إن اعادة المركبة الفضائية الى الغلاف الجوي للأرض هي أحد أكثر التحديات حدة في هندسة الفضاء الجوي، حيث أن وجود سلاسل للمركبات من سرعة المدار تتجاوز سرعة ماتش ٢٥ الى الهواء الكثيف بصورة متزايدة، يصادف ظروفاً للغاز تحول من تسارع حر الى تصاعد مستمر، ويظهر ارتفاعاً كبيراً في تصميم المركبات الفضائية على نحو يناهز ١٠٠ كيلو متر.

Understanding Rarefied Gas Dynamics

ويتميز سلوك الغاز في تدفق معين برقم Knudsen (Kn) الذي يعرف بأنه نسبة المسار الجزيئي الحر إلى مقياس مميّز للنظام، وعندما يكون Kn أقل من 0.01، يمكن معالجة الغاز على أنه سلسلة متصلة، ويصفه معادلة النافير المتوالية التي لها ظروف حدودية مائلة، حيث يدخل الكن نظام القفز الحر (0.01 إلى 0.1).

وتمر مركبة فضائية أثناء العودة إلى الغلاف الجوي من خلال جميع هذه النظم، إذ ترتفع مساحتها إلى 120 إلى 200 كيلومتر، وتمتد إلى 0.1 إلى 10، وتضعها مباشرة في النظام الانتقالي، ولا يتوفر الغاز كثافة كافية لوصف مستمر، ولا يُحدّد إلى حد كبير التفاعلات بين الجزيئات وبين الآثار غير المتوازنة - مثل التناوبية بين الظواهر الكيميائية.

أساليب المحاكاة التقليدية: نهج إدارة الدعم والإدارة

وقد تمثلت مجموعة العمل من محاكاة الغازات النادرة على مدى عقود في أسلوب المحاكاة المباشرة في مونت كارلو، وفي المركز الديمغرافي والصحي، يمثل التدفق عددا كبيرا من الجزائز المحاكاة - كل منها يشغل موقعا وسرعة وطاقة داخلية، ويقسم النطاق المحسوب إلى خلايا، وفي كل من الخلايا يتم تجهيز عمليات التصادم بطريقة متفاوتة باستخدام نماذج مثل الفولية الفاسدة.

كما أن إدارة الاتصالات السلكية واللاسلكية حققت نجاحاً هائلاً في التنبؤ بالأحمال الحرارية الجوية من أجل كبسولات العودة، مثل وحدة قيادة أبولو ومكوك الفضاء المداري، إلا أنها تتكبد تكاليف حسابية كبيرة، ويمكن أن يمثل كل جزيء حقيقي آلاف الجسيمات المحاكاة، ويجب أن يكون عدد الزنزانات غرامة كافية لاحتجاز الخريجات - خاصة قرب سطح المركبة الفضائية.

وللتغلب على هذه القيود، وضع الباحثون مجموعة من النهج المبتكرة التي تدمج أفضل الطرق المتتابعة والحركية مع الاستفادة من الحاسوب الحديث.

النهج الابتكارية في مجال المحاكاة

النماذج الهجينة للتواصل

وأفضى طريق إلى تحقيق الكفاءة هو استخدام مذيب مستمر حيث يكون صالحا ومحل حركي فقط عند الضرورة، كما أن الأساليب الهجينة المستمرة التي تفكك المجال بصورة دينامية في المناطق: فالمعادلات التي تستخدمها شركة نافير ستوكس تُحل في مناطق ذات كثافة عالية (Kn 01,)، بينما تستخدم شركة DSMC أو مذيبات أهلية في مناطق نادرة أو غير مجهزة.

:: استخدام أُطر مختلطة ذات نطاق عال، مثل تلك التي وضعت في مركز بحوث آميز التابع للناسا وجامعة ميتشغان، أو أجهزة استشعار مجهزة محلياً أو مجهزة على أساس التدرج لتبديل المذيبات، مثلاً، فإن تركيبة السائل المزودة بمقياس أكبر حجماً من نوع (FLT:0) أوبينا - دي إم إم إم إم إم إم.

وقد تم التحقق من هذه الأساليب الهجينة مقابل النتائج الصافية للمسح الديموغرافي للكميات الأرضية مثل وحدة طاقم أوريون وسيارة الدخول لمختبر علوم المريخ، وهي تحقق سرعة تتراوح بين 5 و20 وتحفظ الدقة في حدود بضعة في المائة بالنسبة للكميات المتكاملة مثل الجرار والتدفق الحراري، والانتكاسب الرئيسي هو تعقيد عملية تحلل المناطق، خاصة عندما تتضمن التدفق موجات متعددة من الصدمات التي تتحول في الوقت المناسب.

