تعرف علي أول تجربة بجامعة مصرية لتصميم وتصنيع هيكل قمر صناعي متطور

نجحت تجربة رائدة وفريدة داخل جدران كلية الهندسة جامعة الزقازيق لأول مرة في مصر، وتدور حول تصميم هيكل قمر صناعي ومراحل تطويره وإحتياجات تأهيله واختباره، حىث تم تصميم وتصنيع وإختبار هيكل قمر صناعي مجهز لتركيب كاميرا فائقة التفريق الطيفى Hyperspectral ومتوافرة في السوق العالمية.

كما أنه مجهز لتركيب جميع مكونات القمر الصناعي للتشغيل ويدعم إمكانية الحصول على معلومات غير متوفرة من الأقمار المصرية حتى الآن بسبب الكاميرا غير موجوده في الأقمار الصناعيه العربيه وقليلة التواجد، وعبر "بوابة روزاليوسف" نروي لكم حكاية هذه التجربة ومعرفة كل مراحلها مع كل من الدكتور أبو بكر محمد الهادي أستاذ تصميم المركبات الفضائية وإستشاري الأقمار الصناعية، والدكتورمحمد رياض غازي رئيس وحدة الاختبارات للأقمار الصناعية.

قال الدكتور أبوبكر الهادي،الأقمار الصناعية هي أجسام متعددة النظم من صنع الأنسان يتم تجميعها وإطلاقها الى الفضاء لتنفيذ مهام محددة، وتعمل نظم القمر الصناعي طبقا لمواصفات فنية منظبطة القيمة والتوقيت ضمانا لتنفيذ وظيفتها دون أي قيود، وباستخدام محركات فاعلة (Actuators) يتم توجيه القمر الى وضعية تنفيذ المهمة المطلوبة، ونظام توليد وتوزيع القدرة الكهربية هو المسؤول عن تجميع القدرة الكهربية بالخلايا الشمسية وتخزينها بالبطارية ثم التحكم فى توزيع القدرة طبقا لمخطط تنفيذ المهمة. نظام التحكم الحرارى ويقوم بمهام توفير البيئة الحرارية المناسبة لعمل المكونات على متن القمر طول فترة عمل القمر بإستخدام مكونات خاملة أو مستهلكة للقدرة الكهربية، ونظام الهيكل وميكانزمات الحركة هو نظام المسؤول عن احتواء مكونات القمر والحفاظ على سلامتها وموضعها طوال فترة الإطلاق والتنقل من محل التصنيع الى الوضع فى المدار، كما يوفر الحماية للمعدات من التعرض المباشر لمؤثرات البيئة الفضائية شديدة التأثير على المكونات الإلكترونية.

أوضح: أن نظام الهيكل هو المسؤول الرئيسى عن مقاومة واستيعاب الأحمال الميكانيكية الناتجة عن صاروخ الإطلاق دون حدوث تشوه أو التواء فى أجزائه كما أن الهيكل لا بد وأن يوفى جميع الاشتراطات الفنية لشركة الإطلاق من ترددات فيزيائية وحجم وخامات المصنعة منها أجزاؤه وغيرها ما يجعل من تصميم الهيكل عملية صعبة، كما يتميز تصميم الهيكل بأنه النظام الذي يختلف من قمر لآخر باختلاف المهمة واختلاف وضعية المعدات وكذلك باختلاف مبدأ التصميم، لذا فإن الهيكل للقمر الصناعي يختلف عن باقى مكونات القمر أنه لن تجد هيكلا فى السوق العالمية يمكن شراؤه أو تجميعه وتركيبه، وبناء عليه يتوجب على أى مؤسسة فضائية أن يتوافر لديها فريق ذو كفاءة عالية فى تصميم هياكل الأقمار الصناعية إن أرادت أن تنتج أقمارها دون الاعتماد على مصادر خارجية.

تصميم هيكل القمر الصناعي 

أكد: انطلاقا من هذا المنطق واستعدادا للمستقبل القريب لتلبية متطلبات وكالة الفضاء المصرية تبنت كلية الهندسة جامعة الزقازيق إنشاء قسم المركبات الفضائية بجامعة الزقازيق، وفي العام 2016-2017 استقبل القسم الدفعة الأولى من الطلاب، وبدأ التخطيط لتخريج دفعات متميزة فى مجال تصميم المركبات الفضائية بجهود مضنية من منظومة عمل تشمل كفاءات من منسق البرنامج ومدير البرامج، والمدير التنفيذى لمكتب الابتكار ونقل التكنولوجيا TICO، وتحت رعاية عميد الكلية ورئيس جامعة الزقازيقـ وتم إنشاء معمل الاختبارات البيئية للأقمار الصناعية وشراء هزاز ميكانيكى لإجراء الاختبارات الميكانيكية على هياكل الأقمار الصناعية وكذلك المكونات الإلكترونية للأقمار الصناعية. 

