تحديات التنظيم الحراري في تشغيل المركبات الفضائية ذات الغازات القريبة من الأرض

تحديات التنظيم الحراري في تشغيل المركبات الفضائية ذات الغازات القريبة من الأرض

ويمكن أن تواجه هذه الكواكب المسدودة من الغازات الضخمة مثل المشتري وزحل بعض أكثر البيئات الحرارية احتياجا في النظام الشمسي، خلافا للظروف المستقرة نسبيا بالقرب من الأرض أو الزهرة، تولد أحزمة إشعاعية شديدة، ودرجات حرارة شديدة، وميادين مغناطيسية قوية تحد حتى أكثر نظم التحكم الحراري تطورا.

The Unique Thermal Environment of Gas Giants

أحزمة الإشعاع والتفاعلات في الغلاف الجوي

وبالإضافة إلى ذلك، فإن عمالقة الغاز تمتلك حقول مغناطيسية قوية للغاية تُحمّل جزيئات من الرياح الشمسية وأقمارها الخاصة، كما أن الغلاف الجوي المغنطيسي هو أكبر هيكل في النظام الشمسي، حيث يمتد ملايين الكيلومترات وأحزمة الإشعاع السكنية أكثر كثافة من أحزمة فان ألين التي تُعدّل في شكل حرارة داخلية، ويُدرّب فيها درجات حرارة قريبة من الضوء.

الهيكل الجوي والدرجة الحرارة

كما أن الجوانــب الحــادي والزحل متداخلان، حيث توجد أسطح غيوم مكونة من الأمونيا، وهدرود الأمونيوم، والمياه، وتتراوح الحرارة بين حوالي ١٤٥ درجة مئوية في أقصى درجة مئوية من الغلاف الجوي السحابي إلى أكثر من ٥٠٠ درجة مئوية في الغلاف الجوي المداري، ويجب أن تكون المركبات الفضائية التي تهبط من خلال هذه الطبقات متفاوتة بدرجة كبيرة، بينما يفتقر المجرى الظلات إلى وجود فروقات الكبيرة بين الشمس.

Distance and Albedo Effects

ويدور حول المشترى حوالي ٥,٢ وحدة فلكية من الشمس، حيث لا يتجاوز الإشعاع الشمسي ٣-٤ في المائة من ذلك في الأرض، ويحصل الزحل، في ٩,٥ من الاتحاد الأفريقي، على أقل من ١ في المائة من التدفق الشمسي للكوكب، وهذا الندرة من ضوء الشمسي يقلل من فعالية طرق التحكم الحراري مثل أمتصاصات التجمّد الشمسي.

التحديات الحرارية الرئيسية

التقلبات القصوى

وتعاني المركبات الفضائية التي تدور حول الغازات الكبيرة من تحولات سريعة بين فترات الشروق والظلال، فمثلاً، يضاهي المدار القطبي الذي يدور حول المشتري فترة عشر ساعات من التسخين الشمسي الكواكبي المكثف عند فترة الظلمة التي تمتد 10 ساعات في فترة النضوج، ويمكن أن تعوض هذه التأرجحات الحرارية عن الحرارة الخارجية التي تبلغ 200 درجة مئوية.

التسخين والتحلل الإشعاعي

ويمكن أن تؤدي هذه المادة المخففة من الحرارة المرتفعة إلى حافلة مركبات فضائية، مما يتطلب قدرا أكبر من الإشعاعات أو التبريد النشط، كما أن التأثيرات غير المؤينة يمكن أن تزيد على الخواص الحرارية العضوية: إذ أن التغليف العضوي يصبح مزيجا من الرش والتغير، بينما يزيد المعالم الشمسية الافتراضية (OSRsb) في فترات الارتفاع.

محدودية الطاقة الشمسية والتحكم الحراري السلبي

إن ضعف ضوء الشمس بالقرب من الغازات الضخمة يعني أن الصفوف الشمسية يجب أن تكون كبيرة وفعالة، ولكنها تعمل أيضاً كجهات جمع حراري كبيرة، وفي المشتري، يمكن أن تصل الصفوف الشمسية إلى درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية عندما تكون مضاءة، ومع ذلك يجب أن تنجوا من أعماقها عندما تكون مظللة، وتقنيات التحكم الحرارية مثل السقف، وغليان الحرارة أقل فعالية لأن قوة السحب تخفض إلى درجة الحرارة العالية.

