مقدمة إلى الغلاف الجوي الخافي

إنّ جوبيتر هو أكبر وأقوى هيكل ميداني مغناطيسي في النظام الشمسي، يمتد إلى الخارج إلى 7 ملايين كيلومتر نحو الشمس ويمتدّ عشرات الملايين من الكيلومترات في الاتجاه المضاد للعمود، وهذه الفقاعات الضخمة الهائلة هي بلازما كثيفة من الجسيمات المُحمّلة،

ويهيئ نظام جوفيان بيئة حرارية فريدة لا يمكن فيها للمركبات الفضائية أن تتحمل البرد الشديد للفضاء العميق فحسب، بل أيضا التدفئة المفاجئة من الإشعاع الممتص، وتقلبات الشمس المتغيرة على مسافات تصل إلى 5.2 من الاتحاد الأفريقي من الشمس، وتقلبات المدارات الحرارية التي تتحول من ضوء الشمس إلى ظلام عميق، وبدون استراتيجيات قوية للرقابة الحرارية، فإن الأجهزة الإلكترونية تتحلل وتفشل، وتفقد المواد الهندسية النزاهة.

The Radiation Environment and Its Thermal Impact

إن الغلاف الجوي للمشتريات يهيمن عليه التناوب السريع للكوكب (يوم أقل من 10 ساعات) وميدانه المغناطيسي الداخلي القوي الذي يُلطخ بالقياس إلى محور التناوب، وهذا التواؤم يخلق مجالاً مغناطيسياً دينامياً غير متناظري يعجل بشحن الجسيمات - لا سيما الإلكترونية وسرعات المياه -

وتُعزى الآثار الحرارية لهذا الإشعاع إلى ارتفاع مستويات الطاقة الكهربائية والبروتونات التي تُرسَل الطاقة مباشرة إلى أسطح المركبات الفضائية والمكونات الداخلية من خلال التأين والضرر بالتشريد، وهذا يمكن أن يُحدث ارتفاعاً في درجات الحرارة المحلية من عشرات درجات مئوية في المناطق غير المشمولة بالدروع.

التحديات الحرارية الرئيسية أمام مركبة الفضاء جوفيان

المدد الزمنية والاختبارات الواسعة

في مدار المشتري، التدفق الشمسي فقط 3.7% من القيمة في الأرض تقريباً 50 دبليو/م2 مقارنة بـ1361 دبليو/م2، وهذا يعني أن الأشعة المبردة للمركبات الفضائية العميقة تحت درجة الحرارة أقل من 200 درجة مئوية، بينما في ضوء الشمس المباشر، حتى أن التدفق الضعيف يمكن أن يرتفع إلى أكثر من 100 درجة مئوية إذا لم يُعالج بشكل سليم.

تدهور المواد من الإشعاع الجسيمي

فالضرر الإشعاعي ليس مجرد مسألة حرارية بل أيضا مسألة مادية، فالبروتونات والكهرباء العالية الطاقة تؤدي إلى عيوب في شبه الموصلات، وزيادة تيارات التسرب في الإلكترونيات، وكسر سلاسل البوليمر في البطانيات الحرارية وعزل الأسلاك، وعلى مدى بعثة متعددة السنوات، يمكن أن تتجاوز الجرعات الإشعاعية 100 ميغاواط (النسيج)، وهي تتجاوز بكثير المفارقة الطبيعية للطلاء الفضائي 10 إلى 50.

Constraints Energy for Active Thermal Systems

وتعتمد المركبات الفضائية التي تعمل بعيدا عن الشمس على مولدات الطاقة الحرارية التي تعمل بالنظائر المشعة أو صفائف شمسية كبيرة، ولذلك تستخدم المركبة الفضائية في جونو ثلاث مجموعات شمسية تبلغ طولها ٨,٩ مترا توفر نحو ٤٠٠ واط في المشتري، وهذا الحد من ميزانية الطاقة يعني أن نظم التحكم الحراري النشطة لا تزال تستخدم بشكل متسرع وفعال.

استراتيجيات التحكم الحراري السلبي

وتشكل التقنيات السلبية العمود الفقري للإدارة الحرارية لبعثات جوفيان، ولا تتطلب قطعا متحركة وقوتها الدنيا، وتعتمد بدلا من ذلك على الممتلكات المادية، والمقاييس الجيولوجية، والفيزياء الأساسية لنقل الحرارة، وتستخدم الأساليب السلبية التالية على نطاق واسع.

