تطور تقنيات قياس الصدمات في الهندسة الفضائية الجوية

تطور تقنيات قياس الصدمات في الهندسة الفضائية الجوية

إن قياس الدافع هو حجر الزاوية في هندسة الفضاء الجوي، مما يؤثر تأثيرا مباشرا على تصميم نظم الدفع واختبارها والتحقق من أدائها، ومن التجارب الصاروخية الأولى إلى التربوفينات الحديثة ذات القفز العالي، فإن القدرة على قياس الدافع بدقة قد دفعت إلى التقدم، وعلى مدى العقود، تطورت تقنيات قياس الدافع من الأرصدة الميكانيكية الفوقية إلى نظم رقمية متطورة قادرة على استيعاب القوى الدينامية ذات القدرة على إيجاد حلول ثانوية دقيقة.

ويخدم قياس الصدأ أغراضا متعددة: التحقق من أداء المحرك مقارنة بمواصفات التصميم، ونماذج توجيه المعايرة لمحاكاة الرحلات الجوية، ورصد صحة المحركات أثناء التشغيل، والتمكين من إجراء تعديلات في الوقت الحقيقي في نظم مراقبة الرحلات الجوية، وفي كل مجال، تختلف الدقة المطلوبة، وسلسلة النطاق، والتسامح البيئي، مما يؤدي إلى مجموعة متنوعة من نُهج القياس، ويتيح فهم التطور التاريخي سياق أفضل الممارسات الحالية ويبرز التحديات الهندسية التي لا تزال تشكل الميدان.

طرق قياس الصدأ المبكر: من الربيع إلى الأرصدة الهيدروليكية

وقد أجريت قياسات الدفع الأولى في أواخر القرنين التاسع عشر والعشرين، متزامنة مع فجر الرحلة والصواريخ التي تعمل بالطاقة الكهربائية، واعتمد المهندسون على نظم ميكانيكية بسيطة تترجم مباشرة القوة القارصة إلى عملية تشرد أو مقارنة للوزن يمكن قراءتها.

سقف الربيع وأرصدة الارتقاء

وكان أكثر الطرق استقامة هو رفع المحرك على محرك اختباري حر في التحرك إلى حد ما، حيث قاومت الحركة حركة الربيع المباركة، ولم يكن في حيلة الربيع، التي تقاس بمرشد أو تسجل على الطبل، سوى قراءة مباشرة للتوجه، وكانت هذه النظم غير مكلفة وسهلة البناء، ولكنها عانت من قيود هامة، هيستيريز، وحساسية الحرارة، وردة دينامية ضعيفة.

واستخدمت طريقة أخرى مبكرة توازناً في الشعاع، حيث وضع المحرك على جانب من العيار، وأضيفت الأوزان على الطرف الآخر إلى حين تحقيق التوازن، وفي حين أن الطريقة أكثر دقة من ربيع القياسات الثابتة، فإنها مُرهقة وغير ملائمة بطبيعتها لإجراء اختبارات دينامية، وكان على المهندسين أن يضبطوا الأوزان يدوياً أثناء كل نقطة اختبار، مما يجعلها بطيئة ومُعرِضة للخطأ البشري.

"هيدرويلك ثروست ستاند"

وفي الثلاثينات، بدأت خلايا التحميل الهيدروليكي تظهر في مرافق الاختبار، وفي هذه النظم، نقلت قوة الدفع إلى مدفع ضغط معروف من السوائل، وكان الضغط الناتج، الذي يقاس بمساحة منابر أو قياس ضغط، متناسبا مع الدافع، وكانت المقاييس الهيدروليكية توفر قياسا أفضل وأقل ترددات هستيرية من الينابيع، وقد تؤثر على درجة الحرارة العالية.