Cycling Fatigue

وتتسبب التحولات المتكررة من البيئات الساخنة إلى البيئات الباردة في ضغوط دورية في المواد بسبب التوسع المتفاوت، إذ أن مفاصل الحلف، وأجهزة الأسلاك، والسندات الهيكلية عرضة للفشل بعد آلاف الدورات، فبالنسبة لبعثة تستمر عدة سنوات وتمتد عشرات إلى مئات من المدارات، يصبح التعويق الحراري شاغلا رئيسيا، ويجب أن يُحسب التحليل الحراري لأسوأ أنواع الحملات العابرة، وكثيرا ما يشمل التبديل الإشعاعي في البيئة الحرارية.

الحلول والاستراتيجيات الهندسية

المراقبة الحرارية السلبية

() [الأشعة المقطعية:] [الأشعة المقطعية]: البطانيات التي تُستخدم في الغلاف الجوي، والتي تُستخدم في الغلاف الجوي، والتي تُستخدم في الغلاف الجوي، وتُستخدم في المطاط، وتُستخدم فيها طبقات مُعدّلة من الحرارة المنخفضة، وتُستخدم فيها أجهزة التخثر الحراري، وتُظهر هذه البطاقات الإشعاعية في الوقت نفسه، وتُصَمَّدُّدُها أجهزة مُصَّدُها أجهزةُ بدرجة أكبر من الحرارة.

(ب) لا تزال الأنابيب الحرارية والسلاسل الحرارية تنقل حرارة سلبية من الإلكترونيات إلى لوحات المبردات، كما أن العملاق الغازي القريب، والأنابيب الحرارية التقليدية التي تستخدم الأمونيا كسائل عامل، لا تزال تعمل، ولكن زاوية البلاط والتوجه النسبي (التي توجد أثناء الدمج المداري) يجب النظر فيها.

الرقابة الحرارية النشطة

وعندما تكون الأساليب السلبية غير كافية، يقوم المهندسون بنشر نظم نشطة. ]وتقوم بدورات السوائل المأهولة بضبطها[ ]النظام الفلوري: ١[ ]تقوم هذه النظم بتبديل التبريد )في كثير من الأحيان بخليط من المياه والجليد، أو بسوائل متخصصة مثل FC-72( عن طريق لوحات باردة ملحقة بأدوات مدرة للحوادث، وتستخدم هذه النظم مضخات منخفضة الطاقة )٥-١٥( ويمكن أن تُنها باستمرار

هدر الإشعاعات والدرع

ولتخفيف التدفئة الناجمة عن الإشعاع، يضع المهندسون الإلكترونيات الحساسة في صناديق محمية مصنوعة من التنتال أو الرصاص، والتي تعمل أيضا كتلة حرارية، وتزيد هذه الصناديق من طول الزمن الحراري، وتزيد من ارتفاع درجات الحرارة، وبالإضافة إلى ذلك، يستخدم الدروع باستخدام مواد عالية التردد في دوائر القراء ورقائق الذاكرة، ويزيد حجم المبادلات التي تتنافس مع ميزانيات وزن الحمولة.

التكامل والاختبار

وتُجرى اختبارات الفراغ الحراري في البعثات الضخمة الغازية بصرامة شديدة، وتوضع المركبات الفضائية في غرف كبيرة تبرد فيها الجدران بالنيتروجين السائل لتحفيز الخلفية الباردة للفضاء، وتُحاكي المسخّرات التدفق الكواكبي بالأشعة تحت الحمراء، وتُختبر آثار الإشعاع بشكل منفصل باستخدام مسرعات الجسيمات، ولكن اختبارات الإشعاع الحراري مجتمعة نادرة بسبب التعقيد.

دراسات حالة للبعثات السابقة والحالية

غاليليو (مدير ومحقق)

وقد عمل نظام غاليليو في الفترة من عام 1995 إلى عام 2003 في بيئة جوبيتر الإشعاعية، وبقي على 14 مرة على الجرعة الإشعاعية التي صُممت من أجلها، وقد اعتمد نظامه للمراقبة الحرارية اعتمادا كبيرا على نظام أشعة مقطعية، مع وجود حرائق للبقاء في الكسوف، وحافظت المركبة الفضائية على درجة حرارة حافلة تبلغ حوالي 20 درجة مئوية على الرغم من تقلبات درجات الحرارة الخارجية التي تزيد على 150 درجة مئوية.

