تصميم محركات الصخور من أجل تشغيل الظروف البيئية القصوى في المخططات الأخرى

الطلب المفرط على الإجبار خارج الأرض

إن الطموح إلى استكشاف الكواكب الأخرى واستعمارها يتوقف على قدرتنا على تطوير نظم الدفع التي لا يمكن أن تصل إلى هذه العوالم فحسب، بل أيضا تعمل بشكل موثوق عند وصولها، إذ أن تصميم محركات الصواريخ للبيئات الخارجية للبحار هو تحد معتدل من الهندسة الأرضية، وكل كوكب في نظامنا الشمسي يشكل مزيجا فريدا من التركيبة الارتفاعية، ودرجات الحرارة، ودرجات الحرارة، والتغيرات الكيمائية التي يمكن أن تتدهورها.

ويبحث هذا التحليل الموسع التحديات البيئية التي تواجه تصميم محركات الصواريخ لكوكب أخرى، والاعتبارات الهندسية الرئيسية التي تدفع باختيار المواد وهيكل النظم، والتكنولوجيات المتطورة التي يجري تطويرها لمواجهة هذه التحديات، والاتجاهات المستقبلية للدفع الكوكبي، ويُعتبر فهم هذه العوامل أساسياً لمخططي البعثات الذين يجب عليهم أن يكفلوا بقاء كل عنصر من عناصر غرفة الاحتراق إلى حجرة الإبهار وأن يؤدوا عملاً بشروط من شأنها أن تدمر بسرعة المحركات الأرضية التقليدية.

التحديات البيئية في المناطق الأخرى

وتفرض كل هيئة سماوية مجموعة متميزة من ظروف التشغيل، وتوضح الأمثلة التالية المبالغ القصوى التي يجب أن يحسبها مهندسو الدافع.

المريخ: الغلاف الجوي، الملتوي المتطرف، والدببة الأبرشية

فالمريخ يعاني من ضغط سطحي يبلغ متوسطه نحو 0.6 في المائة من ضغط سطح الأرض، ويتألف من نحو 95 في المائة من ثاني أكسيد الكربون، و2.7 في المائة من النيتروجين، و1.6 في المائة من الأرغون، ويمكن أن تتأرجح درجات الحرارة عند خط الاستواء من ارتفاع يومي قدره 20 درجة مئوية إلى درجة حرارة ليلية تبلغ - 80 درجة مئوية، وفي القطبين اللذين يمكن أن تهبطا إلى - 195 درجة مئوية.

Low-pressure combustion:] Traditional rocket motors rely on ambient pressure to settle combustion. On Mars, the low ambient pressure can cause flameout or instability unless the motor is designed to operate with a high-pressure drop across the injector or uses a pressure-fed cycle.
Cryogenic fuel management:] Liquid oxygen (often used as an oxidizer) boils at -183°C at Earth ambient pressure. On Mars, the cold environment can help maintain cryogenic temperatures, but the fuel tanks must be heavily insulated to prevent boil-off during the long transit and landing sequence.
Dust contamination:] Engines that use ambient air (for ISRU-based propulsion) must filter out fine particles that can ero compressor blades and nozzle throats.

Venus: Crushing Pressure, Scorching Heat, and Corrosive Clouds

وكثيرا ما يوصف الزهر بأنه توأم الأرض، ولكن ظروفه السطحية هي جحيم، فالضغط السطحي هو ٩٢ بارا )حوالي ٣٥٠ ١ بيس(، ودرجات الحرارة حوالي ٧٦٤ درجة مئوية، ويهيمن على الغلاف الجوي ثاني أكسيد الكربون بسحب سميكة من حمض الكبريت، وعلى ارتفاعات عالية، فإن الضغط ودرجة الحرارة تناهز نحو ٠٥ كيلومترا، بينما يتجه الضغط نحو ١ باونج.

Extreme thermal loads:] Any motor operating on the surface or in the lower atmosphere must withstand sustained temperatures that exceed the melting point of some metals. Traditional aluminum and steel alloys flen fast above 400°C. High-temperature superalloys like Inconel 718 orobrium alloys needed
Corrosive chemistry:] Sulfuric acid and other reactive compounds attack most metals and polymers. Engine materials must be resistant to acid attack, sometimes requiring gold or platinum coatings on critical components.
High pressure:] The dense atmosphere creates enormous backpressure on the motorzzle, which reduces momentum efficiency.
Cooling challenges:] At 467°C, passive cooling is almost impossible. Active cooling systems using exotic working liquids or heat pipe pipes are required to keep the motor core within operating limits.

