من المركبات القمرية إلى الروبوتات الفضائية: كيف تتغير هندسة الفضاء

تبدو الإجابة نفسها على نحو متزايد: الروبوتات. ومع ذلك، فإنها لا تظهر من تلقاء نفسها. قبل الذهاب إلى المدار، يقطع كل روبوت شوطًا طويلًا – بدءًا من الفكرة والحسابات الهندسية الأولى وحتى اختبارات البدلاء وخوارزميات التحكم المعقدة. وخلف ذلك كله هناك أشخاص نادرًا ما يكونون في دائرة الضوء، ولكن عملهم هو الذي يحدد ما إذا كانت التكنولوجيا الجديدة يمكن أن تصل يومًا ما إلى ما وراء حدود الأرض. ولهذا السبب تعتبر الروبوتات الفضائية اليوم واحدة من أسرع مجالات الملاحة الفضائية العالمية: فالمساعدون المجسمون والمتلاعبون الأذكياء وأنظمة التحكم عن بعد وخوارزميات الذكاء الاصطناعي يتحولون تدريجياً من التطورات التجريبية إلى عنصر إلزامي في البعثات الفضائية المستقبلية. ومع إنشاء المحطة المدارية الروسية، وتطوير جيل جديد من سفن النقل، وإعداد برامج قمرية واعدة، ستزداد الحاجة إلى مهندسين قادرين على تصميم مثل هذه الأنظمة. بمعنى آخر، لم نعد نتحدث عن مهنة المستقبل – فهي مطلوبة اليوم. ولكن ما هو نوع المتخصص الذي يجب تكليفه بإنشاء روبوت فضائي؟ ما هي المعرفة التي تحتاج إلى اكتسابها للمشاركة في تطوير تقنيات المحطات المدارية والبعثات المستقبلية؟ وهل لا يزال من الممكن في الجامعة أن تصبح جزءًا من المشاريع التي ستحدد تطور رواد الفضاء المحليين لعقود قادمة؟ ساعد ألكسندر بيليافسكي، دكتور في العلوم التقنية، وأستاذ في المعهد رقم 6 “الفضاء الجوي” التابع لمعهد موسكو للطيران، في معرفة ذلك كجزء من مشروع “كيف يعمل؟”، الذي تم تنفيذه بدعم من وزارة العلوم والتعليم العالي في الاتحاد الروسي في إطار عقد العلوم والتكنولوجيا. تحت إشرافه العلمي، بطلة روسيا، دافعت رائدة الفضاء آنا كيكينا عن أطروحتها للدكتوراه حول تطوير طرق لزيادة دقة التحكم في نظام آلي مجسم واعد. لم يكن هذا العمل هو النقطة النهائية للبحث، بل كان جزءًا من اتجاه علمي كبير يستمر في التطور حتى اليوم، مما يفتح فرصًا جديدة لمهندسي المستقبل. Alexander Belyavsky / © MAI Press Service من المركبات القمرية إلى الروبوتات الفضائية لم تظهر مهنة مطور الروبوتات الفضائية بالأمس. بدأت قصتها قبل وقت طويل من بدء البشرية الحديث عن الذكاء الاصطناعي والروبوتات البشرية. في عام 1970، أصبحت المركبة السوفيتية لونوخود 1 أول مركبة ذاتية الدفع في العالم تعمل بنجاح على سطح جرم سماوي آخر. ثم ظهرت محطات الكواكب الآلية، وأنظمة الإرساء الأوتوماتيكية، والمناورات المدارية، ومجمعات صيانة المركبات الفضائية الآلية. كانت كل تقنية جديدة تتطلب مهندسين قادرين على حل المشكلات التي لم تكن موجودة بعد في الكتب المدرسية الجامعية. “Lunokhod-1” في الجناح رقم 32 “الفضاء” في معرض إنجازات الاقتصاد الوطني لاتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. 