المركبة الفضائية الآلية هي مركبة فضائية غير مأهولة ، وعادة ما تكون تحت السيطرة الآلية. وغالبا ما يطلق على مركبة فضائية روبوتية صممت لعمل قياسات البحث العلمي مسبارا فضائيا. تعتبر العديد من البعثات الفضائية أكثر ملاءمةً للعملية التشعبية بدلاً من التشغيل المأهول ، وذلك بسبب انخفاض التكلفة وانخفاض عوامل الاختطار. بالإضافة إلى ذلك ، فإن بعض الوجهات الكوكبية مثل فينوس أو جوبيتر المشتري هي معادية للغاية لبقاء الإنسان ، نظرا للتكنولوجيا الحالية. الكواكب الخارجية مثل زحل وأورانوس ونبتون بعيدة جدًا عن الوصول إليها باستخدام تكنولوجيا الطيران الفضائي المأهولة حاليًا ، لذا فإن المسابر البعيدة هي الطريقة الوحيدة لاستكشافها.

والكثير من الأقمار الاصطناعية الاصطناعية هي مركبات فضائية روبوتية ، كما هو الحال بالنسبة للعديد من مركبات الهبوط والأرض.

التاريخ
تم إطلاق أول مركبة فضائية روبوتية من قبل الاتحاد السوفييتي (اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية) في 22 يوليو 1951 ، رحلة شبه مدارية تحمل كلبين Dezik و Tsygan. تم إجراء أربع رحلات أخرى مماثلة خلال خريف عام 1951.

تم وضع أول ساتل اصطناعي ، سبوتنيك 1 ، في مدار أرضي بطول 215-by-939 كيلومتر (116 في 507 نيمي) من قبل الاتحاد السوفييتي في 4 أكتوبر 1957. في 3 نوفمبر 1957 ، دار الاتحاد السوفييتي حول سبوتنيك 2. وزن 113 كيلوجرام (249 رطل) ، حمل سبوتنيك 2 أول حيوان حي في مداره ، الكلب لايكا. وبما أن الساتل لم يُصمم ليتم فصله عن المرحلة العليا لمركبة الإطلاق ، فإن الكتلة الكلية في المدار كانت 508.3 كيلوغرام (1،121 رطلاً).

في السباق الوثيق مع السوفييت ، أطلقت الولايات المتحدة أول قمر اصطناعي لها ، إكسبلورر 1 ، في مدار 193 ميلًا من 1،373 ميل بحري (357 كم 2،543 كم) في 31 يناير 1958. إكسبلورر كنت 80.75 بوصة (205.1 سم) بطول 6.00 بوصة (15.2 سم) قطرها وزنها 30.8 رطلا (14.0 كجم) ، مقارنة مع سبوتنك 1 ، وهو مجال 58 سم (23 بوصة) التي تزن 83.6 كيلوغراما (184 رطل). وقد حمل إكسبلورر 1 أجهزة استشعار أكدت وجود أحزمة فان ألين ، وهو اكتشاف علمي كبير في ذلك الوقت ، في حين لم يكن سبوتنيك 1 يحمل أي مستشعرات علمية. في 17 آذار / مارس 1958 ، تدور الولايات المتحدة حول قمرها الصناعي الثاني ، فانغارد 1 ، الذي كان بحجم حبة الجريب فروت ، ويظل في مدار 360 ميلًا × 2،080 ميل بحري (670 × 3،850 كم) اعتبارًا من عام 2016.

نجحت تسعة بلدان أخرى في إطلاق أقمار صناعية باستخدام مركبات الإطلاق الخاصة بها: فرنسا (1965) واليابان والصين (1970) والمملكة المتحدة (1971) والهند (1980) وإسرائيل (1988) وإيران (2009) وكوريا الشمالية ( 2012) ، ونيوزيلندا (2018).

التصميم
في تصميم المركبة الفضائية ، تعتبر القوات الجوية الأمريكية مركبة تتكون من الحمولة النافعة للبعثة والحافلة (أو المنصة). توفر الحافلة البنية الفيزيائية والتحكم الحراري والطاقة الكهربائية والتحكم في الموقف والقياس عن بعد والتتبع والقيادة.

