التقنيات الناشئة لخفض عدد الكهرباء

مقدمة: تحدي النواة في الدفع الكهربائي

وقد أصبحت نظم الدفع الكهربائي حجر الزاوية في تصميم المركبات الفضائية الحديثة، مما يوفر قوة دفع وكفاءة في الوقود لا يمكن أن تضاهيها الصواريخ الكيميائية، ومن عمليات حفظ السواتل في مجال الاتصالات إلى البعثات الفضائية العميقة، يتيح البرنامج التشغيلي فترة أطول من العمر التشغيلي، ومرونة أكبر في الحمولة، غير أن الآليات ذاتها التي تجعل الدافع الكهربائي ميكانيكياً فعالاً جداً، وتسرع، وتوليد البلازما، تنتج أيضاً ضوضاءً غير مرغوب فيها يمكن أن تعطل النظام.

إن خفض الانبعاث الكهربائي ليس مجرد ملاءمة؛ بل هو شرط هندسي حرج؛ ويمكن أن يؤدي ارتفاع الترددات إلى تعطيل القياسات السلكية واللاسلكية، والأدوات العلمية، بل وحتى أجهزة التحكم في الدفع، كما أن الاهتزازات الميكانيكية التي تنقل من خلال هيكل المركبات الفضائية يمكن أن تؤثر على الدقة، وتقصير حياة المعدات، وتخلق اضطرابات مصغرة في أجهزة الاستشعار الدقيقة.

فهم مصادر أرقام الانذار الكهربائي

وللحد من الضوضاء بفعالية، يجب على المهندسين أن يفهموا أولا أصلها، فالضوضاء على الدفع الكهربائي ليس ظاهرة واحدة بل مجموعة من الاضطرابات المترابطة الناشئة عن مختلف العمليات المادية داخل المدافع وتفاعلها مع المركبة الفضائية.

متلازمة البلاستيك والعجز

والبلازما داخل مدفع EP هي وسيلة دينامية ومضطربة، حيث تنتقل الأعيان والكهرباء تحت تأثير الحقول الكهربائية والمغنطية، مما يؤدي إلى حدوث تذبذبات عبر طيف واسع النطاق، وتشمل أوجه عدم الاستقرار الشائعة عدم الاستقرار في الأيوني وعدم الاستقرار في الاتجاهين، وتقلبات الأشعة المتطايرة التي تنجم عن موجات الارتداد الحرارية.

EMI) EEC)) (EMI)

إن نظم الدفع الكهربائي تنتج في جوهرها حقول كهربائية ومغناطيسية قوية، حيث أن التفريغ الحالي، والفولط المتسارع، وعمليات التأيين، كلها تولد معلومات عن الطاقة الكهربائية ذات النطاق العريض والتي يمكن أن تمتد من كيلوهرتز إلى ترددات الطيف المتحركة، وتُستخدم في السفر عبر خطوط الكهرباء وكابلات الإشارة، بينما تبث شركة EMI المشع مباشرة عبر الفضاء، ويمكن أن تؤدي هذه التدخلات إلى فساد بيانات أو إحداث إشارات زائفة أو حتى

Mechanical Vibrations and Structural Resonance

وفي داخل المدفع، فإن تعجيل الرسوب وتدفق قوى رد الفعل المنتجة للزواحف تؤدي إلى ذبذبات ميكانيكية، وتتراوح هذه اليقظة بين أساليب هيكلية منخفضة التردد (قليل من الهيرتس) وبين ارتفاع التردد في أجزاء متحركة مثل الصمامات والزجاجات، وتنتقل الظواهر الجوية عبر واجهة الازدهار المتطايرية إلى حافلة المركبات الفضائية.

الآثار الحرارية والتوسيعية

وتولد عوامل الدفع الكهربائي حرارة كبيرة، لا سيما في غرفة التصريف والكهرباء، ويمكن أن يؤدي التقلب الحراري والتوسيع التفاضلي إلى ضغوط ميكانيكية تنتج عنها زيادة في الترددات المنخفضة، كما أن الضجيج المتطرفة لنظام التشت الحراري، والأنابيب الحرارية، والعلامات الهوائية، والعلامات التي تحد من المراوح أو المضخات التي تولد ضوضاءها الميكانيكية.

التقنيات الناشئة لخفض عدد الضريبة

وقد وضع المهندسون مجموعة من التقنيات المبتكرة لمعالجة كل نوع من أنواع الضوضاء، وتفصل الفروع التالية أكثر النهج واعدة التي يجري التحقيق فيها حاليا أو التي هي بالفعل في حاجة محدودة.

