مروری بر گسترش برنامه ریزی شده بشریت بین زمین و ماه

در دهه‌های آینده، آژانس‌های فضایی متعدد مأموریت‌هایی را به این منطقه می‌فرستند تا از توسعه زیرساخت‌هایی حمایت کنند که منجر به حضور دائمی انسان در ماه شود. این شامل زیستگاه‌های مداری و سطحی، سکوهای فرود، وسایل نقلیه سطحی، فناوری‌هایی برای استفاده از منابع درجا (ISRU) و سایر عناصری است که امکان اکتشاف و توسعه طولانی‌مدت سطح ماه را فراهم می‌کند.

برای همه طرف‌های درگیر، فضای سیسلونار از نظر کاربردهای علمی، تجاری و نظامی پتانسیل بسیار زیادی دارد. سطح بسیار افزایش یافته فعالیت در ماه و اطراف آن، آگاهی از حوزه فضایی (SDA) – آگاهی از همه عملیات در یک منطقه از فضا – را بسیار مهم می کند. همچنین اطمینان از تداوم موفقیت و بهره برداری از منطقه تحت پوشش ضروری است. در مقاله‌ای اخیر، تیمی از مهندسان هوافضا، مأموریت‌های برنامه‌ریزی‌شده برای دهه‌های آینده را بررسی کردند و وضعیت و کاستی‌های آگاهی حوزه فضایی خود را ارزیابی کردند.

این مطالعه توسط Brian Baker-McEvilly، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی هوافضا در دانشگاه هوانوردی Embry-Riddle (ERAU) رهبری شد. دیوید کانالز، استادیار مهندسی هوافضا در ERAU، و سورابی بهادوریا و کارولین فروه، دکترا به او پیوستند. نامزد و استادیار دانشکده هوانوردی و فضانوردی دانشگاه پردو. مقاله ای که یافته های آنها را توصیف می کند اخیراً در فضای مجازی ظاهر شد و در حال بررسی برای انتشار است.

آگاهی از دامنه فضایی: درک و کشف بی‌پایانی که در اطراف ماست

SDA همچنین به عنوان ‘آگاهی موقعیتی فضایی’ شناخته می شود، برای عملیات در فضا ضروری است. همانطور که Baker-McEvilly توضیح داد:

«SDA اساساً مفهوم داشتن دانش جامع از همه اشیاء در یک منطقه خاص بدون لزوم ارتباط مستقیم با آن اشیاء است. این برای ایمنی و امنیت فضاپیما ضروری است زیرا اطلاعات ارزشمندی را در مورد اجسامی در مجاورت آنها ارائه می دهد که پتانسیل تأثیرگذاری بر نتیجه مأموریت آنها را دارند. برخی از نمونه‌های کلی اهمیت SDA عبارتند از: اطلاعاتی که به جلوگیری از برخورد کمک می‌کند، اطلاعات ردیابی دقیق را تضمین می‌کند و دانشی را در مورد سایر فعالیت‌های فضایی ارائه می‌کند.»

همانطور که ناسا می گوید، هدف برنامه آرتمیس ‘ایجاد یک برنامه پایدار از اکتشاف و توسعه ماه’ است. به طور مشابه، چین، Roscosmos و ESA امیدوارند زیستگاه‌های ماه و زیرساخت‌های مربوطه را برای حضور دائمی انسان در ماه ایجاد کنند. یکی از عناصر کلیدی این برنامه ها ایجاد زیستگاه در منطقه قطبی جنوبی ماه (حوضه قطب جنوب-آیتکن) است. این فعالیت ها به پشتیبانی قابل توجهی در قالب تحویل محموله نیاز دارند و صادرات منابع ماه نیز به طور مشابه مستلزم انجام مأموریت های منظم به سطح ماه و از سطح ماه است. با توجه به این سطح از فعالیت، SDA حیاتی تر از همیشه خواهد بود.

نگاهی به بسیاری از طرح‌ها: خلاقیت و تنوع در دنیای طراحی

طبق برنامه آرتمیس، ناسا قصد دارد اولین پرواز دور ماه را با فضاپیمای اوریون (آرتمیس II) قبل از سپتامبر ۲۰۲۵ انجام دهد. پس از آن، آرتمیس III در سپتامبر ۲۰۲۶، اولین مأموریت خدمه به سطح ماه از زمان آپولو ۱۷ در سال ۱۹۷۲ خواهد بود. این ماموریت با پرتاب یک فضاپیمای سرنشین‌دار اوریون با استفاده از سیستم پرتاب فضایی (SLS) به مدار ماه انجام می‌شود. سیستم فرود انسانی (HLS) که توسط SpaceX ارائه شده، یعنی Starship HLS، به طور جداگانه پرتاب شده و در مدار سوخت‌گیری خواهد کرد و سپس با فضاپیمای اوریون در اطراف ماه ملاقات می‌کند.

