نظام التوجيه

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

نظام التوجيه هو جهاز افتراضي أو مادي، أو مجموعة أجهزة، تُستخدم لتنفيذ أو التحكم في حركة سفينة أو طائرة أو صاروخ أو قمر صناعي أو أي جسم متحرك آخر. التوجيه هو عملية حساب التغيرات في موقع الجسم المتحرك وسرعته وارتفاعه ومعدل دورانه ، اللازمة لاتباع مسار محدد أو ارتفاع معين ، بناءً على معلومات حول حالة حركة الجسم. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

يُعد نظام التوجيه عادةً جزءًا من نظام التوجيه والملاحة والتحكم ، بينما تشير الملاحة إلى الأنظمة اللازمة لحساب الموقع والاتجاه الحاليين بناءً على بيانات المستشعرات، مثل البوصلات ، وأجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، ونظام لوران-سي ، وأجهزة تتبع النجوم ، ووحدات القياس بالقصور الذاتي ، ومقاييس الارتفاع . ويُعتبر ناتج نظام الملاحة ، أو ما يُعرف بحل الملاحة، مدخلاً لنظام التوجيه، إلى جانب عوامل أخرى كالأحوال البيئية (الرياح، والماء، ودرجة الحرارة، إلخ) وخصائص المركبة (مثل الكتلة، وتوافر نظام التحكم، وارتباط نظام التحكم بتغيرات المتجهات، إلخ). وبشكل عام، يُصدر نظام التوجيه التعليمات لنظام التحكم، الذي يشمل مُشغّلات المركبة (مثل المحركات النفاثة ، وعجلات رد الفعل ، وأجنحة الهيكل )، القادرة على التحكم في مسار المركبة واتجاهها دون تدخل بشري مباشر أو مستمر.

يُعدّ نظام التوجيه المستخدم في الصاروخ الألماني V-1 خلال الحرب العالمية الثانية من أوائل الأمثلة على أنظمة التوجيه الحقيقية . تكوّن نظام الملاحة من جيروسكوب بسيط ، ومستشعر سرعة جوية ، ومقياس ارتفاع. وشملت تعليمات التوجيه: الارتفاع المستهدف، والسرعة المستهدفة، ومدة التحليق، ووقت إيقاف تشغيل المحرك.

يتكون نظام التوجيه من ثلاثة أقسام رئيسية: المدخلات، والمعالجة، والمخرجات. يشمل قسم المدخلات أجهزة الاستشعار ، وبيانات المسار ، وروابط الراديو والأقمار الصناعية ، ومصادر المعلومات الأخرى. أما قسم المعالجة، المؤلف من وحدة معالجة مركزية واحدة أو أكثر ، فيقوم بدمج هذه البيانات وتحديد الإجراءات اللازمة، إن وجدت، للحفاظ على الاتجاه الصحيح أو تحقيقه . ثم تُغذّى هذه البيانات إلى المخرجات التي يمكنها التأثير مباشرةً على مسار النظام. قد تتحكم المخرجات في السرعة من خلال التفاعل مع أجهزة مثل التوربينات ومضخات الوقود ، أو قد تُغيّر المسار بشكل مباشر عن طريق تشغيل الجنيحات أو الدفات أو غيرها من الأجهزة.

تاريخ

طُوّرت أنظمة التوجيه بالقصور الذاتي في الأصل للصواريخ. وقد أجرى رائد الصواريخ الأمريكي روبرت غودارد تجارب على أنظمة جيروسكوبية بدائية . حظيت أنظمة الدكتور غودارد باهتمام كبير من رواد ألمان معاصرين، بمن فيهم فيرنر فون براون . وانتشر استخدام هذه الأنظمة على نطاق أوسع مع ظهور المركبات الفضائية والصواريخ الموجهة والطائرات التجارية .