وكان أحد التطبيقات البارزة هو اختبار روبرت غودارد على تجاربه في مجال صواريخ الوقود السائل في نيو مكسيكو، وقد استخدم غودارد موقفاً من الدافع المحمل في الربيع مع قلم تسجيل آلي يتتبع صورة القوة على طبل متناوب، وعلى الرغم من بساطة هذه التشكيلة، فقد سمح له بمراقبة حالات عدم استقرار الاحتراق وجمع بعض البيانات الكمية الأولى عن دفع الصواريخ.

النهوض بالحرب: القواجيز والقروض

وقد عجلت الحرب العالمية الثانية في تطوير الفضاء الجوي، وبرزت الحاجة إلى قياس أكثر موثوقية ودقيقة للدفاع، وفتح مقياس المقاومة الرباطية في الثلاثينات، مقترناً بتطورات في الإلكترونيات، مهد الطريق أمام جيل جديد من أجهزة الاستشعار.

سلسلة مقاومة

وترتبط مقاييس السلاسل بالأعضاء الهيكلية في جهاز اختبار يُلغى فيه التحلل تحت الحمولة، حيث يمتد العضو أو يضغط عليه، والمقاومة الكهربائية لتغيرات المقياس على نحو خطي، وبوضع عدة مقاييس في شكل جسر للحيتان، تلغى آثار الحرارة، وتقابل مباشرة مركب الإنتاج القوة التطبيقية، وهذه النظم دقيقة للغاية، حيث تقل معدلات الارتطام عن 0.1 في المائة من القوى الكاملة.

وقد تم بناء محركات العجلات الأولية ذات الإطارات الصلبة الثقيلة وأجهزة قياس متعددة لقياس الدافع الحاد وأحياناً التحميل الجانبي، وشملت المعايرة تطبيق الأوزان المعروفة من خلال آلية مائية لتحفيز الدفع، وقد تم اعتماد التكنولوجيا بسرعة من قبل مصانع المحركات ومرافق الاختبار الحكومية، بما في ذلك اللجنة الاستشارية الوطنية للملاحة الجوية التابعة للولايات المتحدة.

خلايا اللوزات الكهربائية

وخلافاً لمقاييس الإجهاد، ظهرت أجهزة الاستشعار الفائقة الفطائر كبديل لقياس الدافع الدينامي، وتولد خامات من المواد الخزفية شحنة كهربائية عند التشديد على ميكانيكياً، وقد توفر أجهزة الاستشعار هذه فترات استجابة سريعة للغاية ويمكن أن تقيس القوى في النطاق الثاني الجزئي، وهي مناسبة بصفة خاصة لقياس الارتفاعات في الدفع العابر، والأحداث التي تصيب المحركات، والارتفاع الكبير.

وكثيرا ما يتم تجميع خلايا تحميل المركبات في أجهزة نقل متعددة العناصر يمكن أن تقيس في نفس الوقت قوة الدفع المحورية وقوتين جانبيتين من الاورثوغين، وقد أصبحت هذه القدرة حيوية لتحديد نوغاز الدفع المتحركة ومحركات الصواريخ المتحركة المستخدمة في تطبيقات القذائف والمركبات الفضائية، ويمكن لنظام نموذجي من الستينات، مثل جهاز Kistler 9331A، قياس ما يصل إلى 20 كيلو مترا فوق بمقياس التركمان.

نظم موازين القوة

وبغية قياس عناصر ناقلات الدفع بدقة، تم تطوير نظم توازن القوة، وهي تستخدم خلايا متعددة للحمولة مرتبة في شكل مكاني، وكثيرا ما تكون لها روابط مزدهرة للتقليل من التخاطب عبر الحدود، وبحل معادلة التوازن، يمكن للمهندسين أن يسويوا حجم واتجاه ناقلات الدفع، وكانت أرصدة القوة المبكرة آلية تماما، ولكن بحلول السبعينات، كانت تتضمن عناصر من قبيلة الإجهاد أو الفطيرة ثلاث درجات من الحرية.

