Table of Contents
وتشكل تكنولوجيات التراكم العمود الفقري لنظم الحماية الحرارية الحديثة في هندسة الفضاء الجوي، مما يتيح للمركبات الفضائية، ومركبات العودة، وأجهزة الصواريخ، والطائرات ذات السرعة العالية، البقاء على درجات الحرارة التي من شأنها أن تذيب أو تحرق المواد التقليدية، وتولد في أثناء العودة في الغلاف الجوي، سرعات تتجاوز ماك 25 درجة حرارة سطحية تتجاوز 500 2 درجة مئوية (500 4 درجة مئوية).
Understanding Ablation Technology: Mechanisms and Fundamentals
وفي جوهرها، فإن التراكم هو عملية حرارة تُزال فيها المواد من سطح ما من خلال مزيج من الانصهار، والتبخير، والتبخير الفرعي، والتحلل الكيميائي، وفي التطبيقات الفضائية الجوية، تُصمم المواد التراكمية لتخضير هذه التحولات بطريقة موحدة يمكن التنبؤ بها، ويستوعب الدرع الحراري الطاقة من خلال ثلاث آليات أولية هي: ارتفاع الحرارة المعقولة (تسخين درجة الحرارة الصلبة) في مرحلة التحلل العضوي.
Charring vs. Subliming Ablators
(أ) إنَّهُ يُستخدمُ في مُعدّلَةٍ مُتَوَجَّهِةٌ في الـ (أُسْنِيْن)
Heat Transfer and Mass Loss Dynamics
إن فعالية جهاز تحديد المواقع التراكمي هي كمية من حرارة التراكم - الطاقة الإجمالية التي تم امتصاصها لكل وحدة من المواد التي تم إزالتها - القيم النموذجية تتراوح بين 5 و20 ميغاغرام/كغ، حسب المواد والبيئة - وتشمل أيضاً تفاعلات معقدة في مجال البنية الحرارية - منتجات الترميز (الغاز، قطرات المتحركة) يمكن أن تستجيب للتدفقات القادمة، مما يزيد من سرعة التدفق الحراري
أنواع مواد التراكم: من صنف إلى مركب متقدم
ويعتمد اختيار المواد التراكمية على القيود الحرارية والميكانيكية والبيئية المحددة التي يفرضها التطبيق، وقد ظهرت على مدى عقود من التطور في الفضاء الجوي مجموعة متنوعة من المواد ذات مزايا متميزة.
Carbon-Phenolic Composites
وهذه هي أفقات تكاثر الصواريخ، إذ تجمع بين النسيج الكهرومغناطيسي العالي الكثافة ونسيج ألياف الكربون العالية الارتفاع ومصفوفة راتنج فهينية، وتشكّل عظام الراتنج الفينكي في درجات حرارة عالية طبقة كربونية قوية تقاوم التحات حتى في ظروف مرهقة للزائدة الدافعة، كما أن القاذفات الصاروخية المثبتة للفين
سيليكون - باسيدس أبليز
إن الأشعة السيليكية المملوءة بالهرم أو الكثافة الزجاجية تشكل مرنة وسهولة التجهيز، وهي تستخدم في كثير من الأحيان في الدروع الحرارية الخارجية لمركبات العودة ومركبات التروبوسفير ذات الصبغة الفائقة، وتحلل أجهزة الاستنشاق الحرارية التي تستخدمها الوكالة في شكل سائل مسموع، وتخفض درجة الحرارة السادسة عشرة.
الأفلام المتعددة الأبعاد والحواجز التقنية المرنة
وتستخدم الرعبات المتعددة مثل كابتون في بطانات متعددة الطوابق وكطبقات خارجية لمحللات التلويث، بينما لا تستخدم المزلاجات الحقيقية في إزالة المواد السائبة، يمكن أن تُبث أفلام البوليميد وتُنخفض تدريجيا تحت إشعاع الأشعة فوق البنفسجية والأكسجين الذري في مدار أرضي منخفض.
السيراميكات المتحركة والأشعة فوق البنفسجية
أما بالنسبة للحرارة المستمرة التي تتجاوز ٠٠٠ ٢ درجة مئوية، والتي يجب أن تكون فيها الخسارة الجماعية الناجمة عن التكتل ضئيلة، فإن رابع كلوريد اليورانيوم مثل ديبوردي الزركونيوم )الزرب ٢( وكاربيد الهافنيوم )HfC( يستخدمان، ويُحد َّد هذان النوعان ببطء، ويشك ِّلان مقياساً أكسيداً وقائياً بدلاً من التآكل بسرعة.