پس از تکمیل انتقال دو فضانورد به HLS، آنها به سطح ماه پرواز می کنند و حدود ۳۰ روز را صرف انجام آزمایشات و بازیابی نمونه می کنند. فراتر از آرتمیس III، ناسا شروع به تمرکز بر روی استقرار عناصر اصلی دروازه قمری خواهد کرد که در سال ۲۰۲۷ با موشک فالکون هوی پرتاب خواهد شد. ماموریت Artemis IV در سپتامبر ۲۰۲۸ دنبال می شود و برای اولین بار شاهد انتقال خدمه چهار نفره از فضاپیمای Orion به دروازه قمری خواهد بود. پس از آن، ناسا قصد دارد یک سال یک ماموریت به سطح ماه بفرستد و عناصر کمپ پایه آرتمیس را مستقر کند. این موارد شامل موارد زیر خواهد بود:

• وسیله نقلیه زمینی قمری (LTV): مریخ نوردی که خدمه را به اطراف منطقه فرود منتقل می کند.
• پلتفرم تحرک زیست پذیری (HMP): یک مریخ نورد تحت فشار که خدمه را قادر می سازد تا در سطح ماه تا ۴۵ روز سفر کنند.
• زیستگاه سطحی بنیاد قمری (LFSH): یک زیستگاه ثابت که چهار خدمه را در سطوح کوتاه تری در خود جای می دهد.

علاوه بر این، چین و روسیه قصد خود را برای ایجاد ایستگاه بین المللی تحقیقات قمری (ILRS) اعلام کرده اند که رقیب زیرساخت های پیشنهادی ناسا خواهد بود. جدول زمانی پیشنهادی شامل سه مرحله است. مرحله شناسایی با ماموریت Chang’e-7 (پرتاب در سال ۲۰۲۶) به پایان می رسد، که به کاوش در سطح ماه در اطراف حوضه قطب جنوبی-آیتکن برای جستجوی منابع و ارزیابی مکان های احتمالی برای زیستگاه آینده ادامه خواهد داد. فاز دوم، ساخت و ساز، بین سال های ۲۰۲۶ تا ۲۰۳۵ رخ خواهد داد و شاهد استقرار عناصر تشکیل دهنده ILRS خواهیم بود.

در همین حال، آژانس فضایی اروپا (ESA) مطالعات و پیشنهادات متعددی را برای پایگاه بین‌المللی ماه ارائه کرده است که همان هدف ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) است. پیشنهادهای قبلی شامل دهکده ماه آژانس فضایی اروپا بود که شامل یک تاسیسات زیر سطح و گنبدی پوشیده از سنگ سنگی بود که امکان دسترسی به سطح را فراهم می کرد. این در سال ۲۰۱۹ با پیشنهاد ESA و شرکت معماری بین‌المللی Skidmore, Owings & Merrill (SOM) دنبال شد که مجموعه‌ای از ماژول‌های نیمه بادی را در امتداد لبه یک دهانه ماه پیشنهاد کردند.

آخرین کانسپت، تلاش مشترک دیگری بین ESA و شرکت معماری بین المللی Hassel بود. پیشنهاد آنها، طرح جامع زیستگاه قمری، شامل یک سیستم زیستگاه مدولار و مقیاس پذیر است که می تواند سکونتگاهی تا ۱۴۴ نفر را در خود جای دهد. به عنوان بخشی از مطالعه خود، Baker-McEvilly و همکارانش این طرح ها را بررسی کردند و دو روند اصلی را شناسایی کردند. همانطور که او تعریف کرد.

دو روند کلیدی هنگام بررسی این مأموریت‌ها بروز می‌کند: اهمیت ایجاد عملیات پایدار و ارزش استراتژیک قطب جنوب قمری. بسیاری از مأموریت‌های آتی دارای اهدافی برای آزمایش فناوری‌های جدیدی هستند که از عملیات پایدار در ماه پشتیبانی می‌کنند، مانند روش‌های برداشت آب از سنگ‌های قمری برای فضانوردان، روش‌های فرود کارآمد برای پشتیبانی از حرکت مداوم به و از سطح ماه، و یا استفاده از مسیرهای مداری که نیاز به سوخت کمی برای باقی ماندن در مدار دارند.

قطب جنوبی قمری یک قطعه کلیدی از فضای سیسلونار است زیرا یک موقعیت جغرافیایی کارآمد برای این عملیات پایدار است. قطب جنوب دارای دهانه‌های دائمی سایه‌دار است که حاوی غلظت‌هایی از آب در داخل سنگ‌ است. همچنین، مدار هاله ای نزدیک به یک خط (NRHO) که دروازه را در خود جای می دهد، بیشتر مسیر خود را در خط دید قطب جنوب می گذراند و برای نگهداری در زیر آشفتگی های بیرونی به سوخت بسیار کمی نیاز دارد.