وهذه النظم أساسية لاختبار نفق الرياح من نماذج الطائرات بكاملها التي تستخدم محركات حية، وكذلك لإجراء اختبارات أرضية لمحركات الصواريخ التي تتدفق من العادم المتباينة.() وقد قام مركز بحوث غلين التابع لوكالة الفضاء الوطنية () بتشغيل عدة أرصدة متعددة الضرائب لفحص الدفع الكهربائي، حيث يجب قياس مستويات الدافع المتحركة حتى بموجات مطاحنة مطونة بدقة أكبر من 1 في المائة.

الثورة الرقمية: اقتناء البيانات وبثها

وقد أدى إدخال نظم الحواسيب الرقمية واقتناء البيانات في السبعينات والثمانينات إلى تحويل قياس الدفع من عملية يدوية إلى حد كبير إلى تخصص آلي سريع.

اقتناء البيانات في الوقت الحقيقي

أما إشارات التطويع المتطورة من قياسات الإجهاد أو أجهزة الاستشعار الفائقة الفلزات، فتتم الآن رقمنة بواسطة محولات من قبيلة إلى أرقام، بمعدلات أخذ العينات تتجاوز 1 ميغاهرتز، ويمكن لنظم اقتناء البيانات ذات السرعة العالية أن تلتقط كل تفاصيل دورة المحرك، بما في ذلك تذبذب الضغط العابر والترددات الهيكلية.

وتجهز خلايا الاختبار الحديثة بمئات أجهزة الاستشعار التي تقيس درجات الحرارة، والضغوط، ومعدلات تدفق الوقود، والهتز، وتكوين غاز العادم، وتتزامن هذه القياسات في الوقت المناسب مع بناء صورة شاملة لأداء المحرك، وتقارن خوارزميات خفض البيانات بارامترات الدفع المصوبة، مثل استهلاك الوقود المحدد للزجاج، وتطبق التصويبات على الرطوبة الخلوية، ودرجة الحرارة، والآثار.

القياس عن بعد ومقياس الصدأ أثناء الرحلة

ومن أكثر جوانب قياس الدفع صعوبة الحصول على بيانات دقيقة أثناء الطيران الفعلي، وقد استندت اختبارات الطيران المبكر إلى تحليل ما بعد الطيران لأدوات الديوكات وبرامترات المحركات، وقد أتاح تطوير نظم القياس عن بعد في الخمسينات نقل بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي من الطائرات إلى المحطات الأرضية، واليوم، تحمل مركبات اختبار الطيران عشرات من جسور قياس الضغط على الجبال المتحركة والفول السوداني، ونقل بيانات الدفع عن طريق وصلات اللاسلكية المشفرة.

ويستمد قياس الدفع في أثناء الرحلة عادة من بارامترات المحرك مثل سرعة الصوف، وضغط المضخات، ودرجة حرارة الغاز العادم، إلى جانب نماذج محركية معيرة، غير أن القياس المباشر باستخدام خلايا تحميل على هدايا الجبال يستخدم أحيانا لإجراء اختبارات حرجة، مثل خلال التصديق على أجهزة الدفع العكسي أو التحقق من الأداء من متغيرات المحرك الجديدة.

التقنيات الحديثة والابتكارات

وفي العقدين الماضيين، زادت تكنولوجيات الاستشعار الجديدة والطرق الحسابية من تحسين قياس الدفع، لا سيما بالنسبة لنظم الدفع المتقدمة مثل الخراطيش، وقاذفات الأيوني، والصواريخ الهجينة.

Laser Doppler Vibrometry (LDV)

وتستخدم هذه المادة شعاعاً ليزرياً لقياس سرعة سطح مهتز، إذ يمكن أن يكون نمط الاهتزاز مرتبطاً بقوى الدفع التطبيقية من خلال وظيفة نقل معايرة، حيث تلغي هذه الطريقة غير المتنازعة الحاجة إلى أجهزة استشعار القوة المادية التي قد تغير ديناميات النظام.

