تصميم نظم صدأ للبالونات والسفن الجوية ذات السعة العالية

دور الانطلاق في الرحلة الجوية الستراتوسفيرية

وتمارس المناطـرات والسفن الجوية ذات السعة العالية في الغلاف الجوي، حيث تراوحت عادة بين 18 كيلومترا و 50 كيلومترا فوق سطح البحر، وعلى عكس الطائرات التقليدية، تواجه هذه المركبات تحديات فريدة: الكثافة الجوية القريبة من الغلاف الجوي، ودرجات الحرارة المنخفضة إلى 60 درجة مئوية، والإشعاع الشمسي الشديد، ولا تقتصر نظم القاذورات لهذه المنصات على الانتقال من خلال الهواء الضعيف، بل يجب عليها أيضا أن تعوض عن الانجراف في الهواء، وتحافظ على قدرة المحطة، وتسمح بالمرون، وتسمح بالمرونة، وتضعفة، وتسمح بالمرونة، والمرونة، والمرونة، والمرونة، والمرونة، والمرونة، والمرونة، والمرونة، والمرونة، والمرونة، والمرونة.

وتختلف فلسفة التصميم اختلافا ملحوظا بين البالونات (التي تعتمد على الطفرة للرفع وتتطلب دفعاً أساسياً لمراقبة الارتفاعات والمناورات) والسفن الجوية (التي تولد رفعاً جوياً وتحتاج إلى دفعة مستمرة للتحرك الأمامي).

أساسيات جيل الصدأ في التركة

إن قوة الدفع هي القوة التي تدفع مركبة إلى الأمام، ففي الجو العلوي الرقيق، تحكم فعالية أي نظام للدفع كثافة السائل العامل، ونظام الدفع المدفوع ببرابلر، وينخفض الضغط بدرجة كبيرة لأن كتلة الهواء المتسارع في الثانية تنخفض بالارتفاع، فعلى سبيل المثال، فإن الدافع التقليدي الذي ينتج 1000 نون من الدفع في مستوى البحر لا ينتج سوى 10 نونات في 30 كيلومترا.

البارامترات الفيزياء الرئيسية

• Air density:] At 20 km, it is about 7% of sea-level density; at 40 km, it is less than 0.2%.
• Reynolds number:] Low Reynolds numbers reduce aerodynamic efficiency of blades and control surfaces.
• Specific impulse:] For chemical rockets, Isp increases at altitude due to lower back pressure, but for electric fluers, it depends on power availability.
• Propulsive efficiency:] Defined as useful momentum power divided by input power; at high altitude, matching the exhaust velocity to vehicle speed becomes critical.

التحليل المقارن لنوعات نظام الصدأ

وتقدم كل فئة من فئات الدفع مبادلات مختلفة عن المركبات في الغلاف الجوي، ويتوقف الاختيار على نوع البعثة (عملية حفظ المركبات مقابل النقل الطويل الأجل)، وميزانية الطاقة (المقبولة فقط ضد الهجين)، وحساسية الحمولة (الاحترار والتلوث).

أجهزة الدفع الكهربائية

والزواحف الكهربائية التي تحركها السيارات هي الخيار الأكثر شيوعاً للسفن الجوية الحديثة ذات الارتفاع العالي والبالونات الطويلة الأجل، وهي تستفيد من [(FLT:0]]] ارتفاع الكفاءة في الطاقة المنخفضة ، والتشغيل الهادئ، والتوافق مع صفائف الألياف الضوئية الشمسية، غير أنه يجب المبالغة في حجم الدافع (مقياس الطولي) والعمل في وحدات منخفضة التناوب للتعويض.

وقد أظهرت البحوث الأخيرة أن المدافعين عن طريق تعديل القذف الصاروخي الذي يمكن أن يتكيف مع تغير الكثافة الجوية أثناء الرئة، مما يتيح لدافع واحد أن يعمل بكفاءة من مستوى البحر إلى 30 كيلومترا، وثمة ابتكار آخر يتمثل في استخدام المراوح المحملة التي يمكن أن توفر زيادة طفيفة في الاتجاه، وذلك بمنع فقدان المعلومات في الهواء المنخفض الكثافة.