Titan: Dense, Cold Atmosphere of Methane and Nitrogen

وتيتان القمر في زحل له مناخ سميك (1.45 بار على السطح) يتألف أساسا من النيتروجين (95%) والميثان (5%) ودرجة الحرارة السطحية هي درجة حرارة -179 درجة مئوية.

درجة حرارة الأرض: ] جميع المواد تصبح رطبة في درجات حرارة مسببة للبرد، ويفقد الذرّون المرونة، ويمكن أن يسبب الانكماش الحراري ثغرات في الفقمات، ويجب أن تكون المحركات مهيأة أو مصنوعة من مواد ذات معامل توسّع حراري منخفضة.
Methane as a fuel:] Titan’s atmosphere itself could be used as a propellant source. A nuclear-powered motor could heat methane to produce driven, or a chemical motor could burn methane with oxygen produced from water ice. However, methane combustion in a nitrogen-rich atmosphere may not be efficient without an oxidizer.
Atmospheric density:] The high density (about four times Earth’s) means that aerodynamic heating during descent or low-titude flight can be significant despite the cold. Propellers or rotors may be more efficient than rockets for surface mobility, but for column takeoff and landing, motors overheating the air without fish.

الاعتبارات الرئيسية المتعلقة بالتصميمات الخاصة بالمحركات الصاروخية الخارجية

وإلى جانب التحديات المحددة لكل بيئة كوكبية، تنطبق عدة مبادئ تصميم عالمية على أي محرك يقصد به العمل خارج الأرض.

مقاومة التأزم

ويجب أن ينجو المحركات من درجات حرارة تبلغ مئات الدرجات، ويجب أن يكون المحركات قادرة على إحداث حرارة في درجة الحرارة تتراوح بين 80 درجة مئوية (أو أكثر برودة) ثم تعمل في درجات حرارة الاحتراق التي تتجاوز 500 2 درجة مئوية في الغرفة، وفي موقعنا، يجب أن تتسامح مع درجات الحرارة المحيطة فوق 400 درجة مئوية طوال مدة البعثة.

المقاومة

فالتفاعلات الكيميائية بين مواد المحركات والغلاف الجوي الكواكبي يمكن أن تسبب تدهورا سريعا، ففي المريخ، يمكن أن يتحول وجود المكلورات في التربة إلى نظم للمحركات، وفي الزهر، يهاجم الأحماض الكبريتية كل شيء تقريبا، ويستخدم المحركات السكك الحديدية السطحية النيكلية (مثلا، هاستيلو، إنكونيل) لمقاومتها للأكسدة والهجوم الأحماض.

التسامح إزاء الضغط

ويجب أن تكون للمحركات المصممة لبيئة عالية الضغط مثل فينوس جدران سميكة وختمات قوية يمكن أن تصمد أمام الضغط الخارجي دون التصادم، وعلى العكس من ذلك، فإن محركات البيئات المنخفضة الكساد مثل المريخ يجب أن تكون قادرة على البدء والعمل دون فائدة من الضغط المحيطي لتثبيت الاحتراق، ويتطلب التفريغ المميزات الخاصة (مثلا، وضغول الكهربي أو التفاخنة).

كفاءة الوقود واختيار المؤيدين

وكل كيلوغرام من الوقود الذي يجب نقله من الأرض يضاف إلى تكاليف الإطلاق، وبالنسبة لبعثات طويلة الأجل، يصبح استخدام الموارد في الموقع أمراً حاسماً، ففي حالة المريخ، فإن إنتاج الأوكسجين من الغلاف الجوي (مثل الكهرباء الموكب لثاني أكسيد الكربون) يمكن أن يوفر متغيراً في استخدام محرك أكسيد الميثان - المادة 1، وفي حالة التيتان، فإن إنتاج الميثان من الغلاف الجوي أو البحيرات يمكن أن يخدم

الإدارة الحرارية

إن إدارة الحرارة تحد من جانبين، وعلى الكواكب الساخنة، يجب أن يرفض المحرك حرارة النفايات حتى عندما تكون درجة الحرارة المحيطة فوق نقطة الغلاية من المياه، ويصبح التبريد الإشعاعي غير فعال عندما تكون البيئة ساخنة بالفعل، وتشمل تكنولوجيات التحكم الحراري المتقدمة ما يلي:

Regenerative cooling:] Fuel is circulated through channels in the combustion chamber and nozzle walls to absorb heat before injection. This approach works well on Earth but become more complex with cryogenic propellants in cold environments where fuel may freeze before entering the chamber.
Film cooling:] A little layer of cooler gas or liquid is injected along the chamber walls to protect them from hot combustion gases. This reduces overall efficiency but can be necessary for extreme heat loads.
Hat pipes and cycle heat pipes:] These passive devices transfer heat from the motor to a radiator using phase change. On Venus, heat pipe pipes must use high-boiling-point working liquid metals (potassium, sodium) that remain liquid at 400°C.

تصميم مهندسين

وقد فتحت التطورات الأخيرة في المواد، والصناعة التحويلية، ونظم المراقبة إمكانيات جديدة لمحركات البيئة القصوى.

مركبات مطاطية مركّبة عالية الطبع

وتمنح هذه المراكز، مثل سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي، التي تعمل على إزالة الألياف، قوة عالية، وكثافة منخفضة، واستقرار حراري ممتاز يصل إلى ٤٠٠ ١ درجة مئوية في بيئات الأكسدة، وهي تنظر في تمديدات الزلازل، وزيارات توربينية في محركات يجب أن تتحمل حرارة الاحتراق وجو الحرق الحاد في الزهري لا يُحتمل.

Radiation-Hardened Electronics and Sensors

وتعتمد المحركات على أجهزة الاستشعار )الضغط، ودرجة الحرارة، ومعدل التدفق( والمحاضرات )الصمامات، ومراقبة ناقلات الدفع( التي يجب أن تنجو ليس فقط من المتطرفات البيئية بل أيضا من الإشعاع الكوني، وعلى سطح الكوكب دون حقل مغناطيسي قوي )المريخ، فينوس(، تتعرض الأجهزة الالكترونية للأشعة الكونية الشمسية والجراتية.

نظم الوقود المتوافقة والتكامل مع الاتحاد الدولي للإنشاء والتعمير

أما المفاهيم المستقبلية للكوكب فستعتمد بشكل متزايد على إنتاج الوقود والأوكسيديوز من الموارد المحلية، ففي حالة المريخ، فإن اختبار استخدام الموارد في الموقع قد أثبت بالفعل إنتاج الأوكسجين من ثاني أكسيد الكربون، حيث إن توسيع نطاق هذا الإنتاج لإنتاج أطنان من الوقود يتطلب نظماً للتحلل الكهربائي والسلوك تربط مباشرة بالمحرك، وتشمل التحديات معالجة الأوكسجين البكتري عند ارتفاع الضغط.

التصنيع الإضافي والرسم السريع

كما أن طباعة المعادن من 3D (إدماج سرير مسحوق الأنهار) تتيح إنشاء قنوات معقدة للتبريد، ووجوهات الحقن ذات المكوِّنات المتكاملة، وأقواس هيكلية خفيفة الوزن يتعذر استخدامها آلياً، وبالنسبة للمحركات الكواكبية، فإن ذلك يعني تشديد التسامح، وانخفاض عدد الأجزاء، وقصر دورات التطوير.

دراسات الحالات: دروس من البعثات السابقة والحاضرة

وقد حاولت عدة بعثات تاريخية تشغيل محركات على كواكب أخرى، مما يوفر بيانات لا تقدر بثمن.

The Viking Landers (1976)

وكان كل من فيكينج 1 و2 يحمل محركاً من أصول الهيدروزين (المروحية) لإبطاء المركبة الفضائية أثناء الهبوط، وكان على المحركات أن تبدأ في الغلاف الجوي المريخي الرقيق عند درجة حرارة منخفضة، واستخدموا تحلية حفازة من الهيدرازين، وهي مادة طفيفة ويمكن أن تبدأ حتى عند - 40 درجة مئوية.

مختبر علوم المريخ (الكوري، 2012)

وقد استخدمت بعثة MSL نظاماً لهبوط رافعات السماء استخدم ثمانية محركات قابلة للصدمات المتغيرة (محركات الهبوط المزروعة، المحركات التي أحرقت الهيدرازين ورابع النتروجين في رد فعل فائق، مما سمح بتصميمات دقيقة دون تعقيدات من المضخات المسببة للاضطرابات، وقد عملت المحركات من ارتفاع 20 متراً إلى آخر.

