تحليل المفاضلات بين التعقيدات والموثوقية في تصميم مركبات الإطلاق

فالتوترات الأساسية بين تعقيدات المحرك والموثوقية تقع في صميم تصميم مركبات الإطلاق، إذ يجب على كل برنامج من برامج محركات الصواريخ أن يواجه سلسلة من القرارات الهندسية التي تمزق من خلال التكلفة والأداء والجداول والأهم من ذلك، ضمان البعثة، وقد يؤدي المحرك البسيط جدا إلى عدم كفاية القوة أو الكفاءة لتلبية متطلبات الحمولة، وقد يؤدي المحرك الذي يتسم بدرجة مفرطة من التعقيد إلى استخلاص أساليب الفشل التي لا يمكن أن يتقاعد فيها تماما.

The Spectrum of Engine Complexity

وتتجلى التعقيدات في محركات الصواريخ بأبعاد متعددة، حيث أن عد المكونات هو أكثر القياس وضوحا، ولكن تعقيدات فرادى الأجزاء، وعدد الوصلات البينية، ودرجة التكامل، وتطور نظم الرقابة، وروحية عمليات التصنيع كلها تسهم، ولفهم المبادلات، من الضروري تصنيف المحركات على امتداد هذا الطيف.

دورة مولدات الغاز: خط الأساس للبساطة

أما محركات دورة مولدات الغاز المحددة، مثل " سبيس إكس ميرلين " أو " روكيتدين ف-1 " المستخدمة في " زحل " ، فهي تمثل أبسط هيكل للدراجات المغلقة، حيث يحرق جزء صغير من محرك الدفع في غرفة الاحتراق المستقلة )مولد الغاز( لحمل المحركات الاضطرابات، ويرمي العادم من مولد الغاز إلى أعلى من ذلك.

تشكيلة مثبتة: التعقيد التجاري للكفاءة

وتُستخدم مواد الحرق المُستَهلَّة، التي تشمل كل من المتغيرات الغنية بالأكسجين والوقود، واستعادة الطاقة التي فقدت في مولد الغاز، وذلك بتحويل العادم الاضطراباتي إلى غرفة الاحتراق الرئيسية، وتُستخدم محركات الأشعة المُعدَّة في المدار الثابت في المدار الثابت بالنسبة للأرض (RD-140).

التعبئة الكاملة: الأداء الأقصى، الحد الأقصى للعقيدة

وتُمثِّل محركات الحرق المكتملة، مثل مركب الفضاء X (SaspaceX Raptor) و(YF-90) صعوداً من التعقيد، وفي هذا الهيكل، تُحدث محركات الحرق الرئيسية التي تُجرى على مدى 350 ثانية من حيث نوعها، وتُحدث أكثر من خمس ثوانٍ من الاضطرابات الناجمة عن الارتداد، وتُرفع من الظواهر الارتجالية إلى المشطبة الرئيسية.

الموثوقية: التعاريف والمقاييس والسياق التاريخي

فالاعتماد على الصواريخ ليس دولة ثنائية، بل هو وظيفة إحصائية تتوقف على نضج التصميم، ومراقبة جودة التصنيع، والتاريخ التشغيلي، وبيئت البعثات المحددة، ويستخدم المهندسون مصطلح ] الموثوقية ل] يعني احتمال أن يعمل محرك معين على مدى فترة محددة من فترات البعثة في ظل ظروف محددة(99).

مصادر الفشل في المهندسين

تحليل تاريخي لفشل المحرك يكشف عن مواضيع متكررة دراسة أجراها مركز أبحاث غلين التابع لوكالة ناسا لأكثر من 200 فشل في محركات الصواريخ السائلة من عام 1950 إلى عام 2015

• Propellant system issues] (الصمامات، الفقمات، الخطوط): استأثرت بنحو 30 في المائة من الفشل.
• Turbopump failures] (الجرعات، اللوم، الفقمات): حوالي 25 في المائة من الفشل.
• ] حالات عدم الاستقرار في الحيازة (الفصل أو الحرق المسبق): نحو 15 في المائة من حالات الفشل، ولا سيما في مرحلة التنمية.
• Electrical system and controller malfunctions]: حوالي 12% من حالات الفشل.
• Material and manufacturing defects (cracks, inclusions, poor welds): approximately 10% of failures.
• Other ] (الخطأ في الإدماج، البرامجيات، البيئة الخارجية): حوالي 8 في المائة.

