חללית לא-מאוישת

חללית לא־מאוישת (באנגלית: Unmanned spacecraft) היא חללית שאינה נושאת אנשים על סיפונה, ומשמשת לטיסות לא מאוישות.

לחללית לא־מאוישת יש שלוש רמות שונות של אוטונומיה (יכולת תפקוד עצמית)^[1]:

• שליטה מכדור הארץ בזמן אמת
• אוטונומיה מוגדרת מראש
• ניתוח מצב וקבלת החלטות על ידי בינה מלאכותית

סוגי החלליות הלא־מאוישות השכיחות ביותר הם: חלליות אספקה, גשושיות וחלליות הנושאת טלסקופים ולוויינים.^[2]

היסטוריה

שיחזור של לונוחוד 1, במוזיאון החלל הרוסי

בעקבות הצלחת ברית המועצות בשיגור ספוטניק 1, הלוויין הראשון בשנת 1957, מיקדו האמריקאים את מאמציהם בשליחת גשושית לירח. הניסיון הראשון לעשות זאת היה במסגרת תוכנית פיוניר. בהתאם, גם לסובייטים הייתה תוכנית להגיע לירח, והיא הפכה למבצעית עם שיגור לונה 1. ב־4 בינואר 1959 הייתה לונה 1 לגשושית הראשונה על הירח. בנוסף לתוכנית פיוניר, היו שלושה פרויקטים עיקריים: תוכנית ריינג'ר, תוכנית לונר אורביטר ותוכנית סורוויור, שמטרתן הייתה לאתר נקודות נחיתה פוטנציאליות על הירח עבור חלליות של תוכניות נוספות.

תוכנית נוספת הייתה תוכנית לונוחוד. תוכנית זו הייתה תוכנית סובייטית שהנחיתה רוברים (רכבי חלל רובוטיים) על הירח במטרה לחקור אותו. התוכנית פעלה בין השנים 1969 ל־1977 ובמסגרתה פעלו הרוברים הראשונים שחקרו את מערכת השמש, וכן הרוברים הראשונים שנחתו על הירח. הלונוחוד הראשון שוגר ב־1969 והושמד בזמן השיגור. ב־1970 שוגר לונוחוד 1 וב־1973 שוגר לונוחוד 2, שנחתו על הירח. לעומתם, לונוחוד 3, שהיה אמור להיות משוגר ב־1977, לא שוגר לבסוף.

הלונוחודים תוכננו בעיקר כדי למצוא אתרי נחיתה נוחים על הירח לחלליות מאוישות, כאלה שאולי ישמשו לבסוף לבניית מושבה על הירח, וככאלה שישמשו את המשימות המאוישות של ברית המועצות אל הירח (שלבסוף מעולם לא יצאו לפועל) וגם ישמשו לחקר הירח ולשליחת תמונות ממנו. לאחר סיום משימות הלונוחוד, אף רובר לא נחת בשום מקום עד שהנחיתו את "מארס פאת'פיינדר", שנחת ב־1997 במאדים. ב־2010, כמעט 40 שנה אחרי איבוד הקשר עם לונוחוד 1, איתרו את הרובר וצילמו אותו ואת עקבות מסלולו.^[3][4]

רכיבי החלליות

קשה מאוד לתקן חלליות לא מאוישות, שנמצאות סביב כדור הארץ, ואפילו בלתי אפשרי כשהן רחוקות ממנו, לכן רכיבן עוצבו בצורה קשיחה, אמינה, ובצורה כזאת שיוכלו לבצע את משימתן. לעומת זאת, כשמסתכלים בהיסטוריה של החלליות הלא מאוישות, ניתן לראות שהמערכות שלהן עלולות להיכשל, ולכן ישנן משימות שלא ניתן לבצע עם החלליות הלא מאוישות, ולפעמים יכול להיות שכל המשימה אבודה.^[5]

כדי שהחלליות הלא מאוישות יפעלו, הן זקוקות למחשבים, שמתוכנתים כדי לבצע את המשימה. בנוסף לכך, כדי שחלליות לא מאוישות ישדרו מידע אל כדור הארץ, והחוקרים בכדור הארץ ישלחו אליהן פקודות חדשות, הן זקוקות למשדרים. יתרה מזאת, קיימים עוד רכיבים רבים, העוזרים לביצוע המשימה, כמו לוחות סולאריים ועוד.

