نظام التوجيه

طُوِّرَت أنظمة التوجيه بالقصور الذاتي في الأصل من أجل الصواريخ، قام ريادي الصواريخ الأمريكي روبرت جودارد بالتجريب باستخدام نظام مدوار أولي. كانت أنظمة د. جودارد ذات أهمية كبيرة للرياديين المعاصرين الألمان من ضمنهم فيرنر فون براون. توسع نطاق استخدام الأنظمة مع ظهور المركبات الفضائية، والصواريخ الموجهة، وشركات الطيران التجارية.

يتركز تاريخ التوجيه الأمريكي حول مجتمعين متميزين، الأول من معهد كاليفورنيا للتقنية ومختبر الدفع النفاث، والآخر من العلماء الألمان الذين قاموا بتطوير توجيه صاروخ V2  البدائي ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، قدم نظام التوجيه والملاحة والتحكم لصاروخ V2  إبتكارات عديدة وكان أكثر سلاح عسكري معقد في عام 1942 بإستخدامه موجه داخلي مغلق الحلقة، حملت صواريخ V2  الأولية مدوارين ومقياس تسارع جانبي مع كمبيوتر تمثيلي بسيط لضبط سمت الصاروخ أثناء الطيران، كانت تستخدم إشارات الكمبيوتر التمثيلي لقيادة أربع دفات توجيه على زعانف الذيل للتحكم في الطيران، قرر فون براون تسليم أفضل خمسمئة من علماء الصاروخ لديه، بالإضافة إلى طائرات ومركبات إختبارية، للأمريكان. وصلوا فورت بلس- تكساس عام 1945، ومن ثم انتقلوا إلى هانتسفيل في ألاباما (أي ريدستون أرسنال). كان شغف فون براون هو رحلة الفضاء بين الكواكب، مع ذلك، فإن مهاراته العظيمة في القيادة وخبرته في برنامج V-2  جعلته فائق القيمة للجيش الأمريكي. في عام 1955، اُخْتِير فريق ريدستون لتركيب أول قمر اصطناعي أمريكي في مدارمما جعل هذه المجموعة مركز كل من الفضاء العسكري والتجاري.

يتتبع مختبر الدفع النفاث تاريخه منذ الثلاثينات، عندما أجرى الأستاذ ثيودور فون كارمان، الأستاذ في معهد كاليفورنيا للتقنية، عملا رائدًا في مجال الدفع الصاروخي. بتمويل من Army Ordnance في عام 1942، كانت جهود مختبر الدفع النفاث المبكرة في النهاية تتضمن تقنيات تتجاوز تلك المتعلقة بالديناميكا الهوائية وكيمياء الوقود. كانت نتيجة جهود Army ordnance هي رد مختبر الدفع النفاث على الصاروخ الألماني V-2 بالصاروخ المسمى MGM-5 Corporal، والذي تم إطلاقه لأول مرة في مايوعام 1947. في الثالث من ديسيمبر عام 1958، وبعد شهرين من إنشاء ناسا من قبل الكونغرس الأمريكي، تم نقل مختبر الدفع النفاث اختصاص الجيش إلى وكالة الفضاء المدنية الجديدة. كان هذا النقل بسبب إنشاء مجموعة تركز على الأمور العسكرية مشتقة من الفريق الألماني V2. بالتالي، بداية من عام 1958، أصبح مختبر الدفع النفاث- ناسا وطاقم معهد كاليفورنيا للتقنية يركزون بالدرجة الأولى على الرحلات بدون طيار وابتعدوا عن التطبيقات العسكرية مع وجود بعض الإستثناءات. المجتمع المحيط بمختبر الدفع النفاث قاد ابتكار هائل في مجال الاتصالات، واستكشاف الكواكب، ومراقبة الأرض.

في بداية الخمسينات، أرادت حكومة الولايات المتحدة أن تعزل نفسها عن الإعتماد المفرط على الفريق الألماني في التطبيقات العسكرية. توجيه الصواريخ كان من ضمن المجالات التي تم تطويرها محليًا. في أوائل الخمسينات، تم إختيار مختبر الأجهزة MIT  (و الذي أصبح لاحقًا مختبر تشارلز ستارك دريبر) من قبل قسم التطوير بالقوات الجوية الغربية لتوفير نظام توجيه إحتياطي ذاتي لكونفيرفي سان دييغو من أجل صاروخ SM-65 Atlas  الجديد. كان المراقب التقني لمهمة MIT  مهندس شاب إسمه جيم فليتشر والذي لاحقًا خدم مدير لناسا. كان من المقرر أن يكون نظام التوجيه أطلس مزيجًا من نظام مستقل على متن المركبة ونظام تتبع وقيادة أرضي. كانت هذه بداية جدال فلسفي، والذي في بعض المجالات لا يزال دون حل. ساد النظام الذاتي في تركيبات الصاروخ البالستي لأسباب واضحة. في استكشاف الفضاء، يبقى خليط من الإثنين.

