إن تصميم محركات العمليات السطحية الكواكبية والركود هو من بين أكثر التحديات التي تواجه هندسة الفضاء الجوي صعوبة، وخلافا للمحركات التي تعمل فقط في فراغ الفضاء أو في جو الأرض، فإن محركات الكواكب الرطبة يجب أن تعمل بشكل موثوق عبر طائفة واسعة من البيئات العدائية، من البرودة المبردة في ليلة مائية إلى ظروف التراب والضعف في الجاذبية في المريخ، وهذه المحركات حاسمة بالنسبة لاختيارات التي تتركها في المستقبل.

التحديات البيئية

وتظهر سطح الكوكب مزيجاً من الإجهاد البيئي الذي لا يصادف في العمليات البرية أو المدارية، ويشهد القمر، الذي لا يوجد فيه جو تقريباً، تقلبات في درجات الحرارة من حوالي 120 درجة مئوية في ضوء الشمس المباشر إلى -230 درجة مئوية في الظل، ويعاني المريخ من مناخ منخفض من ثاني أكسيد الكربون، والضغط السطحي نحو 0.6 في المائة من الأرض، ودرجات الحرارة التي يمكن أن تنخفض إلى أقل من 120 درجة مئوية في القطب.

المرحلة القصوى

فالدورة الحرارية تشكل تهديداً رئيسياً لسلامة المحرك، إذ تتوسع المواد وتعقد بشكل متكرر مع ارتفاع المحرك أثناء التشغيل وتبرد في البيئة المحيطة، ومن ثم يمكن أن يتعرض المحرك للبرد الشديد لمدة أسبوعين من وقت النوم قبل أن يطلب منه إطلاق النار، مما قد يسبب اختراقاً في المعادن، وتجميد السوائل في خطوط الوقود، وفشل في وضع أجهزة الدفع المزودة بأجهزة الدفع المسببة للاختراق.

الدفة والإرث

إن الغبار هو عدو هائل، فالإصلاحات اللوارية شديدة، ومحملة بالكهرباء، ومكثفة للغاية، ويمكن أن تتسلل إلى أزواد المحرك، ولوحات حقن الجلود، وقطع غيار متحركة في المضخات، ومقاعد صمامات ملوثة، ومع ذلك فإن غبار المريخ، وإن كان أقل قليلاً، يحتوي على مواد مصممة كيميائياً ومصممة.

انخفاض آثار الجاذبية

وقد يؤدي التوتر السطحي إلى هيمنة قوى الجذب، مما يؤدي إلى ابتلاع الغازات إلى مضخات، كما يجب على المهندسين أن يحسبوا هذه الآثار باستخدام أجهزة التراكم الإيجابية أو أنظمة الدفع المسبق للضغط، وذلك دون وجود ضغط كبير على الرأس.

اختيار المواد للمحركات الكوكبية

اختيار المواد يؤثر بشكل مباشر على قدرة المحرك على البقاء على مدارات الحرارة، وغطاء الغبار، والهجوم الكيميائي مع الحفاظ على السلامة الهيكلية، معايير الاختيار تشمل قوة عالية الحرارة، والسلوك الحراري، ومقاومة تكاثر الهيدروجين، والتوافق مع الوقود الدفعي.

السبيكات والسوبرالويات ذات الطبيعة العالية

Asel-based superalloys such as Inconel 718 are commonly used for combustor liners, nozzles, and turbine blades due to their ability to retain strength above 700°C. For even higher temperatures, molybdenum alloys or rhenium coatings can be applied, though these are more difficult to fabricate and join. Recent interest in ceramic specosites

التكتل الواقي والعلاج السطحي

وتخدم التكرارات أغراضا متعددة: تطفو الحاجز الحراري (مثلا، الزركونيا المستقرة) تقلل من نقل الحرارة إلى أجزاء معدنية؛ وتزيد الطلاءات التي تقاوم الارتطام (مثلا، كربيد التنغستن أو الكربون الشبيه بالألماس) من تآكل الغبار؛ وتزيد مقاومة التلويث (مثلا، ارتفاع درجة الحرارة في التراب).

