أحد بكوبسات على القمر”. “لذا فمن المنطقي أنه لم يقم أحد ببناء أجهزة راديو لتحليق CubeSats على القمر. ولذا كان علينا الغوص حقًا في فهم الكثير من هذه التفاصيل والمشاركة في الواقع مع مجموعة من الأشخاص المختلفين للحصول على الأنظمة التي يمكن أن تعمل “.

السيد هارتمان ، مدير برنامج جيتواي ، متحمس بشأن CAPSTONE لكنه يقول إنه ليس من الضروري المضي قدمًا في البؤرة الاستيطانية القمرية. منحت وكالة ناسا بالفعل عقودًا لبناء أول وحدتين من Gateway. تساهم وكالة الفضاء الأوروبية أيضًا في وحدتين.

“هل يمكننا الطيران بدونها؟” قال السيد هارتمان عن CAPSTONE. “نعم. هل هو إلزامي؟ رقم.”

لكنه أضاف ، “في أي وقت يمكنك فيه تقليل أشرطة الخطأ في نماذجك يكون دائمًا أمرًا جيدًا.”

يفكر السيد شيثام فيما يمكن أن يأتي بعد ذلك ، ربما المزيد من البعثات إلى القمر ، إما لناسا أو لشركاء تجاريين آخرين. إنه يفكر أيضًا أبعد من ذلك.

قال: “أنا مفتون جدًا بالتفكير في كيف يمكننا أن نفعل شيئًا مشابهًا للمريخ”. “أنا مهتم شخصيًا جدًا بالزهرة أيضًا. أعتقد أنه لا يحظى بالاهتمام الكافي “.