يتمحور تاريخ أنظمة التوجيه الأمريكية حول مجتمعين متميزين. أحدهما انفصل عن معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومختبر الدفع النفاث التابع لناسا ، والآخر عن العلماء الألمان الذين طوروا نظام التوجيه المبكر لصاروخ V2 ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . قدم نظام التوجيه والتحكم لصاروخ V2 العديد من الابتكارات، وكان السلاح العسكري الأكثر تطورًا في عام 1942، حيث استخدم نظام توجيه مغلق الحلقة ذاتي التشغيل. اعتمدت صواريخ V2 المبكرة على جيروسكوبين ومقياس تسارع جانبي مع حاسوب تناظري بسيط لضبط سمت الصاروخ أثناء الطيران. استُخدمت إشارات الحاسوب التناظرية لتشغيل أربعة دفات خارجية على الزعانف الذيلية للتحكم في الطيران. دبّر فون براون استسلام 500 من كبار علماء الصواريخ لديه، بالإضافة إلى الخطط ومركبات الاختبار، للأمريكيين. وصلوا إلى فورت بليس، تكساس عام 1945، ثم نُقلوا لاحقًا إلى هانتسفيل، ألاباما ، عام 1950 (المعروفة أيضًا باسم ترسانة ريدستون ). [ 4 ] [ 5 ] كان شغف فون براون هو رحلات الفضاء بين الكواكب. ومع ذلك، فإن مهاراته القيادية الهائلة وخبرته في برنامج V-2 جعلته ذا قيمة لا تُقدر للجيش الأمريكي. [ 6 ] في عام 1955، تم اختيار فريق ريدستون لوضع أول قمر صناعي أمريكي في مداره، مما وضع هذه المجموعة في قلب كل من المجالين العسكري والتجاري للفضاء.

يعود تاريخ مختبر الدفع النفاث (JPL) إلى ثلاثينيات القرن العشرين، عندما أجرى البروفيسور ثيودور فون كارمان، أستاذ معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك)، أعمالًا رائدة في مجال دفع الصواريخ . وبتمويل من إدارة الذخائر التابعة للجيش الأمريكي عام 1942، امتدت جهود JPL المبكرة لتشمل تقنيات تتجاوز الديناميكا الهوائية وكيمياء الوقود. وكانت نتيجة جهود إدارة الذخائر هي رد JPL على الصاروخ الألماني V-2، والذي أُطلق عليه اسم MGM-5 Corporal ، لأول مرة في مايو 1947. وفي 3 ديسمبر 1958، بعد شهرين من إنشاء وكالة ناسا (الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء) من قبل الكونغرس، نُقل JPL من اختصاص الجيش إلى اختصاص هذه الوكالة الفضائية المدنية الجديدة. ويعود هذا التحول إلى إنشاء فريق متخصص في المجال العسكري، مُنبثق من فريق V2 الألماني. ومن ثم، بدءًا من عام 1958، ركز كل من مختبر الدفع النفاث التابع لناسا وفريق كالتك بشكل أساسي على الطيران بدون طيار، وانصرفا عن التطبيقات العسكرية باستثناءات قليلة. ساهم المجتمع المحيط بمختبر الدفع النفاث (JPL) في إحداث ابتكارات هائلة في مجالات الاتصالات السلكية واللاسلكية، واستكشاف الفضاء بين الكواكب، ورصد الأرض (من بين مجالات أخرى). [ 7 ]

في أوائل خمسينيات القرن العشرين، سعت الحكومة الأمريكية إلى تحصين نفسها ضد الاعتماد المفرط على الفريق الألماني في التطبيقات العسكرية. ومن بين المجالات التي طُوّرت محليًا، كان توجيه الصواريخ. في أوائل الخمسينيات، اختارت شعبة التطوير الغربي التابعة لسلاح الجو الأمريكي مختبر الأجهزة التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (الذي أصبح لاحقًا مختبر تشارلز ستارك دريبر ) لتوفير نظام توجيه احتياطي مستقل لشركة كونفير في سان دييغو، وذلك لصاروخ أطلس الباليستي العابر للقارات الجديد . وكان المشرف الفني على مهمة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مهندسًا شابًا يُدعى جيم فليتشر ، والذي شغل لاحقًا منصب مدير وكالة ناسا. وكان من المقرر أن يكون نظام توجيه أطلس مزيجًا من نظام ذاتي التشغيل على متن الصاروخ، ونظام تتبع وتحكم أرضي. وكانت هذه بداية جدل فلسفي، لا يزال قائمًا في بعض جوانبه. وفي نهاية المطاف، ساد النظام المستقل في تطبيقات الصواريخ الباليستية لأسباب واضحة. أما في استكشاف الفضاء، فلا يزال مزيج من النظامين مستخدمًا.

