پرواز گروهی ماهواره‌ها | هوافضای جوان

پرواز گروهی ماهواره‌ها

تا کنون بشر راه درازی را برای انجام پروژه‌های بزرگ در فضا توسط ماهواره­‌های بزرگ و پیچیده پشت سر گذاشته است. که حاصل آن تلسکوپ­‌های بزرگ و پیشرفته، ماهواره­‌های سنجش از دور، مخابراتی و ایستگاه­‌های فضایی حامل انسان می­‌باشد. یک رویکرد دیگر برای ورود به عرصه فضا برای انجام ماموریت­‌های فضایی به کارگیری گروهی از ماهواره­‌های کوچکتر و ساده است که در یک ساختار و هماهنگ با هم ماموریت را به انجام می­‌رسانند.

زمینه طراحی ماموریت برای پرواز گروهی ماهواره­‌ها یک زمینه جدید و رو به رشد است که باعث حرکت به سمت ماهواره‌هایی کوچکتر، سبک­تر ، ساده‌تر و در نهایت ماهواره­‌های ارزان­­­تر که ماموریت را با قابلیت اطمینان بیشتری به انجام می­‌رساند شده است.

در پرواز گروهی پروازی ماهواره‌ها با حفظ ساختار خود و در فاصله­‌هایی که نسبت به شعاع مدار پروازی ماهواره فاصله کمی است، پرواز می­‌کنند.

این ویژگی­ همان چیزی است که بین پرواز گروهی و هماهنگ (constellation) تفاوت ایجاد می­کند. در واقع در پرواز گروهی باید در مورد این مساله که فاصله نسبی ماهواره­‌ها کم است به خوبی فکر کنیم، در حالی که این مساله در پرواز هماهنگ وجود ندارد.

در ابتدا به نظر می‌رسد که پرواز گروهی ماهواره‌ها سود چندانی ندارد، چون به محض این که یک ماهواره را با چند ماهواره جایگزین می­‌کنیم تعدادی مساله برای ما پیش می­‌آید که پیش از این وجود نداشت. مسائلی همچون تنظیم فاصله بین ماهواره‌­ها، تبادل اطلاعات بین ماهواره­‌ها، نحوه تقسیم وظیفه بین اجزا، اثر اغتشاشات بر شکل ساختار، نحوه ارسال و به کارگیری ماهواره­‌ها در ساختار و … .

در پرواز گروهی که یک ماهواره با تعدادی ماهواره دیگر جایگزین می­‌شود، ماهواره­‌ها باید بتوانند با یکدیگر تبادل اطلاعات کنند و کارهای خود را با هماهنگی انجام دهند تا بتوانند یک ماموریت مشرک را به انجام برسانند. این مسائل جدا از نیازمندی­‌هایی که در زیر سیستم‌های الکترونیکی ماهواره ایجاد می­‌کنند، باعث می­‌شوند که ماهواره به یک سیستم بسیار دقیق برای تعیین وضعین نسبی ماهواره­‌ها نیاز داشته باشد. در نتیجه در پرواز گروهی نیازمند تکنیک­‌های جدیدی برای تغییر ساختار و عوض کردن جهت مجموعه ماهواره­‌ها نسبت به حالتی که یک ماهواره داریم هستیم.

­­­وقتی که یک ماهواره داریم به سادگی می­‌توانیم جهت یک سنسور را عوض کنیم، ولی در پرواز گروهی باید موقعیت نسبی ماهواره­‌ها یعنی مداری که هر ماهواره در آن می­‌چرخد را عوض کنیم.

مسائلی اینچنینی باعث می‌شود که پرواز گروهی ماهواره‌­ها به مساله‌ای به مراتب پیچیده‌­تر از پرواز ماهواره به تنهایی تبدیل شود. لذا این سوال که چرا ممکن است پرواز گروهی بهتر از یک ماهواره باشد، بی جواب می‌ماند.