מערכת של חללית לא־מאוישת מכילה תת־מערכות, המשתנות לפי המשימה. תת־המערכות בחללית שולטות על הכיוון, התנועה, התקשורת, הבקרה ואחסון המידע, האנרגיה, הטמפרטורה, שיטות הנעה והמבנה.

שליטה בגישה

חללית לא־מאוישת צריכה תת־מערכת לשליטה בגישה כדי להתמצא בצורה הטובה ביותר בחלל. היא עושה זאת בעזרת הפעלת חיישנים, המופעלים ביחד בעזרת אלגוריתמים.

מדריך הניווט

מדריך הניווט מתייחס לחישוב הוראות כדי לכוון את החללית הלא־מאוישת לאן שהיא צריכה להיות. תת־המערכת הזו מכוונת את החללית בעזרת קביעת אלמנטים ומיקום למסלול החללית. השליטה (ההסתגלות לדרך) היא מה שהחללית הלא־מאוישת עוברת כדי להגיע לדרישות המשימה. בכמה משימות המדריך לניווט והשליטה בגישה משולבים ביחד לתת מערכת אחת.

בקרה ואחסון המידע

הבקרה ואחסון המידע מקבלות הוראות מתת המערכת של התקשורת, את ההוראות הן מפצחות ומפיצות לתת המערכות המתאימות. כמו כן, הבקרה ואחסון המידע מקבלות מידע מדעי מתת מערכות אחרות, אותו הן אוספות לאחסון במקליטי נתונים או משדרות לקרקע, באמצעות מערכת התקשורת המשנית. פונקציות אחרות של הבקרה כוללות שמירה על עמידה בזמנים של החללית ופיקוח על תחזוקת המערכות השונות.

תקשורת

חללית לא־מאוישת מנצלת מערכות תקשורת שונות, כדי לתקשר עם תחנות על פני כדור הארץ וגם כדי לתקשר בין חלליות אחרות בחלל. הטכנולוגיה המנוצלת כוללת תדרי רדיו ותקשורת אופטית. בנוסף לכך, חלק מהציוד של החלליות הוא לתקשורת עם לוויינים קרקעיים בעלי התקנים אלקטרונים הקולטים ומשדרים אותות.

אנרגיה

חללית לא־מאוישת צריכה כוח חשמלי, כדי לתפעל את המערכות השונות. לחלליות לא־מאוישות, הנמצאות ליד השמש יש לוחות סולאריים הממירים את אנרגיית השמש לאנרגיה חשמלית ובכך פותרים את בעיית האנרגיה. כמו כן, כדי לפתור בעיה זו, ישנן חלליות שבהם יש RTG (גנרטור רדיואיזוטופי תרמואלקטרי) המספק אנרגיה חשמלית: החשמל עובר דרך ציוד הממזג אותו לפני שמגיע לתת המערכות השונות. כמו כן, לשלד החללית יש בטריות המספקות חשמל כאשר המקור הראשי לא פועל.

בקרה תרמית

חלליות לא־מאוישות חייבות להיות מהונדסות כדי להתמודד עם סביבת החלל ועם האטמוספירה של כדור הארץ כאשר הן עוברות דרכן. הן חייבות לפעול בריק אשר בו יכולות להיות טמפרטורות של כמה מאות מעלות וגם בנוכחות פלזמה. הדרישות מהחומרים האלה הם: עמידות בחום וחומרים בצפיפות נמוכה כגון: בריליום ופחמן מחוזק. דבר זה בא לידי ביטוי, בכך שיש משימות, שבהן חלליות לא מאוישות צריכות לפעול על משטח של גוף פלנטרי אחר, אשר יכול להיות בעל טמפרטורות גבוהות או נמוכות. בנוסף לכך, תת־המערכת של הבקרה התרמית יכולה להיות פסיבית, תלוי בבחירת החומרים. לעומת זאת, בקרה תרמית אקטיבית עושה שימושים במחממים חשמליים ובמפעילים מסוימים אשר שולטים בטווח הטמפרטורות של החללית.

מבנה

חללית לא־מאוישת חייבת להיות מהונדסת לעמוד בשחרור מטענים לא רצויים לאחר השיגור, וחייבת להיות לה נקודת חיבור עם תת־המערכות אחרות. בהתאם למשימה, החללית תצטרך לשחרר מטענים כאשר היא נכנסת לאטמוספירה ולשטח של גוף פלנטרי אחר.