التعجيل بالتعلم الآلاتي

وقد فتح ارتفاع مستوى التعلم العميق جبهة جديدة في محاكاة الغازات النادرة، بدلا من إجراء محاكاة كاملة من جانب لجنة التنسيق بين الإدارة والشبكة لكل حالة، يقوم الباحثون بتدريب الشبكات العصبية على مجموعة من المناطق الخارجية التابعة للجنة التنسيق بين الإدارة والادارة على التنبؤ بمجالات الكثافة والسرعة ودرجة الحرارة وتدفق الحرارة - كوظائف من الارتفاع والسرعة والبارامترات الأرضية.

ومن بين النهج الملحوظ استخدام ] شبكات الفيزياء المُطلعة على المعلومات (PINNs) التي تُدمج معادلة بولتزمان (أو لحظاتها) في مهمة الخسارة، ومن خلال فرض قوانين الحفظ مباشرة، يمكن أن تنتج وحدات الوصل الوطنية التلقيم والنووية حلولا متسقة ماديا حتى مع بيانات محدودة عن التدريب.

وثمة اتجاه مثير آخر هو استخدام شبكات النزعات الإبداعية [GANs] ] لإنتاج حقول التدفق العالية الاستبانة للدي إم سي من المدخلات ذات الاستبانة الدنيا، التي تعمل بفعالية كسوبر حل، مما يمكن المهندسين من إجراء محاكاة متزامنة على حاسوب محمول ومن ثم على نطاق واسع لالتقاط هياكل دقيقة بالقرب من الجدار.

ومع ذلك، تواجه نُهج التعلم الآلي تحديات: فهي تتطلب مجموعات بيانات عالية الجودة من جانب لجنة التنسيق بين الإدارة والإدارة من أجل التدريب؛ وقد تُستقر بشكل غير سليم خارج نظام التدريب؛ ولا تتناول بعد عدم التوازن الكيميائي مع الأنواع المتعددة معالجة قوية، وتركز البحوث الجارية على أطر التعلم العميق المختلط + DSMC حيث تعجل الشبكة العصبية أجزاء من حساب الاصطدام مع بعضها البعض، على سبيل المثال، التنبؤ بالاصطدامات اللاحقة.

الترميم التصحيحي للبشر والتخثر المتقدم

وكثيرا ما تتضمن التدفقات المستردة درجات حادة في موجات الصدمات وقرب السطح، ولكن الوصلات الغرامية الموحدة تُحسب نفايات النفايات في المناطق ذات التدفق السلس، كما أن صقل الأنهار المتناظرة يُمكن أن يُحسّن بصورة دينامية أو يُصقل الميدنة المحوسبة استنادا إلى أجهزة الاستشعار مثل خط التدرج في كنودسين، أو معدل الارتطام المحلي.

وتُعد أدوات إدارة الأمن الغذائي الحديثة مثل dsmcFoam+) والرمز المصاحب ]SPARTA - تُدرج قدرات قوية على إعادة ترتيب البيانات، وتستخدم استراتيجية نموذجية مبيد كارتيسية مع صقل داخلي في إطار نظام الحفظ:

وبالإضافة إلى معدل الوفيات في الأماكن، فإن التكييف الزمني يكتسب أيضاً درجة من الانتصاب، إذ يجب أن تكون الخطوة الزمنية في إدارة الرعاية الاجتماعية جزءاً من وقت الاصطدام المتوسط؛ وفي نظام الطول القريب من الجدار، تكون فترات الاصطدام قصيرة، وتتطلب خطوات صغيرة، ومن خلال التدوير الفرعي في منطقة الجدران القريبة مع تقدم أصغر في الوقت الذي يمكن فيه استخدام خطوة أكبر في المسار الحر، يمكن أن ترتفع المحاكاة بمركبات مساحتها يتراوح طولها بين كيلومترين ونصف.

