إعادة الاعتماد على نظام المراقبة الحرارية من أجل موثوقية البعثة

وفي البعثات الفضائية، فإن الحفاظ على درجة الحرارة الصحيحة لمكونات المركبات الفضائية هو شرط لا يمكن التفاوض عليه لنجاح البعثة وسلامة الأطقم، ويدير نظام المراقبة الحرارية التبادل الحرفي لإبقاء المعدات في حدود العمليات، من أجهزة الاستشعار المسببة للبكاء إلى أجهزة الكترونية تعمل بالطاقة الشمسية، ولكن في فراغ درجات الحرارة في الفضاء يمكن أن تتجاوز 200 درجة مئوية بين الوجوه المشمسة والظلية - حتى نقطة واحدة من الفشل في تصميم هذه المركبات

الحاجة الماسة إلى إعادة الشمل في مجال مراقبة حرائق المركبات الفضائية

فبيئة الفضاء تفرض تحديات حرارية شديدة، ففي الجانب المشرق من مركبة فضائية، يمكن أن ترتفع درجات الحرارة فوق درجة الحرارة + 120 درجة مئوية؛ وفي الجانب المظلم، يمكن أن ترتفع إلى 150 درجة مئوية أو أقل، وفي داخل المركبة، تولد الحرارة بواسطة الأجهزة الإلكترونية، والدفع، ودعم الحياة، يجب رفضها أو الاحتفاظ بها بكفاءة، وإذا فشلت المواد الكيميائية، يمكن أن تؤدي المكونات إلى تعطل في التحلل البصري للاختراق الضوئي.

فالتجديد ليس مجرد تعزيز اختياري؛ بل هو شرط أساسي للتصميم بالنسبة لمعظم وكالات الفضاء ومشغلي السواتل التجارية؛ والمبدأ واضح: توفير وسيلة مستقلة أو أكثر لأداء وظيفة حرجة بحيث لا يلحق فشل أحد ضرراً بالبعثة، ولأن نظام TCS عادة ما يشمل المضخات والصمامات والحرارات والسلاسل الحرارية والإلكترونيات المهيمنة، يجب النظر في كل عنصر من هذه العناصر التي تنفذ في هيكلها().

أنواع إعادة التوحيد في نظم الرقابة الحرارية

ويستخدم المهندسون ثلاث فئات واسعة من المبالغ الزائدة لحماية النظام المنسق التقني: العامل والسلبي والمهجين، ولكل منهم مزاياه الخاصة ومبادلاته من حيث الوزن واستهلاك الطاقة والتعقيد.

إعادة التوحيد الفعلي

وفي إطار نظام تسيير مكرر نشط، تعمل عناصر متطابقة متعددة في آن واحد، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تدار مضختان في موازاة في حلقة سوائل، بحيث يكون لكل منهما القدرة الكافية على تحمل عبء الحرارة الكاملة إذا فشل الآخر، أما الثانية فتستمر دون انقطاع، كما أن المركبات الفضائية قد تكون لها دورتان أو أكثر استقلالا من دوائر التدفئة، وكلها قادرة على الحفاظ على درجات الحرارة داخل حدود الميكانيكية المطلوبة.

حالات التعافي السلبي

وتعتمد عمليات التكرار المرفوضة على عناصر احتياطية غير مجهزة عادة أو في الخدمة، ولا يتم تفعيلها إلا بعد اكتشاف الفشل، فعلى سبيل المثال، قد يكون لدى المركبة الفضائية جهاز إشعاعي أولي وجهاز إشعاع ثانوي لا يتم بثه أو نشره إلا إذا أصيبت المحركات بالضعف أو بآلية للنشر المعطل، وبالمثل، يمكن تبديل أجهزة التسخين الاحتياطية عن طريق جهاز مراقبة التوقيت أو جهاز كشف يدوي.

الزيادة الهجينة

وتختلط التصريف الهجين بالنهج النشطة والسلبية لتحقيق أقصى قدر من الموثوقية دون زيادة مفرطة في النفقات، فعلى سبيل المثال، يمكن للمضخة أن تعمل بنسبة 50 في المائة مع مضخة احتياطية تبدأ تلقائيا إذا انخفضت التدفقات إلى أدنى من عتبة، أو قد تستخدم مركبة فضائية حلقة مائية مع مضختين تعملان بنصف السرعة (النشاط) بينما لا تزال هناك مضخة ثالثة (مردودة) وإذا فشلت أي مضخة نشطة، فإن التركيب الكلفة الكلفة الثالثة يُت على الإنترنت.

