دور أجهزة الاستشعار والتطبيب عن بعد في رصد صحة الصخور المتحركة في الوقت الحقيقي أثناء الإطلاق

دور أجهزة الاستشعار والتطبيب عن بعد في رصد صحة الصخور المتحركة في الوقت الحقيقي أثناء الإطلاق

وتمثل عمليات إطلاق الصواريخ بعض أكثر التحديات الهندسية التي واجهتها على الإطلاق، وقد يؤدي فشل المحرك الوحيد خلال فترة الرئة إلى فقدان المركبة، والحمولة، والحياة البشرية المحتملة، وللتخفيف من هذه المخاطر، يعتمد المهندسون على شبكة معقدة من أجهزة الاستشعار ونظم القياس عن بعد تتدفق آلاف نقاط البيانات في الثانية من المحرك إلى السيطرة على الأرض، ويتيح هذا الرصد الصحي في الوقت الحقيقي الكشف الفوري عن الشذوذ، وموثوقية القيادة، وتطورت.

والمبدأ الأساسي هو المبدأ الصائب: إذ أن أجهزة الاستشعار المادية المدمجة في جميع أنحاء المحركات لقياس البارامترات مثل درجات الحرارة والضغط والهتز والإجهاد والتدفقات، ثم نقل هذه القياسات بلا سلك إلى المشغلين الذين يمكنهم تفسيرها ضد النطاقات الآمنة المعروفة، ولكن التنفيذ ينطوي على ظروف متطرفة، ومعدلات عالية من البيانات، والاتصالات التي تتسامح مع الأخطاء، وتستكشف هذه المادة أنواع الاستشعار الرئيسية، والهيكلات الصحية المقبلة، وتقنيات التحليلية التي تجعل من الممكن

The Sensor Suite: Measuring every Critical Parameter

تعمل محركات الصخور في بيئات تدفع المواد إلى حدودها ويمكن أن تتجاوز درجات حرارة غرفة الاحتراق 000 3 درجة مئوية، ويمكن للضغوط أن تتجاوز 300 بار، ويمكن أن تصل مستويات الإهتزازات إلى مئات القوى الجليدية، ويجب أن ينجو أجهزة الاستشعار من هذه المتطرفة مع توفير قياسات دقيقة عالية التردد، وعادة ما تنقسم جناح أجهزة الاستشعار إلى عدة فئات استنادا إلى البارامترات المقاسة.

أجهزة الاستشعار

أما أنواع الحرارة فهي هي أفق لرصد درجة حرارة المحرك الصاروخي، وهي تتألف من فلزين متفاوتين ملتحقين بنقطة القياس؛ كما أن الفول المولد متناسب مع درجة الحرارة، كما أن أنواع محركات الحرق (الكروميل - الصابون) هي شائعة لأنها يمكن قياسها إلى 372 1 درجة مئوية.

أجهزة الاستشعار

وتوضع محركات الضغط في مواقع متعددة: صهاريج الوقود، وكرات الضخ، والمنافذ، ومجلات الحقن، وغرف الاحتراق، ومناطق الأزهار، والمتحولات القائمة على الغموض شائعة، وتتحول الضغط المسبب للضغط على الشواء إلى إشارة كهربائية، وبالنسبة للتقلبات العالية في المحركات المسببة للتكدس، أو نماذج الضغط التي تصيب الخلايا الوبائية.

أجهزة الاستشعار عن بعد والتسريع

وتُستخدم أجهزة التكسير التي تُستخدم على أجهزة إطفاء المحرك وتُستخدم لقياس اليقظة التي تشير إلى حدوث اضطراب ميكانيكي، وتُفضل أجهزة التكتل الكهربية في الاستجابة على نطاق واسع (حتى 10 كيلوهرتز أو أكثر)، كما أن الزيادة المفاجئة في كمية الارتطام عند تردد محدد يمكن أن تشير إلى فشل حاد في التأثير، أو إلى وجود بقايا تربينية أو معدات تغذية غير مكتملة.

القوقان

وتقيس سلاسل الألوان المتناثرة على العناصر الهيكلية الإجهاد الميكانيكي في الوقت الحقيقي، وهي مهمة بصفة خاصة لرصد صحة ملحقات هيكل الدفع، والجمبال الزائفة، وجدران سفن الضغط، ويمكن أن تشير التغيرات في الأنماط الدهونية المادية، أو الغلة، أو التوسع الحراري، وفي العديد من مركبات الإطلاق، تقارن البيانات المضللة مع نماذج العناصر الزمانية للتحقق من سلامة الطيران أثناء مراحل الحمل الدينامية.