JPL يقسم “نظام الطيران” من مركبة فضائية في النظم الفرعية. وتشمل هذه:

بناء
هذا هو الهيكل الأساسي الفيزيائي. قيل:

يوفر السلامة الميكانيكية الشاملة للمركبة الفضائية
يضمن دعم مكونات المركبة الفضائية ويمكن أن تتحمل حمولات الإطلاق

معالجة البيانات
ويشار أحيانًا إلى النظام الفرعي للبيانات والبيانات. غالبًا ما تكون مسؤولة عن:

تخزين تسلسل الأوامر
الحفاظ على مدار الساعة المركبة الفضائية
جمع بيانات عن القياس عن بعد للمركبة الفضائية والإبلاغ عنها (مثل صحة المركبة الفضائية)
جمع بيانات البعثة والإبلاغ عنها (مثل الصور الفوتوغرافية)

تحديد الموقف والتحكم فيه
هذا النظام مسؤول بشكل رئيسي عن التوجه الصحيح للمركبة الفضائية في الفضاء (الموقف) على الرغم من تأثيرات التدرج الخارجي للجاذبية المضطربة ، وعزم الدوران في المجال المغنطيسي ، والإشعاع الشمسي ، والسحب الأيرودينامي ؛ بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون مطلوبًا إعادة وضع الأجزاء المتحركة ، مثل الهوائيات والمصفوفات الشمسية.

الهبوط على التضاريس الخطرة
في بعثات استكشاف الكواكب التي تشمل المركبات الفضائية الروبوتية ، هناك ثلاثة أجزاء رئيسية في عمليات الهبوط على سطح الكوكب لضمان الهبوط الآمن والناجح. وتشمل هذه العملية الدخول في مجال الجاذبية الكوكبية والغلاف الجوي ، والنزول من خلال هذا الغلاف الجوي نحو المنطقة المستهدفة / المستهدفة ذات القيمة العلمية ، والهبوط الآمن الذي يضمن الحفاظ على سلامة الأجهزة على متن المركبة. في الوقت الذي تمر فيه المركبات الفضائية الآلية بهذه الأجزاء ، يجب أن تكون قادرة على تقدير موقعها مقارنة بالسطح من أجل ضمان التحكم الموثوق بها لنفسها وقدرتها على المناورة بشكل جيد. كما يجب على المركبات الفضائية الآلية أن تقوم بكفاءة بإجراء تقييم المخاطر وتعديلات المسار في الوقت الفعلي لتجنب المخاطر. ولتحقيق ذلك ، تتطلب المركبة الفضائية الآلية معرفة دقيقة عن المكان الذي توجد فيه المركبة الفضائية بالنسبة للسطح (التوطين) ، والذي يمكن أن يشكل مخاطر من التضاريس (تقييم المخاطر) ، وحيث ينبغي أن توجه المركبة الفضائية في الوقت الحاضر (تجنب الأخطار). وبدون القدرة على عمليات التوطين وتقييم المخاطر وتجنبها ، تصبح المركبة الفضائية الآلية غير آمنة ويمكنها بسهولة الدخول في حالات خطرة مثل التصادمات السطحية ومستويات استهلاك الوقود غير المرغوب فيها و / أو المناورات غير الآمنة.

الدخول والنزول والهبوط
يشتمل الاستشعار المتكامل على خوارزمية تحويل الصور لتفسير بيانات الأرض الفورية للصور ، وإجراء كشف في الوقت الفعلي وتجنب مخاطر التضاريس الأرضية التي قد تعوق الإنزال الآمن ، وزيادة دقة الهبوط في موقع الاهتمام المطلوب باستخدام تقنيات التعريب التاريخية. ويكمل الاستشعار المتكامل هذه المهام بالاعتماد على المعلومات والكاميرات المسجلة مسبقًا لفهم موقعها وتحديد موقعها وما إذا كانت صحيحة أو تحتاج إلى إجراء أي تصحيحات (الترجمة). تستخدم الكاميرات أيضًا للكشف عن أي مخاطر محتملة سواء كانت زيادة في استهلاك الوقود أو أنها تشكل خطرًا ماديًا مثل نقطة هبوط ضعيفة في فوهة أو جانب جرف يجعل من الهبوط غير مثالي (تقييم المخاطر).

الاتصالات السلكية و اللاسلكية
وتشمل المكونات في النظام الفرعي للاتصالات اللاسلكية الهوائيات الراديوية وأجهزة الإرسال وأجهزة الاستقبال. ويمكن استخدام هذه للتواصل مع المحطات الأرضية على الأرض ، أو مع المركبات الفضائية الأخرى.

الطاقة الكهربائية
عادة ما يكون مصدر الطاقة الكهربائية على متن المركبة الفضائية من الخلايا الشمسية (الضوئية) أو من مولد حراري كهربي يعمل بالنظائر المشعة. تتضمن المكونات الأخرى للنظام الفرعي بطاريات لتخزين الطاقة ودوائر التوزيع التي تربط المكونات بمصادر الطاقة.

التحكم في درجة الحرارة والحماية من البيئة
وغالبا ما تكون المركبات الفضائية محمية من تقلبات درجات الحرارة مع العزل. تستخدم بعض المركبات الفضائية المرايا والشمسيات لحماية إضافية من التسخين الشمسي. كما أنهم يحتاجون في كثير من الأحيان إلى الحماية من النيازك الدقيقة والحطام المداري.