מערכת הנעה

לחלליות לא־מאוישות לא חייבת להיות מערכת הנעה, ואם כן אז זה תלוי אם המשימה מצריכה מערכת הנעה. חלליות לא־מאוישות הנמצאות במסלול הלווייני הנמוך כוללות מערכת הנעה, במטרה לצאת מכבידת כדור הארץ וגם כדי לעשות תמרונים. החלקים במערכת ההנעה מכילים: דלק, מכליות, תעלות, צינורות ומבערים. כמו כן, מערכת הבקרה התרמית קשורה לתת מערכת ההנעה, בכך שהבקרה התרמית מודדת את הטמפרטורה של החלקים במערכת ההנעה, ומחממת מראש את המכליות ואת המבערים, בשביל להכין את החללית לפעולה.

מטרת החלליות הלא־מאוישות

בחלק מהמשימות, משתמשים בחלליות לא מאוישות במקום חלליות מאוישות מכמה סיבות:^[6][7]

ראשית, במשימות מאוישות, המסע קשה באופן פיזיולוגי לגוף האדם. יש חלקים של תאוצה גבוהה, כמו בהמראה מכדור הארץ, אשר גורמת לאסטרונאוטים להרגיש שהם, או שהכוח כבידה שעליהם פתאום גדל.

כמו כן, בחלל יש תחושה חוסר משקל והאסטרונאוטים "מרחפים", משום שהם נמצאים במצב של נפילה חופשית. זאת בעיה, כיוון שאסטרונאוטים רבים מרגישים בחילה בתחילת המשימה ואצל חלקם ההרגשה הזו יכולה להימשך אפילו כמה ימים. בעיה בריאותית חמורה נוספת, היא שחוסר המשקל בחלל משפיע על צפיפות העצם וגורם לבריחת סידן מעצמות האסטרונאוטים. דבר זה בא לידי ביטוי בכך שתאונות קטנות של האסטרונאוטים יכולות לגרום לשברים בעצמותם. בנוסף, ישנה אפשרות שהעצמות שלהם ישברו בזמן שהם נמצאים בתאוצה גבוהה, שיכולה להתקיים במהלך חזרה לכדור הארץ או בנחיתה על כוכבי לכת אחרים. התופעה עוד לא נחקרה לעומק.

סכנה נוספת שיש לבני אדם בזמן מסע, היא חשיפה לקרינה. ישנם שני סוגים של קרינה, שפוגעים בבני אדם:

1. קרינה אלקטרומגנטית מייננת בעצמה גבוהה.
2. קרינה חלקיקית

קרינות אלה מגיעות בכמות קטנה בהרבה לכדור הארץ מאשר בחלל, מכיוון שבחלל אין אטמוספירה ששחוצצת מפני הקרינה, ולפיכך צריך לבנות את החללית באופן שתגן מהקרינה, אך באופן מעשי, אין כל הקרינה נחסמת.

בעיה נוספת בשליחת אנשים לחלל היא המחיר. אנשים הם כבדים יותר ביחס למכשירים אלקטרוניים מודרניים, והם זקוקים להרבה ציוד, כמו מים, מזון, אוויר, וציוד כדי למחזר אותם.

בין חלליות מאוישות לחלליות לא־מאוישות

"דיוקן עצמי" של הגשושית קיוריוסיטי

ראשית, החלליות הלא־מאוישות בנויות לזמן עבודה ארוך יותר מאשר חלליות מאוישות. כמו כן, החלליות הלא־מאוישות חוסכות כוח עבודה רב. את החלליות הלא מאוישות קל יותר לשגר, מכיוון שגודלם זעיר ביחס לחלליות מאוישות. יתרה מכך, בחלליות לא־מאוישות אין צורך בהתאמת המבנה למגורי אדם ומחייה.^[8]

מתוך שני הסוגים של חלליות לא־מאוישות, הראשונה מבצעת משימות בסביבת כדור הארץ, והשנייה טסה לירח, לכוכבים שונים או לפנים החלל. חלליות מאוישות בדרך כלל לא צריכות ניווט אחרי שהן מגיעות למסלול, לעומת זאת, חלליות לא מאוישות מסתמכות בעיקר על ניווט שהן מקבלות. חלליות מאוישות יכולות לקבל פקודה כמעט מידית מהקרקע. חלליות לא־מאוישות צריכות להיות אוטונומיות, או לפחות להיות עצמאיות במבצעים שגרתיים. משימות מרובות וגאוגרפיה מסובכת מעכבות חלליות לא־מאוישות מלהיות בקשר מתמיד עם שלוש תחנות הקשר החלליות. לכן, הבסיס לטיפול בחלליות לא־מאוישות הוא זיהוי כשלים בחללית ותיקונם, לעומת זאת חלליות מאוישות מתמקדות באבטוח החללית עד שהתחנות על הקרקע יוכלו לעזור.