1 - الدرع المتطور

وقد كان التدريع المغناطيسي من تصميم المركبات الفضائية على مدى عقود، ولكن التقدم الأخير في المواد المشغلة والمغلفات ذات التشكيل الميداني قد فتحت إمكانيات جديدة لتخفيض الضوضاء، وفي مدفع مغنطيسي نموذجي من طراز Hall-effecter، صُمم المجال المغناطيسي للحصر في الإلكترونيات وتعزيز التأيين، غير أن التسرب الميداني يمكن أن يسمح باختناق المغناطيسي المباشر في هيكل الحرفي.

وثمة نهج آخر هو ] تشكيل حقل مغناطيسي باستخدام نواة خصبة أو مواد عالية القدرة على التبريد توضع على نحو استراتيجي حول الدافع، وهذه المواد تعيد توجيه الحقول المزروعة بعيدا عن المناطق الحساسة دون إضافة كتلة كبيرة.() وقد أثبتت البحوث التي أجريت في مركز بحوث غلين التابع للأكاديمية أن الجمع بين درع مغناطيسي وبين جهاز قياسي متجانس يمكن أن يؤدي إلى الحد من مستويات الوزن الإشعاعي

2- سد الثأر النشط

وكثيرا ما تعالج الضوضاء الميكانيكية من المدافعين بطريقة سلبية مع المتعهدين، والرصاصات، ومصاعد الكتلة المثقفة، غير أن النظم السلبية ضيقة ولا يمكنها التكيف مع ظروف التشغيل المتغيرة، ويستخدم صبغ اليقظة الفعّالة نظاماً لمراقبة المواقع المغلقة يشمل تسارع المقاييس أو أجهزة الاستشعار الفائقة الكهربية لقياس الاختلاط، والموقات (مثلاً إلغاء القوى الصوتية).

وقد ركزت عمليات التنفيذ الأخيرة للمركبات الفضائية لأغراض الدفع الكهربائي على التحكم في المواد الغذائية الاستيعابية ، حيث يتعلم المراقب التوقيع على القاذفة الفضائية أثناء المعايرة، ثم يتوقّع ويلغيها أثناء التشغيل، ومع ذلك فإن هذه التقنية فعالة بشكل خاص بالنسبة للثبات الدورية، مثل تلك التي تسببها تجارب الدفع المتناوبة في ميدان الطاقة.

3 - مراقبة موجات البلاط

وبدلا من احتواء الضوضاء أو إلغائها بعد توليدها، تهدف مراقبة موجات البلازما إلى قمع التذبذبات في مصدرها عن طريق تصميم الحقول الكهربائية والمغنطية داخل غرفة التصريف، وتعتمد هذه التقنية على فهم مفصل لعلاقات تفرق موجات البلازما في قياس الجسيمات، عن طريق التصميم الدقيق للمنبر، والثروة، وفتح قنوات المغناطيسية.

ومن الوسائل الناشئة التقويض شبه المتقطع ، حيث تُستخدم إشارة عالية التردد من AC في تركيبة التصريف، حيث يُمكن للأزواج أن يعطوا البقايا، ويُعطلوا نمو العصيان قبل أن يصلوا إلى مستويات مرتفعة من الارتفاع (100 في المائة)

4 - الدرع المغناطيسي والتصوير

وبالإضافة إلى توفير الدرع المغناطيسي للبلازما نفسها، كثيرا ما يتطلب تخفيض الانبعاثات المغناطيسية مزيجا من الضغائن المحمية، والمرشحات المتطورة، وخطوط الكابلات الدقيقة، ولا تصمم أجهزة الدفع الكهربائية الحديثة بشكل متزايد بدروع متكاملة من طراز EMI تغلق حجرة التصريف ووحدة تجهيز الطاقة، وهذه الدروع مصنوعة من مواد سلوكية مثل الألومنيوم أو النحاس وتُط العالية من سلسلة الدفع الفعية.

وتحتاج عملية تصفية المركبات الإلكترونية إلى أسلوب واعد آخر، وهي تستخدم أجهزة تكييف ذات نطاق عال لإحساس الضوضاء على خط الطاقة وتصوير إشارة إلغاء، على غرار أجهزة الصوت العاملة التي تعمل على إطفاء الضوضاء، وتتفادى التطورات الأخيرة في أجهزة تحديد القدرة على استخدام أجهزة التقويم (GaN) مما مكّن من عدم استقرار أجهزة الترميز التي تعمل في تبديل الترددات فوق جهاز إمبراطوري واحد.

5 - هيكل خامد هادئ

(أ) بدلاً من إضافة سمات لخفض الضوضاء إلى تصميم قائم من أجهزة الدفع، يقوم بعض الباحثين باستكشاف هياكل محركات أكثر هدوءاً، فعلى سبيل المثال، فإن مدافع الدافعة [الرمزية] [الرمزية: FLT:1] التي تستخدم في حقل مغناطيسي محفز ذاتياً يمكن أن تنتج، في ظروف معينة، أقل من محرك البوليزمني غير معتاد لأن البلازماًاًاًاًاًاًاًاًاً.

