الابتكارات في أجهزة التربوم ذات الضغط العالي لزيادة قوة الدفع دون المساس بالسلامة

إن الاضطرابات العالية الضغط هي القلب النابض لمحركات الصواريخ السائلة المسؤولة عن تسليم الوقود في ضغوط هائلة إلى غرفة الاحتراق، وبدون هذه الآلات العنكبوتية، سيكون الدافع اللازم للهروب من جاذبية الأرض مستحيلا، والتحدي الذي يواجهه المهندسون هو دفع ضغط الضخ إلى أعلى لتوليد المزيد من الزخم، مع ضمان بقاء النظام في الوقت نفسه آمنا من الفشل الكارثي، مما يجعل الابتكارات الحديثة في المواد،

الدور الحاسم للمضخات في محركات الروك الحديثة

وفي أي محرك للصواريخ السائلة، يجب إجبار الدافع على الدخول إلى غرفة الاحتراق في ضغط أعلى بكثير من ضغط الغرفة نفسها، وبالنسبة للمحركات ذات الصدأ العالية، كثيرا ما تتجاوز ضغوط الغرف 100 بار، مما يتطلب مضخات توربوبية يمكن أن توفر الوقود والأوكسيدي في ضغط يتجاوز 300 بار.

فالاعتماد غير قابل للتفاوض، فالفشل الصارخ الوحيد في الاضطرابات يمكن أن يؤدي إلى فقدان فوري لتوجه المحرك، وفي بعثة مكتظة، إلى فقدان الحياة، وتكون المخاطر أعلى خلال الإطلاق، عندما تكون المركبة في أقصى درجة من الضغط الدينامي، وتكون الهوامش ضئيلة، ولذلك يجب التحقق من كل ابتكار يهدف إلى زيادة الزخم ضد معايير السلامة الصارمة، وتفصيل الفروع التالية للمجالات الرئيسية التي ترتفع فيها المخاطر الهندسية الأخيرة دون أداء أعلى.

التقدم في علوم المواد

ولعل أكثر الطرق مباشرة لزيادة الضغط على تشغيل الاضطرابات هو استخدام مواد أقوى يمكن أن تتحمل ضغوطا ودرجات حرارة أعلى، وقد اعتمدت الاضطرابات التقليدية على السبيكات الخارقة القائمة على النيكل مثل إنكونيل، ولكن المحركات الجيل القادم تتحول إلى مركبات متقدمة ومساحات مائية خارقة من المسحوق.

Superalloy Evolution

وتُقدم الميثالورجات المتطورة، مثل رينيه 104 و ME3، قوتا غلة تتجاوز 1500 إم بي أي عند درجات حرارة تزيد على 700 درجة مئوية، وتُنتج هذه المواد عن طريق الإيسستيك الساخن، وتستخدم في أقراص التوربين والزجاجات، وتسمح زيادة سرعة التناوب والترجمة المباشرة إلى زيادة الضغط على الطور - 2.

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

إن مركبات المصفوفة المتحركة بدأت تظهر كبديل للوزن الخفيف لمكونات القطع الساخنة، وكربيد السيليكون المقوى بالألياف، ومركبات السيليكون يمكن أن تعمل بدرجات حرارة تصل إلى 1400 درجة مئوية، وخارج حدود السواحل الخارقة، وباستبدال نصلات التربين الفلزية بمركبات سي إم سي إم سي إم، وضغط الطول في درجة الحرارة

التكليف والعلاج السطحي

كما أن المعاطف الحرارية التي تُغطي الحاجز (TBCs) والملابس المقاومة للارتداء تؤدي إلى توسيع نطاق الحياة المكوِّنة، كما أن الزركونيا التي تُثبت برأسها (Yttria) التي تُطبق عن طريق الترسب الفيزيائي للكهرباء، توفر العزل الحراري، مما يتيح ارتفاع درجات الحرارة في الغاز، وتخفض المعاطف المسببة للضخات الاحتكاكة وتحسن كفاءة التآكل في الإنتاج.