1971 / © Fred Greenberg / RIA Novosti ربما تشهد الروبوتات الفضائية اليوم المرحلة الأكثر إثارة للاهتمام في تطورها. إذا كان على الآلة في السابق أن تنفذ بدقة تسلسلًا محددًا مسبقًا من الأوامر، فيجب عليها الآن أن تصبح مساعدًا بشريًا كامل الأهلية. يجب أن يدرك محيطه، ويعمل مع كائنات ذات أشكال مختلفة، ويتفاعل مع المشغل وينفذ عمليات معقدة في ظروف تكون فيها تكلفة الخطأ مرتفعة للغاية. لقد تغيرت المهنة نفسها. لم يعد يكفي أن يكون المهندس الحديث مجرد مصمم أو مبرمج. يتطلب إنشاء روبوت فضائي المعرفة في مجالات الميكانيكا والإلكترونيات وأنظمة التحكم والذكاء الاصطناعي والنمذجة الرياضية والرؤية التقنية وبيئة العمل وعلم نفس التفاعل بين الإنسان والآلة. إن هؤلاء المتخصصين اليوم هم الذين يصنعون التقنيات التي بدونها يستحيل تخيل العصر التالي لاستكشاف الفضاء. روبوت يصبح شريكًا لرائد الفضاء عندما يتعلق الأمر بالروبوتات الفضائية، يتخيل الكثيرون آلة شبيهة بالبشر ستحل يومًا ما محل رائد الفضاء تمامًا. في الواقع، يتطور الملاحة الفضائية العالمية وفقًا لسيناريو مختلف تمامًا. المهمة الرئيسية للمهندسين ليست استبدال الناس، ولكن توسيع قدراتهم. وهكذا، خلال المهمات الفضائية الطويلة، يقوم الطاقم يوميا بعشرات العمليات المماثلة: صيانة المعدات، وإجراء التجارب، ومراقبة تشغيل الأنظمة، وتبديل المعدات، وإعداد محطات العمل للبحث العلمي. كل هذا يتطلب استثمارًا ضخمًا للوقت – وهو المورد الأكثر قيمة في المدار. وفي المستقبل، سيكون من الممكن تنفيذ جزء كبير من هذه العمليات بواسطة أنظمة روبوتية مجسمة. إنهم لا يقومون فقط بتنفيذ برنامج مسجل مسبقًا. تم تصميم هذه الأنظمة كمساعدين بشريين كاملين، قادرين على العمل جنبًا إلى جنب مع الطاقم، وتكرار تصرفات المشغل، وإذا لزم الأمر، أداء العمليات القياسية بشكل مستقل. تصبح هذه المهمة ذات أهمية خاصة فيما يتعلق بتطوير المحطة المدارية الروسية. على عكس محطة الفضاء الدولية، توفر بنية ROS أوضاع تشغيل مختلفة. وهذا يعني أن جزءًا من العمل بين البعثات سيكون من الممكن تنفيذه بواسطة أنظمة روبوتية ذكية: الحفاظ على وظائف المعدات، وإجراء التشخيص، وإعداد المحطة لوصول الطاقم. ويجري النظر في حلول مماثلة للبعثات القمرية المستقبلية. هذا هو المكان الذي تظهر فيه المشكلة التي قررت آنا كيكينا استكشافها. Anna Kikina / © Maxim Blinov / RIA Novosti على الأرض، يستطيع الشخص تصحيح حركة يده على الفور إذا فاته زر أو رافعة. لا يمكن للروبوت أن يتصرف بهذه الطريقة. إنه ينفذ الأمر بدقة كما علمه المهندسون. وفي الفضاء، حتى أدنى خطأ يمكن أن يؤدي إلى فشل عملية مكلفة. ولهذا السبب تم تخصيص أطروحة الدكتوراه لآنا كيكينا لتطوير طريقة حسابية وتجريبية يمكنها تحسين دقة تحديد المواقع للهيئات التنفيذية