وعلى الرغم من أن هيكلاً هادئاً آخر هو ] محفزاً محمولاً ]، حيث يتسارع الدافع بفعل حقل مغناطيسي نقي، ولأن التصريف متقطع وليس متواصلاً، فإن طيف الضوضاء يتركز على تردد نبضات القلب ونسقها، مما يجعل من الأسهل الرش في المستقبل، وقد أظهرت البحوث التي أجريت مؤخراً مستويات واعدة المحددة.

الاتجاهات المستقبلية وأولويات البحوث

وتتسارع أساليب خفض الضوضاء المذكورة أعلاه في الازدهار، ولكن لا تزال هناك تحديات عديدة قبل أن يتم نشرها بصورة روتينية على المركبات الفضائية التشغيلية، ومن المرجح أن تشهد المجالات التالية استثمارات كبيرة في مجال البحوث في العقد القادم.

المحاكاة المتكاملة والنماذج الافتراضية

ومن شأن التحفيز الدقيق للضوضاء الإلكترونية أن يكون مكثفاً من الناحية الحسابية لأنه يجب أن يحل العمليات من عدم استقرار البلازما على نطاق مليئ من الثاني إلى سيناريوهات طويلة الأجل للبعثات، كما أن وضع رموز للفيزياء الفولطية - الفيزيائية - المتعددة، التي يمكن أن تؤدي إلى الحد من ديناميات البلازما، والتطور الكهرومغناطيسي للمجال، والنماذج الميكانيكية، والسلوك الحراري، هو من الأولويات العليا.

الابتكارات المادية للقمع غير المتعمد

ويمكن أن تؤدي المواد الجديدة التي لها خصائص كهربائية وميكانيكية مصممة بشكل مباشر إلى تقليل الضوضاء في مصدرها، ومن ذلك مثلاً الميثامتريات المترية التي تستوعب نطاقات محددة من الترددات إلى جدران محفزة لتعطيل البلازما.

الاستخبارات الفنية لإدارة النوايا الإيجابية

فالتكيف في الوقت الحقيقي هو الحدود التالية في مجال مراقبة الضوضاء الالكترونية، إذ يمكن للمركبات الفضائية أن ترصد باستمرار بيئة الضوضاء التي تختبرها أجهزة الاستشعار - المساحات الميدانية، ومضامين التسارع، وأجهزة الحرق - داخل الدافع، وربطها بجهاز حاسوبي على متن الطائرة، ويمكن للمركبات الفضائية أن تحافظ على بيئة الضوضاء، ويمكن للمركبات الفضائية أن تعدل، حتى مع ذلك، معايير التشغيل المغناطيسية.

توحيد وتوثيق الرواسب المنخفضة الضوضاء

ونظراً لأن الاندفاع الكهربي المنخفض المنتشر أكثر شيوعاً، فإن مروجي المركبات الفضائية سيحتاجون إلى إجراءات قياس وشهادات موحدة، وتقوم منظمات مثل ] مديرية بعثة التكنولوجيا الفضائية و] برنامج تكنولوجيا وكالة الفضاء الأوروبية بوضع مبادئ توجيهية لتحديد خصائص انبعاثات المنتجات الإلكترونية.

الاستنتاج: نحو إشعاع أكثر هدوءا في مجال الإرسال الكهربائي

إن السعي إلى الدفع الكهربائي الصامت ليس فقط بشأن الحد من التدخل؛ بل يتعلق بتمكين البعثات التي كانت مستحيلة في السابق؛ فالجيل القادم من المراصد الفضائية، وبعثات علوم الأرض، والمستكشفين في الفضاء العميق سيعتمد على أدوات ذات حساسية مقيسة في أجزاء كل تريليون؛ وبالنسبة لهذه البعثات، فإن أي ضوضاء من نظام الدفع غير مقبول، فالتقنيات المبينة هنا - الدرع المكثف، والتحكم في الموجات الاصطناعية.

ويتسارع الاستثمار الصناعي والحكومي في هذه التكنولوجيات، ويواصل مركز بحوث غلين التابع للناسا () قيادة تقنيات خفض الضوضاء، بينما تقوم مختبرات البدء والجامعات باستكشاف مفاهيم جديدة مثل محركات الدفع الكهروديمية وأجهزة الإصدار التي تسيطر عليها منظمة العفو الدولية، وبجهد متواصل، فإن حلم المركبة الفضائية التي تهمس بدلاً من الدوارات من خلال الثورة الدافعة للكهرباء هو بالفعل في متناول.