تقنيات التبريد المعززة

وقد تم التحكم في الحرارة الشديدة التي تولدت في مضخة من التربتين ومن الاحتكاك في مضخة المضخات، وذلك لمنع فقدان المواد للقوام، وكانت أساليب التبريد المتقدمة عاملاً رئيسياً في زيادة قوة الدفع.

التبريد المتجدد

والتبريد المتجدد هو أسلوب راسخ حيث يتم توجيه جزء من الوقود عبر قنوات في مقطورة المضخ قبل أن يُحقن في غرفة الاحتراق، ويتيح هذا التقلبات الحديثة للسائل الحاسوبي للمهندسين أن يُحدّدوا إلى أقصى حد ممكن من حرارة القناة، ويُبقي حجم الحرارة القصوى للضغط على المحركات المبردة مثل الهيدروجين السائل أو الميثان نفسه.

حرق الأفلام

وبالنسبة لفرع التربين، فإن التبريد في الأفلام يضخ طبقة رقيقة من الغاز المبرد على طول سطح الماء، مما يقلل من التدفق الحر، وتستخدم الابتكارات الحديثة فتحات مبردة ذات موقع مصممة بـ CFD و 3D-طباعة لتحقيق تغطية موحدة، مما يسمح للتربين بالعمل في درجات حرارة الغاز تتراوح بين 200 و300 درجة مئوية أعلى مما يمكن أن يتحمله معدن القاعدة، مما يزيد من الطاقة المستخرجة من نفس كمية الغاز الساخن.

الترميز الداخلي

ويجري حالياً توجيه بحث جديد في ممرات التبريد الداخلي داخل مدافع الضخ، حيث يتم تعميم تدفق صغير من الوقود عبر القنوات الداخلية داخل نصلات الرافعة، ويقل خطر الانحراف عن طريق الفشل الرئيسي، ويحدث الإجلاء عندما ينخفض الضغط المحلي تحت ضغط البخار، مما يتسبب في انهيار فقاعة يهتز المعادن، ويخفف من سرعة السائل محلياً، ويسمح للمضخة بالعمل في ظروف أعلى.

تصميم مضخات مبتكرة وهيدرات

وأدت التحسينات في التصميم الهيدروليكي للمضخات إلى مكاسب كبيرة في ناتج الضغط مع الحد من اليقظة والارتباك.

المصانع المتعددة المراحل

ويستخدم الكثير من المضخات ذات الضغط العالي حالياً مرحلتين أو أكثر من مراحل الازدحام في السلسلة، وتضيف كل مرحلة زيادة في الضغط، وبمواءمة هذه المراحل بعناية، يمكن للمهندسين أن يُحققوا ضغوطاً كاملة في تصريف المياه تتجاوز 500 بار، وقد استخدم محرك RD-170 مضخة من أربع مراحل لأوكسيديه، مما أدى إلى ضغط ناتج قدره 600 بار.

Optimized Blade Geometries

وتستخدم أدوات التفسير المحوسب، بما في ذلك الخوارزميات الجينية والأساليب المترافقة، لتصميم الرافعات والحث على الحد الأدنى من الخسائر في الاعادة الصنع، وتخفض البقايا الرجعية مخاطر الارتفاع، بينما تتحكم ثلاثية الأبعاد في التدفقات الثانوية، وتنتج عن ذلك تحسينات في كفاءة الضخ بنسبة ٢-٤ في المائة، التي قد تبدو صغيرة ولكنها تترجم مباشرة إلى ارتفاع في وزن الضخ ذاته.

Inducer Design for High Suction Performance

المحفز هو أول عنصر تناوبي يلتقي به الدافع، دوره الرئيسي هو رفع الضغط السوائل بدرجة كافية لمنع الانحراف في المدفع الرئيسي، وتشمل الابتكارات الأخيرة المحفزات السائلة ذات الصلصة المتغيرة والمقسمة التي تسمح بالعملية المستقرة بسرعة التناوب تتجاوز 20 ألف متر، وهذا أمر حاسم بالنسبة للمحركات المعززة التي يجب أن تعمل في ضغط متدني في المحركات أثناء الرفع المبكر.

