Table of Contents

The Evolution of Thermal Protection Systems Testing

وتشكل دروع الحرارة أو نظم الحماية الحرارية أحد أهم التحديات الهندسية في مجال التحليق الفضائي، وبدون جهاز تنفسي وظيفي، يمكن أن تستخدم مركبة فضائية تخترق الأرض المبردة؛ وتشغل الغلاف الجوي في المدارات المسطحة، ولا تعمل على الإطلاق على تجديد محركات الرياح؛ وتزيد الحرارة 7.8 كيلومتراً لكل نذير ثانوي متعدد الطوابع؛ ويمكن تدنيسها في غضون ثوان درجات حرارة تتجاوز 600 1 رطوبة.

والمشكلة الأساسية هي أن الاختبارات الأرضية هي في جوهرها تبسيطات، إذ يمكن أن يضاهي الجينات درجة الحرارة والضغط عند نقطة الركود، ولكن لا يمكن أن يعاد إنتاج كامل الطيف من التدفق الاضطراباتي، والإشعاع الذي يصيب الصدم، والتحلل السطحي، والاستجابة المادية التراكمية التي تحدث في وقت واحد أثناء إعادة الدخول الحقيقية.

وقد غير التحول نحو جمع البيانات في العالم الحقيقي هذا النموذج، وعلى مدى العقدين الماضيين، قامت وكالات الفضاء والشركات الخاصة بصنع مركبات إعادة الدخول إلى العالم مع مجموعة من أجهزة الاستشعار التي تلتقط درجة الحرارة والضغط وتدفق الحرارة والإجهاد وعمق التراكم في الوقت الحقيقي، وهذه البيانات، التي تنقل عن طريق القياس عن بعد أو تخزن في الذاكرة على متنها لتحليلات ما بعد الطيران، توفر الحقيقة الأساسية التي لا يمكن أن تضاهي نماذج قياس المختبرات.

بنية أساسية لجمع البيانات في العالم الحقيقي

ولا يُستَعَدَّ استخدام مركبة فضائية في بيانات العودة إلى الغلاف الجوي، بل يجب أن ينجو أجهزة الاستشعار من الحمولات الحرارية والميكانيكية القصوى مع الحفاظ على الدقة والموثوقية، وتشمل أجهزة الضبط الآلي الحديثة عادة أجهزة التفريغ الحراري المدمجة في أعماق متعددة داخل مواد الدرع الحراري، وقياسات التدفق الحراري، ومنتجات الضغط، وقياسات الإجهاد.

وضع الاستشعار وصلاحيتها

ويقود الحساسية الخصائص المتوقّعة للتدرج الحراري والميول التدفقية، إذ توزع أجهزة الاستشعار عبر نقطة الركود، ومنطقة الكتف، وجانب الجير لاستخلاص التغيّر المكاني الكامل للتدفئة، ويجب توجيه كل جهاز استشعار عبر جهاز تحديد المواقع مع إيلاء اهتمام دقيق للاختصار الحراري والسلامة الهيكلية، وتوضع خيوط أجهزة الاستشعار والإلكترونيات الاحتيازية في مجمّد مبرد أو محمية.

والاستمرارية هي مصدر قلق كبير، إذ قد تتوقف بعض أجهزة الاستشعار عن العمل مع تآكل الدروع الحرارية أو مع تجاوز درجات الحرارة حدود عملها، وبالتالي فإن عينة نظم اقتناء البيانات الحديثة بمعدلات عالية في وقت مبكر من إعادة الدخول وتخزين البيانات في الذاكرة غير المتحركة، وحتى إذا فشل جهاز الاستشعار في التحليق في منتصف الرحلة، فإن البيانات المأخوذة حتى تلك النقطة يمكن أن تكون قيمة.

التلفزيون ومعالجة البيانات

وتُنقل بيانات العودة إلى المحطات الأرضية عبر وصلات قياس عن بعد بواسطة النطاق الترددي S أو مجموعة كو، وغالبا ما تكون هذه البيانات منخفضة بسبب انقطاع البلازما، ويمكن لفرع البلازما الذي يتكون من المركبات أثناء العودة أن يحجب إشارات الراديو لعشرات ثواني، ويخلق فجوة حرجة في البيانات المتأخرة في الوقت الحقيقي، ويستخدم المهندسون نماذج التنبؤات في برامج التصادم عن طريق فترات انقطاع الكهرباء، ويعتمدون على بيانات مخزنة بعد الولادة.

