الكبح الهوائي

الكبح الهوائي مناورة فضائية تُقلل من أعلى نقطة في مدار بيضاوي ( الأوج ) عن طريق تحليق المركبة عبر الغلاف الجوي عند أدنى نقطة في المدار ( الحضيض ). يؤدي السحب الناتج إلى إبطاء المركبة الفضائية . يُستخدم الكبح الهوائي عندما تحتاج المركبة الفضائية إلى مدار منخفض بعد وصولها إلى جرم سماوي ذي غلاف جوي، لأنه يستهلك وقودًا أقل من استخدام الدفع للإبطاء . أما المناورة الأكثر تطرفًا فهي الالتقاط الهوائي ، حيث تستخدم المركبة الفضائية الغلاف الجوي للدخول في مدار جديد ، مُبطئةً سرعتها من مسار التحليق .

عند وصول مركبة فضائية بين الكواكب إلى وجهتها، يجب عليها تقليل سرعتها للوصول إلى مدار حولها أو للهبوط. وللوصول إلى مدار منخفض شبه دائري حول جسم ذي جاذبية كبيرة (كما هو مطلوب في العديد من الدراسات العلمية)، قد تصل التغيرات المطلوبة في السرعة إلى بضعة كيلومترات في الثانية. وباستخدام الدفع، تنص معادلة الصاروخ على أن جزءًا كبيرًا من كتلة المركبة الفضائية يجب أن يتكون من الوقود. وهذا يقلل من حمولة الأجهزة العلمية و/أو يتطلب صاروخًا كبيرًا ومكلفًا. إذا كان للجسم المستهدف غلاف جوي، يمكن استخدام الكبح الهوائي لتقليل استهلاك الوقود. يسمح استخدام كمية احتراق صغيرة نسبيًا للمركبة الفضائية بالدخول في مدار إهليلجي ممدود . ثم يعمل الكبح الهوائي على تقصير المدار ليصبح دائريًا. إذا كان الغلاف الجوي كثيفًا بما يكفي، فقد تكون دورة واحدة كافية لتعديل المدار. ومع ذلك، يتطلب الكبح الهوائي عادةً عدة دورات في طبقات أعلى من الغلاف الجوي. وهذا يقلل من تأثيرات التسخين الاحتكاكي ، وتأثيرات الاضطراب غير المتوقعة، وتكوين الغلاف الجوي، ودرجة الحرارة.

تتيح عملية الكبح الهوائي بهذه الطريقة وقتًا كافيًا بعد كل مرور لقياس تغير السرعة وإجراء التصحيحات اللازمة للمرور التالي. قد يستغرق الوصول إلى المدار النهائي للمريخ أكثر من ستة أشهر ، وقد يتطلب مئات المرورات عبر الغلاف الجوي. بعد المرور الأخير، إذا أرادت المركبة الفضائية البقاء في مدارها، يجب تزويدها بمزيد من الطاقة الحركية عبر محركات الصواريخ لرفع نقطة الحضيض فوق الغلاف الجوي. أما إذا أرادت المركبة الهبوط، فيجب عليها فقدان بعض الطاقة الحركية، أيضًا عبر محركات الصواريخ.

تتحول الطاقة الحركية المبددة بفعل الكبح الهوائي إلى حرارة ، مما يعني ضرورة تبديد المركبة الفضائية لهذه الحرارة. يجب أن تتمتع المركبة الفضائية بمساحة سطح كافية وقوة هيكلية مناسبة لتوليد قوة السحب المطلوبة وتحملها. لا تُعدّ درجات الحرارة والضغوط المصاحبة للكبح الهوائي شديدةً كتلك المصاحبة لإعادة الدخول إلى الغلاف الجوي أو الالتقاط الهوائي . تستخدم محاكاة الكبح الهوائي لمركبة استطلاع المريخ المدارية حدًا أقصى للقوة يبلغ 0.35 نيوتن لكل متر مربع، مع مقطع عرضي للمركبة يبلغ حوالي 37 مترًا ^مربعًا ، ما يعادل قوة سحب قصوى تبلغ حوالي 7.4 نيوتن، ودرجة حرارة قصوى متوقعة تبلغ 170  درجة مئوية. ^{[ 1 ]} كثافة القوة (أي الضغط)، التي تبلغ حوالي 0.2 نيوتن لكل متر مربع، ^{[ 2 ]} والتي تعرضت لها مركبة مراقبة المريخ أثناء الكبح الهوائي تُقارن بالمقاومة الديناميكية الهوائية للحركة بسرعة 0.6  متر/ثانية (2.16  كيلومتر/ساعة) عند مستوى سطح البحر على الأرض، وهي تقريبًا نفس القوة التي تُختبر عند المشي ببطء. ^{[ 3 ]}