التلقائية، أجهزة الاستشعار، رصد الوقت الحقيقي

ولا تشكل المضخات الحديثة عناصر آلية معزولة؛ فهي مدمجة في نظم رقابة ذكية ترصد وتضبط العمليات في الوقت الحقيقي.

شبكة الاستشعار المدمجة

الاضطرابات المتقدمة تتضمن الآن عشرات من أجهزة الاستشعار بما في ذلك أجهزة التكتل العالية التردد وقياسات الإجهاد وأجهزة الترموز وأجهزة التحكم عن قرب، وهذه توفر بيانات مستمرة عن مستويات الإهتزازات، وتحمل الصحة، وتركيب البقايا الصدرية، وقطع الخفقان،

نظم الرقابة التصحيحية

ويمكن أن تعدل نظم المراقبة النشطة بارامترات المحرك استنادا إلى التغذية المرتدة من التركيب، وإذا اكتشف ارتفاع مفاجئ في درجة الحرارة، يمكن للمراقب أن يقلل من الثورات، أو يغير نسبة المخلوط، أو يغير موقع صمامات التربينات من أجل إبعاد الضخ عن مسار حرج، مما يتيح للمحركات العمل بمستويات دفع أعلى متوسطا لأن هامش الأمان يمكن أن يخفض عندما يكون النظام سليما، ويزداد ديناميا إذا ظهرت مشاكل.

التوائم الرقمية والصيانة الافتراضية

و بشكل متزايد يصنع صناعات الاضطرابات نماذج رقمية توأمة تحاكي سلوك المكوّن في الوقت الحقيقي، بمقارنة بيانات الاستشعار بالتوائم، يمكن للبرمجيات التنبؤ ببقايا الحياة المفيدة و الصيانة قبل حدوث الفشل، وقد تم توجيه هذا النهج بواسطة جي بالنسبة لمحركات الطائرات، ويجري الآن نقله إلى جهاز الصواريخ، خاصة بالنسبة للنظم القابلة للإستعمال مثل تلك الموجودة في الفضاء وشركة الـ(بلو أوريغين).

Manufacturing Innovations: Additive and Hybrid Methods

القدرة على نسيج الجيولوجيا المعقدة التي كان من المستحيل سابقاً كانت مُغيرة لعب لأداء الاضطرابات

الصناعة المضافة (3D Printing)

إنّ صمامات مسحوق اللازر وحزمة الشعاع الكهربائي تسمح بإنتاج مضخات مضخة أحادية بقرعات التبريد الداخلية، والمرورات الممغنطة، والهياكل المبطنة للضوء، وجهاز التربوب الضوئي الذي تعمل به محرك RL10 يستخدم الآن محفزاً مضافاً يقلّل من القطع، وبالنسبة لمحرك الرافتورم،

التكاثر والتجميع الهجينين

وبالنسبة للعناصر التي لا يمكن طباعتها كقطعة واحدة (بسبب القيود على الحجم أو المواد)، فإن تقنيات الانضمام الجديدة مثل اللحام في العروق وحام الليزر في الوقت الحقيقي تكفل وجود سندات خالية من العيوب، وهذه الأساليب حاسمة لإرفاق الأقراص التوربية بالثبات وإغلاق واجهات عالية الضغط، وقد أدمجت الآن الاختبارات البلازمية في عملية الرمل للتحقق من النزاهة على الفور.

بروتوكولات الأمان وأرباب الاختبار

ويجب أن تمر جميع الابتكارات عبر مقياس اختبار التحقق قبل أن تعتبر جديرة بالطيران، وقد نضجت فلسفة الأمان بالنسبة للمضخات الاضطرابات لكي تشمل النهج المحددة والمحتملة على السواء.

اختبارات أرضية

ويخضع المهندسون للاضطرابات إلى ظروف تتجاوز العمليات العادية: اختبارات مفرطة في السرعة تصل إلى 120% من الارتفاع المُعدّل، ودورات الصدمات الحرارية، والسيناريوهات الجارية، وتوفر البيانات المستمدة من هذه الاختبارات الثقة في هوامش الفشل، وقد استخدمت مجموعة الاختبارات الخاصة بمركز ستينيس للفضاء A-1 على مدى عقود لدفع الاضطرابات إلى حدودها.

