تصميم نظم صدأ لمكونات المركبات الفضائية القابلة للاستعمال

التحدي الهندسي لنظم صدأ قابلة لإعادة الاستعمال

إن تطوير نظم الدفع لمكونات المركبات الفضائية القابلة لإعادة الاستخدام يمثل أحد أكثر الحدود الهندسية احتياجا في الفضاء الجوي الحديث، وخلافا للصواريخ المستهلكة، حيث يُستخدم المحرك مرة واحدة ويُستَرَد من تصميمه، وينبغي أن ينجو من تصميمه على نحو متعدد، ودورات الهبوط، مع الحفاظ على الأداء شبه الشهيري، وهذا التحول من تصميمهات ذات الاستخدام الواحد إلى هيكل قابل للانتعاش، هو أمر يُعزى إلى ضرورة اقتصادية مُتُتُتُتَتَتَتَتَ إلى حد كبيرَتُتُتَتُتُتُتَتَتُها.

أولويات التصميم الأساسية للقابلية للاسترداد

وعندما يُصمم نظام للدفع بحيث يعاد استخدامه، فإن الأولويات الهندسية تتحول من الأداء النقي (الدفعة المحددة، نسبة الدفع إلى الوزن) إلى ثلاثية متوازنة: [التحليل الكامل] ، [الاستصلاحات السريعة]، ] القابلية للاحتفاظ ، و[العاملة المحدودة للصدمات] [الاستصلاحات]

الصراخ الحراري والحياة الفاتية

ويعاني نظام الدفع القابل للانتعاش من التحول الحراري الشديد، إذ يعمل محرك سائل نموذجي بدرجة حرارة الاحتراق تتجاوز 3000 درجة مئوية (5400 درجة ف)، بينما قد تُدرج الهياكل المحيطة درجات الحرارة التراكمية المنخفضة إلى 183 درجة مئوية.

القروض الهيكلية والتأشيرات

ويجب أن تصمد نظم الدفع أثناء إطلاقها، في اليقظة الشديدة والآلية من عدم الاستقرار، وتقلبات تدفق الوقود، واستبدال أجهزة التحكم بالكهرباء الهوائية، وضبط هذه الأجهزة دون تطوير شقوق أو مفاصل حرجة، واستخدام المحركات المتحركة المتينة، وضبط أنماط التحميل المشتعلة، وأجهزة الإضاءة ذات التأثيرات الحادية.

اختيار المواد للحياة الموسعة

إن اختيار المواد يجعل أو يكسر نظاما للدفع قابلا للتداول، إذ يمكن للمحركات ذات الاستخدام الوحيد أن تستغل المواد التي تتحلل بشكل مجيد خلال دقائق قليلة، ولكن النسخ القابلة لإعادة الاستخدام تتطلب السكك الحديدية والمركبات التي تحتفظ بالقوة بعد مئات الدورات الحرارية، وتشمل المواد الأساسية المستخدمة اليوم المكوّنة من النيكل الخارق (مثلا، خط الحرق 718)، وسبيكة التيتانيوم، وكلها

السوبالويين الناكل والبذور اللامعة

(ب) إن الإكتان 718 هو مجموعة من محركات الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام، التي تستخدم على نطاق واسع في المكوك الفضائي الرئيسي، وتستمر في التصميمات الحديثة مثل الرابت، وتحتفظ بقوتها العالية حتى 700 درجة مئوية وتقاوم التكديس والتآكل، غير أن التصميمات السميكة لا تستخدم إلا عندما تتطلب الظروف درجة حرارة عالية ومقاومة للإجهاد.

المحاور النحاسية لدوائر الاحتراق

The combustion chamber liner directly contacts the hot gas, often reaching temperatures above 3000°C. To survive, the liner is made from high-conductivity copper alloys such as NARloy-Z (a silver-zirconium-copper alloy) or Glenn-Cop (a copper-nickel alloy) these materials conduct heat efficiently into the regenertric temperature to waste

Ceramic Matrix Composites

وبالنسبة للمناطق ذات أعلى درجة من الحرارة - مثل امتداد الأوزان أو منطقة الحلق - مركبات ثنائي كلوريد الكربون مثل ألياف السيليكون المقوى، فإن تركيبات النسيج المقوى على أساس النسيج، هي عوامل استثنائية للاستقرار الحراري والوزن الخفيف، ويمكنها تحمل درجات الحرارة عند 1500 درجة مئوية مع التبريد النشط أو 2000 درجة مئوية مع التبريد الإشعاعي.

