Assessing Collision Probability in Low-Thrust Deorbit
تقيم هذه الورقة مخاطر الاصطدام المرتبطة بمهام إخراج الأقمار الصناعية من المدار باستخدام الدفع المنخفض، وتجري دراسات بارامترية لتحليل العلاقة بين وقت إعادة الدخول واحتمالية الاصطدام.
أصبح الفضاء المحيط بالأرض مزدحماً بشكل متزايد. فبعيداً عن الأقمار الصناعية المألوفة التي تشغل اتصالاتنا العالمية وتوقعاتنا الجوية، هناك عدد متزايد من المركبات الفضائية المعطلة وشظايا ناتجة عن اصطدامات سابقة، وكلها تدور بسرعات عالية. يشكل هذا الحطام تهديداً خطيراً للأقمار الصناعية النشطة؛ إذ يمكن لاصطدام واحد أن يحطم مركبة فضائية إلى آلاف القطع الجديدة، مما يخلق تفاعلاً متسلسلاً قد يجعل مناطق مدارية بأكملة غير صالحة للاستخدام. ولمنع حدوث ذلك، تتبع وكالات الفضاء والمشغلون قاعدة تتطلب إزالة الأقمار الصناعية من المدار في غضون خمسة وعشرين عاماً من انتهاء عملها. ومع ذلك، مع تخطيط الشركات لإطلاق عشرات الآلاف من الأقمار الصناعية الجديدة في العقد القادم، فإن مجرد الانتظار حتى تقوم القوى الطبيعية بسحبها للأسفل قد لا يعود كافياً. بالنسبة للأقمار الصناعية التي تعطلت أو لا تستطيع التحرك بمفردها، نحتاج إلى طرق جديدة لدفعها خارج السماء بأمان.
تتضمن إحدى الطرق الواعدة استخدام ليزر لدفع قمر صناعي عالق برفق نحو الأرض. فبدلاً من الإمساك بالجسم مادياً، يصطدم شعاع الليزر بسطح القمر الصناعي، مما يؤدي إلى تسخين نقطة صغيرة حتى تتبخر المادة وتنطلق بعيداً مثل البخار. وهذا يخلق دفعة صغيرة مستمرة تخفض مدار القمر الصناعي ببطء. وبينما يبدو هذا الأمر فعالاً، إلا أن العملية بطيئة للغاية، إذ تستغرق سنوات لاكتمالها. وكلما طالت فترة بقاء القمر الصناعي في الغلاف الجوي العلوي المزدحم، زادت فرصة اصطدامه بجسم آخر. وقد سعى الباحث شوتا فوكي وفريقه في جامعة كيوشو وشركة SKY Perfect JSAT Corporation إلى فهم هذا التوازن الدقيق؛ حيث أرادوا معرفة كيف تؤثر سرعة دفع الليزر على خطر الاصطدام، وما إذا كان هناك "نقطة مثالية" تجعل القمر الصناዊ ينخفض بسرعة كافية ليكون آمناً، ولكن ليس بسرعة كبيرة بحيث ينفد وقت الليزر.
ولإيجاد الإجابة، بنى الفريق محاكاة حاسوبية دقيقة لقمر صناعي يزن 150 كيلوغراماً، وهو ما يعادل حجم سيارة صغيرة تقريباً، ينجرف في مدار مرتفع. وتخيلوا قمراً صناًوياً للخدمة يحوم في مكان قريب، ويطلق ليزراً لدفع الهدف. واختبر الباحثون أربع استراتيجيات مختلفة لكيفية إطلاق الليزر خلال كل مدار. في حالة قصوى واحدة، أطلق الليزر باستمرار، مما دفع القمر الصناعي طوال الوقت. وفي الحالة الأخرى، أطلق الليزر لمدة ربع المدار فقط، وتحديداً عندما يكون القمر الصناعي عند أعلى نقطة له. وكان الهدف هو رؤية كيف تغيرت أنماط الإطلاق المختلفة هذه الوقت الذي يستغرقه القمر الصناعي للعودة إلى الأرض وعدد السنوات التي يقضيها في المناطق الأكثر خطورة والممتلئة بالحطام.