روكيت بروبلشن لرابيد أسنت والمناورات

وتستخدم محركات الصخور أساساً للبالونات عالية الارتفاع التي تتطلب تسلقاً سريعاً عبر التروبوباس والغلاف الجوي، والصواريخ الصلبة بسيطة وموثوقة، ولكنها ثقيلة ولديها قدرة محدودة على القذف، وتعطي الصواريخ السائلة مراقبة دقيقة للدفع والقدرة على إعادة التشغيل، ولكن تعقيد وكتلة المضخات والدبابات والصمامات هي عيوب كبيرة على ارتفاعات شديدة.

وقد تم اختبار الصواريخ الهجينة (الوقود المشبع بالأوكسيديزر السائل) في منابر البالونات التجريبية لأنها تجمع بين البساطة والتبريد، ويتمثل التحدي الرئيسي في العزل الحراري والتبريد في طبقة الستراتوسفير؛ وبدون التبريد الميسر، يمكن للمحركات أن تسخن بسرعة، ويجري دراسة حلقات التبريد النشطة التي تستخدم النيتروجين السائل أو الهيليوم.

Propulsion (Ion and Hall Thrusters)

وهذه التكنولوجيات الناشئة ذات الارتفاع العالي جدا )على بعد ٤٠ كيلومترا( حيث يكون الهواء رقيقا جدا بالنسبة للزواحف الكهربائية، ويستخدم الدافعون الأيون الحقول الكهربائية للتعجيل بالغاز المؤين، مما ينتج عنه دفعة منخفضة جدا، ولكن شديدة الازدحام )٠٠٠ - ٥ - ٠٠٠( ثانية، مما يجعلها مثالية لحفظ محطات الطول على متن سفن جوية عالية القدرة يمكن أن تولد طاقة شمسية واسعة )١٠ - ٢٠ كيلوواط( من صفائف كبيرة.

والمفاضلة هي انخفاض نسبة الدافع إلى الوزن، مما يعني أنه لا يمكن استخدامها في الرئة السريعة، وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن يعمل المهد المحايد بصورة موثوقة في البيئات المنخفضة الضغط والباردة، وقد أثبتت التجارب الأخيرة على متن البالونات العالية الارتفاع بدء تشغيل الدافع على بعد 35 كيلومترا.

الاعتبارات الرئيسية المتعلقة بالتصميمات الخاصة بنظم صدأ

وينطوي تصميم نظام للدفعات من أجل الغلاف المائي على تحقيق التوازن بين المتطلبات المتعددة والمتضاربة في كثير من الأحيان، ويُستثنى من ذلك معايير التصميم الرئيسية التي يجب على المهندسين أن يُحدّدوا إلى الحد الأمثل.

التكامل بين الوزن والبنى

The kilogram of propulsion equipment reduces payload capacity or operational altitude. Light weight materials are essential. Propeller blades, motor housings, and propellant tanks are often made from aluminum-lithium alloys, [FLbuT:2]]magnesium composites[Ftan4:]

المصدر وخزن الطاقة

وتعتمد النظم الكهربائية على صفائف الطاقة الشمسية وبطارياتها، وعلى ارتفاع عال، يبلغ الإشعاع الشمسي ما يزيد بنسبة 40 في المائة عن مستوى سطح البحر، ولكن يجب أن تكون الألواح خفيفة ومرنة لتجنب إضافة جر مفرط، وتبشر بطاريات سلفيوم وقوى بكثافة الطاقة، أما بالنسبة للصواريخ الكيميائية، فإن الطاقة تخزن في الوقود الدافع؛ ويحول التحدي دون تجميد الوقود الدافع - 8 في - 60 درجة مئوية.