وبتوافر الأساسيات بدأت التفكير فى الإعداد لتصميم هيكل قمر صناعي ومحاولة تصنيعه وتجميعه ومن ثم اختباره بمعمل الاختبارات البيئية للأقمار الصناعية، وبدأنا فى عمل تحليل مهمة لقمر صناعي صغير يزن فى حدود الـ20 كجم وبحجم مكعب لايزيد على 25سم لتصوير سطح الأرض بدقة أحسن من 10م من ارتفاع 500كم، ومن خلال البحث فى السوق العالمية عن المعدات المتوفرة وإمكانية توافقها للعمل لإنجاز المهمة تم اختيار المعدات لتحديد أماكن تثبيتها على متن القمر لتأدية وظائفها دون أى إعاقة أو تداخل كهرومغناطيسى بشرط توافق موقع مركز الكتلة مع المركز الهندسي لوضع الإطلاق طبقا لمتطلبات صاروخ الإطلاق. بعد تحديد المكونات جميعا طبقا لمخرجات تحليل المهمة بدأنا فى دراسة كل مكون ومتطلباته الفنية لأداء وظائفة ومتطلبات تثبيته، ومن ثم وضع المبادئ الأساسية لتصميم الهياكل ووضع عدد من المقترحات لشكل الهيكل الهندسى، وتم تقييم كل مقترح فنيا واختيار أحسن المقترحات لتطويره وتحسين قدراته الفنية. بعد أن تم الوصول الى أفضل شكل يتيح تثبيت المكونات وتحقيق المتطلبات الفنية، وبدأت مرحلة تحليل الإجهادات بالنمذجة الرياضية والمحاكاة على جزم برمجيات معتمدة والتي استمرت لأكثر من ثلاثة شهور من العمل المضنى وكانت المشكلة هنا توفير حاسب بقدرات حسابية متطورة.

القمر الصناعي يزن ٢٠ كجم

وتم إنتاج الوثائق التصنيعية للأجزاء الهيكل، ونظرا لأن تكلفة التصنيع ليست بالبسيطة تقدمنا بطلب لأكاديمية البحث العلمى للحصول على دعم تمويلى لتصنيع الهيكل، وبدأت رحلة البحث عن شركة شركة تصنيع يمكنها الإنتاج بالدقة التصنيعية المطلوبة طبقا للمحددات القياسية المطلوبة وانتهت الرحلة على ثلاث شركات هى الهيئة العربية للتصنيع وشركتان من القطاع الخاص وكانت المفاضلة بينها على أساس تكاليف التصنيع وزمن التسليم حيث إن ثلاثتهم ذو كفاءة فنية متقاربة وتفى بالمطلوب، وتم التعاقد وكانت فترة التصنيع أكثر صعوبة علينا من حيث المشاركة فى عمليات التفتيش والجودة خلال مراحل التصنيع والتأكد من تطابق المنتج النهائى بمتطلبات التصميم. وكانت هناك أجزاء تم رفضها أثناء التصنيع لعم مطابقتها لمتطلبات الجودة وتصنيع بديل منها، وبدأنا فى الإعداد لمرحلة التجميع وكان أصعب مافيها توفير أدوات التجميع حيث إن كل مسمار يتم ربطه بعزم معين طبقا للتصميم الخاص به ومفاتيح العزم المطلوبة لم تكن متوفرة بسهولة فى السوق المصرية ولكن تم الحصول عليها وتمت مرحلة التجميع. 

فيما أشار الدكتور محمد رياض غازي، ولإختبار صلاحية الهيكل للإطلاق كان لا بد من إثبات ذلك عمليا من خلال 4 مراحل للاختبار، والمرحلة الأولى اختبار الترددات الطبيعية للهيكل، والمرحلة الثانية اختبار الهيكل تحت تأثير أحمال ترددية محددة خلال نطاق محدد مختلفة الشدة بناء على مواصفات محددة فى كتيب صاروخ الإطلاق، والمرحلة الثالثة اختبار الهيكل تحت تأثير أحمال عشوائية طبقا لكتيب صاروخ الإطلاق، والمرحلة الرابعة إختبار تأثير الصدمة المكانيكية على الهيكل، ويخضع هيكل القمر للفحص الدقيق عقب كل مرحلة اختبار للتأكد من عدم حدوث أى تأثير على أجزاء الهيكل أو الكونات المثبته عليه.

وبمقارنة نتائج الاختبارات المعملية ونتائج المحاكاة الرياضية وجد توافق جيد بين النتائج ما يثبت دقة التمثيل الرياضى للهيكل وبرمجيات الحل وجودة التصنيع والتجميع، ونستنتج من ذلك قدرة الكوادر المصرية المشاركة على تصميم وتصنيع واختبار هياكل الأقمار الصناعية لأول مرة فى مصر فى سابقة علمية وتطبيقية لكلية الهندسة جامعة الزقازيق.

وتطمح كلية الهندسة جامعة الزقازيق خلال الفترة القادمة توافر ميزانية لشراء المكونات وبناء القمر وإتمام الإختبارات الوظيفية الخاصة بالقمر استعدادا لإطلاقه للفضاء والحصول على صور تساعد فى الأبحاث الخاصة بالمحاصيل والبيئة وتلوث الشواطئ والثروة السمكية وغيرها، كما تطمح الكلية الى إنشاء مكتب تصميم متطور لتصميم هياكل المركبات الفضائية وتطوير إمكانات المعمل لاختبارات أكثر تعقيدا وتوفير نظم تحقيق أكثر دقة تمهيدا لإعتماد المعمل دوليا بنظام ISO لاختبار معدات الفضاء.