في طلب واحد في جامعة مختبر (ساوثمبتون) للطيران السريع، تم استخدام الـ(دي في) لقياس الدفع من محرك صاروخي صغير بدافع إجمالي لا يتجاوز 50 نونية، وقد وفرت التقنية عرضاً للضمادات يتجاوز 20 كيلوهرتز، مما أدى إلى حدوث اختراقات غير مرئية لطبقات تقليدية.

الأساليب الميدانية الصوتية والضغوطية

ويمكن استنتاج هذا الثورست بصورة غير مباشرة من قياسات الضغط داخل محرك أو في عمود العادم، وفي الأصابع الصوتية، يكون الدافع هو جزء لا يتجزأ من الضغط وتدفق الزخم في طائرة الخروج، ومن خلال اقتحام مسبار للضغط عبر طائرة العادم وتسجيل ضغط بيتوت، يمكن للمهندسين إعادة بناء ملف الخروج والتوجه المكمّل.

وفي الآونة الأخيرة، استخدمت صفائف الميكروفونات أو مترجمات الضغط التي توضع حول السباكة لتقدير الدفع من خلال التراينغ الصوتي، ويتضمن توقيع الضوضاء على محرك الطائرات ذروة ترددات تتعلق بالتدفق الجماعي وسرعة الطائرات، ويمكن أن تنبأ نماذج التعلم الآلة التي يتم تدريبها على بيانات الدفع المتزامن والإشارة الصوتية من الصوت وحده، وهذا النهج جذاب بالنسبة للتركيب الدائم في الخلايا التجريبية التي قد تكون مكلفة.

الأساليب البصرية: قياس الجسيمات (PIV)

ويشتمل هذا النوع من المواد على تزييف التدفق مع الجسيمات الصغيرة وإلقاء الضوء عليها باستخدام الليزر المضاعف، وتلتقط الكاميرا صورتين على بعد بضع ثواني صغيرة، ويسفر التشريد الجسيمي عن السرعة المحلية، ومن خلال دمج ميدان السرعة على طائرة الخروج من النواة، يمكن حساب الاتجاه، بينما يستخدم الفيف في نماذج البحث بدلا من الاختبارات الروتينية، فإنه يساعد على توفير معلومات مكانية دقيقة.

وقد طُبِّق فيروس PIV على أجهزة الدفع الكهربائي مثل محركات الهال، حيث يكون الدافع صغيراً (اللوتونات إلى نيوتن) وجسيمات العادم هي أيون، وتحتاج التقنية إلى معايرة دقيقة، ولكنها تتجنب الخفض الميكانيكي الذي يمكن أن يشوه القياسات المنخفضة القوة.

Multi-Axis Thrust Stands for Electric Propulsion

وتولد نظم الدفع الكهربائي المستخدمة على السواتل والضوابط الفضائية العميقة زخما في نطاق الميكرويوتونات إلى المطاحن، ويتطلب قياس هذه القوى الصغيرة بما يكفي من الحلول أدوات حساسة ومستقرة للغاية، كما أن الدافع الرعوي الذي يتكون منه جهاز مدفع أقل من الدود، ويقاس حركته بمستشعر بصري أو كابيسي، هي منتشرة.

(ب) النظم التجارية، مثل [(FLT:0]NASA GRC Torsional Thrust Stand]، التي تتضمن تقلصاً مغناطيسياً نشطاً لتسوية خماسي الأراضي بسرعة، مما يتيح تسلسل الاختبارات السريعة.

المستقبل

ومع تحركات الفضاء الجوي نحو التحليق المستقل تماما، ومركبات الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام، وتنقل الهواء المتقدم، يجب أن يتطور قياس الدافع لتلبية مطالب جديدة تتعلق بالدقة والموثوقية والارتباط.