الإدارة الحرارية

ويمكن أن يسبب البرد الحاد فقدان طاقة البطاريات، وسمك الوقود، ورش المواد، وعلى العكس من ذلك، فإن المحركات الكهربائية ومحركات الصواريخ تولد حرارة يجب رفضها، والتبريد الإشعاعي هو الخيار الوحيد في طبقة الستراتوسفير، بحيث يجب أن تكون أجهزة الإشعال كبيرة ومسموعة بدرجة عالية، وتستخدم مواد تغيير المسارات (الشمع الفاصل، على سبيل المثال) كعائق حرارية لتحميلات حرارية.

الموثوقية والتكرار

إن عدم وجود نظام للدفعات على بعد ٣٠ كيلومترا قد يعني فقدان كامل البعثة، حيث نادرا ما يكون الاستعادة ممكنا، فالسيارات والشاحنات الرادعة والبطاريات شائعة، وبالنسبة للسفن الجوية، فإن العديد من التصميمات تتضمن مروحتين مستقلتين أو أكثر مع حافلات مستقلة للطاقة، ويجب أن يكون نظام المراقبة قادرا على إعادة التوازن إذا فشلت وحدة واحدة، لتجنب السحب أو الانجراف غير الخاضع للمراقبة.

تحديات محددة في مجال التصميم والحلول الهندسية

وبالإضافة إلى التصميم العام، هناك عقبات فريدة تتطلب هندسة خلاقة، وكثيرا ما تواجه التحديات التالية في مشاريع الدفع العالية الاستعداد.

أداء المُبرِع في الهواء المنخفض

وتفشل قواعد تصميم محرك الدفع الموحد لمستوى سطح البحر على ارتفاعه، ويزداد معامل رفع قطرات من الملامح، ويزداد الجر المسبب زيادة كبيرة.

• Variable-pitch propellers:] Adjusting the blade angle to maintain opt angle of attack as density changes.
• High-solidity rotors:] Increasing blade area to capture more of the little air.
• Two-stage or tandem propellers:] Using upstream and downstream rotors to improve overall efficiency.
• Electric motor sizing:] Using motors with high torque capacity and advanced controllers to handle wide RPM ranges.

صواريخ تروت من طراز آرثر وقابلية الاحتراق

وفي ضغطات منخفضة في المحيط، يمكن لمحركات الصواريخ أن تعاني من عدم استقرار الاحتراق والبدءات الصعبة، ويجب أن يكون تصميم الحقن على الوجه الأمثل لبيئة الإشعال المنخفضة، ويجب أن تصمم نسبة التوسع في الأوزان بحيث تتناسب مع الضغط المحيطي المتوقع على ارتفاع العمليات، وتتسبب العواطف التي لا يُستفحل فيها بعد فقدان الأداء، ولكن الاختلاط المفرط يمكن أن يتسبب في فصل الوزن.

عملية المحايدة للكهرباء

وفي محركات الهالونات، توفر مُنذرة مُهَوَّلة للكهرباء لإحباط شعاع الأيون، وعلى ارتفاع عال، فإن ضغط المعلومات الأساسية (الجو المُتكرر) منخفض جداً جداً للحفاظ على تصريف النفايات في الهرائس التقليدية، وقد تم اختبار الهرَّب باستخدام نانووب الكربون أو المواد ذات الوظائف المنخفضة، و أساليب التأيون المُطوَّر

تخزين المواد الخام ونظم التغذية

وبالنسبة للصواريخ السائلة ومدافع الأيوني، يجب تخزين الوقود لمدة طويلة، وتركيب الوقود المبرد (الهدروجين السائل، والأكسجين السائل) مسألة رئيسية، وتزيد التبريد باستخدام أجهزة التبريد وزناً، ويتمثل أحد الحلول في استخدام سفن الضغط المتعددة السعة الضغط المفلورة [FLT] [FLT] [S-LT].

دراسات الحالة: نظم الدفع العالية الارتفاع القائمة

وتظهر عدة منابر العالم الحقيقي المبادئ التي نوقشت أعلاه، فدراسة هذه الأمثلة توفر نظرة عملية على خيارات التصميم الناجحة.