أجهزة الاستشعار عن بُعد وزراعة

وتقيس قياسات تدفق الزهرة أو قياسات التدفق الجماعي في كوريوليس معدلات تدفق الوقود والأوكسيديزر، ومن الضروري توفير بيانات دقيقة عن التدفق لضمان أن تكون نسبة المخلوطات الصحيحة قد تقلل من الأداء أو تسبب تسخين المحرك، وتتزايد استخدام أجهزة استشعار التدفق فوق الصوتي لخطوط الوقود الدافع لأنها غير قابلة للتلف، وتعمل جيداً مع السوائل الخفية مثل الهيدروجين السائل (LH2).

الهندسة المعمارية: من المحرك إلى المراقبة الأرضية

ولا جدوى من بيانات الاستشعار ما لم تصل إلى سيطرة البعثة قبل تصعيد الظروف الخطرة، وتوفر نظم التطبيب عن بعد هذه الصلة، وتشمل سلسلة قياسية نمطية عن بعد تكييف الإشارات، واقتناء البيانات، والتعديلات، والإرسال عن طريق وصلات الترددات اللاسلكية، ويجب أن يوازن الهيكل بين البيانات والناتج، والعيوب، والموثوقية، وقيود الوزن.

وحدات تحديد الهوية وحيازة البيانات

وكثيراً ما تكون إشارات الاستشعار عن طريق الفم ضعيفة أو مزعجة أو غير خطية، وتضخم أجهزة تكييف الترددات وترشيحها وتحويلها إلى نطاق ثابت من الفولط (مثلاً، صفر-5 خامساً). ثم تُعين وحدات اقتناء البيانات هذه الإشارات المكيفة بمعدلات تتراوح بين بضع مئات من الأعشاب (للدرجة الحرارة) وعشرات من أجهزة ضغط الكيلوتر(ب).

إجهاد البيانات وتحديد الأولويات

ولوضع البيانات في نطاق النطاق المحدود لوصلات القياس عن بعد، كثيرا ما تكون البيانات مضغطة، وتحافظ الخوارزميات المضغوطة التي لا تحتمل على المعلومات الحاسمة مع تخفيض المعدل المنخفض، وبالإضافة إلى ذلك، يخصص المهندسون مستويات الأولوية للمستشعرين: البارامترات المتعلقة بالسلامة (ضغط غرفة الاحتراق، سرعة المحرك، مثلا، الأشعة فوق البنفسجية) التي تنقل بأرفع معدل لأخذ العينات وبأقوى قنوات قياسية.

RF Transmission and Antenna Systems

وتستخدم معظم مركبات الإطلاق S-band (2-4 GHz) أو X-HF(-8-12 GHz) للوصلات الخفضية للمقاييس عن بعد لأنها توفر توازناً جيداً في القدرة على البيانات والتغلغل في الغلاف الجوي.

محطات أرضية وتجهيز البيانات في الوقت الحقيقي

وتؤمن محطات أرضية متعددة تتواجد على طول المسار التغطية المستمرة، وتتلقى كل محطة إشارة الترددات، وتخفضها، وترسل البيانات إلى مراقبة البعثة عن طريق وصلات الألياف الضوئية المكرّسة، وفي مراكز تجهيز القياس عن بعد تفرغ العبوات، وتتحقق من الأخطاء، وتوزع البيانات على الاقراض ونظم الرصد الطبي الآلية.

التغاضي عن الغير والتسامح

ونظراً لأن الفشل الوحيد ينبغي ألا يحرم من الرقابة الأرضية على البيانات الأساسية، فإن نظم القياس عن بعد زائدة جداً، ولكثير من مركبات الإطلاق أجهزة إرسال وأجهزة هوائي مستقلة متعددة، ويمكن إرسال البيانات في وقت واحد على عدة مجموعات من الترددات ذات مختلف الاستقطابات، كما يقوم مُسجلو البيانات على متنها (مُسجلو الرحلات الجوية) بتخزين جميع بيانات الاستشعار لتحليلات ما بعد الطيران، حتى وإن كانت مُضيَّعة وصلة زمنياً:

التحليلات واتخاذ القرارات في الوقت الحقيقي

ولا يُستقبَل البيانات إلا نصف المعركة، ويجب على المهندسين تفسيرها فوراً واتخاذ قرار بشأن مواصلة الرحلة أو الشروع في عملية إجهاض أو تعديل معايير المحرك، ويستخدم التحليل في الوقت الحقيقي كل من الرصد اليدوي من جانب الموظفين المهرة والمقاييس الآلية التي تُعَلَم ظروف التسامح.

