تصميم محركات قادرة على تشغيل مراكب متعددة من طراز البداية لموجزات البعثات المعقدة

تصميم محركات قادرة على تشغيل مراكب متعددة من طراز البداية - إيقاف تشغيلها من أجل موجزات البعثات المعقدة

ويتزايد الطلب على محركات النقل الجوي الحديثة، والدفاع، ونظم النقل المتقدمة التي يمكن أن تدوم العديد من دورات التشغيل الأولي مع الحفاظ على الأداء الذروة، وخلافا للمحركات المصممة لمواصلة التشغيل، يجب أن تُعالج المحركات المتعددة الدراجات مسارات الحرارة المتكررة، والضغوط الميكانيكية، والرسومات الحرقية دون تردي، وهذه المتطلبات حاسمة بالنسبة لمركبات الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام، والطائرات العسكرية، والتركيب المكثف، والبعثات الفضائية.

إن القدرة على الإشعال والركض والتوقف والإعادة إلى الظهور بشكل متكرر لا يمكن الاعتماد عليه فحسب بل هو عامل أساسي في التمكين من هياكل البعثات التي تعتمد على الطاقات النموذجية، أو على إعادة الإمداد بالوقود، أو على قدرات الاستجابة السريعة، وهذه المادة تستكشف التحديات الرئيسية، واستراتيجيات التصميم، والمواد، وأساليب الاختبار، والاتجاهات المستقبلية في تطوير محركات متعددة الدورات.

التحديات الأساسية في التصميم المتعدد القنوات

إن تصميم محرك يمكن أن ينجو من العديد من دورات التشغيل الأولي ينطوي على التغلب على عدة عقبات تقنية مترابطة، وتفرض كل دورة مجموعة فريدة من الحمولات التي تراكمت على حياة المحرك.

الإجهاد الحراري والفتيغ

ويسخن كل دورة محركات من محركات الكمين إلى درجات حرارة التشغيل التي تتجاوز في الغالب 1000 درجة مئوية في محركات عالية الأداء، ويبرد الإغلاق اللاحق هذه الأجزاء إلى أسفل، ويتسبب هذا التقلب الحراري المتكرر في التوسع والانكماش الذي يؤدي إلى التفشي الحراري، وقد تبدأ الرفوف في غرف الاحتراق، وجدران الزحف، وتخفف من آثار التحلل الحراري، وتخفف من حدة الآثار الناجمة عن التحلل الحراري.

العنصر:

وتزداد دورات وقف إطلاق النار على نظم الإشعال والصمامات والأختام والعلامات والمضخات، مثلا، فإن محركات الإشعال أو المشعل تتحول من كل عملية إطلاق، ويمكن أن تعاني مقاعد الصمامات من التأثير المتكرر والتشوه الحراري، وقد تتدهور حرائق الآلات بسبب التوسع الحراري المتباين أثناء عمليات التحول، بالإضافة إلى أن منتجات الحرق أو الحرق التي تعطل في المحركات قد تتسبب في وقت لاحق.

التحمل بعد عدة دورات

:: الحفاظ على مزيج دقيق من المواد ذات الأكسدة الوقودية وحرق ثابت بعد العديد من الدورات أمر صعب، إذ يمكن لنظم التكسير بالحقن وتآكل الأزهار والتغيرات في الهندسة الحجرية أن تحول ديناميات الاحتراق، وقد يؤدي ذلك إلى حدوث تذبذبات ضغط، أو احتراق غير كامل، أو تكريرات ساخنة، ويجب أن تتكيف نظم المراقبة مع هذه التغييرات، وكثيرا ما تستخدم التغذية العكسية من الضغط وأجهزة قياس درجات الحرارة لتكييفها.

الموثوقية وعدم القدرة على تحمل المسؤولية

فالبعثات المعقدة تتطلب درجة عالية من الموثوقية، وكل بداية هي نقطة فشل محتملة، إذ أن عدم الكشف عن الهوية يمكن أن يلغي المهمة أو يتسبب في فقدان المركبات أو يعرض الطاقم للخطر، ولذلك يجب تصميم المحركات بقوة وهامش ضد سيناريوهات أسوأ الحالات، ومن الضروري أن تحدد النماذج الجاهزة التي يتم التحقق منها عن طريق اختبارات واسعة النطاق مدى احتمال حدوث الفشل على عدد الدورات المطلوبة.