مستويات إعادة التوحيد: العنصر، والنظام الفرعي، والنظام

ويمكن تطبيق إعادة التفرغ على مستويات هرمية مختلفة، وعلى مستوى المكوّن، قد يكون لأجهزة التسخين الفردية أو الصمامات أو أجهزة استشعار درجة الحرارة ازدواجية، وعلى مستوى النظم الفرعية، قد تكون لدائرة سائل كامل أو لطاقة مشعة ثغرة، وعلى مستوى النظام، يمكن تركيب شبكة مستقلة تماما من أجهزة التكتل الحراري لتبريد الحمولة يمكن أن تدعم وظيفة الحافلات الأساسية.

اعتبارات التصميم الخاصة بالتصنيفات المتكررة

وينطوي تصميم نظام للمراقبة الحرارية الزائدة على توازن دقيق بين متطلبات التضارب، ويجب على المهندسين تخصيص ميزانيات جماعية وميزانيات للطاقة مع ضمان عدم تطبيق المنطق الزاحف نفسه على أساليب الفشل الجديدة، وتشمل الاعتبارات الرئيسية ما يلي:

التخلف في قياس العمر وتحليل الآثار

ويجب تحديد وتقييم كل آلية ممكنة للفشل في نظام TCS من أجل تأثيرها على أهداف البعثة، مثلاً، يجب معالجة الصمام المعلق الذي يحول دون تدفق التبريد بواسطة طريق جانبي مواز أو صمام زائد، حيث يستخدم المهندسون نماذج مختلفة للتفكك الحراري، وتحلل التداخل التراكمي، ويحدّدون أين يكون التخلف عن العمل أمراً أساسياً.

آليات التبديل وآلية الاستقلال الذاتي

ويجب أن يكون بوسع نظام TCS الذي يُبطل مفعوله الكشف عن الفشل والتحول إلى عناصر احتياطية مع الحد الأدنى من التعطل، أما بالنسبة للمركبات الفضائية المكتظة، فإن الملاحين الفضائيين يمكن أن يبطلوا أو يبدلوا النظم الاحتياطية يدوياً، وفي حالات الاختراق في الفضاء العميق، حيث يمكن أن يتجاوز التأخير في التأشيرات الصوتية الخفية دقائق أو الساعات، فإن هذه المركبات الفضائية تستلزم وجود إخفاقات.

العقوبات على الوزن والجزاءات الجماعية

فكل عنصر زائد يضيف الكتلة - بالنسبة للمركبات الفضائية، فإن الكتلة هي أحد أشد القيود أهمية لأنها تؤثر مباشرة على تكاليف الإطلاق وميزانيات الوقود، وقد يكون الضخ الزائد وزناً من الكيلوغرامات، كما أن فريقاً للأجهزة المشعاعية الاحتياطية يمكن أن يضيف مساحة وكتلة يمكن استخدامها في أدوات علمية أو في مجال الوقود، ويجب على المهندسين أن يقوموا بتحليل مخاطر التكاليف لتحديد المستوى الأمثل من زيادة الموثوقية.

استهلاك الطاقة والتوازن الحراري

وقد تستهلك العناصر النشطة الزائدة الطاقة حتى عندما لا تكون لازمة للمهمة الأولية، وقد يؤدي تشغيل مضختين بسرعة نصف بدلا من مضخة بالسرعة الكاملة إلى توفير طاقة ضئيلة؛ وإبقاء مسخ احتياطي على طاقة النفايات المستمرة؛ ويجب أن يوازن المصممون ميزانية الطاقة، ولزيادة التصريف، قد لا تكون هناك حاجة إلى الدعم، مما يحفظ الطاقة ولكن يتطلب وجود واجهة نقل موثوقة.

الاختبار والتحقق

ولا يمكن افتراض أن التراكمي الرادف للقطعة الصغيرة يعمل بشكل صحيح؛ ويجب اختباره في إطار سيناريوهات الفشل الواقعية، كما أن الاختبار الحراري - الخماسي على مستوى النظام يمكن أن يثبت أن المضخات الاحتياطية والمسخن والمشعات تعمل فعلاً وتحافظ على درجات الحرارة المناسبة، غير أن اختبار جميع الاختلالات المحتملة غالباً ما يكون غير عملي، بل يعتمد المحركات على اختبار الحرق غير المتعمد، حيث تؤدي نقاط الفشل الوحيدة إلى حدوث سائل.

أمثلة عالمية حقيقية لسلسلة التكتل الأحمر في البعثات الفضائية

وتبين البعثات التالية كيف تم تنفيذ عمليات التكرار لتحقيق موثوقية استثنائية في الرقابة الحرارية.