أجهزة الاستشعار الكمي وقياسات القوة الذرية

ويجري البحث في أجهزة استشعار قوة الكمي التي تستغل خصائص الذرات المحصورة، وفي مقياس تداخل ذرات التبريد، تقسم سحابة ذرات بواسطة نبضات الليزر ثم تتجمع من جديد؛ ويراعي نمط التدخل القوى المتدنية، وقد ثبت أن هذه أجهزة الاستشعار قادرة على قياس سرعة التفاعل مع عدد قليل من أجهزة القياس الهندسية.

AI-Integrated Diagnostics and Predictive Models

وتستخدم خوارزميات التعلم الآلاتي على نحو متزايد لتحفيز البيانات من مصادر غير مباشرة متعددة لتقدير الاتجاه في الوقت الحقيقي، فعلى سبيل المثال، يمكن للشبكة العصبية التي تم تدريبها على بيانات الاختبارات التاريخية أن تتنبأ بالتوجه من بارامترات مراقبة المحرك والظروف المحيطة به، مما يزيل الحاجة إلى خلية تحميل مباشرة في بعض حالات الطيران، وهذا النهج ذو قيمة خاصة لتحديد الدفع في الطائرات التي يؤدي فيها تركيب أجهزة استشعار القوة على المركب إلى زيادة الوزن والتعقيد.

ويمكن لنماذج المقاييس أن تكتشف أيضاً وجود أوجه خلل في سلاسل قياس الدفع، وأخطاء مستشعرية منحرفة أو دينامية من شأنها أن تُغفل، ومن خلال الاستمرار في قياس القياسات الزائدة، تحسن هذه النظم موثوقية بيانات الاختبار وتخفض الحاجة إلى إعادة التصحيح اليدوي.

تقنيات غير تدخلية في مجال التدريب على استخدام الفضاءات

إن أجهزة استشعار التعبئة في براغ المثبتة في هياكل المحرك توفر وسيلة لقياس الضغط في نقاط عديدة على طول الألياف الضوئية الوحيدة، وعلى عكس مقياسات الإجهاد الكهربائي، فإن الغازات الفلورية محصنة على التدخل الكهرومغناطيسي ويمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية، ومن خلال وضع مركبات الفلور على محركات التموين أو الطين، يمكن للمهندسين أن يستمدوا من الصواريخ الموزعة.

In a recent study published in the Journal of Propulsion and Power] (see DOI: 10.2514/1.B38256), researchers demonstrated that a single FBG array could measure axial momentum within 2% accuracy on a small turbojet motor.

في الموقع، القياس الآلي

ومن المرجح أن تشمل مرافق اختبار الدفع في المستقبل نظماً آلياً لتحديد معايرة يمكن تطبيقها بين الاختبارات التي لا تدخل بشري، وقد تستخدم هذه النظم الأوزان المعروفة، أو الملاجئ الهيدروليكية، أو حتى الانحراف المغناطيسي لتطبيق قوة مرجعية، كما أن عدم اليقين في مجال القياس هو عنصر رئيسي من عناصر عدم التيقن العام، ويقلل من ذلك من خلال التشغيل الآلي سيحسن موثوقية بيانات أداء المحرك.

وتواصل منظمات مثل المنظمة الدولية للمعايير الدولية ] و جمعية البلدان الأمريكية للاختبارات والمواد ] تنقيح معايير قياس الدفع، بما في ذلك ASTM F2923 لنظم الاتساق في جميع أنحاء العالم.]

خاتمة

إن تطور تقنيات قياس الدافع يجسد التقدم الأوسع في هندسة الفضاء الجوي، فمن مقاييس الربيع البسيطة إلى قياس الأشعة الليزرية والاستشعار الكمي، فإن كل تقدم قد مكّن المهندسين من فهم وفهم نظم الدفع الفائقة إلى أقصى حد، مع زيادة القدرة على الاستخلاص، ولا تقتصر نظم القياس الحالية على حجم الدافع بل على مكوناته، والسلوك عبر المحيط، والتوزيع المكاني، حيث تصبح الطاقة الثابتة والمستمرة.