تحديات تصاعد نظم الصخور بالنسبة للمركبات الفضائية الكبيرة

تصميم البنية التحتية للوزن الخفيف

بالنسبة لمركبات فضائية كبيرة، يجب تعويض كل كيلوغرام من كتلة المحركات عن طريق الوقود والحمولة، ولا يزال من الضروري الحد من الوزن الهيكلي دون المساس بالقوة، ويستخدم المهندسون التشفير المتكامل ، ، تركيبات الصواريخ .

إدارة حرارية في نظم صدأ كبيرة

فالإدارة الحرارية هي أحد أكثر التحديات التي لا يُقدر تقديرا في مجال توسيع نطاق نظم الدفع، إذ يولد المحرك الكبير حرارة ليس فقط في غرفة الاحتراق، بل أيضا في الحوائط والعلامات وأحوائط النور، وبدون التبريد الفعال، فإن المكونات ستفشل في غضون ثواني، وتشمل النهج الموحدة ما يلي:

• Regenerative cooling]: يُعمم الوقود من خلال القنوات في غرفة الاحتراق والتشويش قبل الحقن، ويمتص الحرارة، ونظراً لزيادات قياس المحرك، ينمو طول التدفق المبرد، مما يؤدي إلى ارتفاع معدلات الضغط وإمكانية الغليان في القنوات المبردة، ويتطلب تصميم نظام متجدد متطور لزيارات المحرك الكبيرة.
• Film cooling]: كمية صغيرة من الوقود يُحقن على طول جدران الغرفة لخلق طبقة وقائية، ويزيد الارتفاع من كمية مبردات الأفلام اللازمة، مما يقلل من النفع العام.
• Radiative cooling]: For nozzle extensions and components far from the combustion zone, radiation to space is the only option. Large radiating surfaces add mass and complexity. In space, the lack of convection makes radiative cooling less efficient, so large motors may require deploymentable radiators for auxiliary systems.

فالصواريخ الحرارية النووية تفرض تحديات حرارية أكبر، حيث يعمل قلب المفاعلات بدرجات حرارة تزيد على 500 2 درجة مئوية، ويتطلب درعاً واسعاً ورفضاً للحرارة، ويستلزم رفع مستوى المفاعلات النووية إلى مستوى مرتفع من الدفع وجود نواة أكبر من المفاعلات مع عناصر وقودية أكثر مما يعقِّد تدفق المبردات والنيوترونات.

تخزين الوقود وتسليمه

وتتطلب المركبات الفضائية الكبيرة كميات هائلة من الوقود، وبالنسبة لصاروخ كيميائي للمريخ، يمكن أن يتجاوز الجزء الكتلي من الوقود الدافع 80 في المائة من الكتلة الكلية للمركبات، ويطرح تخزين هذا الدافع وإدارة هذه المواد مسائل متعددة تتعلق بالتوسع:

• () إدارة الوقود الطاردي الكيميائي ]: الهيدروجين السائل والأكسجين السائل (LOX) يجب أن يظلا في درجات حرارة منخفضة للغاية (253 درجة مئوية و183 درجة مئوية، على التوالي) ومع ارتفاع حجم الدبابات، فإن نسبة الانتقال من سطح إلى سطح الأرض تخفض معدلات التبريد من الناحية الفعلية.
• Propellant slosh and pressure control: في مركبة كبيرة، يمكن لجماعة الوقود أن تتحول أثناء المناورات، مما يؤثر على الاستقرار.
• Propellant feeding systems]: يتطلب المحركات الكبيرة ارتفاع معدلات تدفق الحجم، ويجب أن تدور الأنبوبات بسرعة هائلة (عشرات الآلاف من الـ RPM) في تسليم الوقود، ويزيد ارتفاع الاضطرابات إلى ارتفاع معدلات التدفق، ويحدّد تحديات الإحكام، ويحتمل أن تُحدث الحرق في مراحل معينة.