لنظام آلي مجسم بشكل كبير. إذا ترجمنا هذا من لغة المصطلحات العلمية، فإننا نتحدث عن كيفية تعليم الروبوت بأكبر قدر ممكن من الدقة لتكرار الإجراءات البشرية وإجراء عمليات معقدة بثقة في ظروف الطيران الفضائي. — أصعب شيء في الروبوتات الحديثة هو تعليم الآلة أن تعمل ليس بدلاً من الإنسان، بل معه. يجب أن يصبح الروبوت امتدادًا لقدرات المشغل. “عندها فقط ستكون هذه الأنظمة قادرة على أداء مهام مهمة حقًا في الفضاء، “يقول ألكسندر بيليافسكي. هذا العمل مهم ليس فقط كبحث علمي. فهو يوضح ما أصبح عليه مسار المهندس في صناعة الفضاء اليوم. قبل بضعة عقود فقط، تم إنشاء العديد من التطورات داخل مكاتب التصميم المغلقة. اليوم، في كثير من الأحيان، تولد البحوث الأساسية في الجامعات، حيث يعمل طلاب المرحلة الجامعية والدراسات العليا على مشاكل حقيقية جنبا إلى جنب مع مؤسسات الصناعة والمنظمات العلمية. ولهذا السبب فإن مثال آنا كيكينا مثير للاهتمام ليس فقط بسبب سيرتها الذاتية الكونية. بعد الرحلة الأولى، لم تضع حدًا لتطورها المهني، لكنها عادت إلى العمل العلمي لحل المشكلات الهندسية، التي يعتمد عليها مستقبل رواد الفضاء المأهولين إلى حد كبير، وأصبح هذا المسار سمة متزايدة للصناعة الحديثة: تتحول الخبرة العملية إلى تقنيات جديدة، والبحث العلمي إلى حلول هندسية حقيقية. تعتبر الروبوتات الفضائية اليوم واحدة من أسرع المجالات نموًا في صناعة الفضاء العالمية، ولا يرتبط هذا فقط بتطوير البرامج المأهولة خدمة المحطات المدارية لاستكشاف القمر والفضاء السحيق، لذلك، تحتاج مؤسسات الصناعة إلى متخصصين في مختلف المجالات، بالإضافة إلى المصممين، ومهندسي أنظمة التحكم، ومبرمجي البرمجيات المدمجة، والمتخصصين في الرؤية الآلية، والذكاء الاصطناعي، والنمذجة الرقمية، واختبار الأنظمة الآلية، ومطوري محركات الأقراص، وأجهزة الاستشعار وأنظمة التحكم الذكية، وهي مطلوبة بشكل خاص اليوم وكيف يتم اتخاذ القرارات من خلال خوارزميات التحكم، وكيف يتفاعل الشخص مع الآلة في الظروف القاسية. “اليوم من المستحيل أن نقول: “أنا مجرد ميكانيكي” أو “أنا مجرد مبرمج”. تجبر الروبوتات الفضائية المهندس على توسيع كفاءاته باستمرار. يقول ألكسندر بيليافسكي: عند تقاطع التخصصات المختلفة تظهر الحلول الأكثر إثارة للاهتمام. لذلك، يبدأ تدريب مطوري المستقبل بالتحضير الأساسي. يحتاج مهندس المستقبل إلى معرفة قوية في الرياضيات والفيزياء وعلوم الكمبيوتر – فهذه هي المواد التي تصبح الأساس لدخول المجالات الهندسية. ثم تظهر البرمجة ونظرية التحكم الآلي والروبوتات والإلكترونيات وقوة المواد والنمذجة الرقمية وأساسيات الذكاء الاصطناعي وعشرات التخصصات الأخرى، التي يصبح كل منها جزءًا من مهنة المستقبل. ولكن، وفقا لألكسندر بيليافسكي، فإن الدبلوم في حد ذاته لا يجعل الشخص مهندسا. — الجودة الأساسية التي يحتاجها