كشفت عمليات المحاكاة عن مقايضة مفاجئة. فعندما أطلق الليزر باستمرار، استهلك طاقته المتاحة بسرعة كبيرة، مما ترك القمر الصناعي ينجرف للأسفل بمفرده لسنوات عديدة بعد ذلك. وهذا الانجراف الطويل والبطيء عبر الغلاف الجوي العلوي زاد في الواقع من إجمالي خطر الاصطدام. وعلى العكس من ذلك، فإن إطلاق الليزر لفترة قصيرة جداً يعني أن القمر الصناعي سيستغرق وقتاً طويلاً جداً للهبوط، مما يزيد أيضاً من خطر الاصطدام. ووجد الفريق أن النهج الأفضل هو إطلاق الليزر لنصف المدار، ممركزاً حول أعلى نقطة. سمحت هذه الاستراتيجية للقمر الصناعي بخفض مساره بكفاءة دون إضاعة طاقة الليزر. وباستخدام طريقة "الخمسين بالمائة" هذه، يمكن للقمر الصناعي الوصول إلى الغلاف الجوي السفلي في حوالي أربع سنوات، بينما استغرقت طريقة الإطلاق المستمر ما يقرب من تسع سنوات لإتمام الرحلة نفسها.
كما بحثت الدراسة في عواقب الاصطدام. فحتى لو وقع اصطدام، فقد حسب الباحثون احتمالية حدوث انفجار كارثي من شأنه أن يخلق سحابة ضخمة من الحطام الجديد. وأظهرت نتائجهم أن فرصة وقوع مثل هذه الكارثة ضئيلة للغاية، وهي أقل بكثير من حدود السلامة التي وضعتها الإرشادات الدولية. ومع ذلك، وجدوا أيضاً أنه كلما طالت مدة المهمة، زاد احتمال تولد الشظايا في حال حدوث اصطدام؛ وذلك لأن القمر الصناعي يقضي وقتاً أطول معرضاً لتدفق النفايات الفضائية. كما فحص الباحثون الزوايا التي قد يصطدم بها القمر الصناعي، ووجدوا أن شكل المدار لم يغير بشكل كبير اتجاه الحطام القادم، مما يعني أن ملف المخاطر ظل ثابتاً بغض النظر عن نمط الإطلاق المحدد.
في النهاية، يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة لتصميم مهام تنظيف الفضاء المستقبلية. فهو يوضح أن مجرد الدفع بأقصى قوة ممكنة ليس الطريقة الأكثر فعالية لتطهير الفضاء. بدلاً من ذلك، فإن النهج المدروس الذي يوازن بين استخدام الليزر والسحب الطبيعي للغلاف الجوي يعطي النتيجة الأكثر أماناً. ومن خلال اختيار جدول الإطلاق المناسب، يمكن للمشغلين ضمان إزالة القمر الصناعي العالق من السماء في أقصر وقت ممكن، مما يقلل من تعرضه للبيئة المزدحمة ويحمي مستقبل الطيران الفضائي للجميع.
