قصة المركبة القمرية المتجولة Lunar Roving Vehicle التي استمرت ثلاثة أيام على سطح القمر

مركبة القمرية المتجولة (Lunar Roving Vehicle)، أي المركبة المتجولة ذات العجلات الأربع الكهربائية التابعة لبرنامج مركبات القمر، هي مركبة تعمل بالبطارية خرجت إلى سطح القمر مع مهمة أبولو 15 في 31 يوليو 1971، وتم تطويرها في 17 شهرًا فقط بمقاول رئيسي من Boeing وبمساهمة نظام الحركة من Delco Electronics التابعة لشركة General Motors. تمثل هذه المركبة، التي تبلغ كتلتها الفارغة 210 كجم ومداها 92 كم ، المحطة الأكثر استثنائية في تاريخ السيارات الكهربائية: فهي أول ووحيد حتى اليوم مركبة كهربائية منتجة بغرض خاص عملت على سطح خالٍ من أي طرق، مليء بفوارق حرارية قاسية وغبارٍ كاشط.

لماذا نُقلت مركبة كهربائية إلى القمر؟

ينبغي طرح السؤال بالمقلوب: هل كان هناك خيار آخر على القمر؟ غلاف القمر الجوي رقيق لدرجة تُعد معدومة، لذلك كان يلزم نقل الوقود والأكسجين معًا لمحرك احتراق داخلي؛ وهذا كان سيُفني ميزانية الكتلة. أما الدفع الكهربائي فمحدود بالطاقة المنقولة، ومكوناته المتحركة قليلة، ولا يخلق أي مشكلة عادم في بيئة شبه معتمة. أي أن كون مركبات القمر كهربائية لم يكن خيارًا بيئيًا، بل ضرورة هندسية محضة.

وكان لهذا الخيار جذور راسخة في التاريخ أيضًا. في أواخر القرن التاسع عشر، كانت نحو 40 بالمئة من السيارات كهربائية؛ وكانت هذه المركبات الصامتة وبدون روائح وبدون حاجة إلى مفتاح تشغيل يدوي متقدمة بفارق كبير على سيارات البنزين في الاستخدام الحضري. بل إن فكرة مركبة القمر سبقت الخيال الأدبي نفسه: في عام 1959، صمم Georg von Tiesenhausen مفهومًا لمركبة قمرية رباعية الدفع بعجلات مرنة غير قابلة للنفخ. أي أن LRV لم يُولد في فترة تراجع الدفع الكهربائي، بل في اللحظة التي التقت فيها هذه التقنية مع أكثر المتطلبات تطرفًا.

مركبة القمر في 17 شهرًا: الشراكة بين Boeing وGM

جاءت الموافقة الرسمية من NASA في مايو 1969؛ وأُعلن عن المناقصة في 11 يوليو 1969، أي قبل هبوط أبولو 11 بوقت قصير. قدمت Boeing وBendix وGrumman وChrysler عروضها، وفي 28 أكتوبر 1969 اختيرت Boeing مقاولًا رئيسيًا. كان العقد الأول بقيمة 19 مليون دولار بنظام التكلفة زائد حافز، وحدد موعد التسليم الأول في 1 أبريل 1971. ومع تكاليف المواد والتغييرات التصميمية، ارتفعت التكلفة النهائية إلى 38 مليون دولار ؛ أي نحو 302 مليون دولار بالقيمة الحالية. أثار هذا التجاوز انتقادات، لكن الرقم كان قريبًا من تقدير NASA الأولي.

كان تقسيم العمل واضحًا: تولت Boeing الإلكترونيات ونظام الملاحة؛ وبحثت مختبرات الأبحاث الدفاعية لشركة General Motors في Santa Barbara نظام الحركة المكوّن من العجلات والمحرك ونظام التعليق. عمل في هذا الفريق أسماء مثل Samuel Romano وFerenc Pavlics؛ وحظي تصميم Pavlics للعجلات ذات الشبكة السلكية المرنة بتقدير خاص من NASA. تولى Saverio Morea إدارة المشروع. كانت النتيجة واحدة من الأمثلة النادرة التي عملت فيها هندسة السيارات وهندسة الطيران معًا بهذه السرعة: فمن المفهوم إلى سطح القمر 17 شهرًا، علاوة على ذلك بموثوقية تكفي لإكمال جميع المهام دون أي عطل كبير.

