مقدمة

وقد أدى السعي الدؤوب إلى استكشاف الفضاء الأعمق واتباع سواتل أكثر تطوراً لرصد الأرض إلى نشوء مطالب غير عادية على نظم الإدارة الحرارية للمركبات الفضائية، حيث أن تسليم المركبات الفضائية في بيئة تتسم بالثغرات الشديدة، والإشعاع الشمسي الشديد، والتأرجح في درجات الحرارة بين الوجوه المشمسة والظلية، واتساع نطاق الارتفاع في استخدام أجهزة التحكم في السائل الحراري، مما أدى إلى إزالة السائل المتحركي المتحركي.

ما هي مبادلات الميكانيكية الدقيقة؟

والمبادلات الحرارية الدقيقة هي أجهزة تنقل فيها الحرارة بين السوائل )التي غالبا ما تكون سائلة ذات مرحلتين أو خليط من مرحلتين( تتدفق عبر مجموعة من القنوات الصغيرة، والخصائص المحددة هي مقياس الهيدروليكي للقنوات، الذي يقل عادة عن ١ ملليمتر - في حدود ٠,١ ملم إلى ٠,٥ ملم، ويخلق هذا النطاق الصغير نسبة عالية جدا من التبادل الحراري إلى الحجم.

التصميم والتقديرات الأرضية

ويتكون مبادلات حرارة صغيرة نموذجية من قنوات متوازية متعددة يتم ترتيبها في لوحة مسطحة أو في صلبة، وقد تكون القنوات غير نمطية أو محصورة أو دائرية في مختلف القطاعات، تبعاً لطريقة التصنيع ومتطلبات الأداء، حيث تستخدم العديد من التصميمات كومة من طبقات المياه حيث لا تزال تتدفق من خلال الميكانيكيات الدقيقة في لوحة واحدة، كما أن التدفقات الأخرى من خلال الميكانيكيات الدقيقة في الطبقات المتاخمة، تعني وجود تدفق سريع.

المواد وصنعها

وتطالب تطبيقات المركبات الفضائية بمواد خفيفة الوزن، ومقاومة التآكل، وقادرة على إحداث فراغ كبير، والتدوير الحراري، والإشعاع، وتشمل المواد المشتركة لمركبات الكربون المشبع بالفلور في الفضاء سبائك الألمنيوم، والتيتانيوم، والصلب اللاصق، والنحاس، ويفضل الألومنيوم على كثافة الرش المنخفضة والسلوك الحراري الجيد، بينما يوفر التيتانيوم مقاومة وقوام ميكانيكيين استثنائية.

  • Diffusion bonding:] Stacked etched or machined plates are pressed together at high temperature and pressure to create a solid, leak-free core. This method yields high structural integrity and is suitable for high-pressure applications.
  • Chemical etching or photochemical machining:] Creates channels with high aspect ratios and fine detail, suitable for mass production of little plates.
  • Additive manufacturing (3D printing):] Emerging technique that allows complex internal geometries, integral manifolds, and custom channel shapes that cannot be produced by conventional means. This is particularly attractive for prototyping and low-volume aerospace components.
  • Wire electrical discharge machining (EDM):] Used for precise cutting of channels in hard materials, though generally slower and more expensive.

ويعتمد اختيار طريقة التصنيع على المواد وحجم القنوات وكمية الإنتاج وضغوط التكاليف، وكثيرا ما تتطلب صناعة الفضاء الجوي مؤهلات دقيقة واختبارات دقيقة لكل تصميم لضمان الموثوقية تحت ضغط الإطلاق والتدوير الحراري.

المزايا المتعلقة بالمركبات الفضائية

وتتيح أجهزة تبادل الحرارة الصغيرة عدة مزايا قاهرة على تكنولوجيات تبادل الحرارة التقليدية (مثلاً، التصفيح، والقصف، أو التوبي) للبعثات الفضائية، وتعالج هذه الفوائد مباشرة احتياجات المركبة الفضائية الحديثة من الكتلة والحجم والأداء.

أداء نقل الحرارة

:: إن ارتفاع نسبة الميكانيكيات من سطح إلى حجم الميكرويات يتيح معامل نقل الحرارة التي تزيد عادة من 5 إلى 10 أضعاف مبادلات الحرارة التقليدية لتدفقات ذات مرحلتين، بل وتزيد أيضاً عن التدفق ذي المرحلتين، مما يعني أنه، بالنسبة لواجب حراري، يمكن لوحدة الميكانيكيات الدقيقة أن تكون أصغر بكثير وأن تكون أخف، مثلاً، فإن لوحة الميكانيكيات الصغيرة تستخدم لتبريد جهاز كهرباء كهرباء تقليدي.