فيما يتعلق بملاحة المركبات الفضائية، كان موريبا جاه أول من أثبت القدرة على معالجة بيانات وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) التي جُمعت على متن المركبة الفضائية أثناء الكبح الهوائي، باستخدام مرشح كالمان غير الخطي لاستنتاج مسار المركبة إحصائيًا بشكل مستقل عن بيانات القياس الأرضية. وقد استخدم جاه في ذلك بيانات IMU فعلية من مركبتي مارس أوديسي ومارس ريكونيسانس أوربيتر . علاوة على ذلك، كان هذا أول استخدام لمرشح كالمان غير الخطي لتحديد مدار جسم فضائي من صنع الإنسان حول كوكب آخر. ^{[ 4 ]} تُسمى هذه الطريقة، التي يمكن استخدامها لأتمتة الملاحة أثناء الكبح الهوائي، قياسات القصور الذاتي للملاحة بمساعدة الهواء (IMAN) ^{[ 5 ]} ، وقد فاز جاه بجائزة قانون الفضاء من ناسا عن هذا العمل.

تستخدم العديد من المركبات الفضائية الألواح الشمسية لتشغيل عملياتها. ويمكن استخدام هذه الألواح لتحسين الكبح الهوائي لتقليل عدد المدارات المطلوبة. وتدور الألواح وفقًا لخوارزمية مدعومة بالذكاء الاصطناعي لزيادة/تقليل مقاومة الهواء، ويمكنها تقليل أوقات الوصول من شهور إلى أسابيع. ^{[ 6 ]}

يُعدّ الالتقاط الجوي طريقةً مشابهةً ولكنها أكثر تطرفًا، حيث لا يتم فيها إجراء عملية احتراق أولية لحقن المدار. بدلاً من ذلك، تغوص المركبة الفضائية عميقًا في الغلاف الجوي دون عملية احتراق أولية، وتخرج من هذه الدورة الوحيدة في الغلاف الجوي بنقطة أوج قريبة من نقطة المدار المطلوب. ثم تُستخدم عدة عمليات احتراق تصحيحية صغيرة لرفع نقطة الحضيض وإجراء التعديلات النهائية. ^{[ 7 ]}

كان من المخطط أصلاً استخدام هذه الطريقة في مركبة مارس أوديسي المدارية ، ^{[ 8 ]} ولكن تبين أن التأثيرات التصميمية الكبيرة مكلفة للغاية. ^{[ 7 ]}

هناك تقنية أخرى ذات صلة وهي تقنية المساعدة الهوائية الجاذبية ، حيث تحلق المركبة الفضائية عبر الغلاف الجوي العلوي وتستخدم قوة الرفع الديناميكية الهوائية بدلاً من قوة السحب عند أقرب نقطة اقتراب. إذا تم توجيهها بشكل صحيح، يمكن لهذه التقنية زيادة زاوية الانحراف عن تلك الخاصة بالمساعدة الجاذبية البحتة ، مما ينتج عنه تغيير أكبر في السرعة (دلتا-في) . ^{[ 9 ]}