دفع
دفع المركبات الفضائية هو طريقة تسمح للمركبة الفضائية بالسفر عبر الفضاء عن طريق توليد قوة دفع لدفعها إلى الأمام. ومع ذلك ، لا يوجد نظام دفع واحد عالمي الاستخدام: monopropellant ، bipropellant ، ion propulsion ، إلخ. كل نظام دفع يولد الدفع بطرق مختلفة قليلاً مع كل نظام له مميزاته وعيوبه. ولكن معظم محركات المركبات الفضائية اليوم تعتمد على محركات الصواريخ. الفكرة العامة وراء محركات الصواريخ هي أنه عندما يلبي المؤكسد مصدر الوقود ، هناك إطلاق متفجر للطاقة والحرارة بسرعات عالية ، مما يدفع المركبة الفضائية إلى الأمام. يحدث هذا بسبب مبدأ أساسي واحد يعرف باسم قانون نيوتن الثالث. وفقا لنيوتن ، “لكل فعل هناك رد فعل متساو ومعاكس”. ومع إطلاق الطاقة والحرارة من مؤخرة المركبة الفضائية ، يتم دفع جسيمات الغاز حولها للسماح للمركبة الفضائية بالاندفاع إلى الأمام. السبب الرئيسي وراء استخدام محرك الصاروخ اليوم هو أن الصواريخ هي أقوى أنواع الدفع هناك.

Monopropellant
لكي يعمل نظام الدفع ، عادة ما يكون هناك دائما خط مؤكسد وخط وقود. بهذه الطريقة ، يتم التحكم في دفع المركبة الفضائية. ولكن في نظام الدفع الأحادي القطب ، لا توجد حاجة إلى خط مؤكسد ولا يتطلب سوى خط الوقود. هذا يعمل بسبب كون المؤكسد مرتبط كيميائياً في جزيء الوقود نفسه. ولكن من أجل التحكم بنظام الدفع ، لا يمكن أن يحدث احتراق الوقود إلا بسبب وجود محفز. هذا هو مفيد للغاية بسبب جعل محرك الصاروخ أخف وزنا وأرخص ، من السهل السيطرة عليها ، وأكثر موثوقية. ولكن ، السقوط هو أن المادة الكيميائية شديدة الخطورة في التصنيع والتخزين والنقل.

Bipropellant
نظام الدفع ثنائي الدفع هو محرك صاروخي يستخدم دافعًا سائلاً. وهذا يعني أن كلا من المؤكسد وخط الوقود في الحالات السائلة. هذا النظام فريد من نوعه لأنه لا يحتاج إلى نظام إشعال ، فالسائلين سوف يحدثان تلقائياً بمجرد اتصالهما ببعضهما البعض وينتج الدفع لدفع السفينة إلى الأمام. والفائدة الرئيسية لهذه التقنية هي أن هذه الأنواع من السوائل ذات كثافة عالية نسبياً ، مما يسمح لحجم خزان الدفع أن يكون صغيراً ، وبالتالي زيادة فعالية الفضاء. الجانب السلبي هو نفسه مثل نظام الدفع الأحادي القطب: خطير جدًا على التصنيع والتخزين والنقل.

أيون
نظام الدفع الأيوني هو نوع من المحركات التي تولد الدفع عن طريق قصف الإلكترون أو تسارع الأيونات. عن طريق إطلاق إلكترونات عالية الطاقة إلى ذرة دافعة (شحنة محايدة) ، فإنه يزيل الإلكترونات من ذرة الدفع وهذا ينتج ذرة الدفع التي تصبح ذرة مشحونة إيجابيا. يتم توجيه الأيونات المشحونة إيجابياً بالمرور عبر شبكات مشحونة إيجابياً تحتوي على آلاف الثقوب المحاذية الدقيقة التي تعمل بجهود فولطية عالية. ثم ، تتسارع الأيونات المحايدة الموجبة الشحنة عبر شبكة مسرع مشحونة سالب تزيد من سرعة الأيونات حتى 90،000 ميل في الساعة. يوفر زخم هذه الأيونات الموجبة الشحنة الدافع لدفع المركبة الفضائية إلى الأمام. ميزة وجود هذا النوع من الدفع هو أنه فعال بشكل لا يصدق في الحفاظ على سرعة ثابتة ، والتي هي ضرورية للسفر في الفضاء العميق. ومع ذلك ، فإن كمية الدفع المنتجة منخفضة للغاية وأنها تحتاج إلى الكثير من الطاقة الكهربائية للعمل.

الأجهزة الميكانيكية
غالبًا ما يلزم نقل المكونات الميكانيكية للنشر بعد الإطلاق أو قبل الهبوط. بالإضافة إلى استخدام المحركات ، يتم التحكم في العديد من الحركات لمرة واحدة بواسطة أجهزة الألعاب النارية.