استراتيجيات التصميم على بدء التشغيل المتعدد

Engineers employ a variety of design techniques to overcome the challenges above. These strategies span materials selection, thermal management, ignition system design, and control algorithms.

المواد والتدوينات المتقدمة

إن اختيار المواد أمر حاسم، إذ أن عناصر القطع الساخنة (غرفة الاحتراق، والألم، والتروبين)، والطرق الخارقة القائمة على النيكل مثل إنكونيل 718 أو هاينز 230 شائعة بسبب قوتها العالية الحرارة ومقاومة الأكسدة، كما أن المكوّنات المركبة التي تستخدمها المكوّنات مثل قنبلة السيليكون التي تُنتج عنها مواد جذابة ذات حرارة عالية.

ويتيح التصنيع الإضافي (3Dطباعة) إنتاج قنوات التبريد الداخلي المعقدة التي كان من المستحيل القذف بها، مما يحسن الإدارة الحرارية ويقلل من عدد أجزاء، ويعزز الحياة في الدورة، وتستخدم شركات مثل الفضاء (الحيز) ومختبر الصخور (الروكيت) غرف الاحتراق المطبعة من 3D والمحاقن على نطاق واسع في محركاتها القابلة لإعادة استخدامها.

نظم الإدارة الحرارية والتبريد

فالتبريد الفعال يقلل من الضغوط الحرارية ويمتد من العمر المكوني، والتبريد الإبداعي هو تقنية موحدة: واحدة من الوقود الدفعي (الوقود الطبقي) تتدفق عبر الممرات حول المصباح والغرفة قبل الحقن، وتبريد الجدران، وتسخين الوقود، ويزيد أيضا من الكفاءة، وبالنسبة للمحركات المتعددة المراحل، يجب أن يكون نظام التبريد موثوقا به خلال مراحل التحول.

نظم الاشتعال الآلي

ويجب أن يضيء نظام الإشعال بشكل موثوق الغرفة الرئيسية في ظل مجموعة متنوعة من الظروف (التوتر، والضغط، ونسبة المخلوط) وتشمل الخيارات المشعلات (المخلفات التي توفر طائرة نفاثة تعمل بالغاز الساخن)، وملوّثات الشائكة، وسوائل الغليان (التهاك الذات) والأشعة الليزرية، وبالنسبة لدورات متعددة، فإن مضخات التغيّر تُفضّل بسبب تصميمها لملايين.

وثمة تقدم هام يتمثل في استخدام المضخات الكهربائية (الدفع الكهربائي المضخم) في بعض المحركات، مما يسمح بمراقبة دقيقة لتدفق الوقود أثناء بدء التشغيل ويتجنب تعقيدات دورات مولدات الغاز، ويجب التحقق من أي طريقة للضغط عبر النطاق الكامل للظروف المتوقعة، بما في ذلك الفراغ أو الضغط المخفض لبدء الفضاء.

العناصر النموذجية والقابلة للاستبدال

ولتقليل تكلفة دورة الحياة والوقت المتأخر، يُصمم العديد من المحركات المتعددة الدراجات بمكونات نموذجية يمكن تفتيشها والاستعاضة عنها بين الرحلات الجوية أو البعثات، وعلى سبيل المثال، فإن لوحة الحقن الرئيسية، وصمامات الوقود، ومساحات التوربين يمكن استخدامها، وهذا النهج شائع في مركبات الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام مثل محركات المكوك الفضائي الرئيسية (التي تُجرى فيها تجديدات واسعة النطاق بعد كل جيل).

اختبار وتقييم المحركات المتعددة القنوات

ولا يمكن لأي قدر من المحاكاة أن يحل محل اختبارات العالم الحقيقي عندما يتعلق الأمر بدورات البدء، ويشمل برنامج اختبار شامل اختبارات على مستوى العنصر، واختبارات بقاء نظام الإشعال، واختبارات إطلاق النار الكاملة على المحرك الساخن على امتداد دورات عديدة.