العزل المتعدد الأحرف

(ب) تشمل البطانيات المتعددة الأطراف عشرات من طبقات التبدل من الأفلام المُعاكسة (كاتون مُخَلَّفة بشكل مُحدَّد أو ميلار) مُنفصلة عن مُعدَّات الحيز المُنتَجَه إلى مقياس حراري منخفض، وتُحدِّد كل من التبادل الحراري الإشعاعي والمُشعَّد بين المركبة الفضائية والبيئة.() وفي نظام جوفيان، تستخدم أيضاً خطاًاًاًاًاً للدًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً

الروايات الحرارية

وأجهزة التحلل الحراري ذات الأشعة العالية التي تولدها طبقة من المحركات الشمسية ذات الوجه الحساس، وأجهزة التحلل الحراري ذات الوجه التقريبي، وأجهزة التحلل الحراري ذات الوجه الحساس، وأجهزة التحلل الحراري المتطورة، وأجهزة التحلل الحراري ذات الأشعة العالية، وأجهزة التحلل الحراري المتطورة، وأجهزة التخثر الحراري المحتوية على درجة حرارة عالية من الحرارة

مواد الشحن المرحلة

المواد الكيميائية تستهلك الحرارة كما تذوب (الحرارة الأخيرة من الإندماج) وتطلقها كما هي متماسكة، مما يُعيق درجات الحرارة، وتُعرض مواد مثل الشمعات البارفين، أو الأحماض الدهونية، أو هيدرات الملح في الألواح أو الحقائب، وبالنسبة لرحلات جوفيان، فإن مركبات ثنائي الفينيل متعدد الفائدة بشكل خاص لإدارة عمليات التحول الحراري القصيرة الأجل أثناء فترات الكبريت أو الكبريتات العالية الإشعاع.

أجهزة التبريد الضوئية الشمسية والترميز الحراري

وتتحكم المعاطف المتخصصة في نسبة الإبهام الشمسي )ألفا( إلى الأيزومر الأشعة تحت الحمراء )ه( - تستخدم نسبة منخفضة من ألفا/متر )دون صفر - ٣( في الحد الأدنى من المكسب الحراري الشمسي مع زيادة التبريد الإشعاعي إلى أقصى حد، وقد استخدمت الطلاءات البيضاء، مثل أكسيد الزنك في سمي البوتاسيوم )Z-93(، في العديد من المعاطف الإشعاعية الفلورية لهذا الغرض.

استراتيجيات الرقابة الحرارية النشطة

وعندما لا يمكن للطرق السلبية وحدها أن تحافظ على درجات الحرارة في نطاقات التشغيل المطلوبة (من الناحية الاعتيادية - 20 درجة مئوية إلى +50 درجة مئوية بالنسبة للالكترونيات، ولكن بقدر ضيق بمقدار 2 درجة مئوية بالنسبة لبعض الأدوات العلمية)، تتطور النظم النشطة، وهي تتطلب طاقة كهربائية وكثيرا ما تنطوي على قطع حركية، ولكنها توفر نظاما دقيقا للحرارة.

أجهزة هتاف كهربائية

وتُستخدم أجهزة التسخين الارتدادية - التي تستخدم في شكل أسلاك - أو حرارة رغاوي متصلة بمكونات - في أبسط أجهزة تدفئة نشطة، وتستخدم في الاحتفاظ بالبطاريات والقاذفات والأدوات البصرية التي تتجاوز درجات حرارة التشغيل الدنيا أثناء المدارات الباردة، وعلى سبيل المثال، فإن المحركات الرئيسية وثمانية أجهزة الدفع الأصغر مجهزة بمسخنات ثابتة خاضعة للرقابة الحرارية تعمل عند انخفاض درجات الحرارة إلى أقل من 10 درجات مئوية.

مضخات الحرارة

وتُنقل مضخات الحرارة من مصدر بارد إلى مغسلة ساخنة تستخدم فيها العمل الميكانيكي، وتُنقل الطاقة الحرارية بفعالية ضد التدرج الطبيعي، وفي التطبيقات الفضائية، تكون عادة نظماً أكثر توتراً أو مبردات حرارية، أما بالنسبة لبعثات جوفيان، حيث يمكن أن تكون البيئة شديدة الحرارة (بسبب الإشعاع) والباردة جداً، فإن المضخات الحرارية تتيح وسيلة لاستخراج الحرارة من الأجهزة الإلكترونية ورفضها للمضخات المشعة.