الكفاءة المحتملة واختيار دورة المحرك

Efficient combustion is crucial for maximizing the payload capacity of any launch vehicle, but for reusable systems, efficiency also reduces thermal loads and wear. The motor-whezer open (gas-generator) or closed (staged combustion or expander) —directly impacts the thermal environment and maintenance requirements.Fbull

التبريد المتجدد وتبريد الأفلام

وتعتمد المحركات القابلة للتداول اعتماداً كبيراً على التبريد التجددي، حيث يعمم أحد المحركات )الوقود المطبعي( من خلال القنوات في الغرفة والنور قبل أن يتم حقنه، وهذا يبرد الجدران ويشعل الدافع ويحسن كفاءة الاحتراق، ويجب أن يكون قياس قناة التبريد على الوجه الأمثل لمنع البقع الساخنة والحفاظ على درجة حرارة ثابتة من الحرارة.

الابتكارات التكنولوجية التي تتيح إمكانية الاسترجاع

وقد جعلت عدة اتجاهات تكنولوجية رئيسية من عمليات إعادة الاستخدام نظماً للدفع قابلة للتداول. التصنيع التراكمي (3Dطباعة) كان مغيراً لللعب، مما قلل من عدد أجزاء من آلاف إلى عشرات، ويتيح قياسات جغرافية داخلية معقدة كان من المستحيل تركيبها آلياً، وعلى سبيل المثال، يستخدم محرك " آرويتز " RL10 " 3D-طباعة في الوقت

التشخيص المستقل ورصد الصحة

ومن بين أكثر الابتكارات تأثيراً دمج نظم الرصد الصحي المسموعة .() ولا تُستخدم هذه المحركات الحديثة القابلة لإعادة الاستخدام إلا بمئات أجهزة الاستشعار التي تقاس درجة الحرارة والضغط والهزاء والإجهاد في المواقع الحرجة.() ولا تُستخدم الخوارزميات التعليمية هذه البيانات إلا في وقت قريب من الزمن للكشف عن وجود أورامل متطورة.

الاختبار والتصديق على إعادة الاستخدام

ولا يمكن أن يدخل نظام الدفع القابل للتداول في الخدمة دون اختبار شامل، ويشمل مسار التصديق اختبارات المستوى المتوائم [تجريب محركات زراعية، أو محمولة، أو محارق اختبارية] تحت درجة الحرارة ودورات الضغط التي تتجاوز بكثير حمولات الرحلات الجوية المتوقعة.

التجديد والتصديق

وبعد كل رحلة، يتم تفتيش المحركات القابلة لإعادة استخدامها وتنظيفها، وكثيرا ما يتم تفكيكها لأغراض التقييم غير التدميري مثل التصوير بالأشعة السينية، والاختبار فوق الصوتي، والمسح الحالي، والمكونات الحرجة ذات الحدود الحياتية المعروفة مثل الأقراص المطاطية وأجهزة الاحتراق - يستعاض عن هذه المعايير بالجدول الزمني المستمد من تحليل البيانات الاختبارية.

الاتجاهات والتحديات المستقبلية

(ب) النظر إلى المستقبل، فإن الحدود التالية هي محركات ذات مراحل أعلى قابلة لإعادة استخدامها ، التي يجب أن تعاد صياغتها مرات متعددة في الصفر وتعمل على مستويات أعلى من الأداء، وهذا يتطلب تصميمات خفيفة دائمة يمكن أن تنجو من كل من المناورات المرنة والمحتملة.

وثمة تحد رئيسي آخر هو: () التكافؤ بين التكلفة والنظم المستهلكة [(FLT:1]) وبينما يمكن أن تتدفق المحركات القابلة لإعادة الاستخدام بصورة متكررة، فإن تكلفة التجديد لكل رحلة يجب أن تكون جزءا من تكلفة المحرك الجديد للاقتصادات للعمل، وتستخدم الشركات مثل الفضاء القابل للارتداد طباعة واسعة النطاق من 3D لخفض تكاليف إنتاج المحركات وتبسيط أساليب التعاون في مجال الصناعة،

خاتمة

(ب) أن تكون نظم توجيه [المركبات الفضائية القابلة لإعادة استخدامها] مسعى متعدد التخصصات يتطلب الابتكار عبر علوم المواد، وعلم الحرارة، وميكانيكيات هيكلية، ومحللات البيانات، وقد أدى الانتقال من محركات مستهلكة إلى محركات قابلة لإعادة استخدامها إلى خفض تكاليف الإطلاق بشكل كبير، ولكن إدخال مزيد من التحسينات في قابلية التشغيل والصيانة سيكشف عن بعثات أكثر طموحاً - بدءاً من الانتشار الساتلي المتواتر إلى عمليات التشغيل المتكاملة للمحركات.