في صيف عام ١٩٥٢، أجرى الدكتور ريتشارد باتين [ ٨ ] والدكتور ج. هالكومب ("هال") لانينغ الابن أبحاثًا حول حلول التوجيه الحاسوبية، مع بدء تطور الحوسبة وخروجها من النهج التناظري. ونظرًا لبطء أجهزة الكمبيوتر في ذلك الوقت (وسرعة الصواريخ الفائقة)، كان من الضروري للغاية تطوير برامج عالية الكفاءة. بدأ الدكتور ج. هالكومب لانينغ، بمساعدة فيل هانكينز وتشارلي ويرنر، العمل على لغة البرمجة الجبرية MAC لجهاز IBM 650 ، والتي اكتملت بحلول أوائل ربيع عام ١٩٥٨. وأصبحت MAC اللغة الأساسية في مختبر معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. تتميز MAC بسهولة قراءتها، حيث تتكون من ثلاثة أسطر، وتستخدم رموز المصفوفات والمتجهات ، بالإضافة إلى الرموز المختصرة والفهارس الفرعية. وتُعد لغة مكوك الفضاء (STS) الحالية، المسماة HAL (التي طورتها شركة Intermetrics)، امتدادًا مباشرًا للغة MAC. بما أن المهندس المعماري الرئيسي لـ HAL كان جيم ميلر، الذي شارك في تأليف تقرير مع هال لانينغ عن نظام MAC، فمن المعقول التكهن بأن لغة مكوك الفضاء سميت على اسم معلم جيم القديم، وليس، كما اقترح البعض، على اسم النجم الإلكتروني لفيلم آرثر كلارك "2001: ملحمة الفضاء". (ريتشارد باتين، AIAA 82-4075، أبريل 1982)

قام هال لانينغ وريتشارد باتين بالعمل التحليلي الأولي على نظام التوجيه بالقصور الذاتي لطائرة أطلس عام 1954. ومن الشخصيات الرئيسية الأخرى في شركة كونفير تشارلي بوسارت، كبير المهندسين، ووالتر شفايديتزكي، رئيس فريق التوجيه. وكان والتر قد عمل مع فيرنر فون براون في بينيمونده خلال الحرب العالمية الثانية.

قام نظام التوجيه الأولي "دلتا" بتقييم الفرق في الموقع عن مسار مرجعي. ويتم حساب السرعة المطلوب اكتسابها (VGO) لتصحيح المسار الحالي بهدف خفض VGO إلى الصفر. كانت الأسس الرياضية لهذا النهج صحيحة من حيث المبدأ، ولكن تم التخلي عنها بسبب التحديات المتعلقة بالملاحة بالقصور الذاتي الدقيقة (مثل دقة وحدة القياس بالقصور الذاتي IMU) وقدرة الحوسبة التناظرية. تم التغلب على التحديات التي واجهت جهود "دلتا" من خلال نظام التوجيه "Q". تمثلت ثورة نظام "Q" في دمج تحديات توجيه الصواريخ (ومعادلات الحركة المرتبطة بها) في المصفوفة Q. تمثل المصفوفة Q المشتقات الجزئية للسرعة بالنسبة لمتجه الموقع. سمحت إحدى الميزات الرئيسية لهذا النهج باستخدام مكونات حاصل الضرب الاتجاهي للمتجه (v, xdv,/dt) كإشارات معدل الطيار الآلي الأساسية - وهي تقنية أصبحت تُعرف باسم "توجيه حاصل الضرب الاتجاهي". عُرض نظام Q في أول ندوة فنية حول الصواريخ الباليستية، التي عُقدت في شركة رامو-وولدريدج في لوس أنجلوس يومي 21 و22 يونيو 1956. وظل نظام Q معلومات سرية حتى ستينيات القرن الماضي. ولا تزال مشتقات هذا النظام تُستخدم في الصواريخ العسكرية الحديثة. ويظل فريق مختبر علوم وتكنولوجيا الصواريخ (CSDL) رائدًا في مجال التوجيه العسكري، ويشارك في مشاريع لمعظم فروع الجيش الأمريكي.