اللوبيد

(الثعبان) المُضخة آلياً، و(الجهاز الشعاعي) يُعمم مبرداً مثل الأمونيا، أو (فريون) أو خليط مُعدّل مائي مُتحوّل من الماء، ويُستخدم أيضاً في مُبادِلات حرارية من المكوّنات الحرارية، ويُسلّمُها إلى مُشعّفات حرارية، ويُعمّقها في محطات فضائية فضائية، أما بالنسبة لمركبات فضائية فضائية فضائية، فتُ فتُعتبرةًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً

Variable-Emissivity Surfaces and Louvers

وهذه أجهزة شبه نشطة تضبط الانسياب الحراري أو منطقة الإشعاع المعرَّض دون الحاجة إلى طاقة مستمرة، فالألواح هي أجهزة مكوك آلية تفتح أبوابها أمام سطح مشع للسياحة العالية عندما تكون هناك حاجة إلى التبريد، وتكون قريبة من العزل عندما يكون الاحتفاظ بالحرارة مرغوباً، وقد أدت المركبات الفضائية كاسيني - وإن لم تكن بعثة جوفي - إلى إبطال موثوقية مثل هذا السائل الميكانيكي على مدى 13 عاماً.

دراسات الحالات: دروس من بعثات جوفيان

غاليليو )١٩٨٩-٢٠٠٣(

كان مُدار الجليليو أول مركبة فضائية للمُجالس المدارية ووثقت الحقيقة القاسية لتحديات الجوفي الحرارية والإشعاعية، وصممت بشكل كبير على التحكم الحراري السلبي، وبطانيات الأشعة، وجهاز التسخين السلبي، وفشلت (غاليليو) في نشره، وتسببت في جعل المهندسين المُتسرّحين أكثر صعوبة في الإشعاع

جونو (2011 حتى الآن)

"مركبة "جونو تتجنب عن عمد أكثر الإشعاعات كثافة باستخدام مدار القطبي عالي الشفاه الذي يتزلج على أعمدة "جوبيتر

Europa كليبر (البدء المخطط له 2024)

وستؤدي هذه البعثة عمليات متعددة من عمليات " اليوروبا " في حين تُقيم داخل أحزمة إشعاع جوفي، وسيتضمن نظام الرقابة الحرارية التابع لها جميع الدروس المستفادة من غاليليو وجونو: خلية مصفحة مصفحة مصفحة من طراز " ميثيل " ، ومضخة حرارية من المتغيرات، كما تعتزم البعثة استخدام نظام " حراري " (FLT:0) " ، يسمح باستخدام مركبات جديدة في نطاق " ، في أدوات الضخة العلوم.

الابتكارات في المواد والتجميعات

(ب) أن يُمكِّن أيِّ من هذه المواد من إحداث تغيرات في المدارات غير المُستغَلَة من أن يُستعان بها في عقود دون إهدار ممتلكاتها الحرارية.

الاتجاهات المستقبلية في مجال الرقابة الحرارية

فبما أن وكالات الفضاء تخطط لبعثات أكثر طموحاً إلى نظام جوفي - بما في ذلك بعثة رئيسية محتملة لاستكشاف داخل الغازات الضخمة ومدار مخصص لضبط حراري متعدد الأطراف - حراري - حراري - سائل متطور - سائل مشبع - سائل مشبع - سائل مائي - سائل مغنطيسي - سائل مائي متطور - سائل مشبع

خاتمة

إن المراقبة الحرارية ليست فكرة بعدية عن المركبة الفضائية العاملة في الغلاف الجوي الجوفي، بل هي من الانضباطات الحاسمة للبعثة التي تحدد ما إذا كانت المركبة الفضائية تزدهر أو تفشل، فالإشعاعات الشديدة، ودرجات الحرارة الواسعة، وميزانيات القوة الصارمة للبعثات اليهودية تتطلب توازنا دقيقا من الاستراتيجيات السلبية والنشطة، كما أن العزلة والمشعات والمعاطف توفر الحماية الأساسية، بينما تُضاف إليها عوامل المرونة.