كما أن مناولة البيانات تنطوي على تجهيزات هامة بعد التجهيز، ويجب تصحيح قراءات أجهزة الاستشعار عن طريق الراو للرق الحراري، والانجراف المستشعر، والخسائر الإشعاعية، وتجميع المهندسين أنواع الاستشعار المتعددة للتحقق من الاتساق وتحديد الشذوذ، ثم تُحفظ البيانات المصدق عليها الناتجة في قواعد البيانات التي يمكن الوصول إليها أمام علماء المواد، وعارضيها، ومصممي المركبات لسنوات بعد البعثة.

الملاعب والبرامج الرئيسية التي تجري اختبارات في مجال الصحة الإنجابية

وقد أدت عدة برامج فضائية رئيسية إلى استخدام البيانات في مجال الطيران لتحسين أداء الدروع الحرارية، وكل منها يجلب استراتيجيات فريدة في مجال الأجهزة ونظم المواد إلى الجدول.

التنين والتننين الفضائيين

وقد كان الفضاء (الحيز) في مقدمة بيانات الطيران المخففة لتحسين نظام تحديد المواقع، وتستخدم مركبة التنين درعا حراريا من طراز PICA-X، وهو نسخة متطورة من الحاجز النووي (NAS barrierrsquo)، وأجهزة مركّبة للكربون المضلل، وتم تجهيز بعثات التنين المبكر بأجهزة حرق ومجس ضغط كشفت عن أنماط غير متوقعة من البيانات المتعلقة بالمركبات.

وبالنسبة إلى التنين الغريقي (الدرع 2)، استوعبت شركة " الفضاء " أكثر من 200 جهاز استشعار في الدرع الحراري، بما في ذلك أجهزة استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية التي توفر ملامح حرارية مستمرة عبر السطح، وأظهر تحليل البيانات المستمدة من بعثتي ديمو-2 والكروو-1 أن هوامش الدروع الحرارية كانت أعلى من المتوقع، مما أتاح للشركة أن تقلل من نماذج الطيران.

(ج) شركة الفضاء (Falcon 9) ونظام التنين (GirceX) (Tradquo) (S) وهي تضيف نقاط بيانات جديدة تحسن الثقة الإحصائية في تصميم نظام TPS، وقد نشرت الشركة بعض نتائجها بالتعاون مع وكالة ناسا، ولكن الكثير من البيانات التفصيلية عن تصميم أجهزة الاستشعار لا تزال مجهزة.

NASA Orion and Artemis

(ب) استخدام المستودعات الفضائية للمركبات الفضائية " أوريون " الدرع الحراري، وهو مادة قديمة وضعت أصلاً لبرنامج أبولو ولكنها أحدثت بشكل كبير في القرن الحادي والعشرين، وكشفت شركة أوريون تي إس عن واحدة من أكثر الدروع الحرارية التي تتدفق في أي وقت مضى، أما بالنسبة لاستطلاعات الطيران الاستكشافي - 1 في عام 2014، فقد حمل الدرع الحرفي 86 جهازاً من أجهزة الاستنشاق، بما في ذلك محركات الارتفاع - 1

وبالنسبة لآرتيميس الأول، فإن رحلة الاختبار غير المكشوفة التي أطلقت في عام 2022، تحمل الدرع الحراري الأوريون جناحا أكثر شمولا من أجهزة الاستشعار، بما في ذلك أجهزة القياس الإشعاعية لقياس التدفق الحراري الإشعاعي من طبقة الصدمة، ولا تزال البيانات الواردة من أرتيميس الأول يجري تحليلها، ولكن النتائج المبكرة أكدت أهمية زيادة التدفئة المضطربة في الجانب الأمامي من نماذج مصفاة آرتي.