في صيف عام 1952، قام د. ريتشارد باتين ود. J . هالكومب لانينج في البحث عن حلول قائمة على الحسابات من أجل التوجيه حيث بدأت الحوسبة في الخروج من النهج التناظري. كان من المهم للغاية تطوير برامج ذات كفاءة عالية لأن الحواسيب في ذلك الوقت كانت بطيئة جدًا (و الصواريخ كانت ذات سرعة عالية). بدأ د. J. هالكومب لانينج وبمساعدة فيل هانكينز وتشارلي ويرنر، بالعمل على MAC، وهي لغة برمجة جبرية ل IBM 650، والتي أكتملت مع بداية ربيع عام 1958. أصبحت MAC  بمثابة حصان العمل في مختبر MIT. MAC هي لغة مقروءة للغاية ولها تنسيق ثلاثي الأسطر، تدوينات مصفوفة المتجهات وذاكري والإشتراكات المفهرسة. اللغة المستخدمة اليوم في المركبة الفضائية هي HAL، (و التي طورت من قبل إنترمتركس) وهي فرع مباشر من MAC. نظرًا لأن المهندس الرئيسي ل HAL كان جيم ميلر، الذي شارك مع هال لانينج في كتابة تقرير عن نظام MAC، فمن المنطقي أن يتم تسمية لغة مكوك الفضاء لمعلم جيم السابق، وليس كما اقترح البعض أنه للنجم الإلكتروني لفلم آرثر كلارك «2001: ملحمة الفضاء».

أجرى هال لانينج وريتشارد باتين العمل التحليلي الأولي على التوجيه أطلس في عام 1954. ومن الشخصيات الرئيسية الأخرى في كونفير هم تشارلي بوسارت، ورئيس المهندسين، ووالتر سكويديتزكي، ورئيس مجموعة التوجيه. عمل والتر مع فيرنر فون براون في بينمونده خلال الحرب العالمية الثانية.

قام نظام التوجيه الأولي «دلتا» بتقييم الإختلاف في الموضع عن المسار المرجعي. يتم حساب السرعة التي ستكتسبها لتصحيح المسار الحالي بهدف جعلها (السرعة التي ستكتسبها) صف. كانت رياضيات هذا النهج صحيحة بشكل أساسي، ولكنها سقطت بسبب التحديات في دقة الملاحة بالقصورالذاتي (مثل دقة IMU) وقوة الحوسبة التناظرية. تم التغلب على التحديات التي واجهتها جهود «دلتا» من خلال نظام Q للتوجيه. كانت ثورة نظام "Q" تتمثل في ربط تحديات توجيه الصواريخ (و معادلات الحركة المرتبطة بها) في المصفوفة Q. تمثل مصفوفة Q  المشتقات الجزئية مع الإهتمام بمتجهة الموقع. سمحت إحدى السمات الرئيسية لهذا النهج أن يتم استخدام مكونات الضرب الإتجاهي (v, xdv, /dt) كإشارات أساسية لمعدل الطيار الآلي- وهي التقنية التي عرفت باسم "cross product steering". تم تقديم نظام Q في الندوة الفنية الأولى حول الصواريخ البالستية التي عقدت في شركة رامو- ولدريدج في لوس أنجلوس في 21 و 22 من يونيو عام 1956. كان «نظام Q» يصنف كمعلومات سرية خلال الستينات. واليوم، يتم استخدام مشتقات من هذا التوجيه للصواريخ العسكرية. يظل فريق CSDL  قائدًا في التوجيه العسكري ويشارك في مشاريع لمعظم أقسام الجيش الأمريكي.

في 10 أغسطس عام 1961، منحت وكالة ناسا معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عقدًا لدراسة التصميم الأولي لنظام التوجيه والملاحة لبرنامج أبولو. يطلق اليوم اسم PEG4 (التوجيه الصريح بالطاقة) على توجيه مكوك الفضاء. يأخذ في الإعتبار كلًا من نظام Q وخصائص توقع- مصحح لنظام دلتا الأصلي (دليل PEG). على الرغم من إجراء العديد من التحديثات لنظام الملاحة بالمكوكات على مدار الثلاثين عامًا الماضية (مثال: نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في بناء OI-22)، لقد تطورت اليوم نواة التوجيه لنظام التوجيه والملاحة والتحكم للمكوك قليلًا. داخل نظام مأهول، هناك حاجة لواجهة بشرية لنظام التوجيه. نظرًا لأن رواد الفضاء هم عملاء النظام، يتم تشكيل العديد من الفرق الجديدة التي تلامس التوجيه والملاحة والتحكم كواجهتها الأساسية «لتحليق» المركبة. بالنسبة لنظام أبولو ونظام المكوك فإن CSDL صممت التوجيه، وكتب ماكونل دوغلاس المتطلبات وبرمجت IBM  المتطلبات.

يرجع الكثير من تعقيد النظام داخل الأنظمة المأهولة إلى «إدارة التكرار» ودعم سيناريوهات  «التوقف» من أجل سلامة الطاقم. تستفيد أنظمة التوجيه القمرية والكواكبية المأهولة في الولايات المتحدة من العديد من نفس ابتكارات التوجيه (الموصوفة أعلاه) التي تم تطويرها في الخمسينيات. لذلك، في حين أن البنية الرياضية الأساسية للتوجيهات ظلت ثابتة إلى حد ما، فإن المرافق المحيطة بالتوجيه والملاحة والتحكم تستمر في التطور لدعم المركبات والمهام والأجهزة الجديدة. لا يزال مركز الامتياز للتوجيه المأهول في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (CSDL) وكذلك أنظمة ماكدونيل دوجلاس الفضائية السابقة (في هيوستن).

• بوابة تقانة