اختبار الحياة المعجل

ويخضع المهندسون لعناصر حاسمة في تسارع الدورة الحرارية والميكانيكية للكشف عن أنماط الفشل بسرعة، فعلى سبيل المثال، يمكن تسخين غرفة الاحتراق وتبريدها مرارا في جهاز اختبار لتحفيز مئات دورات البدء في غضون أيام قليلة، مما يساعد على تأهيل المواد والتصميمات قبل الاندماج، ويمكن أن تقدر النماذج الافتراضية التي تقاسها هذه الاختبارات حياة المحركات المفيدة.

محاكاة موجزات البعثات

ويجب أن يُعاد النظر في دورة العمل الفعلية للبعثة بأكبر قدر ممكن، ويشمل ذلك بالنسبة لمركبات الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام: التبريد قبل الإطلاق، والحرق الرئيسي، وملامح التفريغ، والرسومات المتعددة لإعادة استخدام المدار (للمناورات المدارية)، والحرق من المدار، والحرق من المدار، والحرق من الأرض، وكل مرحلة تفرض حمولات متميزة، وتسلسلات الاختبارات المتحكم فيها التي تُعدّ هذه الملامس ضرورية للتحقق من أداء النظام وتحديد أيّات.

رصد الصحة وتشخيصها

وتشتمل المحركات الحديثة على كميات كبيرة من أجهزة التكتل الحراري، ومنتجات الضغط، ومطياف التسارع، وقياسات الإجهاد - لرصد الصحة في الوقت الحقيقي، ويجري تحليل البيانات المستمدة من دورات متعددة لاكتشاف اتجاهات مثل زيادة تأخير الإشعال، أو تغيرات وقت الضغط، أو حدوث تشوهات في اليقظة، ويمكن لنهج الصيانة القائم على الظروف أن يُعَلِّم عنصراً للاستبدال قبل أن يفشل.

فعلى سبيل المثال، تشمل محركات نظام إطلاق الفضاء التابع لناسا الرصد الصحي الذي يتتبع مئات البارامترات خلال كل اختبار وحرق تشغيلي، وهذه البيانات حاسمة بالنسبة لتوثيق محرك الرحلات الجوية المتعددة.

تطبيقات المحركات المتعددة القنوات

وتطبق مبادئ التصميم المذكورة أعلاه على طائفة واسعة من الصناعات وأنواع البعثات.

مركبات الإطلاق القابلة للاستعمال

وأبرز تطبيقات هذه الصواريخ هو الصواريخ القابلة لإعادة الاستعمال، أما المرحلة الأولى من " ساكن فاكس فالكون 9 " فيؤدي إلى ثلاثة هبوطات ويمكن إعادة تدفقها مرات عديدة، وقد أثبت محرك ميرلين 1D أكثر من 000 1 دورة بداية في الاختبارات الأرضية والمئات في الرحلات، وقد صمم محرك " سبين ستارسي " على عشرات الآلاف من الدورات التي لا تتجاوز الحد الأدنى من الصيانة.

Reusability drastically reduces launch cost, but it places extreme demands on motor durability. According to a ]NASA article on reusable rocket systems], achieving multiple starts without extensive refurbishment is the key technical hurdle.

النظم العسكرية والدفاعية

وكثيراً ما تتطلب محركات الطائرات العسكرية، ولا سيما المركبات الجوية غير المأهولة والطائرات العمودية، دورات سريعة للتوقف عن بدء التشغيل لأسباب سرقة أو تكتيكية، فعلى سبيل المثال، قد يلزم إغلاق الذخائر الملتقطة وإغلاقها مراراً وتكراراً لحفظ الوقود أو تجنب الكشف عنها.() وتشترك محركات توربين ذات نظم عالية الضغط للهواء النزيف.() وقد استثمرت وزارة الدفاع التابعة للولايات المتحدة كثيراً في [FLT:

كما أن محركات توربين الغاز البحري تشهد دورات متوقفة على بدء التشغيل في عمليات الموانئ أو تقلب الطاقة الكهربائية، ويجب أن تكون هذه المحركات قادرة على الإسراع بسرعة من العاطلة إلى الطاقة الكاملة، وتشمل التصميمات توربينات الغازات الجاهزة التي توفر الهواء المضغوط للضغط على المحرك الرئيسي، على غرار الطائرات.