البحارة والجزر

فالسياب غالبا ما يكون أضعف حلقة في بيئة مسببة للبهجة أو الغبار، وقد تصبح القبور التقليدي الذي يتكون من ذرات الفلوروكربون متذبذبة عند درجات حرارة منخفضة، وبالنسبة للمحركات القمرية والمريخية، والأختام المعدنية، وختم البوليمر الذي يُفتح في الربيع، أو المركبات ذات التواريخ المنخفضة، فإن الختم الدينامية التي تُعرض على الصمامات تستلزم صمامات.

Propellant Selection

إن اختيار الدافع يؤثر على تعقيد المحرك، وعلى دوافع محددة، وعلى القدرة على التخزين، وعلى القدرة على إنتاج الوقود في الموقع، وبالنسبة لركاز الكوكب، هناك دفعة قوية نحو استخدام الموارد المتاحة محليا للحد من الكتلة التي تُطلق من الأرض.

الميثان وأوكسجين

(أ) الأكسجين السائل والميثان السائل (LCH4) هما التركيبة الرئيسية لمحركات المريخ النجمية بسبب ارتفاع ضغطها (نحو 370 ثانية في الفراغ)، والتنظيف النسبي، وإمكانية إنتاج كل من المريخ عن طريق رد فعل ساباتي، أما الميثان فيحتفظ بنقطة غلي أعلى من الهيدروجين، مما يجعل من السهل تخزينها على سطح المريخ، رغم أنها لا تزال بحاجة إلى التركبة.

Storable Propellants

أما بالنسبة لبعثات الطول القصير أو التي تكون فيها المناولة غير عملية، فإن المناولة الفائقة التخزين مثل محركات التحلل الأحادي الإثيلين (MH) التي تستخدم كطاقم النيتروجين (NTO) تستخدم، حيث أن هذه المناديل على اتصال، وتقضي على الحاجة إلى نظام للحرق، ويمكن تخزينها لسنوات في صهاريج مختومة.

استخدام الموارد في الموقع

إن الاتحاد الدولي لتنظيم الأسرة هو مغير للألعاب في العمليات الكواكبية، ولا سيما في المريخ، إذ إن إنتاج الوقود من الغلاف الجوي أو إعادة الترسيب يؤدي إلى خفض كبير في الكتلة التي تُطلق من الأرض، وعلى سبيل المثال، فإن إنتاجية إنتاج الغاز المحتوي على إنتاج المريخ أوكسجين من ثاني أكسيد الكربون قد يدل على إنتاج الأوكسجين من ثاني أكسيد الكربون.

دورة المهندسين والعمارة

وتحدد دورة المحرك كيفية تسليم الوقود إلى غرفة الاحتراق وتؤثر على الكتلة الكلية للنظام والتعقيد والموثوقية.

Pressure-Fed vs. Pump-Fed Systems

وكثيرا ما تستخدم المحركات الأصغر دورات الضغط التي يُجبر فيها الوقود على الصهاريج بواسطة الهيليوم العالي الضغط أو النيتروجين، وهذا أبسط، مع انخفاض عدد قطع الغيار، ولكن الكتلة الدبابية تنمو بسرعة مع الضغط والحجم، وبالنسبة للمحركات الرطبة التي تتطلب دفعا متوسطا (مثل 1050 كيلونيوتن)، يمكن أن تكون نظم الضغط جذابة لأنها تتجنب تطوير التركيب العالي، وتتحمل ضغطا كبيرا.

مركبة اكسبندر

ويستخدم الطور الموسّع حرارة النفايات من غرفة الاحتراق أو المصباح لتبخير الوقود (الهدروجين أو الميثان) الذي يحرك بعد ذلك توربينا قبل أن يُحقن في الغرفة، ويوفر البساطة والموثوقية العالية لأنه لا يلزم وجود حرارة مسبقة، غير أن كمية الحرارة المتاحة تحد من ضغط الغرفة ومستوى الدفع.