في العاشر من أغسطس عام ١٩٦١، منحت وكالة ناسا معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عقدًا لإجراء دراسة تصميم أولية لنظام التوجيه والملاحة لبرنامج أبولو . [ ٩ ] (انظر: نظام التوجيه والملاحة والتحكم على متن أبولو، ديف هوغ، مؤتمر تدشين قاعة مشاهير الفضاء الدولية في ألاموغوردو ، نيو مكسيكو، أكتوبر ١٩٧٦ [ ١٠ ] ). يُطلق على نظام توجيه مكوك الفضاء الحالي اسم PEG4 (التوجيه الصريح المُعزز). وهو يأخذ في الاعتبار كلاً من نظام Q وخصائص التنبؤ والتصحيح لنظام "دلتا" الأصلي (توجيه PEG). على الرغم من إجراء العديد من التحديثات على نظام ملاحة المكوك على مدار الثلاثين عامًا الماضية (مثل نظام تحديد المواقع العالمي GPS في طراز OI-22)، إلا أن جوهر التوجيه لنظام التوجيه والملاحة والتحكم الحالي لمكوك الفضاء لم يشهد تطورًا يُذكر. وفي الأنظمة المأهولة، يلزم وجود واجهة بشرية لنظام التوجيه. بما أن رواد الفضاء هم المستخدمون الرئيسيون للنظام، فقد تم تشكيل العديد من الفرق الجديدة التي تتولى مسؤولية أنظمة التوجيه والملاحة والتحكم، باعتبارها واجهة أساسية لـ"قيادة" المركبة. [ 11 ] بالنسبة لبرنامجي أبولو ونظام المكوك الفضائي، قامت شركة CSDL بتصميم نظام التوجيه، بينما قامت شركة ماكدونيل دوغلاس بكتابة المتطلبات، وقامت شركة IBM ببرمجة هذه المتطلبات.

يُعزى جزء كبير من تعقيد الأنظمة المأهولة إلى "إدارة التكرار" ودعم سيناريوهات "الإجهاض" المتعددة التي تضمن سلامة الطاقم. وتستفيد أنظمة التوجيه القمرية والفضائية الأمريكية المأهولة من العديد من ابتكارات التوجيه نفسها (الموصوفة أعلاه) التي طُوّرت في خمسينيات القرن الماضي. لذا، فبينما ظلّ البناء الرياضي الأساسي للتوجيه ثابتًا نسبيًا، تستمرّ المرافق المحيطة بأنظمة التوجيه والملاحة والتحكم في التطور لدعم المركبات والمهام والمعدات الجديدة. ولا يزال مركز التميّز للتوجيه المأهول في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (مركز علوم وتكنولوجيا الفضاء)، بالإضافة إلى شركة ماكدونيل دوغلاس لأنظمة الفضاء سابقًا (في هيوستن).

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ غريوال، موهيندر س.؛ ويل، لورانس ر.؛ أندروز، أنغوس ب. (2007). أنظمة تحديد المواقع العالمية، والملاحة بالقصور الذاتي، والتكامل (الطبعة الثانية ). هوبوكين ،  نيو جيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية: وايلي-إنترساينس، جون وايلي وأولاده، ص 21. ISBN  978-0-470-04190-1.
  2. ↑ فاريل، جاي أ. (2008). الملاحة المُساعدة: نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) مع أجهزة استشعار عالية الدقة . الولايات المتحدة الأمريكية: شركة ماكجرو هيل. الصفحات 5 وما يليها. ISBN  978-0-07-164266-8.
  3. ^ دريبر، CS؛ ريجلي، دبليو. هوج، G.؛ باتين، ر. ميلر، إي. كوسو، أ.؛ هوبكنز، AL. فاندر فيلدي، نحن (يونيو 1965). أبولو التوجيه والملاحة (PDF) (أبلغ عن). ماساتشوستس: معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، مختبر الأجهزة. ص. I-3 وما يليها . تم الاسترجاع 12 أكتوبر، 2014 . 
  4. ^ "فيرنر فون براون (1912-1977)" . ناسا. 25 مايو 2006.
  5. ↑ "مكتب تاريخ مركز مارشال لرحلات الفضاء، الخمسينيات" . ناسا . مؤرشف من الأصل في 9 نوفمبر 2005.
  6. ↑ "فون براون" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 17-08-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15-08-2013 .
  7. ↑ "بدايات مختبر الدفع النفاث" . ethics.jpg.nasa.gov . مؤرشف من الأصل في 17 أكتوبر 2002.
  8. ↑ "ريتشارد هـ. باتين - رائد رحلات الفضاء" . Space.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-05-2009 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24-03-2009 .
  9. ↑ باتين، ريتشارد هـ. (فبراير 2002). "بعض الأشياء الطريفة حدثت في الطريق إلى القمر" (ملف PDF) . eng.buffalo.edu . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) في 30 سبتمبر 2011.
  10. ↑ "توجيه وملاحة أبولو" (ملف PDF) . ناسا.
  11. ↑ "عربات أبولو، تاريخ المركبات الفضائية القمرية المأهولة" . ناسا.

للمزيد من القراءة

  • مقدمة في رياضيات وأساليب الديناميكا الفلكية، طبعة منقحة (سلسلة AIAA التعليمية) ريتشارد باتين، مايو 1991
  • تطور التوجيه الفضائي - سرد شخصي، ريتشارد باتين، AIAA 82–4075، أبريل 1982