محررو كورك وود - ديريفد
ومن المدهش أن المركب الطبيعي للكورك قد استخدم في الدروع الحرارية العائدة لصواريخ السبر وكبسولات صغيرة، وأجهزة التحلل الحراري لتشكل شحنة ووزنها خفيف للغاية، والمرحلة الأولى لوكالة الفضاء الأوروبية X-38 ووكالة الفضاء الكورية KSLV-1 تستخدم جهازاً للتحكم في الأشعة المقطعية، وتقل تكلفته وسهولة التهوية تجعله مناسباً لبعثات التدفترنحية القصيرة،
التطبيقات الحرجة في الهندسة الفضائية الجوية
مركبات العودة إلى الغلاف الجوي وكابسولزات الكري
أما أكثر تطبيقات الترميز شهرة في مجال الدروع الحرارية للمركبات الفضائية المأهولة، فقد استخدمت وحدة قيادة أبولو مختبرات أفكوات 5026-39 من المواد المحتوية على أكسس نوفاليك والمشغلة بأجهزة تكرير حرارية وأجهزة مثبتة في هيكل مطاعم العسل، وأثناء إعادة الدخول إلى المختبرات المحتوية على أفراط وغاز محسوباً
صخرة نولز ودوائر التعبئة
المواد التراكمية لا غنى عنها في نولز الصواريخ، وخاصة محركات الصواريخ الصلبة حيث يحتوي العادم على جزيئات صلبة تسبب تآكلا حادا، وأجهزة فتح محركات الصواريخ الصلبة القابلة لإعادة استخدامها تستخدم في إدخالات كربونية تتآكل كمية يمكن التنبؤ بها لكل رحلة ثم تستبدل، وبالنسبة للمحركات السائلة، تستخدم السباكات التراكمية في غرفة الاحتراق التي تستخدمها محركات مثل RL-10 وخط ميركس.
الطائرات والقذائف
كما أن مركبات التسخين ذات السرعة العالية مثل الـ SR-71 Blackbird و " وافريدر " التجريبية من طراز X-51A، تسخين شديد في الهواء إلى 200 1 °س على الحواف الرئيسية، وفي حين أن المواد البلاستيكية الفوقية الفوقية المغناطيسية التي تستخدمها شركة " هيتانيوم " ، وأجهزة التخمير ذات الحرارة العالية، فإن الأشعة السيكية الفوقية تجتاز اختبارات الصينية تتحول دون حدوثها.
مسابير الكوكب واللاندرز
وفيما وراء عودة الأرض، تعتبر تكنولوجيات التزحلق حاسمة لاستكشاف أجواء الكواكب الأخرى، حيث استخدم المسبار الهويجين الذي يدخل الغلاف الجوي للتيتان درعا حراريا متراكما يستند إلى السيليكون، وستستخدم بعثة التنين القادمة إلى تيتان جهازاً محمولاً على أساس PICA.
منافع تكنولوجيات التراكم: الآثار الهندسية والمتعلقة بالسلامة
واستخدام التجمّع ليس ضرورة فحسب، بل إنه يوفر مزايا هندسية محددة شكلت تصميم المركبات منذ عقود.
الحماية الحرارية الاستثنائية في الكتلة الآيسلندية
ويمكن أن تعالج أجهزة تحديد المواقع المُثلجة تدفق الحرارة يصل إلى 000 1 و/ج2 مع كثافة مادية تصل إلى 0.3 غ/كغ3 (بالنسبة للنظم القائمة على الشقق)، وهذا يتيح دروع حرارة خفيفة الوزن مقارنة بمشعات الجدران الباردة أو حلقات التبريد النشطة (التي تتطلب المضخات، وخطوط السوائل، والمشعات).
تبسيط عملية التصنيع والتأثير
ولا تتطلب الدروع الحرارية المتراكمة قطعاً متحركة ولا قوة ولا دائرة تبريد، فهي بطبيعتها سلبية، مما يجعلها موثوقة للغاية، كما أن عمليات التصنيع، مثل الترسب أو الرش، هي عمليات ناضجة ومفهومة جيداً، مما يقلل من خطر الاندماج، ويمكن اختبارها في مرافق القوس، وتملك هذه المواد عقوداً من تراث الطيران.
المسؤولية عن عدم التعرض لشروط
وإذا كانت مسار العودة أكثر حدة من المخطط له (بسبب خطأ التوجيه أو الفشل)، فإن التدفق الحراري يزداد، إذ أن ردة التراكم على البوليسترين تزيد من معدل الخسارة الجماعية، وبذلك تستوعب مزيدا من الحرارة وتمنع حدوث حروق، ويمكن أن تفشل المواد القابلة للتداول (مثل البلاط الخزفي على هامش المكوك) بشكل كارث إذا تجاوزت التدفق الحرفي الحد الأقصى للتصميم، كما هو مرئي في كولومبيا.