وتبرز هذه الإحصاءات أن التعقيد يميل إلى مضاعفة مصادر الفشل، إذ أن مجرد محرك ذي جزء أدنى من عدد الختم يقلل من التعرض في أكبر فئات الفشل، وعلى العكس من ذلك، فإن محرك الاحتراق المتطور يستحدث مضخات إضافية، وأفران صمامات أكثر، وأعباء ضغط أعلى، وكلها تزيد من احتمال وجود عيب حرج.

The Reliability Growth Curve

وقد تكون للنموذج الأولي درجة موثوقية تبلغ 0.5-7، مما يعني أنها تفشل تقريباً نصف الوقت، ومن خلال الاختبارات المتكررة والتصميمات، تحسن الموثوقية، وقد خضع برنامج RS-25 لبرنامج نمو موثوقية يشمل أكثر من 000 3 ثانية من اختبارات إطلاق النار قبل الرحلة الأولى، وقد استفادت سلسلة ميرلين من ثقافات سرعة الإرسال.

تحليل مفصل للنقاش

ولإتخاذ قرارات تصميم مستنيرة، يجب على المهندسين تقييم المبادلات عبر عدة محاور: الأداء، التكلفة، الجدول الزمني الإنمائي، المرونة التشغيلية، والسلامة، وتكسر الأقسام الفرعية التالية هذه الأبعاد.

الأداء ضد الروبوت

يمكن أن تؤثر مقاييس الأداء مثل الدافع المحدد ونسبة الدفع إلى الوزن تأثيرا مباشرا على قدرة الحمولة وقدرات البعثة، ويمكن للمحرك الأعلى - 25 أن يوصل نفس الحمولة إلى المدار ذي أعلى محرك، مما يتيح هامشا أكبر من حيث سرعة تشغيلية، أو أكثر من الكتلة، والمحركات المعقدة مثل RD-180 أو Raptor أن تحقق تحسنا بنسبة تتراوح بين 10 و 20 في المائة في محركات الغاز المولدات ذات درجة حرارة مكافئة.

التصنيع

المحركات المعقدة تتطلب تصنيعاً دقيقاً، مواد متخصصة، وفي كثير من الأحيان تفتيشاً أكثر اتساعاً بعد الإنتاج، استخدمت الدائرة 25 عملية فرز حراري واحد، يمكن أن ترتفع تكلفتها إلى 000 50 دولار للسيارة الواحدة، و تم تشكيلها من خلال التموين الكهربائي و التقلبات في طبقات متعددة، مع معدل رفض قدره 30 في المائة أثناء الإنتاج.

التعقيد التشغيلي والوقت المستغرق

وقد أصبحت قابلية التشغيل للتحرك في تصميم مركبات الإطلاق الحديثة، حيث أن المحركات التي يجب إزالتها، والتفكيك، والتفتيش بعد كل رحلة تفرض تكاليف باهظة لإعادة الاستخدام، وتحتاج الدائرة الخامسة والعشرون إلى تمزق كامل بعد كل بعثة، بما في ذلك تجديد عوامل الحرق التي تُجرى على مدار الساعة، واستبدال الشعلة الاصطناعية بالبلاد، وفحص هامش الحرق المتحرك بعشرين مرة.