ملخص تقني: تقييم احتمالية التصادم في عمليات إخراج الأقمار الصناعية من المدار باستخدام الدفع المنخفض
بيان المشكلة تؤدي الكثافة المتزايدة للأجسام في المدار الأرضي المنخفض (LEO)، مدفوعة بنشر كوكبات الأقمار الصناعية الضخمة، إلى رفع مخاطر حوادث التصادم. وبينما تُعد استراتيجية "التخلص من المهمة" (PMD) وسيلة تخفيف قياسية، فإن "قاعدة الـ 25 عاماً" قد تصبح غير كافية في البيئات المستقبلية عالية الكثافة. وبالنسبة للأقمار الصناعية التي تعرضت لعطل أو غير القابلة للمناورة، ستكون هناك حاجة لمهام إزالة الحطايا النشطة (ADR) أو مهام دعم نهاية العمر الافتراضي (EOL). تتناول هذه الورقة تحديداً مخاطر التصادم المرتبطة بمهام إخراج الأقمار من المدار باستخدام الدفع المنخفض، مثل الاستئصال بالليزر. وخلافاً للمناورات ذات الدفع العالي، تُعد عملية الإخراج بالدفع المنخفض عملية تستغرق وقتاً طويلاً، حيث يظل القمر الصناعي المستهدف في بيئة الحطايا لفترات ممتدة، مما قد يزيد من احتمالية التصادم. تهدف الدراسة إلى قياس هذه المخاطر وتحليل العلاقة بين مدة إخراج القمر من المدار واحتمالية التصادم لتوجيه تصميمات مهام أكثر أماناً.
المنهجية تستخدم الدراسة نهجاً عددياً لمحاكاة الانتشار المداري وتقييم مخاطر التصادم عبر أربعة سيناريوهات مختلفة للدفع المنخفض.
الانتشار المداري: استخدم المؤلفون طريقة "كوفيل" (Cowell's method) مع نظرية الاضطراب الخاصة لمحاكاة مسار القمر الصناعي المستهدف. وتأخذ معادلات الحركة في الاعسبان الجهد الجيوديسي للأرض، وجذب الشمس والقمر، والسحب الجوي، وضغط الإشعاع الشمسي، وتأثيرات التظليل. تم نمذجة الهدف كقمر صناعي من نوع (box-wing) بكتلة 150 كجم في حالة دوران عشوائي (tumbling)، مع حساب مساحة مقطعية فعالة تعادل ربع إجمالي مساحة سطحه. كما تم نمذجة تسارع الدفع المنخفض كقوة استئصال ليزر مطبقة في اتجاه عكس السرعة.
سيناريوهات إخراج القمر من المدار: تم تحديد أربعة سيناريوهات بناءً على النسبة المئوية للفترة المدارية التي يكون فيها الدفع نشطاً حول نقطة الأوج: 25%، 50%، 75%، و100%. ويُفترض أن الدفع ثابت في المقدار (0.72 مللي نيوتن) ومتاح لمدة أقصاها سنتان.
تقييم المخاطر: يتم إجراء تحليل التصادم باستخدام نموذج ESA MASTER–2009. تحسب الدراسة متوسط عدد التصادمات (N) واحتمالية حدوث تصادم واحد على الأقل (P(X≥1)) بناءً على تدفق الحطايا، والمساحة المقطعية للهدف، والمدة التي يقضيها في مناطق ارتفاع محددة.
التصادم الكارثي والتجزؤ: تقيم الدراسة خطر التصادم الكارثي من خلال حساب نسبة الطاقة إلى الكتلة (ε)، حيث يُعرف الحدث الكارثي بأنه الحد الذي تكون فيه ε>40 كيلوجول/كجم. علاوة على ذلك، يتم تقدير العدد المتوقع للحطايا المتولدة عند التصادم باستخدام نموذج التفتت الخاص بوكالة ناسا، مع مراعاة الحطايا التي يزيد حجمها عن 1 مم.
النتائج الرئيسية
مدة إخراج القمر مقابل نطاق الدفع: العلاقة بين نطاق الدفع وإجمالي الوقت اللازم لإخراج القمر من المدار هي علاقة غير خطية. أثبت سيناريو الدفع بنسبة 50% أنه الأكثر كفاءة، حيث حقق الإخراج في حوالي 4.1 سنة. وفي المقابل، فإن سيناريو الـ 100%، رغم استخدام الدفع بشكل مستمر، استنفد نافذة الدفع المتاحة لمدة سنتين مبكراً، معتمداً على السحب الجوي للسنوات الست المتبقية، مما أدى إلى إجمالي وقت إخراج بلغ 8.9 سنة. استغرق سيناريو الـ 25% نحو 6.7 سنة، بينما استغرق سيناريو الـ 75% نحو 7.9 سنة.