محطة الفضاء الدولية

وتشغل دائرة خدمات السلامة المتكاملة أحد أكثر نظم الرقابة الحرارية تعقيداً التي بنيت على الإطلاق، مع وجود حلقات تبريد خارجية تستخدم الأمونيا كسائل عمل، حيث أن كل من نظم التحكم الحراري الفولطية الثمانية ذات نسقين مستقلين للأمونيا، هما نظام رئيسي ونموذج احتياطي يمكن ربطه بين عدة وحدات، بالإضافة إلى أن وحدات التكتل الذاتي الداخلي لمجموعات الطواقم تستخدم حلقات مائية متعددة مع مضخات زائدة.

مركبة فضائية فوياغر

أما نظام المراقبة الحرارية الذي بدأ في عام 1977، فهو نظام " فويغر 1 و2 " لا يزال يعمل بعد مرور أكثر من 40 عاماً، ويتوقف على اتخاذ تدابير سلبية في المقام الأول: وحدات التسخين بالنظائر المشعة التي توفر حرارة ثابتة من تفكك البلوتونيوم - 238، وعزلة متعددة الطوابق، وتحتفظ بالدفء، وتفتح وتقترب من الحرارة الزائدة.

مختبر علوم المريخ (العمل التطوعي)

ويستخدم التفريغ الفضولي حلقة ميكانيكية مضخة تسمى نظام مراقبة حراري مختبرات المريخ، الذي يعمم سائل نقل حراري من خلال الأجهزة الإلكترونية للغطاء والمشع، وكانت الحلقة مزودة بمضختين: مضخة أولية ونسخة احتياطية، وإذا فشلت المضخة الأولية أو انخفضت معدلات تدفقها إلى ما دون عتبة، فإن النظام يتحول تلقائيا إلى مضخات حرارية.

جيمس ويب تلسكوب الفضاء

ويحتاج جهاز تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى بيئة باردة للغاية بالنسبة لأدواته التي تقل عن 50 كيلو متراً بالنسبة للأجهزة التي تستخدم جهازاً احتياطياً متعدد الطوابق، ومجهزاً بالبعوض، ومشعات، بينما يتم تنفيذ عملية إعادة التسخين في نظم التبريد: حيث توجد في كل من الأجهزة الثلاثة طبقة شعاعية مستقلة (مصممة خصيصاً ومؤازنة).

بوابة القمر (مطلوبة)

وسيتضمن برنامج " لونار غيتواي " ، وهو محطة فضائية صغيرة حول القمر، زيادة في حجم السلسلة التكتيكية، ويشمل تصميمه نظاماً لإدارة حرارياً هجيناً يحتوي على حلقتين مستقلتين من السائل (على نطاق الترددات إلى محطة الفضاء الدولية)، ولكن هذه الحلقات ستكون أكثر ترابطاً واستخداماً لسوائل مراعية للبيئة، وسيمتد التكاثر إلى أجهزة الراديو التي يمكن نشرها وإعادة الاكتفاء بها.

التحديات والحدود المتعلقة بالانتعاش

وفي حين أن التكرار أمر لا غنى عنه، فإنه ليس حلاً للمرض، ويجب إدارة العديد من التحديات بعناية.

زيادة التعقيد والتكلفة

ويضاعف عدد الأجزاء والوصلات البينية والأسلاك، مما يزيد من جهود التصميم والتصنيع والاختبار، التي كثيرا ما تبلغ 30 إلى 50 في المائة بالنسبة للنظم الفرعية لدائرة خدمات الدعم التقني، كما أن المزيد من العناصر يزيد من احتمال حدوث حالات فشل في وفيات الرضع خلال المرحلة المبكرة من البعثة، كما أن المنطق الزائد نفسه (الكشف عن الأخطاء والعزلة والوحدة النموذجية لإعادة التشكيل) يمكن أن يصبح برنامجا معقدا.

أسباب عامة

وإذا كان المركب الأولي والنسخة الاحتياطية يتقاسمان نفس حافلة الطاقة، فإن نفس البرمجيات، أو توضع في نفس الموقع المادي، فإن حدثا واحدا (مثل ارتفاع الطاقة، أو حشرة برمجية، أو ضربة على ميكروميتيوميك) يمكن أن يُبطلا كلاهما، ويجب على المهندسين أن يستحدثوا التنوع: استخدام لوحات إلكترونية مختلفة، وتغذية منفصلة للطاقة، والفصل المادي مثلا، لأن نظام الفرز الحراري يستعمل أجهزة التدفئة من العطل في بعثة الصنع.

ميزانيات الكتلة والحجم

وفي العديد من السواتل الصغيرة (السواتل الصغيرة والسواتل الصغرى)، فإن الكتلة والحجم المتاحين ضيقان للغاية بحيث يتعذر التكرار الكامل، بل يعتمد المهندسون على أجزاء عالية الموثوقية وعلى هوامش التصميم المحافظة، وتتقبل بعض البعثات خطر فشل نظام TCS الوحيد إذا كانت تكلفة إضافة التكرار تجعل البعثة غير صالحة للتحمل، وفي هذه الحالات، يجري تقييم دقيق للمخاطر(ج) لتحديد المهمة التي تضطلع بها شركة TC.

عدم وجود نظام للشحن

ويمكن أن يؤدي نظام زائد إلى إيجاد مسارات جديدة للفشل، مثلا إذا فشلت مضخة احتياطية بطريقة تمنع حلقة السائل، فإنه يمكن أن يزيل الضخ الرئيسي أيضا، ويستخدم صمامات العزل والصمامات للتحقق لمنع هذه السيناريوهات، وبالمثل، يمكن لدائرة التسخين الاحتياطية أن تزيد من حجم إمدادات الطاقة، مما يؤثر على المسخنين.

الابتكارات المستقبلية في مجال تكنولوجيا المعلومات والاتصالات

ونظرا لأن البعثات الفضائية أصبحت أكثر طموحا - بما في ذلك البعثات المأهولة إلى المريخ، فإن المقراب الفضائية الكبيرة، والنُهج الجديدة للتعدين في الفضاء العميق إزاء التكرار في إطار نظام TCS آخذة في الظهور.

التصنيع والتكامل

يمكن لمبادلات الحرارة ذات الطباعة العالية والقنوات السوائل أن تخلق مسارات مدمجة وزائدة للوزن الخفيف داخل عنصر واحد، مثلاً، يمكن أن يكون للمشعب المطبوع أحادياً دورتين مستقلتين من السائل المفصلين جسدياً عن طريق الجدار الرقيق، وإذا تسربت الدائرة الواحدة، فإن الآخر يظل عاملاً، وهذا التكامل يقلل من عدد الأجزاء المنفصلة والتجمعات البسيطة.

الرقابة الحرارية النشطة مع كشف الخزنة

ويمكن أن ترصد الخوارزميات المتعلمة من الآلات مئات درجات الحرارة والضغط وإشارات التدفق لكشف الإخفاقات الخفية قبل أن تصبح حرجة، فعلى سبيل المثال، يمكن لنموذج " آي " الذي يتم تدريبه على القياس عن بعد أن يحدد التغيرات الطفيفة في معامل الضخ أو النقل الحراري التي تسبق الفشل، ويمكن أن تقوم منظمة العفو الدولية بعد ذلك بالاستعانة بمكونات احتياطية أو تعديل نقاط محددة لتجنب الفشل الكامل.

Variable Conductance Heat Pipes and Loop Heat Pipes

كما أن أجهزة التحكم الحراري المتقدمة ذات المرحلتين مثل أنابيب الحرارة المتطورة، وأنبوب الحرارة المتغيرة للسلوك، توفر في جوهرها درجة من التكرار لأنها يمكن أن تعمل بمحركات متوازية متعددة أو مكثفات، ويمكن أن يكون لجهاز واحد من أجهزة الاتصال اللاسلكي ثلاث أجهزة للتبخر، إذا فشل أحدها، يواصل الآخرون تعميم سائل العمل، مما يوفر إضافة مضخات مستقلة.

خدمات في المدارات وإصلاحها

ولا يعني التكرار دائما قطع الغيار؛ بل يمكن أن يعني أيضا القدرة على إصلاح أو استبدال المكونات الفاشلة. فبعثات الخدمات الآلية، مثل مكتب خدمات العمليات الفضائية التابع للناسا )خدمة المدار، الجمعية العامة، التصنيع(، تهدف إلى إعادة الوقود واستبدال المكونات الحرارية مثل أجهزة الإشعال على السواتل الموجودة، ويمكن لهذه القدرة أن تقلل من الحاجة إلى إعادة التشغيل الكاملة لأن الإضافة إلى الوحدات قد تكون مجهزة.

خاتمة

إن إعادة التشغيل في نظام المراقبة الحرارية أمر حيوي لضمان موثوقية البعثة في بيئة الفضاء القاسية، إذ إن إدخال طبقات متعددة من النظم الاحتياطية - من المضخات والمسخن إلى جميع المحركات المبردة، يمكن أن يحول دون حدوث إخفاقات قد تضر بالبعثة بأكملها، ويتوقف الاختيار بين عمليات التنقيب الفعالة والسلبية والتكسيرية على مدى أطول من قدرة البعثة على تحمل المخاطر، وميزانيات النجاح في مجال التوليد، وعلى الأهمية الحاسمة التي تتسم بها بعثات الاستكشاف.

[للمزيد من القراءة بشأن التحكم الحراري في المركبات الفضائية وتصميم التكرار، انظر [(FLT:0]NASA’s State-of-the-Art Small Spacecraft Technology: Thermal Control) و([النظرة العامة المفصلة للتحكم الحراري ) [الدراسة المتعلقة بنظم التحكم في العمل](4)