مسابقات ناسا للطول من أولترا لونغ مع مروجين كهربائيين

ويستخدم برنامج " ULDB " بالوناً عالي الضغط يمكن أن يبقى على بعد 100 يوم على مسافة 33 كيلومتراً، وبدلاً من الانجراف السلبي، جهزت ناسا نسخاً لاحقة بوحدتين من أجهزة الدفع الكهربائية (كل كل منهما كيلوواط) تعملان على خلايا شمسية ذات مقياس رقيق، وسمحت أجهزة الدفع بالاحتفاظ بمحطة على بعد 50 كيلومتراً، مما يتيح نقل الاتصالات والرصدات مستهدفة.

سفينة جوية إلى (إيدج) منصات الغلاف الجوي للطيران

وقد طورت الطائرات المروحية سلسلة من السفن الجوية الستراتوسفيرية الشمسية، حيث يستخدم متظاهروها من ارتفاع خط الاستقبال أربعة مراوح كهربائية للمراقبة الرأسية والأفقية، ويحسن المراوح المحملة في الهواء الخفيف من خلال منع فقدان النصائح وإتاحة نسبة ضغط أعلى، وتأتي الطاقة من صفيفة كهربائية طولها 10 كيلوواط وبطاريات الليثيوم.

تجارب الصواريخ المطلية بالون: النقطة الثانية في والوبس

وقد استخدمت بعثة برنامج المياه والصرف الصحي والنظافة الصاروخية في رفع صاروخ هجين صغير إلى ارتفاع 40 كيلومترا قبل إطلاق الصاروخ من أجل حرق مستهدف، وقد استخدم الصاروخ الهجين سداسي البروم (وقود ملح) وأكسيد النيتروز (أوكسيدي السائل) وشمل النظام حالة مركبية خفيفة الوزن ونوبل كربوني، وتحتاج البيئة الباردة إلى تسخين ضغط أكسيد النيتروز مع محركات الكهربية.

أساليب الاختبار والتأهيل

وقبل الطيران، يجب اختبار نظم الدفع تحت ظروف الغلاف الجوي المحاكاة، وهذا أمر صعب بصفة خاصة لأن غرف الفراغ الكبيرة التي يمكن أن تأوي محركات أو محركات الدفع الكاملة نادرة ومكلفة.

دوائر محاكاة خط العرض

ومعظم التطورات تحدث في غرف العرض التي يمكن أن تضخ إلى ضغوط تعادل 30 إلى 50 كيلومتراً وتبرد الجدران الداخلية إلى 80 درجة مئوية. أما بالنسبة للقاذفات، فإن مادة الاختبار مثبتة على محرك الدفع داخل الغرفة، ويندر الهواء داخلها، وبالتالي يجب أن يُحسب الاختبار أيضاً لعدم وجود أجهزة تكييف كهربائية عالية الكفاءة.

منابر اختبار بالون - بورن

وبالنسبة للتثبت من صحة الرحلات الجوية، يستخدم المهندسون بالونات اختبارية مخصصة ترفع من نظام الدفع الأولي إلى الارتفاع، ويشغل هذا النظام في طلقات قصيرة بينما تستخدم بيانات الأداء عن بعد (السلع والسرعة واستهلاك الطاقة) وقد استخدم هذا النهج لاختبار تصميمات جديدة للوقود ومحركات الكهرباء، وهذه الميزة هي التعرض المباشر للبيئة الجوية الحقيقية، بما في ذلك دورة الإشعاع فوق البنفسجية ودرجة الحرارة الداجنائية.

مبيدات الفلور الحاسبي (CFD) وحيازتها المتعددة الفيزياء

ويتوقف التصميم الحديث اعتماداً شديداً على البرمجيات المموَّلة من أجل التنبؤ بأداء المدافع عند أرقام منخفضة من الرايينولدز، ويجب أن تكون المحاكاة مزوّدة بديناميات سوائل ذات ميكانيكيات هيكلية (الرياح) وآثار حرارية، ولا تزال أدوات مثل الفرنكوفونية، وفلوريد الفلور، وسادسة السوارات تستخدم لتعظيم الأشكال الصارخة.