المتخصص الشاب هي الفضول. التقنيات تتغير بسرعة كبيرة. لذلك، ليس الشخص الذي تعلم كل شيء مرة واحدة هو الذي يصبح ناجحًا، ولكن الشخص الذي يستمر في التعلم طوال حياته المهنية. “هؤلاء هم الأشخاص الذين يدفعون صناعة الفضاء إلى الأمام اليوم، “يؤكد أستاذ MAI. علاوة على ذلك، فإن الطريق إلى المهنة يبدأ في وقت أبكر بكثير من يوم العمل الأول. على سبيل المثال، في معهد موسكو للطيران، يشارك الطلاب من السنة الأولى في بحث حقيقي، وعمل المختبرات العلمية ومشاريع الشركاء الصناعيين. وهذا هو المكان الذي تنشأ فيه الفرصة ليس فقط لدراسة التقنيات الجاهزة، ولكن للمشاركة في إنشاء حلول هندسية جديدة. بالنسبة للكثيرين، تصبح الجامعة المكان الأول حيث تبدأ الأفكار في التحول إلى تطورات حقيقية. لماذا الآن على مدى السنوات القليلة الماضية، دخل رواد الفضاء العالميون مرة أخرى في فترة من التطور السريع، حيث تقوم الدول ببناء محطات مدارية جديدة، وتطوير صواريخ ثقيلة للغاية، وإنشاء جيل جديد من سفن النقل، والاستعداد لاستكشاف القمر، ولكن كلما أصبحت المهام الفضائية أكثر تعقيدًا، زادت الحاجة إلى نقل المهام إلى الأنظمة الروبوتية الذكية، وفي الواقع، تنتقل البشرية تدريجيًا من العصر الذي كانت فيه الروبوتات تنفذ الأوامر الفردية إلى العصر الذي تصبح فيه الروبوتات مشاركين كاملين في الفضاء. “هذا هو السبب في أن المتخصصين في مجال الروبوتات الفضائية سيحددون تطور الصناعة في العقود المقبلة، كما يشير ألكسندر بيليافسكي. وفي الوقت نفسه، فإن البحث مثل عمل آنا كيكينا ليس سوى مرحلة واحدة في تاريخ الهندسة العظيم. لقد أصبحت الطريقة الحسابية والتجريبية المتقدمة جزءًا من القاعدة العلمية التي يستمر على أساسها تحسين الأنظمة الروبوتية المجسمة المحلية. وبعبارة أخرى، لم ينته المشروع بالدفاع عن أطروحة علمية – فهو مستمر في التطور “إنها عمليا ليست نسخة نهائية من التكنولوجيا. كل عمل جديد يصبح الأساس للمرحلة التالية من البحث. وهذا هو السبب في أن الطالب الذي يأتي إلى المختبر اليوم قد يصبح شخصا سيتم استخدام تطوراته في الفضاء في غضون عشر أو خمسة عشر عاما، “يؤكد ألكسندر بيليفسكي. هذه هي الميزة الرئيسية لمهنة الهندسة. نعم، نادراً ما يرى المهندس نتيجة عمله على الفور. نعم، في بعض الأحيان تمر سنوات بين الفكرة الأولى وتطبيقها. ولكن هذه هي بالضبط الطريقة التي تظهر بها التقنيات التي تحدد بعد ذلك تطور الصناعات بأكملها. ذات مرة، كانت هذه الاختراقات هي المحطات الأوتوماتيكية الأولى، “لونوخودس”، أنظمة الإرساء التلقائي للمركبات الفضائية. واليوم، تنضم إليهم تدريجيًا أنظمة روبوتية مجسمة، والتي من المقدر لها أن تصبح مساعدين لا غنى عنهم للبشر في الفضاء. ومن الممكن أن يقوم أحدهم في يوم من الأيام بعمله في المدار أو على سطح القمر بفضل مهندس يختار مهنته المستقبلية اليوم.