كرات

يشبه كل قمر صناعي من أقمار SPHERES مجسمًا متعدد الأوجه ذو 18 وجهًا ، يشبه المكعب الثماني الأوجه . يُغلف الهيكل المصنوع من الألومنيوم للقمر الصناعي بغلاف بلاستيكي شبه شفاف. يتوفر الغلاف بألوان الأحمر والأزرق والبرتقالي والأسود، لتسهيل التعرف عليه. الأقمار الصناعية الثلاثة في محطة الفضاء الدولية هي الأحمر والأزرق والبرتقالي. يبلغ قطر كل وحدة 22.9  سم كحد أقصى، وكتلتها 4.16  كجم شاملة المواد الاستهلاكية. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

يُستخدم معالج الإشارات الرقمية C6701 من شركة Texas Instruments، الذي يعمل بتردد 167  ميجاهرتز، كحاسوب داخلي. وقد كُتبت برامج الطيران والتعليمات المتعلقة بالتجارب بلغة البرمجة C. ^{[ 1 ]}

تستطيع الأقمار الصناعية التواصل فيما بينها باستخدام وصلة راديوية بتردد 916.5  ميجاهرتز وسرعة 16  كيلوبت/ثانية. أما التواصل مع محطة التحكم (حاسوب محمول) فيتم باستخدام وصلة راديوية بتردد 868.35  ميجاهرتز وسرعة 16  كيلوبت/ثانية. ^{[ 6 ]} كما تستطيع أقمار SPHERES الاتصال بشبكة Wi-Fi الموجودة على متن محطة الفضاء الدولية لتنفيذ المهام التي تتطلب نطاقًا تردديًا أعلى للبيانات. ^{[ 2 ]}

تحدد أقمار SPHERES الصناعية موقعها واتجاهها باستخدام 23 جهاز استقبال فوق صوتي مدمج (Murata MA40S4R) و5 منارات مرجعية فوق صوتية خارجية. تُستخدم قياسات زمن انتقال الموجات فوق الصوتية من المنارات الخارجية إلى أجهزة الاستقبال المدمجة لحساب موقع القمر الصناعي بالنسبة إلى الإطار المرجعي الخارجي. ^{[ 1 ]}

لتحديد الموقع بسرعة، يتم استكمال معلومات زمن انتقال الموجات فوق الصوتية ببيانات من مقاييس التسارع الموجودة على متن المركبة (3 مقاييس تسارع أحادية المحور من نوع Honeywell QA-750) ومقاييس الدوران (3 مقاييس دوران أحادية المحور من نوع Systron Donner QRS14). ^{[ 1 ]}

تُزوَّد أقمار SPHERES الصناعية بالطاقة باستخدام مجموعتين من البطاريات غير القابلة لإعادة الشحن بجهد 12 فولت. تتكون كل مجموعة بطاريات من ثماني خلايا بطاريات AA بجهد 1.5 فولت، ملحومة على التوالي. ^{[ 2 ]}

تستطيع الأقمار الصناعية التحرك في بيئة انعدام الجاذبية بست درجات حرية ، مستخدمةً اثني عشر محركًا دافعًا يعمل بالغاز البارد، ويستخدم _ثاني أكسيد الكربون _{السائل كوقود. يُخزَّن ثاني} أكسيد الكربون السائل في حاوية صغيرة على متن القمر الصناعي، مشابهة لتلك المستخدمة في بنادق كرات الطلاء . يُحوَّل _ثاني أكسيد الكربون إلى الحالة الغازية قبل قذفه عبر المحركات الدافعة. ويتم تحقيق قوة الدفع المطلوبة من خلال تعديل نبضات صمامات الدفع. ^{[ 1 ]}

يبلغ أقصى تسارع خطي للأقمار الصناعية 0.17 م/ث²، بدقة 0.5  سم. ويبلغ أقصى تسارع زاوي 3.5 راديان/ث²، بدقة 2.5 درجة. ^{[ 7 ]}

يُسهّل مختبر درجات الحرية الثلاث إجراء اختبارات متزامنة لما يصل إلى ثلاثة أقمار صناعية من طراز SPHERES على سطح جرانيتي مستوٍ يكاد يكون عديم الاحتكاك. تُثبّت الأقمار الصناعية على حوامل هوائية - وهي حوامل تُطلق تيارًا من _ثاني أكسيد الكربون لتكوين وسادة هوائية - مما يسمح للوحدات بالتحرك على المحورين X وY، والدوران على المحور Z. ^{[ 8 ]}