الاستخدام الأمثل للمركبات الفضائية
وبوضع سميك الطبقات التراكمية بدقة في حمولة حرارة للمسار، يمكن للمهندسين أن يقللوا إلى أدنى حد من الكتلة الحرارية العامة، وهذا ينطوي على فوائد متتالية: فكل كيلوغرام من الكيلوغرامات الموفرة على جهاز التعقب يقلل من الكتلة الجافة، مما يتطلب أقل نفعاً من أجل دواء معين، أو يسمح بعبء أكبر من الحمولة.
التطورات المستقبلية: تكنولوجيات التراكم المقبلة
وتكمن حدود المواد التراكمية في زيادة الأداء مع الحد من الكتلة، وتمكين النظم القابلة لإعادة الاستخدام حيثما يُقلل التراكم إلى أدنى حد أو يُعكس مساره.
التراكميات المحسنة
ويجري إدماج النانووب الكربونية والغرافيين في التركيبات الراتنجية الشهيرة، وقد قام فريق ياباني في الوكالة اليابانية لاستكشاف الفضاء الجوي بتطوير مادة الكربون المنفذ من قبل المجلس الوطني لتيمور - ليشتي، مما يدل على انخفاض معدلات التحات ونسبة 20 في المائة من السلوك الحراري، كما أثبت مركز بحوث لانجلي التابع للرابطة وجود مادة شبيهة بمؤشر PICA-KA-FA(A) وهي مادة تزيد من قوة النوادر.
3D Printing of Ablative Materials
(أ) يتيح التصنيع الإضافي الكثافة المصفوفة والهيكلات المخروطية التي يمكن أن تُحدَّد إلى أقصى حد بالنسبة للحمولات الحرارية المحلية. كما استحدث الباحثون في جامعة جنوب كاليفورنيا طريقة لقطع الكربون المطبعية 3D، وذلك بتفجير معكر من ألياف الكربون المقطعة وراتنجات الثينية، يليها معالجة المادة 3 دال، مما يتيح استخدام كميات كبيرة من الطاقة الأرضية المعقدة (مثلاً، ومتغيرات الصاريفات الصاروخية).
الملتهمات البيولوجية والمورفين
فالطبيعة توفر الإلهام: حبر الحبار (ميلانين) هو حاجز بحري وراثي معروف، ويستكشف الباحثون البوليمرات المتشابكة المشابهة للمعاطف التراكمية، ومفهوم آخر هو التبريد الأحيائي الذي يقترب من فكرة الطموح - الإثارة - الإثارة - الظواهر الاصطناعية التي تُبيد سوائل مبردة (مثل الماء أو المذيبات العضوية) من مصفوفة مطاطية.
نظم التراكم الذكية/الأديبية
ويمكن للمستشعرات المتحركة )الألياف البصرية، والرموز( في طبقة التجميل أن تبلغ عن معدل الكساد ودرجة الحرارة في الوقت الحقيقي، مما سيتيح للأجهزة الرقابية التكييفية - إذا تراجعت الدرعات بسرعة أكبر من المتوقع، يمكن للسيارة أن تغير زاوية الهجوم لتقليل التدفق الحراري، وهذه البرمجيات المغلقة هي هدف لنظم الدخول العالية للمريخ في المستقبل، حيث يتردد عدم اليقين في الغلاف الجوي.
المفاهيم التراكمية القابلة للاستعمال
ومن أوجه التخلف الرئيسية للتجمع التقليدي طبيعة الاستخدام الوحيد، غير أن بعض الشركات والوكالات تقوم بالتحقيق في ما هويات التراكمية القابلة للعكس التي يمكن تجديدها عن طريق الرضاعة التراكمية في الفضاء أو عن طريق تطبيق معطف جديد بين الرحلات الجوية، بينما يمكن أن تؤدي خطط سفينة الفضاء " ستاربست " إلى استخدام الصلب اللاصق كغ ملوث حراري أولي مع إمكانية استبداله بوصلات تقريبية في البقع الساخنة نفسها.
خاتمة
وتظل تكنولوجيات التراكم حجر الزاوية في الحماية الحرارية للفضاء الجوي، مما يتيح للمركبات البقاء على أفظع البيئات التي يمكن تصورها، ومن الدروع الحرارية التي تم ملؤها في وقت مبكر، إلى مجمعات متقدمة من الكربون في القذائف الحديثة ذات السمعة الحرارية، لا يزال المجال يتطور من خلال علوم المواد، والنماذج الحسابية، والتصنيع المضاف إلى ذلك، حيث إن طباعة البشر إلى سطح القمر، تُعدُّ على نحو ما يلي: