ما بعد التجميد: الدور الحاسم للمواد القديمة العهد في الفضاء الجوي

ولا يمكن الاعتماد على كل طائرة وسواتل ومختبرات الفضاء العميق إلا بقدر ما تكون المواد التي تبنى منها، وعندما تتعرض هذه المواد للبرد الوحشي للغلاف القطبي أو الجانب المظل من القمر، فإن حتى العيوب المصغرة يمكن أن تؤدي إلى فشل كارثي، وقد اعترفت صناعة الفضاء الجوي منذ وقت طويل بأن الاختبارات القياسية لظروف السباكة غير كافية للتنبؤ بالأداء في هذه المتطرفات.

The Science of Embrittlement and Thermal Contraction

ويبدأ فهم سبب تعطل المواد الفضائية الجوية بالسلوك الذري على نطاق واسع، حيث تباطأ الحركة الجزيئية بدرجة كبيرة في درجات حرارة منخفضة، وفي كثير من المعادن، يؤدي هذا الانخفاض في الطاقة الحركية إلى الانتقال من كسر النمل إلى كسر في المكسور، وهو تحول يمكن أن يحدث في درجات حرارة عالية مثل 30 درجة مئوية في بعض السبيكات الألومنيوم أو في مستوى منخفض يصل إلى 200 درجة مئوية من الفولاذ في موصول.

فبعد الاختلاط، يؤدي الانكماش الحراري المتباين بين المواد المتفشية إلى ضغوط داخلية، وعلى سبيل المثال، فإن الجلد المركب للكربون المتحرر من عقود الجناح يختلف عن هيكله الداخلي للألومنيوم، مما يؤدي إلى حدوث صغرى أو تطهير، وبالتالي يجب أن يقيّم الاختبار ليس فقط الممتلكات السائبة لمواد واحدة، بل أيضا أداء المفاصل والزلاجات والوصلات المربعة في نفس درجات الحرارة المنخفضة.

بل إن قضايا بسيطة يبدو أنها مثل تشديد الختم المناعي أو تبلور مواد التشحيم - يمكن أن تسبب خللاً في صمامات الوقود أو ملاجئ معدات الهبوط أو النظم الهيدروليكية، وتعالج الاختبارات الشاملة للبيئة الباردة جميع نقاط الفشل المحتملة بطريقة منهجية ومحركة البيانات.

State —of the — Art Testing Methodologies

وخلال العقد الماضي، وضعت المختبرات في جميع أنحاء العالم ترسانة مثيرة للإعجاب من الأدوات لتكرار البرد من المدار الأرضي المنخفض، أو ليلة المريخ، أو الغلاف الجوي العلوي في القطب الشمالي، وتمثل التقنيات التالية الحدود الحالية لتقييم المواد المسببة للبكاء.

الدوائر المسببة للسرطان

ويمكن أن تحقق الغرف البيئية الحديثة نقاطاً منخفضة إلى 270 درجة مئوية (بدرجة قليلة فوق الصفر المطلق) باستخدام الهيليوم السائل المغلق أو النيتروجين، وتشتمل التصاميم المتقدمة على مناطق تدفئة متعددة ومصابيح حرارية خاضعة للمراقبة بواسطة الحاسوب، مما يحفز التبريد التدريجي لمركبات فضائية تدخل الكسوف أو على التبريد السريع لطائرة تهب عبر مضيق عاصفة.

مُراجع غير مُتَّبع

وكثيرا ما تفشل مقادير الإجهاد التقليدية في درجات الحرارة المبردة - وتصبح مساندة الارتداد غير واضحة أو غير خطية للاستجابة الكهربائية، كما أن التقنيات القائمة على اللازر، مثل التقاطع بين الخلايا النمط الكتروني، والربط الرقمي، تزيل الاتصال تماما، وتلتقط آلة تصوير عالية الاستبانة صورا لسطح مادي مطلية بجهاز قياسي.

أجهزة الاستشعار المتحركة

وينطوي النهج الآخذ في الظهور على دمج الألياف الضوئية في المكبسات المركبة أو ربطها بالأسطح المعدنية، وهذه أجهزة الاستشعار محصنة من التدخل الكهرومغناطيسي ويمكنها توفير قراءات مستمرة للإجهاد ودرجة الحرارة في نقاط متعددة على طول الألياف، وأثناء اختبارات التدوير الحراري، تلتقط صفائف الألياف الضوئية بيانات دون إزعاج الظواهر الحرارية

Ultra — High — Resolution Computed Tomography

ولتصوير الضرر الداخلي بعد التعرض البارد، يستخدم الباحثون أجهزة المسح الميكروبي الميكروب التي تعمل في الطاقات العالية بما يكفي لاختراق المعادن الكثيفة، وبفحص قسيمة اختبار قبل وأثناء دورة التبريد وبعدها، يمكن أن يخلقوا 3D إعادة إعمار للتشغيل، وتشكيل الفراغ، وفك الألياف، وقد كانت التكنولوجيا حاسمة في التحقق من نماذج الاختراق الضوئية للتسلسل الكيميائي.

دراسات الحالة: المواد المبردة في العمل

شهادة الطريق القطبي A380

وعندما صممت طائرات الإيبوسات الطائرة A380 للعمليات القطبية الممتدة، فإنها قد أخضعت لأجهزة تجميل ذات أجنحة عالية إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى 65 درجة مئوية - الحد الأدنى المعتاد الذي يصادفه تيار الطائرات القطبية، وكشفت اختبارات القذف في الغرف المبردة أن إحدى الطوابق المتطورة من الألومنيوم - اليتيم (A2099 - T83) لم تُحد من أي خسارة في التحلل البارد عند هذا التركيز.

برنامج دبابات المركب المكسوسة التابع للناسا

وقد أظهرت دبابات الوقود المزودة بأجهزة الدفع الفلزية المزودة بمركبات خفيفة الوزن وفورات كبيرة في مركبات الإطلاق، ولكن الاحتفاظ بالهيدروجين السائل عند درجة حرارة ٠٥٣ درجة مئوية من التحدي الشديد، وخلال مشروع " كروتانك " الذي وضعته الهيئة الوطنية للتسرب، قام مهندسون ببناء صهريج مركب يبلغ طوله ٨ أمتار، وختبروه من خلال دورات متعددة من التعبئة الترددات ذات الهيدروجينات.

Mars Rover Wheel Materials

وقد زاد معدل حرارة المريخ - ٦٣ درجة مئوية، مع انخفاضات في وقت الليل إلى أقل من ١٠٠ درجة مئوية بالقرب من القطبين، وحدثت عجلات فضية، مصنوعة من خزائن ممتدة من ٧٠٥-٣٥١ ألومنيوم، وحدثت أضرارا غير متوقعة من الصخور الحادة، ولكن التحليلات اللاحقة أظهرت أن التهاب المسبب للبرد قد أدى إلى تفاقم عملية الكسر.

التوائم الرقمية: اختبارات محاكاة

الاختبارات المادية لكل مزيج ممكن من المواد والجيوميتري والدوائر الحرارية ستكون باهظة الثمن، ولهذا السبب يعتمد مهندسو الفضاء الجوي بشكل متزايد على نماذج حاسوبية تتضمن خصائص مادية معتمد عليها بدرجة الحرارة، وهذه التوائم الرقمية مع مجموعة محدودة من الاختبارات المادية ثم تستخدم للتنبؤ بالأداء عبر آلاف السيناريوهات.

(ب) تشمل رموز التكفير الحديثة الآن نماذج البلورة - التعددية التي يمكن أن تحفيز تشغيل مختلف نظم الزلقة في معدن في درجات حرارة منخفضة.() وتتتبع نماذج حقول المرحلة نمو فرادى الشقوق تحت التحميل الحراري الدائري() وعندما تكون هذه النماذج مقترنة بأساليب التكرار غير المستقرة، فإنها لا توفر فقط فترة حياة متوقعة واحدة بل توزع احتمالات حدوث الفشل(10).

ولا يزال التقييم ضروريا بطبيعة الحال، إذ تقوم شركات مثل برنامج " FLT:0 " التابع للرابطة لأجهزة الإطلاق في المستقبل بإجراء اختبارات " تجميل " بصورة روتينية على عناصر أكملت محاكاة لموجزات البعثات، ومقارنة الضرر الفعلي بالتنبؤات النموذجية، وفي إحدى الحملات الأخيرة، كان الترابط بين طولات الشباك المتوقعة والمقاسة أفضل من 95 في المائة بالنسبة لثقة غير الثابتة.

المواد المتعلقة بالهوريسون: الصحة الذاتية ونانو - ريدينفيد

وقد أدى البحث عن مواد تقاوم الفشل المسبب للبرد في جوهرها إلى عدة طرق واعدة.

شب - - - - - - - - - - - - - - - - -

وتظهر بعض المحار النيكلية (نيتينول) تحولاً في المرحلة المرتنسية يمكن أن يستوعب الطاقة الميكانيكية عند درجات حرارة منخفضة، ويخلط فعلياً مع بقشيش الشقوق، وقد أثبت الباحثون في مختبر إطلاق النار أن خلية من النيتول يمكن أن تعمل في 180 درجة مئوية دون كسر في التربة، بينما تكون هبة مائية غير متوافقة مع بعضها البعض.

نانو - فيلر) المركب المملح)

- تبين أن تفريق كميات صغيرة من نانووبات الكربون أو نانوبلات الغرافين في مصفوفات الأوكسي يؤدي إلى تحسين حاد في قوة الكسور المتدنية، وقد أدى ذلك إلى زيادة مجهرات الجسور التي تشكل أثناء التدوير الحراري، واستيعاب الطاقة ومنع انتشارها، وفحصها من قبل

التكليفات الخاصة بالصحة الذاتية

إن التغليف الذي يمكن أن يغلق مجهرا أثناء العملية سيكون متغيراً في المركب الفضائي الذي يعمل في الفضاء العميق، وقد طورت عدة مجموعات بحثية مكيفات مصغرة لا تُطلق فيها عامل معالجة سائلة عندما يُنشر الشق عبر جدار الكبسولة، ويُستعان بعامل التخصيب في درجة حرارة منخفضة (يستخدم عامل حافز متجانس) لسد الفجوة.

معايير الصناعة والرأس البري

ومن الضروري وضع معايير اختبار متسقة ومكررة للبرد الشديد بالنسبة لسلاسل الإمداد في الفضاء الجوي على الصعيد العالمي، وقد نشرت اللجنة الدولية المعنية بالأرصدة السمكية والأرصدة السمكية الكثيرة الارتحال مؤخرا مبادئ توجيهية خاصة ]] [باختبار الكسور التراكمي (ASTM E2714) ، تحدد حجم العينات، ومعدل التحميل، وبروتوكولات المقاييس الدولية للثغر.

وفي المستقبل، ستشكل ثلاثة اتجاهات العقد القادم من اختبارات البيئة الباردة، أولاً، أن التصنيع المضاف سيتيح إنتاج قوارب اختبار ذات مستويات جغرافية داخلية معقدة، مثل قنوات التبريد المتطابقة التي تستخدم أجهزة التحليق الحقيقية على نحو أوثق من الألواح المبسطة، وثانياً، فإن متغيرات التعلم الآلي ستحلل مسارات البيانات الضخمة من غرف التبريد، مع تحديد أوجه الاختلاف في الأداء.

وقد اعتادت صناعة الفضاء الجوي بالفعل على اختبار مكونات المحرك الحراري، ومركبات العودة، ورحلات الطيران فوق الصوتي، كل مؤهلات الطلب العالية الحرارة، وكانت اختبارات الحرارة الباردة في كثير من الأحيان بمثابة دراسة لاحقة، وتنتقل إلى عدد قليل من المرافق الخاصة الغرض، وهذا يتغير، حيث أن المشاريع الفضائية التجارية تخطط قواعد الزمان، مع وجود مواد عالية الارتفاع في خطوط النقل ذات الترددات العالية.

والمهندسون الذين يتحلون بتقنية الفن وعلم المواد المسببة للبرد هم الذين يصممون المركبات التي تعمل بأمان في أبرد زوايا الغلاف الجوي وما بعده، والأدوات موجودة بالفعل - من خلال تكنولوجيا الليزر إلى شبكات الألياف الضوئية الكبيرة - والمواد التي تظهر، وما زال التطبيق الصارم والمنتظم لهذه الابتكارات على كل عنصر يجب أن يواجه التجميد العميق.