يُسهّل مرفق اختبار الجاذبية الصغرى (MGTF) اختبار قمر صناعي واحد متحرك من طراز SPHERES، باستخدام ست درجات حرية. في هذا الاختبار، تُثبّت الوحدة بواسطة محور دوران بثلاث درجات حرية، مُعلّق بدوره من رافعة تحريك بثلاث درجات حرية. يستطيع المختبر توفير إطار مرجعي للملاحة بتكوين مشابه لتكوين محطة الفضاء الدولية باستخدام خمسة منارات فوق صوتية، ويتم تحليل خرج دافعات الغاز البارد لمحاكاة الحركة المتوقعة في بيئة الجاذبية الصغرى. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

يُستخدم مختبر تجميع الطيران لإعداد واختبار المواد الاستهلاكية - حزم البطاريات وحاويات _ثاني أكسيد الكربون السائل - التي تستخدمها وحدات SPHERES.

تُختبر الخلايا الفردية لحزم البطاريات، ثم تُلحم بالتسلسل، وتُختبر مرة أخرى كحزمة واحدة. تُتلف حزم البطاريات بعد استخدامها.

_{تُعاد حاويات ثاني} أكسيد الكربون المستهلكة إلى مختبر تجميع الرحلات لإعادة تعبئتها وإجراء اختبارات السلامة عليها قبل إعادتها جواً إلى محطة الفضاء الدولية. ^{[ 8 ]}

زوّد مشروع SmartSPHERES الأقمار الصناعية الثلاثة التابعة لمشروع SPHERES، والموجودة على متن محطة الفضاء الدولية، بهواتف Nexus S الذكية التي تم إيصالها عبر مهمة مكوك الفضاء STS-135 . وتم تعزيز كل قمر صناعي باستخدام قوة المعالجة، والشبكات اللاسلكية، والكاميرا، وأجهزة الاستشعار، وشاشة اللمس الخاصة بالهاتف الذكي المتصل. كما أتاح توفر شفرة المصدر لنظام التشغيل أندرويد استخدام هذه الأجهزة كحواسيب صغيرة الحجم، ومنخفضة التكلفة، ومنخفضة استهلاك الطاقة. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

تدرس هذه التجربة استخدام أقمار SPHERES الصناعية لإجراء مسوحات بيئية وجردية ذاتية التشغيل عن بُعد على متن محطة الفضاء الدولية، بهدف تقليل الوقت الذي يقضيه رواد الفضاء في المهام الروتينية. كما ستساعد المعرفة المكتسبة في تطوير مركبات فضائية مستقبلية قادرة على القيام بأنشطة خارج المركبة ، ومساعدة رواد الفضاء في مهامهم. ^{[ 11 ]}

تتم إدارة تجربة SmartSPHERES من قبل مجموعة الروبوتات الذكية التابعة لمركز أبحاث Ames بتمويل من برنامج تطوير وعرض التكنولوجيا التمكينية التابع لمديرية مهمات أنظمة الاستكشاف في وكالة ناسا. ^{[ 11 ]}

تهدف تجربة SPHERES-VERTIGO (SPHERES-التقدير البصري والتتبع النسبي لفحص الأجسام العامة) إلى تطوير برامج وأجهزة قادرة على إنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد لأجسام متعاونة أو غير متعاونة باستخدام رؤية الحاسوب ، والتنقل بالنسبة لهذه الأجسام بالرجوع فقط إلى الخرائط المولدة. ^{[ 13 ]}

كجزء من التجربة، تم تطوير واختبار خوارزميات جديدة للتحديد والتخطيط المتزامنين (SLAM). ^{[ 13 ]}

لتسهيل تجربة SPHERES-VERTIGO، تم تجهيز كل قمر صناعي من أقمار SPHERES الموجودة على متن محطة الفضاء الدولية بـ "نظارة" إضافية - وهي جهاز متصل بـ SPHERES باستخدام منفذ التوسعة، ويحمل كاميرا ستيريو، ومستشعرات فوق صوتية، وحاسوبًا أحادي اللوحة، ومرافق اتصال عالية السرعة، وبطاريات. ^{[ 13 ]}

سيتم استخدام التقنيات المطورة في المركبات الفضائية ذاتية القيادة المستقبلية التي يمكنها العمل بمفردها أو في مجموعات لرسم خرائط الكويكبات ، وفحص الأقمار الصناعية المتساقطة، أو إخراج الحطام الفضائي من مداره . ^{[ 13 ]}