در پاسخ باید گفت که وقتی یک ماهواره برای اجرای وظایفی طراحی می­‌شود به تجهیزات پیچیده‌ای نیاز پیدا می‌کند و در عین حال با قیودی مواجه است مثلا اینکه ماهواره وزن محدودی دارد و یا اینکه باید قابلیت اطمینان داشته باشد و ایجاد قابلیت اطمینان در یک سیستم پیچیده به مراتب سخت‌تر از یک سیستم ساده است. گروه ماهواره­‌ها امکان پخش کردن تجهیزات در چند ماهواره را فراهم می‌کند که این کار هم پیچیدگی سیستم را کاهش می­‌دهد و هم وزن ماهواره را. مزیت دیگر این است که بروز مشکل در یک ماهواره کل سیستم را مختل نمی­‌کند، و در صورت نیاز می‌­توان بخش خراب را جایگزین کرد و هزینه جایگزینی کل ماهواره خراب با ماهواره سالم را کاهش داد.

از دیگر محاسن گروه ماهواره‌ها، توانایی نگاه کردن به هدف از جهات مختلف و در زمان­‌های مختلف است، که امکان شناسایی بهتر منطقه را ایجاد می­‌کند.

البته فایده استفاده از گروه ماهواره به کاهش هزینه و فزایش قابلیت اطمینان ختم نمی‌­شود. امروزه بعضی از ماموریت­‌ها به قیودی برخورد کرده‌اند که نیاز به پرواز گروهی احساس شده است برای مثال، آینه تلسکوپ‌هایی که در فضا از آنها استفاه می‌شود وزن زیاد و ابعاد بزرگی داردو با یک ماهواره قابل حمل نیست،این مشکل را می­توان با طراحی ماژولار قطعات آینه و سرهم کردن آنها در مدار برطرف کرد. همچنین می­‌توان با استفاده­ از چند تلسکوپ که در یک ساختار با هم پرواز می­‌کنند، زاویه دید را هم افزایش داد.

پرواز گروهی دارای چهار جز اصلی است که در ادامه به برخی از آن‌ها می‌پردازیم:

طراحی ساختار و شکل گروه

موقعیت­یابی نسبی ( Relative navigation )

تبادل اطلاعات بین ماهواره­‌ها

کنترل شکل ساختار

شکل گروه

ساده‌ترین حالت استفاده از ماهواره­‌ها در پرواز گروهی این است که همه ماهواره­‌ها در یک مدار و پشت سر هم پرواز کنند، این نوع پرواز از حیث کنترل بسیار مطلوب است. این ساختار برای اندازه‌­گیری­­‌های جوی و مشاهده زمین به کار می‌رود. نمونه عملیاتی این ساختار ماهواره Landsat 7 می­‌باشد که به دنبال آن و با فاصله زمانی یک دقیقه ماهواره Earth observation 1 پرواز می­‌کند.

inline

ساختار پاندولی

این ساختار بهینه شده ساختار حرکت پشت سر هم می­‌باشد. در این حالت ارتفاع پرواز دو ماهواره برابر است ولی صفحه مدار ماهواره­‌ها اندکی با هم تفاوت دارد لذا دو ماهواره می‌­توانند علاوه بر راستای حرکت، در راستای عمود بر مسیر حرکت هم هدف مورد نظر خود را بررسی کنند.

%d9%be%d8%a7%d9%86%d8%af%d9%88%d9%84%db%8c

ساختارهای دیگر

البته همانطور که در ابتدای بحث هم گفته شد، ساختار مورد استفاده ظاهری یکتا ندارد و تا کنون اشکال مختلفی همچون ساختار هرمی، و هندسه­‌های فضایی دیگری بررسی شده اند که تصاویر آنها را در ادامه مشاهده می­‌کنید.

colomb

شکل(۳)

شکل(۳) یک ساختار تشکیل شده از ماهواره­‌های باردار که با کابل به هم متصل شده‌­اند را نشان می‌دهد.

techsat

شکل(۴)

TechSat-21 توسط دفتر تحقیقاتی نیروی هوایی آمریکا طراحی شده و هدف آن آزمایش روی تکنولوژی‌­های پرواز گروهی ماهواره­‌هاست. این سیستم به دلیل هزینه زیاد کنسل شد. شکل(۴).

elisa

شکل(۵)