تم تصنيع أربع مركبات طيران. ذهبت ثلاثة منها إلى القمر، ودخلت الرابعة إلى مخزون قطع الغيار بعد إلغاء Apollo 18. إلى جانبها، تم تصنيع نموذج ثابت، ونموذج هندسي، ونموذجين بمقياس جاذبية 1/6، ومدرب بقوة 1g، ونموذج كتلة، ووحدة اختبار اهتزاز، ووحدة اختبار تأهيل. وأُجريت اختبارات الجاذبية المنخفضة عبر الرحلات البارابولية لطائرة KC-135A؛ وكشفت هذه الاختبارات أيضًا أن واقي العجلات كان ضروريًا للحد من التلوث بالغبار.

المواصفات الفنية: محرك في كل عجلة

إن بنية دفع LRV هي أنقى صورة لمقاربة "محرك لكل عجلة" التي نراها اليوم في المركبات الكهربائية الحديثة. كانت في كل عجلة من العجلات الأربع محرك DC تسلسلي التهيئة ذو فرشات يولد قدرة 0,25 حصان (190 واط) ويعمل عند 10.000 دورة في الدقيقة؛ وكان كل محرك يحرك العجلة عبر ترس توافقي بنسبة 80:1. وإذا تعطل محرك، تُستخرج المسامير وتنتقل العجلة إلى الدوران الحر؛ أي أن عطلًا واحدًا لا يمكنه إيقاف المركبة عن الحركة. وللتوجيه، استُخدمت محركات DC منفصلة بقدرة 0,1 حصان (75 واط) في الأمام والخلف؛ وبهندسة أكرمان، ينخفض نصف قطر الدوران حتى 3 أمتار.

وكانت الطاقة تأتي من بطاريتين أوليتين من فضة-خارصين بجهد 36 فولتًا من إنتاج Eagle-Picher؛ كانت كل منهما بسعة 121 أمبير-ثانية، وحدد المدى الإجمالي بـ 92 كم. لم تكن هذه البطاريات قابلة للشحن، ولم يكن ذلك عيبًا بل قرارًا تصميميًا: فالمركبة لن تعود من القمر، وبالتالي فضِّلت كيمياء أحادية الاستخدام موثوقة عالية الكثافة الطاقية على بنية تحتية لإعادة الشحن. وفي الواجهة الأمامية كان يوجد مقبس منفصل بجهد 36 فولتًا لوحدة ترحيل الاتصالات وكاميرا التلفزيون.

كان أحد أصعب ظروف بيئة القمر هو الإدارة الحرارية. لم يكن في LRV نظام تبريد نشط؛ بدلاً من ذلك، تم التبريد بشكل سلبي عبر حزم مكثفات حرارية من الشمع المغيّر للطور وأسطح مشعّة عاكسة موجّهة للأعلى. وأثناء القيادة كانت المشعات مغطاة بغطاء الميلار، وفي التوقفات كان رواد الفضاء ينظفون الغبار بفرشاة يدوية. حافظ هذا الحل البسيط والمنضبط على عمل الإلكترونيات في درجة حرارة نهار القمر الحارقة.

الهيكل وتصميم العجلات بما يناسب القمر

كان الهيكل مصنوعاً من أنابيب سبائك الألومنيوم 2219، وجسم ثلاثي الأجزاء قابل للطي بمفصلة وسطية. لم تكن قابلية الطي صدفة، بل كانت ضرورة للنقل: فالمركبة كانت تُطوى وتوضع في حجرة Quadrant 1 الخاصة بوحدة القمر. بعد هبوط رواد الفضاء على السطح، قاموا بفتح المركبة وإنزالها إلى الأرض عبر نظام حبال وبكرة مزودة بمكابح، في عملية تعمل بشكل شبه آلي بالكامل. كان ارتفاع المركبة عن الأرض عند الوزن الكامل 36 سنتيمتراً فقط؛ وكان مركز الثقل المنخفض يقلل من خطر الانقلاب في التضاريس الوعرة.