تُعد هذه التجربة جزءًا من برنامج SPHERES Integrated Research Experiments (InSPIRE)، الممول من قبل وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة ( DARPA ) . ^{[ 13 ]}

يهدف مشروع DOD SPHERES-RINGS ( نظام توليد المجال القريب الاستقرائي الرنيني التابع لوزارة الدفاع الأمريكية ) إلى تطوير برمجيات وأجهزة قادرة على الطيران بتشكيل كهرومغناطيسي (EMFF) ونقل الطاقة لاسلكيًا في بيئة انعدام الجاذبية. ^{[ 14 ]}

تستخدم التجربة مجموعتين من الأجهزة المتصلة بأقمار SPHERES الصناعية، وتتكون من ملفات رنانة من الألومنيوم ، وغطاء ملف مزود بمراوح، وإلكترونيات وبطاريات. ^{[ 14 ]}

تُدار وحدات SPHERES الفردية بالنسبة لبعضها البعض عن طريق توليد قوى تجاذب وتنافر وقص مضبوطة باستخدام الملفات الكهرومغناطيسية. وتُستخدم الملفات نفسها لنقل الطاقة لاسلكيًا بين أقمار SPHERES الصناعية من خلال اقتران حثي رنيني . كما يجري تطوير خوارزميات برمجية لتجنب التصادم بين الأقمار الصناعية كجزء من التجربة. ^{[ 14 ]}

ستساعد المعرفة المكتسبة من خلال التجربة في تطوير مركبات فضائية عنقودية خالية من الوقود والدخان، وزيادة عمرها التشغيلي، وتقليل كتلة المركبة الفضائية والمخاطر التشغيلية المرتبطة بها. ^{[ 14 ]}

مقال: كرات-سلوش

توسعة لأقمار SPHERES الصناعية تُشكل حلقة (هالة) حول القمر الصناعي لتوفير ستة مواقع لتركيب منافذ التوسعة. وقد تم إرسال اثنين منها إلى محطة الفضاء الدولية.

آلية الالتحام التي تُمكّن قمرين صناعيين من طراز SPHERES من الالتحام معًا بإحكام. وقد أُرسلت ستة أقمار إلى محطة الفضاء الدولية.

تُعدّ مسابقة Zero Robotics مسابقة برمجة دولية سنوية تُنظمها معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بالشراكة مع وكالة ناسا ومنظمات أخرى. تقوم فرق الطلاب ببرمجة منصات روبوتية لحل تحدٍ محدد يتعلق بالملاحة والتحكم في بيئات انعدام الجاذبية على متن محطة الفضاء الدولية (ISS).

في البداية، استخدمت المسابقة منصات SPHERES الروبوتية (الأقمار الصناعية التجريبية المتزامنة لتثبيت الموقع وإعادة التوجيه) - وهي روبوتات حرة الحركة تُستخدم داخل محطة الفضاء الدولية لإجراء أبحاث حول تشكيلات الأقمار الصناعية وخوارزميات التحكم. وعلى الرغم من تسميتها "أقمارًا صناعية"، فإن منصات SPHERES لم تكن تدور حول الأرض بشكل مستقل، بل كانت تعمل حصريًا داخل بيئة انعدام الجاذبية في محطة الفضاء الدولية. ^{[ 15 ]}

في السنوات الأخيرة، تحوّلت المسابقة إلى استخدام روبوتات أستروبي ، وهي جيل جديد من الروبوتات المساعدة ذاتية الطيران التي طورتها وكالة ناسا للعمل بشكل مستقل على متن محطة الفضاء الدولية. (بدأ هذا التغيير حوالي عام 2022، بعد إيقاف تشغيل نظام SPHERES في عام 2019). يوفر نظام أستروبي إمكانيات محسّنة، بما في ذلك الملاحة القائمة على الرؤية وقدرة حاسوبية أكثر تطورًا. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

تُقام المسابقة على مرحلتين: بطولة المرحلة الإعدادية وبطولة المرحلة الثانوية. تجري الجولات التمهيدية في بيئة محاكاة، بينما تُرفع برامج المتأهلين للتصفيات النهائية إلى المنصات الروبوتية على متن محطة الفضاء الدولية وتُنفذ في الوقت الفعلي. يُبث الحدث النهائي مباشرةً للمشاهدين في الولايات المتحدة وأوروبا وأستراليا. ^{[ 18 ]}