على الرغم من أن نظرية الكبح الهوائي متطورة، إلا أن استخدام هذه التقنية صعبٌ نظرًا للحاجة إلى معرفة دقيقة جدًا بخصائص الغلاف الجوي للكوكب المستهدف لتخطيط المناورة بدقة. حاليًا، تتم مراقبة التباطؤ خلال كل مناورة، وتُعدَّل الخطط وفقًا لذلك. ولأن أي مركبة فضائية لا تستطيع حتى الآن الكبح الهوائي بأمان بمفردها، فإن هذا يتطلب مراقبة مستمرة من كلٍّ من المتحكمين البشريين وشبكة الفضاء العميق . ويصدق هذا بشكل خاص قرب نهاية العملية، عندما تكون فترات مرور المركبة بفعل السحب متقاربة نسبيًا (حوالي ساعتين فقط بالنسبة للمريخ). وقد استخدمت ناسا الكبح الهوائي أربع مرات لتعديل مدار مركبة فضائية إلى مدار ذي طاقة أقل، وارتفاع أوج أقل، ومدار أصغر. ^{[ 10 ]}

في 19 مارس 1991، أجرت المركبة الفضائية هيتن تجربةً عمليةً للكبح الهوائي . وكانت هذه أول مناورة كبح هوائي لمسبار فضائي. ^{[ 11 ]} أُطلقت هيتن (المعروفة أيضًا باسم MUSES-A) من قِبل معهد علوم الفضاء والملاحة الفضائية (ISAS) في اليابان. ^{[ 12 ]} حلّقت هيتن بالقرب من الأرض على ارتفاع 125.5  كيلومترًا فوق المحيط الهادئ بسرعة 11.0  كيلومترًا في الثانية. وخفّضت مقاومة الغلاف الجوي السرعة بمقدار 1.712  مترًا في الثانية، وخفّضت ارتفاع نقطة الأوج بمقدار 8665  كيلومترًا. ^{[ 13 ]} أُجريت مناورة كبح هوائي أخرى في 30 مارس.

في مايو 1993، استُخدمت تقنية الكبح الهوائي خلال مهمة ماجلان الفضائية الممتدة إلى كوكب الزهرة . ^{[ 14 ]} استُخدمت هذه التقنية لجعل مدار المركبة دائريًا بهدف زيادة دقة قياس مجال الجاذبية . رُسمت خريطة مجال الجاذبية بالكامل من المدار الدائري خلال دورة مدتها 243 يومًا من المهمة الممتدة. خلال المرحلة الأخيرة من المهمة، أُجريت "تجربة طاحونة الهواء": حيث يُولّد الضغط الجزيئي للغلاف الجوي عزم دوران عبر أجنحة الخلايا الشمسية الموجهة التي تشبه شراع طاحونة الهواء، ويُقاس عزم الدوران المعاكس اللازم لمنع المسبار من الدوران. ^{[ 15 ]}

في عام ١٩٩٧، كانت مركبة مارس غلوبال سيرفيور (MGS) المدارية أول مركبة فضائية تستخدم الكبح الهوائي كتقنية رئيسية مُخطط لها لتعديل المدار. استخدمت المركبة البيانات التي جُمعت من مهمة ماجلان إلى كوكب الزهرة لتخطيط تقنية الكبح الهوائي. استخدمت المركبة ألواحها الشمسية كـ" أجنحة " للتحكم في مسارها عبر الغلاف الجوي العلوي الرقيق للمريخ وخفض نقطة الأوج في مدارها على مدار عدة أشهر. لسوء الحظ، تسبب عطل هيكلي بعد الإطلاق بفترة وجيزة في إتلاف أحد الألواح الشمسية للمركبة بشكل كبير، مما استدعى استخدام ارتفاع كبح هوائي أعلى (وبالتالي قوة كبح أقل بمقدار الثلث) مما كان مُخططًا له في الأصل ، الأمر الذي أدى إلى إطالة الوقت اللازم للوصول إلى المدار المطلوب بشكل ملحوظ. في الآونة الأخيرة، استُخدم الكبح الهوائي من قِبل مركبتي مارس أوديسي ومارس ريكونيسانس أوربيتر الفضائيتين، في كلتا الحالتين دون أي حوادث.