نظام الدفع بالمركبات الكبيرة

التكاثر الكيميائي

وتوفّر الصواريخ الكيميائية (السائلة أو الصلبة أو الهجينة) الدفع العالي اللازم لإطلاقها وركودها، وتتطلّب المحركات السائلة التصاعدية التغلب على عدم استقرار الاحتراق - وهي مشكلة مروعة تصيب تطوير محركات F-1، وتعاني غرف الاحتراق الكبيرة من فترات أطول من التكسير، مما يجعلها عرضة للثبات التي يمكن أن تدمر المحركات.

Propulsion

وتوفّر أجهزة الدفع الكهربائية (اليونيون، تأثيرات القاعة، المغناطيسية) مقسما عاليا (500-000 ثانية) ولكنه منخفض جدا، وبالنسبة للمركبات الفضائية الكبيرة، فإن زيادة الدفع الكهربائي إلى ارتفاع الدفع يتطلب مستويات هائلة من الطاقة - ميغاوات أو ميغاوات، وهذا يعني زيادة كبيرة في المصفوفات الشمسية أو المفاعلات النووية.

التكاثر الحراري النووي

ويعرض النظام الوطني للأخشاب أرضا متوسطة: ارتفاع في الصبغة الكهربائية وارتفاع مستوى الحاجز من المادة الكيميائية (850 إلى 000 1 ثانية) كما أن توسيع نطاق النظام الوطني للأخشاب إلى مركبة كبيرة يتطلب مفاعلا عالي الطاقة (مئات من الميغاوات الحرارية) ويجب أن تكون عناصر الوقود قادرة على تحمل درجات حرارة عالية وتلف الإشعاع.

التكامل والاختبارات على نطاق المنظومة

ويصعب للغاية اختبار نظام دفع كبير على الأرض، إذ أن المحركات الكاملة تنتج تدفقات كبيرة من العادم يمكن أن تتجاوز 000 1 كيلوغرام/كغ، مما يتطلب وجود محركات اختبارية ضخمة ذات قنوات معقّدة للعادم، وإغلاق الحرائق، والتخفيف من الضوضاء، وقد يحتاج مركز الفضاء (Stennis Space Center) ومركز جونسون للفضاء إلى مرافق اختبار للمحركات تصل إلى مليون جنيه من الدفع، ولكن محركات ذات الدفع الأكبر.

وقد أصبح النموذج الحاسوبي أساسياً، حيث تستخدم ديناميات السوائل الحاسوبية العالية القيمة ] وتحليل العناصر الزهيدة للتنبؤ بعجزات الاحتراق، ونقل الحرارة، والضغوط الهيكلية، غير أن المحاكاة الواسعة النطاق تتطلب موارد حاسوبية زائدة، والتثبت من أدوات التكهن الفرعية أو المكوِّنات الناشئة ضرورية.

التكاليف والمضيقات الاقتصادية

إن تطوير نظام دفع كبير هو مسعى متعدد البلايين دولار، حيث إن أحدث الأمثلة - وهو " رابات " (SpaceX) و " بي-4 " (Blue Origin) - كل منها ينطوي على أكثر من عقد من التنمية، ويحتاج التوسع في زيادة الاستثمارات، كما أن العوامل الاقتصادية مثل زيادة القدرة على الاستيعاب تغير أوقات الصيانة الأولية

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

المبتدئون المتقدمون

يمكن أن تؤدي الملوثات مثل معادن الهيدروجين ] أو ميثان/أوكسجين (الخيوط المستخدمة في الرابت) إلى زيادة في المناولة أو سهولة.() وتبشر الميثان بوجه خاص بالمركبات الكبيرة لأنها أقل رطوبة من الهيدروجين (الزيادة في الوقود المميت) ويمكن إنتاجها.

الاندفاع

ويمكن أن يوفر الدفع بالوقود، إذا ما تحقق، كلا من الدفع العالي والضغط العالي، مما يسهل كثيراً لأن كثافة الطاقة هي أوامر تزيد حجماً عن النسيج الكيميائي أو النووي، أما مفاهيم مثل ] أو أو أو صمامات الصمامات فهي في مراحل بحثية، ولكن إذا تحققت ثورة تكنولوجية.