الروبوتية مقابل المركبات الفضائية غير المأهولة
المركبة الفضائية الروبوتية مصممة خصيصا لنظام بيئة معادية محددة. نظرا لمواصفاتها لبيئة معينة ، فإنه يختلف اختلافا كبيرا في التعقيد والقدرات. في حين أن المركبة الفضائية غير المأهولة هي مركبة فضائية بدون أفراد أو طاقم ويتم تشغيلها بشكل أوتوماتيكي (عائدات مع عمل دون تدخل بشري) أو التحكم عن بعد (مع تدخل بشري). لا يعني مصطلح “المركبة الفضائية غير المأهولة” أن المركبة الفضائية آلية.

مراقبة
تستخدم المركبة الفضائية الروبوتية القياس عن بعد للراديو إلى الأرض المكتسبة والمعلومات عن حالة المركبة. على الرغم من أنه يشار إليه عمومًا باسم “التحكم عن بعد” أو “telerobotic” ، فإن أول مركبة فضائية مدارية – مثل Sputnik 1 و Explorer 1 – لم تستلم إشارات تحكم من الأرض. بعد وقت قصير من هذه المركبة الفضائية الأولى ، تم تطوير أنظمة القيادة للسماح بالتحكم عن بعد من الأرض. زيادة الاستقلالية أمر مهم للمجالات البعيدة حيث يمنع وقت السفر الضوء من اتخاذ القرار والتحكم السريع من الأرض. تعد المسابر الأحدث مثل كاسيني-هيغنز و Mars Exploration Rovers مستقلة للغاية وتستخدم أجهزة الكمبيوتر على متنها لتعمل بشكل مستقل لفترات طويلة من الزمن.

المسابر الفضائية
والمسبار الفضائي هو مركبة فضائية روبوتية لا تدور حول الأرض ، ولكن بدلا من ذلك ، يستكشف المزيد في الفضاء الخارجي. قد يقترب مسبار فضائي من القمر ؛ السفر عبر الفضاء بين الكواكب ؛ الطيران ، أو المدار ، أو الأرض على هيئات كوكبية أخرى ؛ أو أدخل الفضاء البينجمي.

التنين في SpaceX
مثال على مركبة فضائية روبوتية بالكامل في العالم الحديث سيكون DragonX’s SpaceX. سبيس إكس دراجون هي مركبة فضائية روبوتية مصممة لإرسال ليس فقط البضائع إلى مدار الأرض ، ولكن أيضا البشر أيضا. الارتفاع الكلي ل SpaceX Dragon هو 7.2 م (23.6 قدم) بقطر 3.7 م (12 قدم). تبلغ الكتلة الإجمالية لحمولة الإطلاق 6،000 كغم (13،228 رطل) وكتلة عائد إجمالي 3،000 كيلوغرام (6،614 رطل) ، إلى جانب إجمالي حجم الحمولة التي تبلغ 25 م ^ 3 (883 قدمًا ^ 3) وحجم إجمالي حمولة العودة يبلغ 11 م ^ 3 (388 قدمًا ^ 3). المدة الكلية للتنين في مدار الأرض سنتان.

في عام 2012 ، صنع سبيس إكس دراجون التاريخ عن طريق أن يصبح أول مركبة فضائية روبوتية تجارية لتسليم البضائع إلى محطة الفضاء الدولية وإعادة البضائع إلى الأرض بأمان في نفس الرحلة. هذا الإنجاز الذي حققه التنين لم يتحقق إلا من قبل من قبل الحكومات. في الوقت الحالي ، يهدف التنين إلى نقل البضائع بسبب قدرته على إعادة كميات كبيرة من البضائع إلى الأرض على الرغم من أنها مصممة أصلاً لنقل البشر.

والمسبار الفضائي هو مهمة استكشاف فضائية علمية تترك فيها مركبة فضائية الأرض وتستكشف الفضاء. قد تقترب من القمر ، تدخل الأجسام الكواكب ، الطيران أو المدارات الأخرى ، أو تقترب من الفضاء البينجمي.

مركبات خدمة المركبات الفضائية الروبوتية
MDA Space Service Servicing vehicle – مستودع للتزود بالوقود في الفضاء وخدمة مركبات فضائية لسواتل الاتصالات في مدار متزامن مع الأرض. الإطلاق المخطط لعام 2015. [بحاجة إلى تحديث]
مركبة الإرشاد الخاصة بالبعثة هي طريقة بديلة لا تستخدم نقل الوقود بنظام RCS في الفضاء. بدلاً من ذلك ، فإنه يتصل بالقمر المستهدف بنفس الطريقة التي يستخدمها نظام MDA SIS ، ثم يستخدم “أجهزة الدفع الخاصة به لتوفير التحكم في المواقف للهدف”.