في عام 2014، تم إجراء تجربة الكبح الهوائي بنجاح على أساس تجريبي قرب نهاية مهمة مسبار وكالة الفضاء الأوروبية فينوس إكسبريس . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

في الفترة 2017-2018، نفذ مسبار ExoMars Trace Gas Orbiter التابع لوكالة الفضاء الأوروبية عملية كبح هوائي على سطح المريخ لتقليل نقطة الأوج في المدار، وكانت هذه أول عملية كبح هوائي تشغيلية لمهمة أوروبية. ^{[ 18 ]}

مهمة الهبوط على المريخ هي مهمة مستقبلية لوكالة الفضاء الهندية (ISRO )، والتي يُقترح أن تستخدم الكبح الهوائي لتقليل نقطة الأوج . ^{[ 19 ] [ 20 ]}

في رواية روبرت أ. هاينلاين " رائد الفضاء" التي صدرت عام 1948 ، يتم استخدام الكبح الهوائي لتوفير الوقود أثناء إبطاء المركبة الفضائية "آيس تريبلكس" لمهمة ممتدة غير مخطط لها والهبوط على كوكب الزهرة، أثناء عبورها من حزام الكويكبات إلى الأرض. ^{[ 21 ]}

تستخدم المركبة الفضائية التي يقودها رائد الفضاء أليكسي ليونوف في رواية آرثر سي كلارك _{عام 1982 بعنوان} 2010: أوديسة الثانية وفي الفيلم المقتبس عنها عام 1984 تقنية الكبح الهوائي في الطبقات العليا من الغلاف الجوي لكوكب المشتري لتثبيت نفسها عند نقطة لاغرانج L1 لنظام المشتري - إيو .

في المسلسل التلفزيوني Space Odyssey: Voyage to the Planets الذي عُرض عام 2004 ، قام طاقم المركبة الفضائية الدولية بيغاسوس بمناورة كبح هوائي في الغلاف الجوي العلوي لكوكب المشتري لإبطائهم بما يكفي للدخول في مدار المشتري.

في الحلقة الرابعة من مسلسل "ستارغيت يونيفرس" ، تتعرض سفينة "ديستني" القديمة لفقدان شبه كامل للطاقة، ما يضطرها لاستخدام تقنية الكبح الهوائي لتغيير مسارها. وتنتهي الحلقة، التي عُرضت عام ٢٠٠٩، بنهاية مفتوحة تُشير إلى أن "ديستني" تتجه مباشرةً نحو نجم.

في لعبة محاكاة الفضاء " برنامج كيربال الفضائي" ، تُعد هذه طريقة شائعة لتقليل سرعة المركبة المدارية . ويُشار إليها أحيانًا بشكلٍ فكاهي باسم " الكبح الهوائي "، لأن مقاومة الهواء العالية قد تتسبب أحيانًا في انقسام المركبات الكبيرة إلى عدة أجزاء.

في ثلاثية المريخ لكيم ستانلي روبنسون ، تستخدم مركبة آريس الفضائية، التي تحمل أول مئة إنسان يصلون إلى المريخ، تقنية الكبح الهوائي للدخول في مدار حول الكوكب. وفي وقت لاحق من الروايات، وفي محاولة لزيادة كثافة الغلاف الجوي، يقوم العلماء بإدخال كويكب في عملية الكبح الهوائي لتبخيره وإطلاق محتوياته في الغلاف الجوي.

في فيلم Interstellar لعام 2014 ، يستخدم رائد الفضاء الطيار كوبر تقنية الكبح الهوائي لتوفير الوقود وإبطاء المركبة الفضائية رينجر عند خروجها من الثقب الدودي للوصول إلى مدار فوق الكوكب الأول.

• التقاط الهواء
• الانزلاق المعزز
• تفتيت الصخور

• تقرير الكبح الهوائي لمختبر الدفع النفاث (JPL) لـ MGS
• شرح لكيفية عمل الكبح الهوائي (ملف PDF)
• هوفمان، س. (20-22 أغسطس 1984). مقارنة بين مركبات الكبح الهوائي والالتقاط الهوائي للرحلات بين الكواكب . مؤتمر ديناميكا الفضاء، المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية (AIAA) والجمعية الأمريكية للملاحة الفضائية (AAS). سياتل، واشنطن: المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية.  25 صفحة. تاريخ الاطلاع: 31 يوليو 2007.