الآثار المترتبة على تصميم المركبات الفضائية

وهذه التقنيات المبتكرة للمحاكاة هي إعادة تشكيل مباشرة لطريقة تعامل المهندسين مع نظم الحماية الحرارية، وأسطح التحكم بالهيرودينامي، والتخطيط لمسارات العودة، والتنبؤ الدقيق بتدفقات الحرارة في نقطة الركود أمر حاسم بالنسبة لتكوين دروع حرارية متراكمة، وتسمح النماذج الهجينة الآن للمصممين بإدارة مئات عمليات المحاكاة التي أجريت في مونت كارلو والتي تنطوي على اختلالات غير دقيقة.

وبالنسبة للمركبات ذات القياسات الجيولوجية المعقدة مثل المزلاجات ذات العيون المشرقة في سفينة الفضاء أو جهاز التهاب الكبدي الجوي التابع للناسا، فإن تركيبة الارتفاع المختلط في منطقة الارتفاع المفاجئة، قد جعلت محاكاة الشبكة الكاملة غير قابلة للتنبؤ، وهذه المحاكاة تكشف عن بؤر جذابة محلية نجمت عن تفاعلات بين الصدمات وفرق التدفقات الأخيرة.

وعلاوة على ذلك، فإن معامل القوة الجوية المستمدة من هذه المحاكاة تغذي نماذج التوجيه والملاحة والمراقبة، لأن قوى التدفق النادرة شديدة الحساسية لزاوية الهجوم ورقم الماك، حيث أن وجود نماذج بديلة سريعة ودقيقة (تتدريب بواسطة الآلات) يتيح تعديل مسارات الطائرات في الوقت الحقيقي، وهذا أمر مهم للغاية بالنسبة لبعثات المناورة التي يجب أن تنفذ فيها المركبة.

الاتجاهات المستقبلية

ويعود العقد المقبل بمزيد من التقدم، إذ أن استخدام الحاسوب على نطاق واسع، الذي يُدخل الآن على شبكة الإنترنت مع نظم مثل الجبهة والكابيتان، سيمكن من محاكاة المركز بمليارات الجسيمات - كافية لحل التفاعلات الاضطرابات - الكيميائية في النظام الانتقالي، وهذه المحاكاة ستوفر رؤية جديدة في بداية الانتقال إلى الاضطرابات في المواثيق الحالية، وهي ظاهرة لا يمكن أن تكون ظاهرة مصحوبة بالوصا.

وقد يؤدي حساب الكوانتوم، رغم أنه لا يزال ناشئا، في نهاية المطاف إلى التعجيل بخطوات الاصطدام ورقم الندورام التي تُتخذ من جانب إدارة الشؤون الاجتماعية، وقد أدى العمل المبكر في جامعة إيلينوي أوربانا - شمبانيا إلى رسم خوارزمية الاصطدام التابعة لوزارة الأمن والتعاون في منطقة البحر الأسود إلى هيكل كمي، مما يظهر إمكانية حدوث فرز كمي في الجسيمات.

ولا يزال التثبت من التثبت من التأشيرات التجريبية أمراً أساسياً، إذ لا يمكن للاختبارات الأرضية في مرافق البلازمات، وأنفاق الصدمات، وغرف الفراغ أن تستنسخ بشكل كامل الظروف النادرة، والشديدة الدقة في الدخول، كما أن الابتكارات في الفلور المستحث بالليزر، ورموز الاستيعاب بالليزر التي لا يمكن تحصاؤها، توفر الآن قياسات مرجعية لقياسات الحرارة وتركّز الأنواع.

وأخيراً، فإن الدافع نحو المحاكاة المتعددة الفيزياء المقترنة تماماً - بما في ذلك التراكم والإشعاع والاستجابة المادية - يدمج ديناميات الغاز النادرة المقاييس مع نماذج هيكلية وحرارية، وعلى سبيل المثال، فإن الأطر الجديدة التي يتكون منها التدفق الخارجي بمحلول مستجيب للمواد الكيماوية، يتيح انبعاثات الغازات المتراكمة في المنتجات (مثلاً، احتكار الكربون، الهيدروجين) في إطارات الرجعية.

خاتمة

إن محاكاة ديناميات الغاز النادرة أثناء دخول المركبات الفضائية تتطلب خروجا عن أساليب التتبع التقليدية، إذ أن هذه النماذج التشخيصية المتتابعة، وأجهزة الاستبقاء الآلي، ومصافحة الميكنة، فإن الأوساط الفضائية الجوية تحقق سرعة المحاكاة والتكهنات التي لم يكن من الممكن تصورها منذ جيل، وهذه الابتكارات لا تستخدم إلا في زيادة المقاييس الأكاديمية.

External Links:]