مشكلة الإطارات غير موجودة على القمر بالمعنى التقليدي: فلا يمكن نفخ الهواء، والمطاط أيضاً لا يصمد أمام فروق درجات الحرارة الشديدة. كان الحل هو عجلة من شبكة سلكية مطلية بالزنك ومنسوجة من سلك فولاذي بسمك 0.033 بوصة؛ وكانت زعانف التيتانيوم الشيفرون التي تغطي نصف سطح التلامس توفر الجر، بينما كان مصد الصدمات المصنوع من التيتانيوم وبقطر 25.5 بوصة يحمي الهيكل من الاصطدامات. تم اختصار أدوات التحكم في ذراع تحكم واحد على شكل حرف T: فالدفع للأمام يعني الوقود، والحركة يميناً ويساراً تعني الانعطاف، والسحب للخلف يعني الفرامل، والدفع إلى أقصى نهاية يعني فرامل الوقوف.

مهمة بيانات المهام وسجل القمر

قطعت ثلاث مركبات في المجموع ما معدله 30 كيلومتراً لكل منها دون أي مشاكل. كانت الملاحة تعتمد على مزيج من جيروسكوب الاتجاه وعداد مسافة العجلات وجهاز كمبيوتر؛ وبما أن الشمس تتحرك في سماء القمر بمعدل نحو نصف درجة في الساعة، كان بإمكان رواد الفضاء أيضاً تحديد الاتجاه يدوياً عند الحاجة باستخدام جهاز بسيط يعتمد على ظل الشمس. وفقاً لحسابات السلامة، إذا تعطلت المركبة Rover كان على الطاقم أن يتمكن من المشي عائداً إلى وحدة القمر؛ وقد خُفّضت حدود المشي هذه في أطول رحلة عبور لمهمة Apollo 17 بناءً على موثوقية مثبتة.

ورغم أن السرعة القصوى في التصميم كانت 10 كم/س، إلا أن سرعة 18 كم/س تم بلوغها في مهمة Apollo 17؛ وسرعة القمر غير الرسمية هذه تُنسب باسم Eugene Cernan. وفي نهاية المهمة، أوقف Cernan المركبة Rover بعيداً عن الكاميرا التلفزيونية التي يتحكم بها Mission Control عن بُعد لتصوير الإقلاع، وتم تصوير الصعود بنجاح من المحاولة الثالثة.

الأعطال والترقيعات والمركبات الثلاث الباقية على القمر

وكأي منتج هندسي، اجتازت LRV اختبار ظروف الميدان. وفي مهمة Apollo 16 اصطدم John Young أثناء العبور الثاني للسطح بامتداد رفرف الحصى الخلفي؛ فغطى غبار القمر المتطاير الطاقم ووحدة التحكم ومعدات الاتصالات، وارتفعت درجات حرارة البطاريات واستهلاك الطاقة. وفي مهمة Apollo 17 لم يكن من الممكن تثبيت الرفرف الذي كسره Cernan بمقبض المطرقة باستخدام شريط لاصق؛ فصنع الطاقم رفرفاً بديلاً قبل العبور الثاني باستخدام خرائط القمر والشريط اللاصق والمشابك التي أخرجها من مركبة الهبوط. وتُعرض تلك الخرائط اليوم في National Air and Space Museum؛ أي أن أجزاء مركبة كهربائية أُصلحت على القمر بشريط لاصق أصبحت محوراً متحفياً لتاريخ الفضاء.