نظم النقل المتقدمة والنُظم الهجينة

وتعتمد مركبات الخلايا الكهربائية والوقودية الهجينة على دورات التشغيل الأولي لجزء محركات الاحتراق الداخلي، وبينما تعمل هذه المحركات بدرجات حرارة أقل من محركات الصواريخ، فإن التحميل المكرر لا يزال يسبب ارتدائه، وإلغاء المصابيح ونظم التوقف والضغط المتجدد، وفرض جميع دورات الحرارة والميكانيكية.

كما أن القطارات السريعة، ولا سيما تلك التي تُستخدم في حملات الديزل أو الكهرباء الكهربية الغازية، تحتاج أيضا إلى قدرة متعددة المراحل موثوقة للعمليات الحضرية والضواحي التي تتطلب توقفا متكررا.

الاتجاهات المستقبلية في التصميم المتعدد القنوات

وما زالت البحوث والتطوير تدفع حدود ما هو ممكن، وعد العديد من الاتجاهات بأن تجعل المحركات أكثر قدرة على طلب البعثات.

التوائم الرقمية ومكافحة المخدرات

(أ) يمكن للمحرك، مع وجود نظام حاسوبي رقمي مركب إلكتروني مزود بمهندسين في مجال الاستشعار في الوقت الحقيقي، أن يحيّز آثار كل دورة من دورات البداية ويتوقّع بقاء الحياة، ويمكن للمحرك، مع نظم مراقبة الآلات، أن يكيّف تسلسله الأولي للتقليل إلى أدنى حد من الإجهاد الحراري القائم على الظروف الراهنة، وعلى سبيل المثال، يمكن تعديل توقيت الإشعال ومعدل المرتفاعي للوقود لخفض برامج التحاليل الحرارية.

مفاهيم جديدة للاحتراق

وتستخدم محركات التفجير الدوارة موجة تفجيرية تسافر بشكل خاطيء، وتوفر كفاءة أعلى ومقياساً جغرافياً أبسط، ونظراً إلى أن محركات التفجير يمكن تشغيلها من النبض، فإنها قد تُقرض بطبيعة الحال لدورات بدء متعددة، غير أن الإدارة الحرارية والتوافق المادي لا تزالان تشكلان تحديات، وقد تم اختبار محركات تفجير نبضات (PDEs) من أجل تكرار عمليات إطلاق النار، ولكن الحاجة إلى ذلك.

مواد الصحة الذاتية

ويستكشف الباحثون المواد التي يمكن أن تصلح المايكراكات الناجمة عن التدوير الحراري، وعلى سبيل المثال، فإن المركبات الخزفية مع عوامل الشفاء المدمجة التي تطلق عندما تتشكل الشقوق، مما يمكن أن يوسع الحياة التي يمكن استخدامها في غرف الاحتراق والألم، وفي حين أن مواد التعافي الذاتي يمكن أن تكون معادلة للألعاب بالنسبة للمحركات القابلة لإعادة استخدامها.

المواد الخضراء والنظم المبسطة

ويوفّر الميثان وبروكسيد الهيدروجين، وغيره من الوقود الدفعي " الخضر " مزايا لمحركات العجلات المتعددة، ويُحرق الميثان بصورة نظيفة بأقل قدر من السوائب والتكسير، ويقلل من تراكم الودائع بعد إغلاقه، كما أن أكسيد الهيدروجين هو مشغل أحادي يمكن أن يحفز على سرير حفاز، ويتيح نظما بسيطة جدا للراحة دون أن تُشعل الصارخ.

خاتمة

إن تصميم محركات قادرة على القيام بدورات متعددة لإيقاف البدء يشكل تحديا متعدد التخصصات يتطلب الابتكار في المواد، والإدارة الحرارية، ونظم المراقبة، والاختبارات، ونظرا لأن الطلب على نظم الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام، ومنابر الاستجابة السريعة العسكرية، ونمو النقل العالي الكفاءة، فإن أهمية المحركات المتعددة الدورات القوية لن تزيد إلا، ويجب على المهندسين أن يواصلوا صقل استراتيجيات التصميم النهائية القائمة، مع استكشاف نماذج جديدة للاحتفاظ بالأرقام القياسية.

ومع الاستثمار المستمر في البحث والاختبار، سيفي الجيل القادم من المحركات بالموجزات المعقدة للبعثات في الغد، وسيعمل بشكل موثوق في أكثر البيئات احتياجا على الأرض وما بعدها.