تشكيلة ثابتة

وفي دورة حرق مرحل، ينتج عن الحرق المسبق الذي يثرى الوقود أو الأوكسيديزر غاز ساخن يدفع التركيب؛ ثم يُحقن العادم في غرفة الاحتراق الرئيسية، ويحقق ذلك ضغوطا كبيرة جدا على الغرف (أي 200 بار) وضخامة عالية، كما أن المحركات البوليفية RD-180 ورابتور الفضاء (SBX) هي أمثلة على ذلك.

متطلبات الصخور والثورة

وكثيرا ما تحتاج المحركات الكواكبية إلى العمل عبر نطاق واسع من الرماد، وأثناء الهبوط (إذا استخدم المحرك أيضاً للنسب)، يلزم أن يكون هناك تعثر عميق في اتجاهه، وفي أثناء فترة الحكم، يلزم دفع كامل للحد من الخسائر في الجاذبية بكفاءة، ولكن قد يلزم إعادة الضرب من أجل التعجيل بالحد من الطاقم أو الحمولة.

القشرة المتغيرة و الثورتل العميق

تصميم محرك يمكن أن يهبط إلى 10% أو أقل من أقصى دفعة له هو عقبة تقنية كبيرة تصميم الحقن يجب أن يبقي على حرق ثابت بمعدلات تدفق منخفضة، وضغط تغذية الوقود يجب أن يتحكم فيه لمنع الانحراف في المضخات.

نسبة من الصدأ إلى الوزن

وعلى القمر، فإن نسبة الدافع إلى الوزن (T/W) هي نسبة نموذجية للزئبق، مما يوفر سرعة جيدة دون تعريض الطاقم إلى قوى زراعية مفرطة، ومن المستصوب على المريخ أن تكون T/W حوالي 3-5، وهذا يعني أن المحركات وزنا خفيفا بالنسبة لحجم المركبات، وقد يكون للمحرك نفسه مستوى / / / / / / / / / / / 100 (أي أن صناعة الطبعها على النحو الأمثل هو 1-2 في المائة من محركات الدفع).

الإدارة الحرارية

وإدارة الحرارة الشديدة للاحتراق )التجاوز ٠٠٠ ٣ درجة مئوية في بعض المناطق( أمر حيوي، وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن ينجو المحرك من الصقر البارد في ليلة كوكبية دون تشكيل ثلج داخلي أو كتلة.

التبريد المتجدد

وتستخدم معظم المحركات ذات الأداء العالي التبريد التجدد: تدفقات الوقود عبر القنوات المطحنة في غرفة الاحتراق وسور النوز، مما يمتص الحرارة قبل الحقن، وهذا يُعيق المروح (تحسن كفاءة الاحتراق) ويبقي درجة حرارة الجدار ضمن الحدود المادية، كما أن تصميم قنوات التبريد هذه أمر حاسم، ويجب أن يتجنب البقع الساخنة ويوفر توزيعا موحدا للتدفقات.

ملء وترجمة

وبالنسبة للمناطق التي ترتفع فيها الحرارة إلى حد بعيد، مثل منطقة الحلق، فإن تهدئة الأفلام تحقن طبقة رقيقة من الغازات الدافعة أو الغازات العقيمة على طول الجدار لتوفير حاجز حراري، وتبريد الفول، يستخدم أشجاراً غير متجانسة تُجبر من خلالها على التبريد، وكلتا الأساليب تستهلك مروحاً إضافياً، وتخفض الكفاءة، وبالتالي تستخدم في محرك مبردات للأفلامذات.