وفورات الكتلة والفولم

ويرتبط كتلة المركبات الفضائية ارتباطا مباشرا بكلفة الإطلاق التي يتم توفيرها، ويمكن أن تقلل كثيرا من نفقات البعثة، ويمكن أن تصل مبادلات الحرارة في الميكانيكيات الدقيقة إلى 80 في المائة أصغر وأخف من الوحدات التقليدية المعادلة لنفس الحمولة الحرارية، وهذا أمر مهم للغاية بالنسبة للسواتل الصغيرة (مثلا، الكوكيزات المكومة والفولط الصغرى) حيث يقيد الحجم بشدة، وذلك باستخدام مركبات سواتل مصغرة في أجهزة الدفع.

Reliability in Harsh Environments

كما أن تصميمات القنوات الصغيرة كثيرا ما تتضمن بناء جميع المعادن دون وجود مفاصل محفورة أو مباعة في القاع، مما يقلل من خطر التسرب، كما تؤدي أبعاد القناة الصغيرة إلى أفلام سائلة خفيفة، يمكن أن تؤدي في التبريد الممتد من مرحلتين إلى كبح آثار حرارة حرجة، وأن توفر أداء حراريا أكثر استقرارا، كما أن المواد المستخدمة - الرئوي، والتيتانيوم، والفولاذ الخفيف - هي مواد مقاومة شديدة للسائل

التطبيقات الرئيسية في النظم الحرارية للمركبات الفضائية

وتستخدم مبادلات حرارة الميكانيكيات الدقيقة عبر مجموعة واسعة من النظم الفرعية للمركبات الفضائية، وكل منها مطالب حرارية متميزة.

الإلكترونيات

وتستخدم أجهزة الكترونيات عالية الطاقة - مثل أجهزة التصفير الترددي اللاسلكي، ومجهزات الطاقة، ومجهزات البيانات، وأجهزة توليد الطاقة الكهربائية - أجهزة التوليد المركّزة التي يجب إزالتها بسرعة لمنع تدهور الأداء أو الفشل، وترتبط صفائح الميكانيكية الصغيرة أو المصاريف الحرارية مباشرة بالعناصر المولدة للحرارة، مع ضخ حلقة سائلة (المياه العادية، أو الأمونيا، أو سوائل الديكتري)

نظام الإدارة الحرارية

إن نظم الدفع الكهربائي، مثل محركات الدفع بالهال ومحركات الأيون، تولد حرارة كبيرة في جسم الدفع، ووحدات تجهيز الطاقة، وخطوط التغذية الدافعة، ويمكن إدماج مبادلات الحرارة الدقيقة في حلقة التحكم الحرارية لإدارة هذه درجات الحرارة، وفي الدافع الكيميائي، يمكن إدارة منتجات الاحتراق العالية الحرارة التي تُفرض على جدران التبريد باستخدام مبردات متجددة في آن واحد

Life Support and Cabin Climate Control

وبالنسبة للمركبات الفضائية المطهرة، تتطلب المحافظة على بيئة آمنة ومريحة للحوض درجة حرارة دقيقة ومراقبة الرطوبة، وتستخدم أجهزة التبريد الحرارية في حلقة التبريد الهوائي في المقصورة، حيث يتم توزيع الهواء بواسطة مخزن للشبكة الدقيقة لإزالة الرطوبة والحرارة، وتُعد ترابطها قيمة خاصة في وحدات حيث تكون كل بوصة مكعبة ثمينة، وتستخدم مركبة أوريون الفضائية مثلا مبادلات حرارية مدمجة في التحكم البيئي في حياتها البيئية.

النظام الحراري للحمولة الساتلية

وكثيرا ما تتطلب أدوات الاستشعار عن بعد، والمقاريب، وحمولات الاتصالات مراقبة دقيقة لدرجات الحرارة لتحقيق الحساسية والاستقرار اللازمين، ويمكن للأجهزة الحرارية الدقيقة أو أجهزة تبادل الحرارة أن تربط حمولات بالمشعات المكرومة مع تقليل درجة الحرارة إلى أدنى حد، وفي سواتل الاتصالات الأرضية، تبرد أجهزة التبريد ذات الطاقة العالية بوابل حرارة صغيرة لضمان موثوقية طويلة الأجل.

التحديات والحلول الهندسية

وعلى الرغم من مزاياها، فإن مبادلات الحرارة بالمايكرونيل تطرح تحديات هندسية فريدة يجب التصدي لها من أجل عمليات الطيران الفضائي الموثوق بها.

التعبئة والتسجيل

كما أن أجهزة الترميز الصغيرة تجعل أجهزة التجميل قادرة على التلويث من الملوثات الجسيمية )مثلاً، قطع المعادن، أو حطام اللحام، أو منتجات التآكل( في سائل العمل، وفي نظام حراري مقفل، يمكن توليد الجسيمات بواسطة ارتداء الضخ أو ردود الفعل الكيميائية، وللتخفيف من هذا التعقيد، فإن المهندسين يدمجون مرشحات أشعة فوق مجرى المعاطف )بوعة(.