الاتجاهات المستقبلية في تصميم نظام صدأ

وسيتأتى الجيل القادم من نظم الدفع العالية الارتفاع من خلال التقدم في المواد، والإلكترونيات الكهربائية، والرقابة المستقلة، وهناك اتجاهات عديدة آخذة في الظهور.

نظم مراقبة التكيف والتعلم

ويمكن أن تؤدي خوارزميات التعلم الماكنة إلى تحقيق الحد الأمثل من ملعب الدافع، والآلية الآلية للتحكم بالحركة، والتحكم بالدفع في الوقت الحقيقي استنادا إلى علاوات الرياح، وتوافر الطاقة الشمسية، وأهداف البعثات، وقد برهنت عملية التعاضد العميق على محاكاة سفينة جوية متعددة الأبعاد تحافظ على موقعها على الرغم من تغير الرياح، ويمكن لهذه النظم أن تقلل استهلاك الطاقة بنسبة 20 إلى 30 في المائة مقارنة بالأجهزة الثابتة لمراقبة PID.

المحركات المتفوقة

ويمكن أن تحقق المحركات المتحركة الخارقة الكثافة الكهربائية أكثر من 10 كيلوواط/كغ ]، وهي تتجاوز كثيراً محركات المغناطيس الدائم التقليدية، وتقترن بمحركات التبريد ذات الوزن الخفيف التي تعمل على الطاقة الشمسية، يمكن لهذه المحركات أن تتيح نظماً أوسع نطاقاً للدفع بالنسبة للسفن الجوية الثقيلة، ويختبر الباحثون محركات الرشاقة الصغيرة في ظروف الفراغ.

التنفيذ المتكامل وتخزين الطاقة

وبدلاً من البطاريات والسيارات المنفصلة، يمكن أن تُدرج التصميمات المقبلة تخزين الطاقة مباشرة في الإطار الهيكلي للسفن الجوية أو بالونات، مثلاً، يمكن إدماج خلايا الليثيوم في نسيج الظرف، ووفر الوزن والحجم، وبالمثل، يمكن طباعة الخلايا الشمسية مباشرة على نظام الدفعات، وهذا ] [Fimplitic paras.1]

مروجين أخضر لصواريخ بالون

وتُعدّ مواد الدفع التي تستخدم الهيدروجينات ذات القاعدة العالية السمية وتُنظَّم، ويجري تطوير بدائل مثل أكسيد الهيدروجين وأكسيد النيتروز والتركيبات التي تستند إلى الأمونيوم، وهي تعرض سمية أقل ودفعاً مماثلاً أو أكثر تحديداً، ويتمثل التحدي في زيادة درجة حرارة التحلل والتوافق مع المواد، ويمكن إطلاق الصواريخ التي تطلق بالونات باستخدام الوقود الأخضر من مواقع أكثر دون حدود أمان صارمة.

خاتمة

وتتطلب نظم توجيه التعبئة للبالونات والسفن الجوية ذات السعة العالية فهما عميقا للبيئة الشديدة، ومبادلات دقيقة بين الدافع والوزن والطاقة والموثوقية، وتهيمن نظم الدفع الكهربائي على البعثات الطويلة الأجل، بينما توفر الصواريخ الكيميائية الدافع السريع اللازم للارتفاع السريع، وتعود تكنولوجيات الدفع الكهربائي الناشئة بزيادة قدرات البعثات.

وبالنسبة للمهندسين الذين يدخلون هذا الميدان، فإن المفتاح هو معالجة نظام الدفع بأكمله كجزء متكامل من المركبة، وليس بعد التفكير، وكل عنصر من العناصر المتحركة؛ ومن اللافيد المؤدي إلى إدارة الطاقة الكهربائية، والكمائن، والمستوى الأمثل للمجالات الرقيقة الباردة والعادية من الستراتوسفير، مع توخي الدقة في التصميم والدقة، فإن نظم الدفع هذه ستفتح كامل إمكانات المنصات العالية.