تم ترك المركبات Rover الثلاث على القمر. والسبب هو فيزياء بسيطة: كانت وحدة القمر المدرّعة (Ay Modülü) فقط هي القادرة على العودة إلى المدار، وكان كل كيلوغرام إضافي يعني وقوداً إضافياً. أما على الأرض، فالمركبات التجريبية والمدربون معروضون في متاحف متنوعة: وحدة اختبار الاهتزاز في مركز الفضاء والصواريخ الأمريكي U.S. Space & Rocket Center في هنتسفيل، والمدرب بجاذبية 1-g في مركز جونسون للفضاء، ووحدة اختبار التأهيل في متحف الطيران والفضاء الوطني، والنموذج الهندسي في متحف الطيران في سياتل. تمت إعادة تصوير LRV-3 خلال ممرات Lunar Reconnaissance Orbiter في عامي 2009 و2011؛ وفي عام 2020 أعلنت ولاية واشنطن المركبات الجوالة التي ذهبت إلى القمر رمزاً تاريخياً.

مكانة LRV في تاريخ السيارة الكهربائية

تمثل LRV نقطة مميزة على خط زمني متصل لكنه وعِر لتاريخ السيارة الكهربائية. في أواخر القرن الـ19 كانت السيارات الكهربائية مشهداً مألوفاً في المدن؛ ففي عام 1897 كانت لندن قد أطلقت بالفعل أول خدمة سيارات أجرة كهربائية. لكن السيارات التي تعمل بالبنزين تقدمت في معادلة المدى والتكلفة، ومع ضغط بادئ التشغيل الكهربائي وفورد Model T دُفعت السيارات الكهربائية جانباً. وعلى مدار القرن العشرين حاولت هذه التقنية البقاء على قيد الحياة من خلال بضع محاولات بحثية وبرامج قصيرة العمر مثل GM EV1؛ و التجدد النشاط من جديد مع نضج بطارية الليثيوم أيون وإثبات Tesla Roadster عام 2008 أن سيارة رياضية كهربائية تعمل بالليثيوم أيون يمكن أن تكون مرخصة للطرق السريعة ومنتجة بكميات كبيرة.

والدرس المستفاد من LRV في هذا السياق هو: أن مصير الدفع الكهربائي لا يتوقف على كيمياء البطارية وحدها؛ فحين يجتمع التعريف الصحيح للمهمة مع ملف المهمة المناسب، تستطيع السيارة الكهربائية تقديم أداء متفوق حتى في أصعب البيئات. على القمر كان المدى محدوداً بـ92 كم، ولم يكن هناك أي عميل يطلب بنية تحتية للشحن؛ ومع ذلك، أكملت المركبة جميع مهامها دون أي أعطال كبيرة. وبرنامج Lunar Terrain Vehicle الذي تطوره NASA اليوم يواصل نفس المنطق بجيل جديد من البطاريات بوصفه الوريث الرسمي لهذا الإرث.

الخاتمة: محطة تاريخية متوقفة بالانتظار على القمر

تُعد Lunar Roving Vehicle دليلاً قابلاً للقياس على ما يمكن أن يفعله الانضباط الهندسي، بمدة تطويرها البالغة 17 شهراً، وتكلفتها النهائية البالغة 38 مليون دولار، وأدائها الميداني الخالي من العيوب عبر ثلاث مهمات. محرك DC مستقل لكل عجلة، وبطاريات فضة-زنك، وعجلات من شبكية سلكية، وتبريد سلبي قائم على الشمع: لم يكن أي من هذا لاستعراض القدرات، بل كان استجابة مباشرة للقيود التي فرضها القمر. واليوم لا تزال ثلاث مركبات متوقفة على سطح القمر؛ في أبعد نقطة في تاريخ السيارة الكهربائية، تواصل صمودها في اختبار دائم ضد الإشعاع الشمسي والنيازك الدقيقة.

المصادر

• Lunar Roving Vehicle
• The Apollo Lunar Roving Vehicle
• The Lunar Roving Vehicle - Historical Overview (S.F. Morea)
• Mobility Performance of the Lunar Roving Vehicle - NASA TR R-401
• Lunar Roving Vehicle Qualification Test Unit
• The Boeing Company wins NASA contract for lunar rover
• NASA's Lunar Rover: Everything You Need to Know