كما استثمر برنامج الاوريون بشكل كبير في تقييم الدرع الحراري بعد التمزق بعد الرحلة الجوية، كما أن المسح 3D، ورسم الخرائط، وأخذ العينات الأساسية، توفر خرائط مفصلة للركود المادي، وعمق الفحم، والأنماط المهبلة، وهذه القياسات المادية ترتبط ببيانات الاستشعار في الطوابق لخلق صورة كاملة عن أداء جهاز تحديد المواقع.

Boeing CST-100 Starliner

وتستخدم مركبة ستارلينر الفضائية درعا حرفاً متراكماً للوزن الخفيف يسمى BLA-1، طورته بوينغ وناسا، وخلال اختبار الطيران المداري الثاني (OFT-2) في عام 2022، كان لدى شركة ستارلينر صفيفة استشعار واسعة النطاق، بما في ذلك مراسم الترميز، وقياسات التدفق الحراري، ومطياف للراديو.

(ب) برنامج " ستارلينر " للتصنيع، وهو برنامج جدير بالملاحظة لتركيزه على جودة التصنيع: يتم تركيب كل جهاز استشعار بضبط دقيق للعمليات، ونظام اقتناء البيانات غير مقصود ثلاثياً لضمان عدم فقدان أي بيانات، كما نفذت الشركة توأم رقمي من جهاز تحديد المواقع يجري تحديثه باستمرار مع بيانات الطيران، مما يسمح للمهندسين بفحص الدخول في المستقبل بمزيد من الدقة.

ESAERSquo;s Intermediate Experimental Vehicle

وقد أجرت وكالة الفضاء الأوروبية سلسلة من التجارب الفرعية والمدارية لإعادة الدخول إلى الغلاف الجوي لجمع بيانات الطيران، وقد طارت المركبة التجريبية المتوسطة (IXV) في عام 2015، حاملة درع حراري مركب مكوّن بمصفوفة سيرامية ومجسات حرائق وضغوط مثبتة، وساعدت البيانات الـ (IXV) وكالة الفضاء الأوروبية على التحقق من رموزها الخاصة بالتفاعل بين الظواهر الاصطناعية والصدمة.

وفي الآونة الأخيرة، يقوم برنامج " إيسا " للصيد الفضائي بتطوير مركبة مدارية قابلة لإعادة استخدامها مع جهاز محمول بدرجة عالية من أجهزة تحديد المواقع، ومن المتوقع أن تبلغ البيانات التي تجمع من جهاز " سرايدر " الفضائي بتصميم " أوروبرزكو " ؛ والجيل القادم من المركبات الفضائية المزودة بطاقم، وعينات المريخ " بعثات العودة " .

المواد الابتكارية التي تقودها بيانات الطيران

والهدف النهائي لجمع البيانات في العالم الحقيقي هو تحسين مواد وتصميمات الدروع الحرارية، وقد دفعت بيانات الطيران إلى عدة ابتكارات ملحوظة في تكوين المواد، وعمليات التصنيع، والتمكين الأمثل.

PICA and PICA-X Evolution

70- أما المواد الأصلية في مجال تكنولوجيا الفضاء، التي استحدثت في مركز بحوث ألعاب ناسا، فهي عبارة عن مفاصل من ألياف الكربون مزروعة بالراتنجات الهوائية، وهي توفر كثافة منخفضة وكفاءات حرارية عالية، مما يجعلها مناسبة للتدخلات العالية السرعة.

وشملت التحسينات الأخرى ما يسمى بالركود؛ والتصميم الذي تُستخدم فيه الطبقات الخارجية على النحو الأمثل للتراكم والرفض الحراري الإشعاعي، بينما تركز الطبعة الداخلية على العزل والدعم الهيكلي، وأكدت بيانات الطيران أن هذا النهج المطبق يحسن هوامش الأداء دون إضافة كتلة.

تحديث AVCOAT

وقد شهدت مادة AVCOAT تطورا مماثلا، حيث تم تطويرها في الستينات من أجل أبولو، وأعيدت صياغة المادة لأوريون بمصفوفة ألياف الكثافة، وتوزيع راتنجات أكثر زيا، كما أن بيانات الطيران من معدلات الترددات الأوروبية - 1 والاختبارات الأرضية في مجمع القطب الشمالي - المتوسط قد أظهرت أن تركيبة AVCOI) أحدثت بشكل متسق.