تكاليف الاختبار والتأهيل

والمحركات المعقدة تتطلب اختبارات أكثر اتساعاً عبر مجموعة أوسع من الظروف، وقد يُعتبر محرك مولد الغاز مؤهَّلاً بـ 000 20 إلى 000 30 ثانية من الاختبارات التراكمية لإطلاق النار عبر عشرات محركات، وقد استنفد محرك الاحتراق المطور مثل RD-180 أكثر من 000 100 ثانية من الاختبار قبل الرحلات الجوية الأولى، بما في ذلك عمليات التحمل، والعملية غير المباشرة، والتحقق من طريقة الفشل.

دراسات الحالة: دروس من العالم الحقيقي

وتوفر البرامج التاريخية والمعاصرة أمثلة ملموسة على كيفية تنفيذ هذه المبادلات في الممارسة العملية.

"مسابقات "سمبلر

قرار (سباكس) باستخدام دورة مولد الغاز لجميع محركات (فالكون 9) (ميرلين 1D) للمرحلة الأولى، (إم فيك) تم التصديق عليه بواسطة سجل غير عادي،

RS-25: عندما يكون التعقيد ضروريا ولكن مكلفا

كما أن المحركات الرئيسية التي تُبنى في مكوك الفضاء لا تزال واحدة من أكثر المحركات تطوراً، كما أن ارتفاعها في الدافع وقدرتها على إحداث خنق عميق كان حاسماً في متطلبات المهمة المكوكية: وضع سيناريوهات، ونشر الحمولة، وإعادة الدخول، ومع ذلك، فإن تعقيدات المحرك أدت إلى ارتفاع تكاليف التطوير، وانخفاض الموثوقية بالنسبة للمحركات الحديثة (تمثل الجرعة 25) في أربعة حالات توقف في 135 رحلة جوية.

RD-180: مجموعة العمل من أجل تحقيق الهدف

والمحرك الروسي RD-180، المستخدم في الأطلس الخامس (وقبل ذلك في الأطلس الثالث)، هو محرك حرق مطور غني بالأكسجين، يحقق دفعة قدرها 4.15 ميغاواط، ودفعة محددة من مستوى البحر تبلغ 311 ثانية، ويُعتبر على نطاق واسع من أكثر المحركات الكبيرة الموثوقة التي تنتج في أي وقت مضى، مع ما يزيد على 100 رحلة جوية ناجحة من طراز أطلس V، وفشل في عمليات صنع الصواريخ RD-180.

Raptor: Iterating Toward Reliability

و قد تمّ تنفيذ برنامج "الرابتور" بطريقة مختلفة، و"محرك مُعقد" و"مُحرك عالي الأداء" في نموذج التنمية المتكرر، و"إس إن "سيكس" كان يُقدّم بسرعة "مُحرّكات "الإنجازات المُتّجهة"

الأطر الكمية لتحليل التجارة

ويمكن للمهندسين استخدام عدة أساليب كمية لمقارنة المفاضلات المعقدة والموثوقية بصورة منهجية.

Probabilistic Risk Assessment (PRA)

ويمكن لمصممي نظام الحد من الانبعاثات باستخدام أشجار الخطأ وأشجار الأحداث، ورسم خرائط لمواد الفشل في النتائج على مستوى المنظومة، عن طريق تخصيص احتمالات الفشل لكل عنصر (على أساس بيانات الاختبار أو المقاييس التاريخية)، أن يُقدّروا موثوقية المحرك الإجمالي لتشكيل معين، وقد يكون لمحرك الغاز احتمالاً لفشل التراكم قدره 1 x10-4 لكل عنصر من عناصر الطيران، في حين أن محركاً للاختراق على مراحل قد يكون فيه()

التكلفة كقيمة مستقلة قابلة للتغير

ويضع نهج " CAIV " تكلفة مستهدفة في وقت مبكر من التصميم، ويسمح بإجراء تجارة للأداء والتعقيد ضده، فعلى سبيل المثال، إذا كان هدف البرنامج هو 000 1 دولار للرطوم الواحد للمدار، يمكن للمهندسين أن يقيّموا ما إذا كان تحسين نظام " Isp " بنسبة 3 في المائة من المحرك الأكثر تعقيداً يساوي زيادة بنسبة 20 في المائة في تكلفة تصنيع المحركات.