فينيرا لاندرز )الولايات المتحدة الأمريكية، ١٩٧٠-١٩٨٠(

وقد نجحت سلسلة الزهرة السوفياتية في الهبوط في في مدينة فينوس ونجوت لمدة تصل إلى ساعتين في البيئة السطحية، وفي حين أن وحدات الصواريخ في حد ذاتها لا تستخدم المظلات والمكابح الهوائية، فقد كانت أجهزة الإلكترونية في مركب ضغط التيتانيوم، وبردت بواسطة نظام مستقل لمراقبة الحرارة، وبالنسبة لمحركات الزهرة في المستقبل، توفر بيانات الفينيرا متطلبات خط الأساس:

الاتجاهات المستقبلية للإسقاطات الخارجية

وسيشهد العقد المقبل دفعة نحو نظم الهبوط الكواكبي القابلة لإعادة الاستخدام، ومستودعات الوقود القائمة على الاتحاد الدولي الثوري، ومحركات الطاقة النووية لاستكشاف الفضاء العميق.

نظم مراقبة المهندسين المستقلين

ويعني التأخير في الاتصالات مع الأرض أن محركات الكواكب يجب أن تكون ذاتية التنظيم، وأن النظم المستقبلية ستستخدم خوارزميات التعلم الآلات لرصد استقرار الاحتراق، وتعديل تدفق الوقود، وإعادة تشكيل قياسات هندسة الألغاز في الوقت الحقيقي، ويمكن أن تقيس أجهزة الاستشعار الضوئية المثبتة في غرفة الاحتراق درجة الحرارة والضغط عند مئات النقاط، وتغذي البيانات بنظام التحكم الذي يمكن أن يعوض عن التحلل الحراري.

استخدام الموارد في الموقع من أجل تنفيذ نظام الحكم على نطاق واسع

بالنسبة لمهمة بشرية إلى المريخ إنتاج الوقود على السطح ضروري لتقليل كتلة الإطلاق، وتصورات مثل مركبة المريخ (آسست) ستستخدم محركاً من السائل المولد من (إيسترو) و(إيزو) محركاً من السائل (إكسين) و(ماكسي) هو تطوير التكنولوجيا المشابهة لإنتاج 25-30 طناً من الأوكسجين، وتصميم نظام تخزين مسبب للوزن الضوء الذي يمكن أن ينجو من ليلة (مارثاين)

:: التكاثر الحراري النووي للمخططين الخارجيين

أما بالنسبة للبعثات التي تُوفد إلى تيتان أو نبتون أو قمر الجليد في المشتري، فإن الدافع الكيميائي يصبح غير عملي بسبب الطول الهائل المطلوب، فالصواريخ الحرارية النووية (التي تستخدم مفاعلاً من ألياف الغاز الحراري لتسخين الوقود الهيدروجيني السائل) يمكن أن تُستخدم مرتين في الدفع المحدد للمحركات الكيميائية، كما أنها يمكن أن تعمل في أي بيئة، حيث لا تعتمد على وجود أوكسجين متطور.

نظم الارشاد المتعددة الوسائط

وتكتسب البنايات الهجينة التي تجمع بين المحركات الكيميائية للهبوط/الركاز والكهرباء للمناورات المدارية أهمية، فعلى سبيل المثال، يمكن لمزرعة المريخ أن تستخدم محركات كيميائية للهبوط النهائي ثم تتحول إلى نظام للدفع بالطاقة الشمسية لنقل العودة، وهذا النهج المزدوج يتطلب تكاملا دقيقا لنظم تغذية الوقود وإدارة الطاقة، ولكنه يتوخى الكفاءة في العمل في مختلف مراحل نقل العودة.

خاتمة

إن تصميم محركات الصواريخ على الكواكب الأخرى هو أحد أكثر التحديات التي تتطلبها هندسة الفضاء الجوي، ومن الهواء البارد الذي يمتد من المريخ إلى الكبائن الحمضية العالية الكساد، ومن ثم فإن كل مهندس من قوى البيئة سيبتكر في حدود علوم المواد وتصميم الديناميكية، ومن ثم فإن التقدم في صنع المحركات المركبية المضافة إلى ذلك، سيزيد من قدرة المحركات على الابتكار.

Further reading:]