وقد أصبح تحويل مسارات النفايات إلى قاعات لا غنى عنها في مجال التحول العالي في المركبات الفضائية، مما مكّن من التنظيم الدقيق للطاقة الكهربائية وتوزيعها من صفائف الطاقة الشمسية والبطاريات وخلايا الوقود، حيث إن البعثات الفضائية تتطلب مستويات أعلى من الطاقة والكفاءة، فإن أداء وموثوقية النظم العالمية للمواقع التجارية تؤثر مباشرة على نجاح البعثات، وتبحث هذه المادة الدور الحاسم الذي تؤديه النظم العالمية في إدارة الطاقة الفضائية، وتورد تفاصيل عن الحلول البيئية الفريدة

دور النظم العالمية لسواتل الملاحة في نظم الطاقة الفضائية

وأجهزة التكتل الحراري هي أجهزة شبه موصل تعمل كمفاتيح خاضعة للمراقبة الإلكترونية قادرة على تشغيل وتير كبيرة في فولت مرتفع، وخلافا لمطالب الغرار التقليدية التي تتطلب دائرة تحويل مستقلة تعمل بالكهرباء، يمكن تحويلها بواسطة نبضات بوابة سلبية، مما يوفر التبديل السريع والمتحكم به اللازم لمحولات الطاقة الحديثة.

وتتمثل الميزة الرئيسية للمعارض العالمية في التطبيقات الفضائية في قدرتها العالية على معالجة الطاقة وبساطتها في ظروف عابرة، ويمكنها أن تعمل بخسائر أقل في السلوك من مترجمين ثنائيي القطب أو محركات متطورة ذات مستويات عالية من الطاقة، مما يحسن كفاءة النظام عموما، كما أن هذه المركبات توفر قدرة ملازمة قصيرة الأجل متأصلة، وهي سمة أمان حرجة بالنسبة للمركبات الفضائية التي يتعذر إصلاحها)١٠(.

التحدِّيات التي تواجه استخدام المدار الثابت بالنسبة للأرض في المركبات الفضائية

وعلى الرغم من مزايا هذه النظم، تواجه هذه النظم تحديات هائلة في البيئة الفضائية، ويلخص الجدول التالي المسائل الرئيسية قبل أن نتطرق إلى كل منها بالتفصيل.

  • Radiation hardness:] Space radiation can cause degradation or failure of the gate oxide and semiconductor lattice.
  • Thermal Management:] High-power shifting generates significant heat that must be dissipated in vacuum without heavy cooling systems.
  • Switching Losses:] The turn-on and turn-off losses of GTOs can reduce mission efficiency and increase thermal stress.
  • Reliability and Lifetime:] Missions lasting 10 - 20 years demand component survivability without maintenance or replacement.
  • Gate Drive Complexity:] The GTO requires a high-current, fast-rise-time gate pulse to turn off, add circuit design complexity.

القدرة على الإشعاع

(أ) [تعرض البيئة الفضائية الأخيرة المكونات الإلكترونية لمجال إشعاعي مختلط يشمل البروتونات والكهرباء والأيون الثقيلة وأشعة غاما (الجرعات المؤينة الإجمالية التي تراكمت على مدى فترة عمل البعثة، مما يتسبب في تحولات في تركيبات حركة النقل الجوي وازدياد تسرب المواد في شبه الموصلات، وهي آثار ثنائية القطب مع تغيرات في العمر

الإدارة الحرارية

(أ) أن تُنقّل [العمليات التجارية العالمية] كل من التصرّف والخسائر المُحدّدة كدفئة، وفي فراغ الفضاء، فإن التبريد المُلتصق بالغاز الحراري يمكن أن يُخفّض أيضاً من خلال الفشل الحراري في استخدام طبقة الـ50 من الـ (GTOS) في الـ (Gilitchway) التي تُعَدُّ إلى درجة حرارية عالية.

تحويل الخسائر

وعندما تتحول هذه البوابة من دولة إلى أخرى، فإن التحولات التي تُجرى في اتجاهها إلى آخر، التي تُجرى حالياً بعد فترة طويلة، لا يمكن أن تُزال فوراً، حيث أن هذه المركبات التي تُستخدم في شكل متغيرات طاقة عالية، وتُحدث هذه الخناق، وتُحدّد من الطلقات الحرارية، وتُحدّد أيضاً من التراكمات الحرارية، وهي 3.3 كيلو متر مربع.