ومن المتوقع أن يؤدي تحليل بيانات أرتيميس الأولى بعد الطيران إلى زيادة التحسينات، لا سيما في مجال متغيرات منتصف الكثافة التي يمكن استخدامها في مركبات دخول المريخ في المستقبل، حيث ستكون سرعة الدخول أعلى بكثير من سرعة العودة إلى القمر.

المحررون المجهزون لمركبات الجيل القادم

وهناك عدة أفرقة بحثية بصدد تطوير " الحبار " ؛ وأجهزة استشعار الدولة المدمجة؛ التي تدمج أجهزة الاستشعار المدمجة مباشرة في مصفوفة المواد أثناء التصنيع، ويمكن لهذه أجهزة الاستشعار أن تقيس درجة الحرارة والضغط والركود في الوقت الحقيقي دون الحاجة إلى تركيب منفصل، وقد أثبتت البيانات المتعلقة بالرحلات الجوية من مواد اختبار المركب المبثوثة التي تتدفق على صواريخ السبرق دون المدار وعلى بعثات " س " ، جدوى هذا النهج.

النماذج الحاسوبية وإدماج البيانات

وتعد بيانات الطيران ذات قيمة أكبر عندما تدمج في نماذج حاسوبية يمكن أن تنبأ بأداء جهاز تحديد المواقع في إطار مجموعة واسعة من الظروف، وتشمل عملية " الإلتحام؛ والاستيعاب المختلط؛ واستخدام البيانات المقيسة في معايير نموذجية معايرة، مثل السلوك الحراري المادي، والحرارة المحددة، وذوي الكنائس التراكمية.

CFD and Material Response Coupling

ويمكن لمذيبات التدفق الفائقة السمية الحديثة مثل جهاز ناسا للارتفاع؛ وجهاز إدارة شؤون السلامة والاختباء (استرخاء خط البيانات الموازي) ووكالة US3D أن تحاكي البيئة المعقدة للدماغ الحراري حول مركبة إعادة الدخول، وتقترن هذه الرموز بمدونات للاستجابة المادية مثل FIAT (التفاوت المفرط في السلوكيات المتراكمة والثغرات الحرارية) ووكالة CMA (التنبؤات الجوية)

فعلى سبيل المثال، أظهرت البيانات الواردة من مدخل مختبر علوم المريخ في عام 2012 أن الدرع الحراري التابع للمؤسسة قد عانى أكثر من التدفئة المتوقعة في جانب الجبير بسبب تحول غير مُصمَّم، مما أدى إلى تحسينات في نماذج الاضطراب المستخدمة في إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية، مما حسَّن بدوره تصميم درع حرارة المريخ 2020.

الكمية غير المستقرة والحد من المارجن

ومن أهم الفوائد التي تعود على بيانات العالم الحقيقي القدرة على إجراء تحليلات موازية والحد من هوامش التصميم، حيث يمكن للمهندسين أن يميزوا التوزيع الإحصائي لمعايير الأداء الرئيسية في مجال تحديد المواقع، مما يتيح لهم الانتقال من نقطة مرجعية محافظة، أو من أعلى درجة، أو من حيث الافتراضات التصميمية إلى نهج " ذي تأثير " ، أو من حيث أسوء نهج قائم على المخاطر، أو من حيث يُثبت أن الأداء.

(ج) استخدم برنامج أوريون بيانات الطيران لتقليل الهامش الجماعي من 30 في المائة على التصاميم المبكرة إلى 15 في المائة على المركبات الحالية لأرتيميس، وكل كيلوغرام يُنقذ على الدروع الحرارية يترجم مباشرة إلى زيادة في القدرة على الحمولة أو إلى انخفاض تكاليف الإطلاق.

تطبيقات التعلم في مجال تطوير نظام تحديد المواقع

وقد اجتذبت ثروة البيانات التي تولدها الدروع الحرارية المجهزة الاهتمام من مجتمع التعلم الآلي، وتقوم عدة أفرقة بحث بتطبيق تقنيات الأشعة المقطعية لتحليل بيانات الرحلات الجوية، والتنبؤ بالسلوك المادي، وتحقيق التصاميم على الوجه الأمثل.