Fracture Mechanics and Life Prediction

تحليل السلامة الحديث يستخدم ميكانيكيين للكسرات لحساب حجم الكراك المسموح به وفترات التفتيش، بافتراض عيب أولي لحجم معين (على أساس القدرة التصنيعية)، يمكن للمهندسين إثبات أن التركيب يمكن أن ينجو من رحلات متعددة حتى لو ظهر كراك، هذا ضروري لمحركات قابلة لإعادة الاستخدام مثل شهادة إعادة استخدام ما بعد الـ 25 من طراز RS-25،

التغاضي عن النفس وعدم التسامح

وتشتمل بعض تصميمات الاضطرابات على سمات زائدة مثل الصفوف ذات العجلات المزدوجة، ودوائر التبريد المستقلة لكل من الملامح، ومراحل الفقمة المستقلة، وتستخدم الاضطرابات التي تمزقها الـ RD-180 تصميماً فريداً من تصميمات الختم العائمة التي تحافظ على الختم حتى مع سوء الطلاء، أما بالنسبة للمحركات الصدمة العالية، فإن ملحقات المسدودة الترابية لا تزال مصممة.

التكامل مع دورات الهندسة

ولا يمكن النظر في الاضطرابات بمعزل عن بعضها البعض؛ ويجب أن يضاهي أداءها دورة المحرك، وقد مكّنت الابتكارات الأخيرة في دورات الاحتراق التدريجي والتوسع من زيادة الضغوط العامة على النظام مع الحفاظ على السلامة.

تطور دورة التعبئة المستقرة

وفي محرك حرق مرحل، يولد ما قبل الشحن غازاً ساخناً لحمل التربين، ثم يُحقن الغاز في الحجرة الرئيسية، وتشغل المحركات الحديثة مثل الرابتر بثقوب عالية من الوقود للحفاظ على درجات الحرارة الاضطرابات، ومن خلال التحكم الدقيق في خليط ما قبل الحرق واستخدام المطاط المشبع بالأكسجين (كما هو الحال في الضغط على المضخة RD-170).

Expander Cycle Turbopumps

(أ) استخدام محركات دورة التفريغ، مثل RL10 و BE-7، الحرارة التي تم امتصاصها من المصباح لتوسيع الوقود قبل أن تدفع التربين، والتحسينات الأخيرة في قنوات التبريد التجدد لا تتيح سوى ارتفاع التدفّق الحراري، مما يزيد الضغط على التوربين، وبالتالي إنتاج المضخات، وهذه الدورة آمنة بطبيعتها لأنها تفتقر إلى ممر مسبق ولديها مكونات أقل.

التوقعات المستقبلية

العقد القادم سيجلب ابتكارات الاضطرابات التي تزيد من دفع حدود القوة الكهربائية والسلامة، البحث في المضخات الكهربائية الميكانيكية الهجينة يمكن أن يزيل التربين من المضخة، مما يسمح لكل منها بالعمل بأقصى سرعة، تطوير ناسا لمحركات كهربائية عالية الطاقة لكثافة للمحركات ذات الصدأ المنخفض (مثلاً لحاملي الأراضي) قد يضخ في نهاية المطاف إلى نظم أكبر.

Another promising avenue is the use of cryogenic hydrogen as a coolant for magnetic bearings, eliminating the risk of oil contamination. Magnetic bearings already allow operation at much higher speeds than mechanical bearings by eliminating friction and the need for lubrication. Blue Origin has filed patents for magnetically levitated turbopumps that could run at over 100,000 rpm.

وأخيرا، يتطلب دفع مركبات الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام بالكامل اضطرابات يمكن أن تنجو من عشرات الرحلات الجوية أو حتى مئات الرحلات بدون صيانة، وهذا يتطلب مواصلة الاستثمار في المواد القوية، والمعاطف المتقدمة، ورصد الصحة التنبؤية، وترسي الابتكارات المبينة هنا الأساس للمحركات الأكثر قوة وأكثر أمانا من أي وقت مضى، مما يمكّن البشرية من الوصول إلى الفضاء بشكل أكثر تواترا وصدقا.