چگونه به آنجا برسیم: مسیریابی به سوی اهداف

یکی دیگر از جنبه های کلیدی مطالعه آنها پویایی محیط سیسلونار و چالش های ارسال فضاپیما از زمین به ماه بود. این چالش‌ها به لطف چندین دهه فرستادن مأموریت‌های روباتیک به آنجا شناخته شده‌اند، و به مأموریت‌های خدمه در قالب برنامه آپولو اشاره نکنیم. انتظار می‌رود در دهه‌های آینده، این منطقه مملو از ماهواره‌ها، فضاپیماها، دروازه قمری و سایر امکانات مداری باشد. با این واقعیت که هر جسمی در فضای سیسلونار باید با مشکل سه بدنه مقابله کند، همه چیز پیچیده تر می شود. بیکر مک ایولی گفت:

«دینامیک قلمرو سیسلونار به دلیل معرفی جسم سوم در مسئله مکانیک مداری چالش برانگیز می شود. در حال حاضر، مشکل سه جسم راه حل بسته ای ندارد و یک فضاپیما تحت تأثیر هم زمین و هم ماه دیگر به معنای سنتی کپلری دو جسمی که بسیاری با آن آشنا هستند حرکت نمی کند. این امر باعث می‌شود بسیاری از روش‌های سنتی در اختر دینامیک از بین بروند، بنابراین نیاز به مدل‌ها و روش‌های جدیدی برای حل مشکلات است.»

در پایان، آنها چند خانواده از مدارها را شناسایی کردند که هندسه منحصر به فرد مسیرهای تناوبی را در مسئله سه بدنه و همچنین مدارهایی که ممکن است در آینده کاربرد استراتژیک داشته باشند، برجسته می کنند. با این حال، همانطور که بیکر-مک اویلی اضافه کرد، این مسیرها همه جانبه نیستند و بسیاری موارد دیگر نیز وجود دارند که به خوبی مستند شده اند.

کاستی‌ها

پس از بررسی ماموریت‌های موجود و پیش‌بینی‌شده که در دهه‌های آینده به ماه خواهند رفت، بیکر-مک اویلی و همکارانش کاستی‌های متعددی را در مورد SDA شناسایی کردند. آنها همچنین توصیه هایی در مورد چگونگی رسیدگی به این موارد ارائه می دهند. همانطور که اشاره کرد:

روش‌های SDA مورد استفاده برای نظارت بر اجسام زمین که به حسگرهای زمینی متکی هستند، مستقیماً به توانایی مشاهده اشیاء در فضای سیسلونار ترجمه نمی‌شوند. فاصله قابل توجهی که یک حسگر مبتنی بر زمین باید طی کند تا به مناطقی از فضای سیسلونار برسد، خارج از توانایی بسیاری از حسگرها، به ویژه سیستم های راداری است. برای حسگرهایی که می‌توانند این فاصله را بپوشانند، مانند شبکه فضای عمیق، اغلب از قبل از آنها سبقت گرفته شده است و آنقدر ارزشمند هستند که فقط به SDA اختصاص داده شوند.

یکی دیگر از کاستی‌ها شرایط چالش‌برانگیز روشنایی است که حسگرهای نوری برای مشاهده اجسام در اعماق فضای سیسلونار باید بر آن غلبه کنند. مسائلی مانند مسدود کردن فیزیکی ماه از دید ماموریت ها در سمت دور، یا بازتاب نور از ماه که نور منعکس شده از فضاپیما را از بین می برد، مانع از توانایی حسگرهای نوری می شود. در نتیجه، مناطق مهمی از فضای سیسلونار وجود دارد که همیشه توسط شبکه‌های حسگر فعلی قابل مشاهده نیستند.

همانطور که Baker-McEvilly اشاره کرد، محققان در حال بررسی رویکردهای بسیاری برای رفع شکاف در قابلیت‌های Cislunar SDA هستند. برخی از احتمالات عبارتند از قرار دادن حسگرها در ماه، بهبود شبکه حسگرهای مبتنی بر زمین، یا اجرای صورت فلکی حسگرهای مبتنی بر ماهواره در سراسر فضای سیسلونار. به نظر او، ترکیبی از این راه حل ها برای حل شکاف SDA مناسب است. او همچنین امیدوار است که مطالعه آنها به محققان، دانش‌آموزان و علاقه‌مندان به اکتشاف ماه پایه و اساس وضعیت فعلی فضای سیسلونار و مسائلی را که با آن مواجه است، ارائه دهد.

او گفت: «مسائل کلیدی که در تجزیه و تحلیل در اکتشاف Cislunar و SDA برجسته شده‌اند ممکن است برخی از خوانندگان را متمایل کند که به این نکات توجه بیشتری کنند و کار خود را ارائه دهند که به راه‌حل کمک می‌کند یا از تکرار شکست‌های مشابه جلوگیری می‌کند.»