احتمالية التصادم: ترتبط احتمالية حدوث تصادم واحد على الأقل ارتباطاً مباشراً بإجمالي الوقت اللازم لإخراج القمر من المدار. أظهر سيناريو الـ 50% أدنى احتمالية تصادم (P(X≥1)≈6.67%)، بينما أظهر سيناريو الـ 25% أعلى احتمالية (P(X≥1)≈11.08%). ويتماشى هذا الاتجاه مع النتوايج التي تشير إلى أن متوسط عدد التصادمات يتناسب طردياً مع مدة المهمة.
المخاطر الكارثية والحطايا: ظلت احتمالية التصادم الكارثي (Pcata) أقل بكثير من عتبة 0.1% الموصى بها من قبل إرشادات تقليل الحطايا الفضائية التابعة لـ ISO في جميع السيناريوهات. ومع ذلك، تباين العدد المتوقع للحطايا المتولدة في أسوأ الحالات بشكل كبير، حيث تراوح بين حوالي 596 حطية (في سيناريو 50%) و1,282 حطية (في سيناريو 100%).
خصائص التأثير: كشف تحليل زوايا التصادم والسرعات النسبية عن عدم وجود فروق جوهرية بين السيناريوهات الأربعة. ويعزى ذلك إلى انخفاض انحراف المدارات (الحد الأقصى للانحراف ~0.06)، مما يجعلها تقترب من المدارات الدائرية، وبالتالي يقلل من التباينات في هندسة التصادم رغم اختلاف ملفات الدفع.
المخاطر السنوية مقابل الإجمالية: ومن المثير للاهتمام أنه عند تطبيع المخاطر لكل سنة، أظهر سيناريو الـ 50% خطراً سنوياً أعلى من سيناريو الـ 100%. ويرجع ذلك إلى أن سيناريو الـ 50% يقضي مدة أطول في منطقة الارتفاع ذات التدفق العالي (حوالي 800 كم) بالنسبة لإجمالي مدة مهمته، بينما يمر سيناريو الـ 100% عبر هذه المنطقة بسرعة أكبر ولكنه يبقى في المدار لفترة أطول بكثير، مما يؤدي إلى تراكم خطر إجمالي أعلى.
الأهمية والاستنتاجات تخلص الورقة إلى أنه بينما تعتبر مهام إخراج الأقمار من المدار باستخدام الدفع المنخفض مجدية ويمكن تنفيذها بأمان دون انتهاك حدود احتمالية التصادم الكارثي، فإن تصميم ملف الدفع أمر بالغ الأهمية. وتوضح الدراسة أن تعظيم تطبيق الدفع (سيناريو 100%) لا يقلل بالضرورة من مخاطر التصادم؛ بل إن التوازن الأمثل (سيناريو 50%) هو ما يقلل إجمالي الوقت الذي يقضيه القمر في بيئة الحطايا.
ويؤكد المؤلفون أن مصممي المهام يجب ألا يكتفوا بتقييم كفاءة الإخراج (استهلاك الوقود أو الوقت) فحسب، بل يجب أيضاً تقييم ملف مخاطر التصادم الناتج عن مسار الإخراج المحدد. وتشير النتائج إلى أنه بالنسبة لعمليات الإخراج بمساعدة الاستئصال بالليزر، فإن ملف الدفع الذي يتجنب استنفاد وقت الدفع المتاح مبكراً جداً -وبالتالي يمنع مرحلة اضمحلال طويلة تعتمد فقط على السحب الجوي- يعد أمراً ضرورياً لتقليل تولد الحطايا الفضائية وضمان سلامة المهمة. وهذه النتائج قابلة للتطبيق على مهام إخراج الأقمار الأخرى باستخدام الدفع المنخفض بخلاف الاستئصال بالليزر.