המחשבים של החלליות הלא־מאוישות מתוכנתים לעבוד הרבה זמן ולצרוך מעט אנרגיה, משום שבניגוד לחלליות מאוישות, אין בהן אנשים, שיכולים לעזור למחשבים ולתקן תקלות. משימה מאוישת טיפוסית נמשכת שבוע או פחות. לעומת זאת, משימה לא־מאוישת יכולה להימשך כעשור! חלליות מאוישות בדרך כלל סוחבות יחידות של "כוחות עזר" המכילות טכנולוגיה כגון: אנרגיה לרפואה, ניסויים ומחשבים. כמו כן, חלליות מאוישות במסלול סביב כדור הארץ תלויות לעיתים קרובות בלוחות סולאריים, שמייצרים כוח טבעי חלש. חלליות לא־מאוישות משתמשות גם בלוחות סולאריים וגם במחולל רדיואיזוטופי תרמואלקטרי.

בנוסף לכך, הרבה חלליות לא־מאוישות שהיו קרובות לכדור הארץ, השתמשו בגרסאות שונות של מחשב, אשר פותח במרכז טיסות החלל גודרד. לעומת מרכז טיסות החלל גודרד, המעבדה להנעת סילון של המכון הטכנולוגי בקליפורניה, התעסקה בבניית מחשבים לטיסות חלל רחוקות. זאת ועוד, הרבה מחשבים בחלליות מאוישות פותחו ממחשבים אחרים ומחשבים במשימות קרקעיות הובאו ממכונות מסחריות. בניגוד לכך, מחשבים בחלליות לא־מאוישות עוצבו בהתאמה מיוחדת. במקרים אלו, נאס"א לא הייתה רק המייצגת של המחשבים, אלא גם מעורבת באופן פעיל בפיתוחם. דוגמה לכך, הוא מחשב החלל הראשון והפשוט של נאס"א, ששלט במספר משימות במסלולים סביב כדור הארץ. מחשב זה ביצע משימות שונות ומרובות, אשר תרמו מאוד. לדוגמה, הלוויין SolarMax וטלסקופ החלל האבל השתמשו במחשב זה. מרכז טיסות החלל גודרד הביא לפיתוח המכשיר במשך 10 שנים מסוף שנות ה־60 עד סוף שנות ה־70.

דוגמאות לחלליות לא־מאוישות

• Lunar Reconnaissance Orbiter - גשושית אמריקאית למיפוי הירח (2009).
• LCROSS - גשושית אמריקאית לחקר הירח (2009).
• צ'אנג־אה 2 - גשושית סינית לחקר הירח (2010).
• צ'אנג־אה 3 - גשושית הסינית לחקר הירח (2013)

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא חללית לא-מאוישת בוויקישיתוף

• הרחבה על ההיסטוריה באתר נאס"א
• הרחבה על סיווג החלליות באתר נאס"א
• האתר הרשמי של עמותת SpaceIL
• מאמר על שליחת חללית לכוכב מאדים: "?Manned or Unmanned" (אורכב 01.03.2016 בארכיון Wayback Machine)
• מאמר בנושא מהאתר "rocket & space technology"
• חיים מזר, ‏ניהול טיסות חלל בלתי מאוישות, באתר "הידען", 19 באוגוסט 2009
• מצגת בנושא אוטונומיה של חלליות לא מאוישות, מתוך אתר נאס"א
• מאמר בנושא מתוך הבלוג "זמן אוויר: בלוגיתון הסטודנטים של הפקולטה להנדסת אוירונוטיקה וחלל"

הערות שוליים

1. Emil Vassev and Mike Hinchey, Capturing Autonomy Features for Unmanned Spacecraft with ARE, the Autonomy Requirements Engineering Approach
2. Spacecraft Classification, נאס"א
3. סמיון סמיונוב, לונוחוד – המכונה והאגדה
4. תוכנית לונוחוד, וויקיפדיה
5. SPACECRAFT SYSTEMS
6. Manned or Unmanned? (ארכיון)
7. ניהול טיסות חלל בלתי מאוישות, באתר הידען
8. Computers On Board Unmanned Spacecraft, נאס"א