النموذج الافتراضي للتجمع

ويمكن تدريب الشبكات العصبية على بيانات الرحلات الجوية التاريخية للتنبؤ بمعدلات التراكم ودرجات الحرارة للبعثات الجديدة، ويمكن لهذه النماذج أن تتداخل بين الظروف المقاسة والاستقراء إلى مختلف سُبل الدخول، والتكوينات الجوية، ومستودعات المركبات، وتظهر النتائج المبكرة من الظروف السائدة في المنطقة، وبين مشروع التعدين في البيانات الذي يُظهر أن نماذج الأشعة فوق البنفسجية يمكن أن تنبأ بدرجات الحرارة السطحية في حدود 5 في المائة من القيم المقيسة، وتخرج بعض النماذج.

الكشف عن الأمراض الشاذة ورصد الصحة في الوقت الحقيقي

ويمكن أيضاً أن تحدد خوارزميات التعلم الماكنة شذوذات في بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي، وأن تحذر متحكمي البعثات من الإخفاقات المحتملة في مصادر القدرة على التضاريس قبل أن تصبح كارثية، وعلى سبيل المثال، فإن ارتفاع درجة الحرارة المفاجئ في موقع محدد من أجهزة الاستشعار قد يشير إلى حدوث صدع أو تطهير في الدرع الحراري، ويمكن أن تميز نماذج التصنيف التي يتم تدريبها على بيانات الاختبارات الأرضية بين الضجيج المركب الطبيعي والصور الحقيقي للأشعة المك الحديدية.

الاستحقاقات والعائدات على الاستثمار

وقد حقق التحول نحو بيانات الطيران في العالم الحقيقي لاختبار الدروع الحرارية فوائد قابلة للقياس عبر أبعاد متعددة.

  • ] Improved accuracy and confidence in design.] Flight data validates or refutes model assumptions, reducing the need for conservative safety factors. The result is lighter, more efficient heat shields that still meet safety requirements.
  • Enhanced safety through better understanding of failure modes.] Real-world data reveals phenomena that are not replicated in ground tests, such as as inymmetric heating due to angle of attack variations or the effects of micrometeoroid damage. This knowledge informs more robust designs and emergency procedures.
  • Cost efficiency from reduced ground testing.] Each arc-jet run costs thousands of dollars and provides data for only a small area of the heat shield at a single condition. Flight data covers the entire vehicle over the full re-entry trajectory, deliver more information per dollar invested. Programs that have implemented flight data collection have reduced their arc-jet testing budgets by 20 to 40 percent
  • Faster innovation cycles.] When flight data is rapidly analyzed and fed back into design iterations, new material formulations can be qualified in months rather than years. SpaceXrsquo;s ability to fly multiple Dragon missions per year has given it a distinct advantage in TPS development speed.
  • Cros-program knowledge sharing.] Standardized data formats and public repositories, such as NASAdesrsquo;s NDE Data Archive, allow engineers working on different vehicles to learn from each otherrsquo;s flight data. This collective learning accelerates the entire field of hypersonic TPS design.

التحديات والقيود المتبقية

وعلى الرغم من وعدها، فإن استخدام بيانات الطيران في العالم الحقيقي لتطوير مصادر القدرة على إحداث آثار ضارة لا يُطرح دون تحديات، وهناك ثلاث مسائل قائمة.

قابلية التأثر والخصوبة

ويجب أن تصمد أجهزة الاستشعار في أشد الظروف تطرفاً في العودة إلى البيانات المفيدة، حيث أن درجات حرارة الدرع الحراري تزيد على 000 2 درجة مئوية من حرارة كليسيوس، فإن أجهزة الاستشعار الحرارية التقليدية التي لا تُحدث تركيزاً على المواد الخطرة، كما أن أجهزة الاستشعار البيروقراطية والمسافات الحرارية يمكن أن تُوسع نطاقها القابل للاستمرار، ولكنها تُحدث تعقيدات الخاصة بها.