Insulation and Thermal Heaters

ولمنع التعبئة البكتيرية من الغسيل أثناء العمليات السطحية، فإن عزل الصهاريج أمر أساسي، كما أن بطانات العزل المتعدد الطوابق، والرغاوى، والدروع المصممة بخار، بالإضافة إلى ذلك، قد يلزم توفير أجهزة التسخين وأجهزة التداول لإبقاء خطوط الوقود الصمامات فوق نقطة التجميد، كما تشمل الإدارة الحرارية إبقاء المحركات نفسها دافئة عند عدم استخدامها، باستخدام المواد الكهربائية.

الإشعال والاعتماد

المحرك الذي لا يمكن أن يعاد تشغيله هو وزن ميت على السطح، ويجب أن تشتعل المحركات الكواكبية البعلية بشكل موثوق بعد مد المهارة، وربما في فراغ أو أجواء رقيقة.

نظم الإشعال الموثوقة

أما بالنسبة للمدافعين غير الهيبرغوليكيين، فيمكن تحقيق الإشعال باستخدام مقابس شرارة أو مشعلات أو رسوم متحركة، وفي المريخ، يزيد الجو الرقيق من صعوبة الإشعال؛ وتحتاج أجهزة الإشعال إلى زيادة الفولط لكسر الغاز، وكثيرا ما تكون أجهزة التخثر التي تحرق كمية صغيرة من الوقود في حساب ما قبل التشريح أكثر موثوقية.

Multiple Restarts and Long Dormancy

وقد لا يُطلق سوى محرك رطب مرة واحدة (مثلاً من السطح إلى المدار)، ولكن محرك النسب قد يحتاج إلى حروق متعددة من أجل الهبوط، ثم لا يُعاد إطلاقه، غير أن البنايات المستقبلية التي تستخدم نفس المحرك للهبوط والزئبق ستتطلب إعادة تشغيل متعددة مع القليل من الصيانة بين الحروق، وهذا يتطلب صمامات قوية وختماتم وتحقق من الصمامات التي لا تتسرب أثناء الشغل.

الاختبار والتقييم

ولا يمكن لأي قدر من المحاكاة أن يكرر تماما البيئة الحرارية والفراغ والغبارية المخفضة الجاذبية، والاختبار هو حجر الزاوية في تطوير المحرك للبعثات الكوكبية.

اختبارات الوجبات الخفيفة الباردة

ويجب إجراء اختبارات للمهندسين في غرف الفراغ التي تحاكي البيئة القريبة من الفضاء، وينطوي اختبار الصقر الباردة على التبريد الكامل لجمعية المحرك في درجات الحرارة المسببة للبرد، ثم إطلاقه، وكثيرا ما يكون التدرج الحراري خلال فترة التحول إلى الغلاف الجوي أكثر النظم صعوبة، وبالإضافة إلى ذلك، يلزم استخدام الصويا الباردة الطويلة الأجل (الأسبوع) لتقييم اختلال المواد وسلوك الأختام.

اختبار الابتلاع

ولوصف مكونات المحرك من الغبار، تستخدم مرافق الاختبار إعادة استخدام المنشط (مثلاً، نظام الأفضليات والقابلية للتشحيم، ورقم MMS-2 للمريخ) وتُدخل الدوقة في تدفقات الهواء أو تُحقن مباشرة في مسارات الاقتحام، وتختبر الأنابيب المتحركة والوصلات الصمامية لضمان عدم تسبب التكديس أو التسرب، وهذه الاختبارات حاسمة بالنسبة للبعثات السطحية الطويلة الأمد.

خاتمة

إن تصميم محركات العمليات السطحية الكواكبية والزئية هو جهد متعدد التخصصات يدفع حدود علوم المواد، وهندسة الدفع، وموثوقية النظم، فالأرجحة الحرارية القصوى، والغبار الخفيف، وتستلزم حلولاً قوية وفعالة على حد سواء، وسواء استخدم المحركات المسببة للثديين - أكسيد المبردة للمخروطين أو المحركات الفوقة السمعة للقمر، يجب أن يصمم هذا المحرك لتضاف إليه.