شکل(۵) ماموریت ELISA را نشان می‌دهد. این ماموریت از سه ماهواره( یک ماهواره‌ی مادر و دو ماهواره‌ی وابسته) تشکیل شده است که با دو بازوی لیزری برای تداخل سنجی (interferometry) به یکدیگر متصل می­‌باشند. این سه ماهواره در فاصله ۱ میلیون کیلومتری از هم به گون‌ه­ای قرار داده می‌­شوند که بدون کنترل مداری در موقعیت نسبی پایداری قرار بگیرند. به دلیل بزرگ بودن بازوهای اندازه­‌گیری، این آرایش قادر خواهد بود امواج جاذبه در بازه ۰.۱ مگاهرتز تا یک هرتز را اندازه بگیرد که برای سیستم­‌های موجود دیگر به دلیل ابعاد محدود ممکن نخواهد بود.

 کنترل شکل ساختار

همانطور که گفته شد، از آنجا که در پرواز گروهی، ماهواره‌­ها در فاصله نسبی کمی از هم پرواز می‌­کنند، لازم است برای حفظ و کنترل این فاصله چاره‌­ای اندیشیده شود، از آنجا که ماهواره­‌ها پیوسته در معرض انواع اغتشاشات قرار دارند، موقعیت نسبی ماهواره‌­ها در یک ساختار پیوسته در حال تغییر است، کنترل این تغییرات به اندازه‌گیری دقیق موقعیت نسبی ماهواره­‌ها و اعمال کنترل دقیق روی موقعیت‌ها دارد. مکانیزم کنترل موقعیت یک مکانیزم چالش برانگیز است، زیرا جدای  از بحث دقت مکانیزم، کنترل دائم موقعیت، ماهواره را مجبوذ می‌کند که مقدار زیادی سوخت را با خود حمل کند. بنابراین مهندسان تلاش‌ کرده‌اند که نیاز به مصرف سوخت را کم کنند.

کنترل موقعیت فعال توسط پیشران

قرار دادن ماهواره ­در گروه و کنترل موقعیت آنها توسط پیشران یکی ساده­‌ترین روش­های کنترل موقعیت است، ولی این روش از نظر سوخت مورد نیاز برای انجام این کار و طراحی پیشران­‌های دقیق کار سخت و پرهزینه­‌ای است.

colomb2 کنترل جهت­گیری ساختار توسط نیروی پیشران بعضی از اعضا

کنترل موقعیت نسبی توسط کابل

یکی از راه­های ساده برای حفظ ساختار، این است که ابتدا مجموعه ماهواره­‌ها به یکیدیگر متصل باشند و سپس در صفصه عمود بر راستای هدف شروع به چرخش کنند، باز شدن تدریجی کابل­‌ها موجب فاصله گرفتن ماهواره­‌ها از هم می­‌شود.

استفاده از کابل دو ویژگی خوب دارد، یک اینکه با استفاده از طول کابل باز شده می­توان فاصله ماهواره­‌ها از یکدیگر را تشخیص داد، و دیگر اینکه با به کار بردن سنسورهای تشخیص نیرو و جهت در راستاهای مختلف، در محل اتصال کابل به ماهواره، وضعیت نسبی (زوایا) ماهواره­‌ها را نیز تعیین نمود.

mit

شکل(۶) نانو ماهواره­‌های طراحی شده در MIT که با کابل به یکدیگر متصل شده­اند

به طور کلی قابلیت­‌هایی که ماموریت­ گروهی ماهواره­‌ها ایجاد می­‌کند دریچه جدیدی برای انجام تحقیقات علمی و زمینه­‌ای نو برای طراحی ماموریت­‌های فضایی در اختیار می­‌گذارد. ولی این ماموریت­‌ها با چالش­‌های جدید تکنولوژی از جمله کنترل دقیق موقعیت نسبی همراه است که همچنان عملی شدن پرواز گروهی ماهواره­‌ها را تحت تاثیر خود قرار می­‌دهد.

 

 

 

 


یک دیدگاه در ”پرواز گروهی ماهواره‌ها

  • ۲۳ خرداد ۱۳۹۶ در ۶:۱۷ ب.ظ
    پیوند یکتا

    با با من که مدهوش این علم و تکتولوژی شدم

    پاسخ

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.