البيانات

إن بيانات الطيران تكون دائما مزعجة وغير كاملة، فالتدخُّل الكهرومغناطيسي المثير للحساسية، والاختراق بالبلازما يمكن أن يفسد أو يقطع مسارات البيانات، فالإصلاح بعد التحليق يتطلب تجهيز إشارات متطورة ومقارنات عبر أنواع الاستشعار المتعددة، وهناك دائما خطر بأن تدعم البيانات تفسيرا خاطئا إذا كانت الافتراضات الأساسية بشأن سلوك أجهزة الاستشعار غير صحيحة.

الحواجز المتعلقة بالتكلفة والوصول

أما فيما يتعلق بتجهيز الدرع الحراري، فإن تكلفة وتعقيد المركبة الفضائية باهظة التكلفة بالفعل، إذ أن أجهزة الاستشعار نفسها غير مكلفة نسبيا، ولكن نظم التكامل والاستيعاب واقتناء البيانات يمكن أن تضيف ملايين الدولارات إلى ميزانية المركبات، وبالنسبة للبعثات الصغيرة العاملة بالسواتل أو بكوبسات، فإن هذه التكاليف قد تكون باهظة، وتعمل الصناعة الفضائية على توفير " البكلو " ، وتتم تكييفها بسهولة مع مجموعات من أدوات الاعتماد الواسعة النطاق.

الاتجاهات المستقبلية

إن المسار واضح: فبيانات الطيران في العالم الحقيقي ستصبح أكثر أهمية في تطوير الدروع الحرارية في السنوات القادمة، وهناك اتجاهات عديدة تشير إلى الطريق.

توحيد جمع البيانات وتقاسمها

وتعمل اتحادات الصناعة، بما في ذلك شركة الفضاء الجوي والأكاديمية الدولية للملاحة الفضائية، على وضع نماذج موحدة للبيانات وكيماويات البيانات الفوقية لبيانات الرحلات الجوية التي تستخدم مصادر القدرة على إحداث الاحترار، وستتيح لغة بيانات مشتركة للمهندسين مقارنة أداء الدروع الحرارية عبر مختلف المركبات وسرعة الدخول وتكوينات الغلاف الجوي، مما سيمكن من إجراء تحليلات تكشف عن مبادئ عالمية للحماية الحرارية المُثلجة، بما يعود بالنفع على جميع المجتمعات المحلية().

البعثات المشتركة بين الكواكب والمراكز الرفيعة المستوى

وسيتطلب برنامج " ناسا " ، الذي يُعتزم القيام به في أوائل الثلاثينات، توفير درع حراري ينجو من دخول الغلاف الجوي في أكثر من 14 كيلومتراً لكل مدخل ثانوي، وسيتعين على نحو ضعف سرعة العودة القمرية، ولن يتسنى لأي مرفق أرضي أن يعيد هذه الظروف على نطاق كامل.

Reusability and In-Flight Health Monitoring

ونظراً إلى أن مركبات الإطلاق القابلة للاستعمال والمركبات الفضائية أصبحت مشتركة، فإن الدروع الحرارية ستحتاج إلى البقاء على قيد الحياة من جديد متعدد دون استبدالها، فإن الرصد الصحي في الرحلات الجوية، الذي يتيحه أجهزة الاستشعار المحتوية على مواد مشعة وكشف الشذوذ في حركة التحرير، سيتحول إلى قدرة حرجة، وسيؤدي وجود درع حراري قابل للإستعمال يمكن تفتيشه ومصادقته على إعادة التحليق استناداً إلى بيانات الاستشعار بدلاً من التفتيش اليدوي إلى الحد من الوقت والتكلفة.

إن عصر تصميم الدروع الحرارية من التجارب الأرضية البحتة ومن الحكم الهندسي قد انتهى، فبيانات الطيران في العالم الحقيقي هي الآن مدخل من الدرجة الأولى في عملية التنمية، مما يتيح استخدام نظم حماية حرارية أكثر أمانا وأكثر قدرة للجيل القادم من استكشاف الفضاء، وكل تدفق من أجهزة الاستشعار، وكل نقطة بيانات مسبوقة، وكل نموذج مستكمل يقترب من وصول البشرية الموثوقة إلى الفضاء وما وراءه.