الموثوقية ووقت الحياة

(أ) بعثات طويلة الأجل (مثلاً، 15 سنة لسواتل الاتصالات التابعة لوكالة الفضاء العالمية أو 20 سنة للاختبارات في الفضاء العميق) تفرض شروطاً صارمة للموثوقية، وتخضع أجهزة التكتل الحراري لآليات الفشل مثل الارتداد بالدي، وأجهزة رفع الأسلاك، والضغط الكهربائي، ويمكن أن يؤدي الجمع بين التدوير الحراري والميادين الكهربائية العالية إلى هجرة الميض وتكوين اللاغي في جهاز المبيع(10).

تعقيدات السيرة على البوابة

ويحتاج " إس تي " إلى بوابة سلبية تُحدَّد من 20 إلى 30 في المائة من العلامة التي تُحدَّد لعدة ثوانٍ صغيرة، وهذا يعني أن سائق البوابة يجب أن يوصل نبضاً يتراوح بين 200 و300 ميغاواط مع ارتفاع أقل من ميكروز، وأن يكون السائق معزولاً كهربائياً عن الدائرة الرئيسية ذات التأثير العالي وأن يوفر عمليات موثوقة عبر نطاق درجات الحرارة العالية.

الحلول والتطورات المستقبلية

وللتغلب على هذه التحديات، تتقدم الأوساط الإلكترونية للطاقة الفضائية الجوية على ثلاث جبهات واسعة: تحسين تصميم الأجهزة، والإدارة الحرارية المبتكرة، والمواد الجديدة شبه الموصلات، وتورد الأقسام الفرعية التالية بالتفصيل أكثر الحلول واعدة التي يجري حاليا إدماجها في معدات الرحلات الجوية.

التصميمات والتغليف المتطورة للنظم العالمية

(أ) تُختلق الآن أجهزة التخصيب المحتوية على الإشعاع باستخدام تقنيات النمو الوبائي التي تنتج طبقات انجرافية سميكة منخفضة الأثر، ويُتيح استخدام أجهزة تحويل النيترون (NTD) مقاومة موحدة لقطع مسارات الفولطية المتسقة.

تقنيات التبريد المبتكرة

(أ) إن محركات التبريد ذات العجلات الحرارية الفضائية قد وضعت مجموعة من الحلول لتبريد الحرارة في المدار الثابت بالنسبة للمركبات (GTO)

النهوض بالمواد: سيليكون كاربيد (SiC) و Gallium Nitride

S[T)(A) GE.99)

بوابة رقمية

ويمكن لسائقات البوابة الحديثة التابعة للشبكة العالمية للأخشاب المدارية أن تدمج تجهيز الإشارات الرقمية وأجهزة البوابات المجهزة بالميدان لتشكيل نبضات البوابة بدقة، مع تقليل الخسائر الناجمة عن التحول إلى الغلاف الجوي مع ضمان تخفيف موثوق به، بينما تقوم نظم دفع البوابة المكيفة برصد الفولطية المموَّلة من موقع GTO في الوقت الحقيقي وتعديل نهج البوابة الحالية ومدة التعويض عن خسائر الحرارة والعمر.

إعادة التوحيد والتسامح على مستوى المنظومة

ولتوفير متطلبات الموثوقية لبعثات طويلة الأجل، تستخدم نظم الطاقة الفضائية عدة أنواع من أنواع التقلبات في التشكيلات تتسامح مع حالات الفشل ذات النقاط الواحدة، وأكثرها شيوعا هو اللافتر المحتوي على ثلاث مراحل من مصادر الفولط المحتوي على تحويل قسري، حيث يستخدم كل موقع من مواقع التحويل نوعين من أنواع التقلبات الحرارية في السلسلة (لعمليات التحلل بالفولت) واثنين بالتوازي مع التقاسم الحالي.

التوقعات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

كما أن مسار إدارة الطاقة في المركبات الفضائية يشير إلى ارتفاع حجم الفولط (1-10 كيلو فولط) وإلى زيادة القوى (100 كيلوواط - 1 ميغاواط) في مجال الدفع الكهربائي، والسكن، والتجهيز الصناعي في الفضاء.