كاسيني - هويغنز (نظام العودة)

وقد واجهت كاسيني في المدار حول زحل من عام 2004 إلى عام 2017 إشعاعا أقل كثافة من المشتري، ولكن شديد البرودة بسبب مسافة زحل من الشمس، واستخدمت المراقبة الحرارية ثلاث وحدات للتسخين الإشعاعي (RHUs) ومولدات الطاقة الحرارية المشعة التي توفر الموثوقية والحرارة على السواء.

جونو (بعثة المشتري الكرينت)

وقد صممت جونو، التي أطلقت في عام 2011، مدارا القطبي شديد الشدة للتقليل إلى أدنى حد من التعرض للإشعاع، حيث أن معظم وقته بعيدا عن أحزمة الإشعاع التي تحملها المشتري، وقد تكون السيطرة الحرارية التي توفر أساسا قبو التيتانيوم للالكترونيات التي تستخدم أيضا كمشعات حرارية، وتستخدم المركبة الفضائية مفهوما فريدا " ثابتا " لصكوكها العلمية، التي تُب على منصة مُدبة مُعَة.

البعثات المقبلة: يوروبا كليبر وJUICE

وسيؤدي كل من وكالة النقل البحري الوطني Europa Clipper (المخططة لإطلاقها لعام 2024) إلى إحداث أكبر قدر من الإشعاع لدى المشتري أثناء قيامه برحلات جوية متعددة قريبة من اليوروبا.

الاتجاهات المستقبلية في الإدارة الحرارية

المواد المتقدمة

ويطور الباحثون مواد جديدة في مجال العزل مثل الرغاوي الهوائية والرغاوي التي تعتمد على الحرير والتي توفر وزنا أقل وأدانا حراريا أفضل من البوليسترات المتعددة السائلة التقليدية، وتظهر صفائف النانووبات الكربونية والأفلام الغرافينية الوعودية على أغطية حرارة عالية الحرارة التي يمكن أن تكون أكثر اتساما بالإشعاع.

نظم التبريد المصغرة

ومع زيادة حجم الحمولات، يجري تطوير وحدات التحكم الحراري المصغرة، كما أن الأنابيب الحرارية ذات الدفع الصغير ومبردات الطاقة الحرارية التي تستند إلى سبائك بي تي يمكن أن توفر التبريد المحلي للصكوك الحساسة مثل الكاميرات ذات الحمراء، وتزداد تركيزات هذه الأجهزة على الإشعاعات المستخدمة في أحزمة جوبيتر.

التحكم الحراري الذكية

وستتضمن البعثات المقبلة خوارزميات للتعلم الآلي التي تنبأ بالزيارات الحرارية القائمة على قياس التسخين في الوقت الحقيقي وتعديل نظام التسخين أو الإشعاع بشكل مستقل، مما يقلل من عبء العمل على تشغيل البشر ويتيح تنظيم درجات الحرارة الأضيق طوال فترة البعثة، فمثلا يمكن أن تؤدي المراقبة الحرارية التكييفية إلى تغيير قدرة جهاز التسخين عن طريق تغيير نظم الاتصالات الكهروكيميائية السطحية التي تستخدمها الدولة إلى حدوث تأخيرات في استخدام الغازات.

خاتمة

إن التنظيم الحراري للمركبة الفضائية القريبة من عملاق الغاز لا يزال واحدا من أكثر الجوانب تحديا في استكشاف الفضاء العميق، إذ أن الجمع بين أحزمة الإشعاع المكثفة، والتقلبات الشديدة في درجات الحرارة، وضعف ضوء الشمس، والتدفقات الكواكبية القوية التي تتدفق تحت الحمراء، يتطلب حلولا هندسية مبتكرة تدمج الأساليب السلبية والنشطة، وقد شكلت الدروس المستفادة من غاليليو وكاسيني وجونو تصميم بعثات مقبلة مثل نظام اليورو المبرد ويورت، ووعودا، وبحوث المستمر

For further reading, see the following resources: NASA’s Juno mission] thermal design overview, the ]Cassini Technical Reports on thermal control, and the Europa Clipper Thermal Control System