تصميم التجارب المتعلقة بالهيكل الحرجي

يمكن أن تتفاوت دراسة موازية من نوع الدورة، وضغط الغرف، ونسبة التوسع في المذاهب، والخيارات المادية، وحساب مقاييس الأداء، واحتمالات الفشل (استنادا إلى الروابط التاريخية)، وتكاليف التصنيع.() وتبرز حدود التعقيد على مستوى الموثوقية، وتساعد صناع القرار على تصور الحيز المتاح من التجارة().

دور القدرة على التكرار والمهندسة

المبادلات بين تعقيدات المحرك الفردي وموثوقية النظام تغيرت بشكل أساسي من خلال هيكل المركبات، مرحلة واحدة ذات محرك معقد جداً يجب أن تحقق درجة عالية من الموثوقية، حيث أن أي فشل في إنجاز المهمة،

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

وتعود عدة تطورات جارية بتغيير المفاضلة المعقدة والموثوقية في السنوات القادمة.

الصناعة المضافة (3D Printing)

ويمكن للطباعة 3D إنتاج كميات من الجيولوجيا المعقدة (مثلاً، الأصابع المبردة بشكل متكرر بقنوات متكاملة، ورؤوس الحقن الأحادية) التي قد تكون مستحيلة على الأجهزة التقليدية، وهذا يقلل من عدد الأجزاء والوصلات البينية الحامضة، ويمكن أن يحسن الموثوقية.() ويستخدم محرك الصواريخ Lab Rutherford غرفة تجميعية ذات طابع مضغوط بالكامل، ومنتجات فضائية.()

مضخات كهربائية

ويحل محركات الضخ الكهربائي محل التركيب التقليدي الذي تحركه الغازات بمحركات وبطاريات كهربائية عالية الطاقة، ويستخدم محرك روثرفورد هذا الهيكل، ويلغي الحاجة إلى مولد الغاز أو ما قبل الشحن تماما، وهذا التبسيط يقلل بدرجة كبيرة من عدد قطع الغيار (لا توجد ختمات الغازات الساخنة، ولا يوجد توربين، ولا يزيد من موثوقية المركبات ذات القدرة المنخفضة على التداول).

تحسين رصد الصحة والرقابة على التكيف

المحركات المعقدة الـ25 يمكن أن تكون أكثر موثوقية بإضافة أجهزة الاستشعار المتطورة و أنظمة التحكم بالصوت المغلقة التي تكشف عن الشذوذ و تعدل العملية في الوقت الحقيقي

التحقق من تصميمات المغلقة

فالتوأم الرقمية والمحاكاة العالية القيمة تتيح للمهندسين اختبار المحركات تقريبا في إطار مجموعة أوسع من الظروف من الاختبار المادي وحده، وقد وضع برنامج " رابتور " ، على سبيل المثال، توأم متطور من حيث الاختبارات الرقمية ، قد يؤدي إلى تقلص ديناميات الاحتراق في نطاقات دون مقياس، مما يتيح الكشف المبكر عن أنماط عدم الاستقرار التي تتطلب الكثير من الاختبارات.

الاستنتاج: رد على قضية " كونفست "

لا يوجد أي مستوى عالمي من المبادلات بين تعقيدات المحرك وموثوقيته الخيار الصحيح يعتمد على المهمة، و هيكل المركبات، وميزانية المنظمة والجدول الزمني المتوقع، ومعدل الطيران المتوقع، والتسامح إزاء مخاطر التنمية، وبالنسبة لبعثة رئيسية واحدة مثل هبوط المحركات المتحركة، يمكن تبرير محرك مركب معقد وكبير الأداء حتى مع تكاليف الاختبارات الكبيرة.