Table of Contents
الدور الحاسم للتشخيصات في الوقت الحقيقي أثناء إطلاق
وتخضع عمليات الإطلاق لمحركات الصواريخ لبعض أشد الظروف تطرفا في هندسة الفضاء الجوي، إذ تتجاوز درجات حرارة الاحتراق 000 3 درجة مئوية، وتقلبات الضغوط عنيفة في غضون ثوان، ويمكن أن تتجاوز اليقظة الميكانيكية 20 غراما. وفي هذه البيئة، يمكن أن يؤدي حتى ارتفاع مستوى الاستشعار أو فجوة البيانات إلى الفشل الكارثي، وبالتالي أصبحت تشخيصات المحركات في الوقت الحقيقي النظام العصبي لمركبات الإطلاق الحديثة المستمرة.
فالخسائر هائلة، إذ أن فقدان مركبة الإطلاق لا يدمر الحمولة فحسب - التي يمكن أن تبلغ قيمتها مئات الملايين من الدولارات - بل يؤخر أيضا مواعيد البعثات، ويضر بسمعة الناس، ويخاطر بحياة البشر أثناء الرحلات الجوية المطوّرة، كما أن التشخيصات في الوقت الحقيقي تتيح الكشف الفوري عن الشذوذ، مما يتيح للأفرقة الأرضية أو الحواسيب الجوية المستقلة اتخاذ إجراءات تصحيحية مثل القصف الفوري، أو إلغاء محرك غير مرخص، أو إطلاق سلسلة من محركات فضائية.
وقد حولت أوجه التقدم الأخيرة في مجال تقليل أجهزة الاستشعار، وعلم المواد، والاتصالات اللاسلكية، والاستخبارات الاصطناعية ما هو ممكن، وتستكشف هذه المادة أحدث التطورات في تكنولوجيا الاستشعار من أجل تشخيص المحركات في الوقت الحقيقي أثناء عمليات الإطلاق، وتدرس التكنولوجيات الرئيسية، وتدمجها مع محللي البيانات، والمسارات المستقبلية التي تعد بقدر أكبر من القدرات.
تكنولوجيات الاستشعار الرئيسية
وتشتمل محركات مركبات الإطلاق الحديثة على مجموعة من أنواع الاستشعار، وكل منها يُستخدم على النحو الأمثل لمقاييس مادية محددة، وتجمع نظم أعلى درجة بين طرائق متعددة لمقارنة البيانات عبر الوصمات وبناء صورة شاملة لصحة المحرك.
أجهزة الاستشعار
وقد تجلى مقياس الحرارة الدقيق في محركات الصواريخ، حيث يمكن أن تكسر التدرجات الحرارية نصلات التربينية، أو وجوه الحقن المذوفة، أو تسبب تقلب الوقود، وكانت حروف الحرارة التقليدية، التي كثيرا ما تكون مصنوعة من أفران البلاستيك/الروم، هي الآفة التي ترتفع فيها درجات الحرارة المحيطة بالأشعة فوق القاعدية، غير أن التقدم الذي تحقق مؤخرا في درجات الحرارة المنخفضة والمحسنة.
مترجمو الضغط
كما أن ضغط غرفة الاحتراق هو أكثر المؤشرات مباشرة لأداء المحرك، إذ يتعين على أجهزة الاستشعار للضغط الديناميكية أن تكتشف ارتفاع الترددات - المعروفة باسم عدم استقرار الاحتراق - التي يمكن أن تؤدي بسرعة إلى الفشل الميكانيكي، كما أن أجهزة قياس الضغط الفائقة الحديثة مثل أجهزة الاستنشاق من جهاز Kistler و PCB Piezotronics، تقدم صوراً سريعة غير مستقرة، مما يتيح الكشف المبكر عن
أجهزة الاستشعار عن بعد وأجهزة الاستشعار
وتنشأ عمليات التصويب في محركات الصواريخ من مضخات تحمل، وهشاشات أجهزة التروس، وثباتات الاحتراق، وتُعدّل البيانات ذات التسارع العالي (المقدرة بـ 000 5 غرام أو أكثر) على مبانٍ مُضبَّطة في المضخات وهياكل الدفع.
أجهزة الاستشعار عن تكوين الغاز
فرصد التكوين الكيميائي لغازات العادم يوفر طبقة تشخيصية أخرى، فعلى سبيل المثال، فإن زيادة الأوكسجين في العادم المحركات الهيدروجينية/الأوكسجينية تشير إلى وجود نسبة غير صحيحة من المخلوطات، مما قد يلحق الضرر بالمحرك، كما أن عينات الغازات الفوقية الوبائية المتطورة لا تزال تقنية رئيسية.
النظم اللاسلكية والمصغرة
وتشتمل شبكات الاستشعار اللاسلكية التقليدية على كيلو مترات من الكابلات، وكل نقطة اتصال على مصدر محتمل للفشل، كما أن هذه المكونات التي لاسلكية - التي عادة ما تكون مجهزة ببطاريات صغيرة أو محصول للطاقة )مثل المولدات الكهربائية الحرارية المثبتة على السطح الساخن( - يمكن أن تقلل من الوزن والتعقيد، ويجب أن تبلغ هذه العقيدات تحت بيئة محركية كهرومغناطيسية شديدة التردد من الصواريخ)٨(.
Overcoming Extreme Environmental Challenges
ويجب أن تنجو تكنولوجيا الاستشعار لعمليات الاطلاق من الظروف التي من شأنها تدمير أجهزة الاستشعار الصناعية التقليدية، وتشمل البيئة الصدمات الحرارية، والاهتزاز العالي الارتفاع، وارتفاع ضغط الدم، والإشعاع، ومنتجات الاحتراق التآكل التآكلية، وقد حولت المواد الحديثة والابتكارات في التغليف هذه التحديات إلى فرص تصميم.
درجة الحرارة العالية والإدارة الحرارية
فالأجهزة الالكترونية للسيليكون يمكن أن تعمل عند ٠٠٦ درجة مئوية، بما يتجاوز حدود الهجائن التقليدية ٠٥١ درجة مئوية، وبالنسبة للمناطق الأكثر حرارة، فإن بعض العناصر السلبية )مثل حاويات الترميز( تنقل إشارات الى أجهزة إلكترونية أكثر برودة عن طريق خيوط طويلة.
اليقظة وسرعة التسوق
وتعاني مركبات الإطلاق من يقظة واسعة النطاق من دفع المحرك، والحمولات الصوتية، والاضطرابات، ويجب تصميم أجهزة الاستشعار بترددات عالية - أعلى بكثير من طيف اليقظة الأولي - لتجنب الصمود الذاتي، وتحمي أجهزة الاستشعار بالرقائق البوكسية وأجهزة الصعق بالفلور سندات داخلية من الإجهاد الميكانيكي.
هدر الإشعاع
ويجب أن تصمد أجهزة الاستشعار ذات النطاق الفضائي في بيئة الإشعاع القاسية خارج الغلاف الجوي للأرض، ويمكن أن تؤدي آثار الجرعة المؤينة الإجمالية إلى تدهور الأداء شبه الموصل بمرور الزمن، بينما تصبح المكونات التجارية غير المرفأ، في كثير من الأحيان، أكثر تكلفة، بحاجة إلى حماية، ويتجه الاتجاه إلى أشعة مائية مستمدة من الإشعاعات المميتة بواسطة الأشعة المميتة باستخدام تقنيات الفرز الضوئي وسلاسل الموجات الثلاثية.
التكامل مع الاستخبارات الفنية والتحليلات الافتراضية
ويتجاوز حجم البيانات التي تنتجها صفائف الاستشعار الحديثة - التي كثيرا ما تكون متعددة غيغابايت في الثانية - القدرة البشرية على التحليل في الوقت الحقيقي، أما الآن فتقوم أجهزة الاستخبارات الفنية والحاسب الآلي بتجهيز هذه البيانات على أرض الواقع وعلى نحو متزايد على المركبة نفسها.
دمج البيانات في الوقت الحقيقي
ويجمع دمج البيانات بين المدخلات من درجة الحرارة والضغط والاهتزاز ومجسات الغاز في نموذج موحد لصحة المحرك، وتستخدم النهج التقليدية مرشحات كالمان لتقدير الدول المتأخرة، ويجري الآن تدريب الشبكات العصبية العميقة، ولا سيما هياكل الذاكرة القصيرة الأجل، على بيانات الإطلاق التاريخية للتنبؤ بقيم الاستشعار وكشف حالات الانحراف، مثلا، يمكن أن يتعلم جهاز الإنذار المبكر نمط الحرارة العادي في حالة ظهور سلسلة من الاضطرابات في المستقبل.
وحدات الصيانة الافتراضية
وبدلا من الاعتماد على عمليات الإصلاح المقررة، تستخدم الصيانة المتوقعة بيانات الاستشعار لتقدير مدى الحياة المفيدة المتبقية للمكونات، ويمكن أن تكشف التوقيعات على الاهتزاز عن وجود تطوّر؛ ويمكن أن تشير انجراف الضغط إلى أن الارتفاع بالديباغرام، ويمكن أن تؤدي النماذج التي يتم تدريبها على اختبارات الارتداد إلى الفشل إلى تآكل الصواريخ في الوقت الحقيقي، مما يمكّن مديري الإطلاق من تحديد ما إذا كان المحركات الفضائية مأمونة بالنسبة لزوعة أخرى.
الكشف عن الأمراض الشاذة والتشخيص
إن أجهزة التدقيق الآلي - الشبكات العصبية التي تعيد بناء البيانات العادية - فعالة بشكل خاص للكشف عن الشذوذ، وعندما يبتعد مسار الاستشعار عن النمط المعاد بناؤه، يتصاعد خطأ التعمير، ويبرز خطأ محتمل، ويلحق هذا الأسلوب شذوذ غير معروف قد تضيعه النظم القائمة على القواعد، وتسير بعض العمليات مباشرة على مجهزي أجهزة الاستشعار الضوئية (مثلا، الصواريخ المتحركة على مدار الساعة أو غوغل إيدج)
الأثر على عمليات الإطلاق ونجاح البعثة
وقد أدى إدماج أجهزة الاستشعار والمحللين المتقدمة إلى تغيير جوهري في كيفية تنفيذ عمليات الإطلاق، مما أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في مجالات السلامة والكفاءة والموثوقية.
تحسين المريخيين للسلامة
ويمكن للتشخيصات في الوقت الحقيقي للمهندسين اكتشاف تدهورات طفيفة يمكن أن تسبق الفشل الكارثي، فعلى سبيل المثال، من خلال رصد ضغط غرفة الاحتراق في الوقت الحقيقي، يمكن إعادة تشغيل محرك إلى استعادة الاستقرار.() وعلى Ariane 5
انخفاض الوقت والتكاليف
ولا تقدم خدمات للمحركات إلا إذا دعت الحاجة إلى ذلك، بدلا من أن تُستخدم بعد عدد ثابت من الرحلات الجوية، وهذه " الصيانة القائمة على شروط " توفر ملايين الدولارات لكل أسطول في السنة، فمثلا، تخضع محركات RS-25 المستخدمة في نظام الإطلاق الفضائي لرصد صحي واسع النطاق يقوم على الاستشعار قبل كل عملية إطلاق، مما يسمح للمهندسين بتحديد العناصر المعطلة واستبدالها فقط.
تعزيز الاستقلال الذاتي
ومع زيادة آلية نظم الإطلاق، تغذي بيانات الاستشعار مباشرة في حاسوب الطائرة للسيارة لاتخاذ قرارات منقسمة إلى ثانية، وعلى سبيل المثال، إذا اكتشف المجس هبوطا في ضغط الأوكسيديزر يتجاوز الحدود الآمنة، يمكن للحواسيب أن تتحول تلقائيا إلى مضخة احتياطية أو أن تبدأ عملية إغلاق مراقية، وهذا الاستقلال يقلل من الاعتماد على الأفراد الأرضيين ويمكِّن العمليات من مواقع الإطلاق عن بعد أو أثناء التحليق الفضائي المزود بالطاقم.
الاتجاهات المستقبلية: شبكات الاستشعار عن بعد
وفي حين أن تكنولوجيا الاستشعار الحالية مثيرة للإعجاب، فإن البحوث الجارية تعد برؤية أعمق وبقدر أكبر من القوة.
عدد أجهزة الاستشعار
ويستغل الاستشعار الكمي خصائص الدول الكمي لتحقيق القياسات في الحدود الأساسية للدقات، ويمكن لمراكز صناعة النيتروجين في الماس أن تقيس الحقول المغناطيسية ودرجة الحرارة والضغط مع الحساسية القصوى والتسوية المكانية، أما بالنسبة لتطبيقات الإطلاق، فإن هذه أجهزة الاستشعار يمكن أن تكشف عن تقلبات مغناطيسية صغيرة ناجمة عن إخفاقات في الحمل أو قياس توزيع درجات الحرارة في نطاقات مختبرات دقيقة عبر وجوه البحث.
الاستشعار الموزعة فيبر - أوبتيك
وبدلا من أجهزة الاستشعار المفصَّلة، يمكن أن يعمل الألياف البصرية الواحدة كخط قياس مستمر، وباستخدام تقنيات مثل نطاق الترددات البصرية، فإن الألياف التي تمتد من درجة الحرارة أو السلالة يمكن أن تُوضع في حدود سنتيمتر على طول كم من الألياف، مما يتيح للمهندسين وضع خريطة كثيفة من التحميل الحراري والميكانيكاني على صوارير الصخور والمستودعات.
الهياكل الأساسية ذاتياً وقابلاً للثقة
وإذا فشل جهاز الاستشعار أثناء الإطلاق، تفقد النظم التقليدية تدفق البيانات بالكامل، وتستخدم البنيانات الناشئة شبكات الاستشعار الزائدة التي يمكن أن تعيد تشكيلها على الفور، وعلى سبيل المثال، إذا انفجر جهاز الاستشعار عن بعد، يمكن أن يستخدم النظام بيانات من مقياسين من مقياسي التسارع الجيراني يرجحهما معامل التلازم التي يولدها لتقدير الإشارة المساندة المفقودة.
خاتمة
وقد تحولت التطورات في تكنولوجيا الاستشعار من تشخيصات للمحركات في الوقت الحقيقي من قدرة مستصوبة إلى أساس لا غنى عنه لعمليات الاطلاق الحديثة، فعمليات الاستشعار ذاتي التدرج العالي التمرين، والشبكات اللاسلكية، والمحللين القائمين على أساس الذكاء، والتغليف القوي، زادت بصورة جماعية من موثوقية البعثات الفضائية وسلامتها وكفاءتها، ومع تزايد مركبات الإطلاق، وأصبحت قابلة للانتعاش، ووصولها إلى وجهات أبعد حدا، فإن المطالب على نظم الاستشعار الأساسية.