التصنيع

فالزي الرسمي المتحرك والميكانيكيات المجهرية الخالية من العيوب التي تتسم بتسامح شديد تحدي، لا سيما في المواد الغريبة مثل التيتانيوم، بل إن التباينات الصغيرة في أبعاد القنوات يمكن أن تسبب سوء توزيع التدفق، أو تخفض الأداء الحراري أو تسبب الجفاف المحلي في نظم ذات مرحلتين، وما زالت التطورات في التصنيع المضاف تساعد على معالجة ذلك بإتاحة مضاعفات متكاملة تضمن توزيع التدفقات، غير أن التركيز على ضوء مضاف من المواد الفضائية.

التأكيدات الحرارية والميكانيكية

وكثيرا ما تكون نواة الميكانيكيات الدقيقة رقيقة، ويجب أن تصمد أمام ذبائح الإطلاق (حتى 20 غراما أو أكثر) والتقلبات الحرارية المتكررة من التكسير إلى درجات الحرارة العالية، والتوسع الحراري المتباين بين القاع والمناطق الطبيعية يمكن أن يحفز على تأكيدات تؤدي إلى كسر أو تسرب، ويستخدم المهندسون روابط مرنة (مثلا، البقايا الخافضة أو حلقات الانتقاء المتأصلة).

التطورات المستقبلية والتوجيهات البحثية

ويواصل تطور الإدارة الحرارية للمركبات الفضائية دفع تكنولوجيا تبادل الحرارة في المايكرونيل إلى زيادة الكفاءة والموثوقية والقدرة على التكيف.

ميكانيكية صغيرة ذات فتحتين

فالنقل الحر على مرحلتين )التأجير( في الميكانيكيات الدقيقة يوفر معدلات أعلى من معدلات إزالة الحرارة من التدفق من مرحلة واحدة، مع زيادة الفائدة على الحفاظ على درجة حرارة ثابتة تقريبا على طول القناة، غير أن الديناميات المعقدة في النتائج الجاذبية الصغرية - وعلى وجه الخصوص التفاعل بين الجاذبية والتوتر السطحي والزدحماض الخافت - المسببة للثديون الخافتة للتطبيقات الفضائية موضوع بحث نشط.

الصناعة التحويلية والتصميم

(د) التصنيع الاصطناعي هو نسيج مبادلات الحرارة الدقيقة، حيث يمكن للمهندسين أن يخلقوا قنوات عضوية مشفوعة تتبع مسارات التدفق الحراري، وأن يزيلوا الزوايا الحادة التي تصيد الملوثات، وأن يدمجوا مجموعات المناشير مباشرة في صلبها، مما يقلل من عدد المفاصل المبللة أو المثبتة، ويعزز الموثوقية.

التكامل مع الهياكل المتقدمة لمراقبة الحرارة

كما أن المركبات الفضائية المقبلة، ولا سيما تلك الخاصة ببعثات الفضاء العميقة أو الاستكشاف المطوّر المدة، ستحتاج إلى هياكل أكثر تطوراً للمراقبة الحرارية تجمع بين مبادلات حرارة الميكانيكية الصغرى وبين الأنابيب الحرارية، وأنبوب الحرارة الوسيطة، مثل مبردات حرارة حرارة حرارية، وقد يستخدم النظام مثلاً أنابيب حرارة من خلال نقل حرارة من حمولة صغيرة إلى جهاز لا يعمل على إحداث تغيير في الميكانيكيات صغيرة، حيث تُشغلُ السائل السائل المُ المُ المُ المُصَّةُ المُ المُصَّةُصَّةُصَّةُ.

خاتمة

وقد أصبحت مبادلات الحرارة الصغيرة عناصر لا غنى عنها في الإدارة الحرارية الحديثة للمركبات الفضائية، مما يتيح إجراء تخفيضات كبيرة في الحجم والكتل في الوقت الذي يؤدي فيه الأداء الحراري غير المسمى، ومن التبريد الإلكترونيات ذات الطاقة العالية إلى دعم نظم دعم الحياة والدفع المتطور، فإن هذه الأجهزة المدمجة قد أثبتت قيمتها في العديد من البعثات، وفي حين أن التحديات مثل التخريب والتعقيد في التصنيع الحراري لا تزال قائمة، فإن التقدم الجاري في مجال التصنيع الطموح، وبحوثيقين، وقدرات التدفق.

وللحصول على مزيد من القراءة عن المراقبة الحرارية للمركبات الفضائية، انظر صفحة نظم المراقبة الحرارية في وكالة ناسا في NASA Goddard Thermal Control Subsystem] والعرض العام لوكالة الفضاء الأوروبية في ]SA Thermal Control].