إنذارات وضحايا التدقيق

وقد حدد كل مقاس حرج حدوداً مطروحة من حيث الخضرة تستند إلى اختبارات واسعة النطاق ومحاكاة، ومع وجود مسارات قياسية عن بعد في نظام برمجيات (يسمى في كثير من الأحيان " جهاز مراقبة محدود " )، يقارن كل قيمة من هذه العتبات، ويثير انتهاك مكرر إنذاراً فورياً، ويبرز القناة التي تُجرى على متن المركبة، ويُدرَّب محركات التحكم عن طريق التقلبات على الاستجابة في غضون ثوانٍ، على سبيل المثال، إذا ما لا يمكن أن تُتْعَتْعَتْتْتْتْتْتْتَضَضَتْعَتْتْتْتْعَتْتْتْتْتْتْعَتْتْتْتْتْتْ على محركاتَتَغَضَضَتْتَتَتَتْتْ محركاتَتْتْتْتْتْتْتْتْتْتْتْتْتْتْتْتْتْتْتَت

التحليلات والاتجاهات والنماذج الافتراضية

فالنظر إلى القيم الفورية وحدها ليس كافيا؛ ومعدلات التغيير متساوية في الأهمية، وتتتبع البرمجيات مشتقات البارامترات الرئيسية مثل درجة حرارة التوربين أو ضغط التصريف الرئيسي للمضخات، وقد يدل الاتجاه التصاعدي البطيء الذي لا يزال قائما في حدود مطلقة على وجود مشكلة آخذة في التطور، كما يستخدم المهندسون نماذج للفيزياء (مثلا، محاكاة المحركات التي تنجم عنها الأشعة الحرارية) لقياسها.

إغلاق المحرك الآلي وإلغاء المعايير

أما بالنسبة لمركبات الإطلاق الحديثة المطهرة، مثل CST100 Starliner] والتنين 2، فيمكن للحواسيب على متن الطائرة أن تقرر بشكل مستقل إغلاق محرك إذا كانت القياسات عن بعد تدل على وجود حالة خطرة دون انتظار مدخلات أرضية، وهذه القدرة " الإلغاءية العملية " حيوية لتطور الإخفاقات بسرعة مثل انفجار التركيب المزيف.

قرارات الإنسان

ورغم التشغيل الآلي، لا يزال مديرو الإطلاق المشهود ومهندسي الدفع يتمتعون بسلطة الدعوة إلى الإجهاض على أساس أنماط غير دقيقة جدا بالنسبة للخرغاريتمات، ففي عهد أبولو، لا تزال أفرقة المهندسين في مركز مراقبة البعثة (مثل " فرع الإبعاد " ) تراقب مخططات للتعريات وتنخرط في حلقات سمعية، واليوم، تظهر صورا متعددة الشاشات ذات لوحات مصممة خصيصا.

التحديات في مجال التطبيب عن بعد في مجال الصخور

وحتى مع عقود من الصقل، تواجه نظم القياس عن بعد تحديات كبيرة تدفع البحوث الجارية.

السلامة البيئية القصوى

ويجب أن تتحمل أجهزة الاستشعار مستويات ضوضاء صوتية صوتية أعلى من 160 دي بي، وحمولات الصدمات الناجمة عن الفصل بين المراحل، وتسارع التدوير الحراري، ويجب حماية الموصلات والأسلاك من الإهتزازات والإحباط الناجم عن الازدهار من بخار الوقود، كما أن العديد من حالات الاختلال في أجهزة الاستشعار تعزى بالفعل إلى قضايا الكابلات أو الموصلات وليس إلى عنصر الاستشعار نفسه.

Bandwidth Constraints and Data Overload

ويمكن أن يكون لمحرك الصواريخ الحديث عدة آلاف من أجهزة الاستشعار، مما يعني أن البيانات التي تُجرى بواقع عينات كاملة ستتطلب عرضاً هائلاً، ولذلك يجب على المهندسين أن يقرروا القنوات التي تُنقل بمعدل مرتفع والتي يتم أخذ عينات منها على نحو أقل تواتراً أو تخزيناً لاستعراض ما بعد الرحلة، والتحدي هو عدم تفويت أي حدث حرج.

درجة الحرارة والتواؤم

أما بالنسبة للمراقبة في الوقت الحقيقي، فلا بد من التقليل إلى أدنى حد من الرضا، ولكن تجهيز البيانات، والتشفير، والتصويب، إضافة التأخيرات، وفي الحالات القصوى، قد يكون التأخير في القياس عن بعد أطول من الوقت الذي يستغرقه عدم نشر - حمل التركيب يمكن أن يفشل بصورة كارثية في أقل من 50 ميلاً من الثانية، مما يدفع الحاجة إلى نظم استجابة مستقلة على متنها يمكن أن تعمل على أساس بيانات الاستشعار عن طريق الانتظار مباشرة.

الأمن السيبرى

أما وصلات التطبيب عن بعد فهي لاسلكية، ومن ثم عرضة للتشويش أو التبويب أو الاعتراض، وبينما تعمل مركبات الإطلاق عادة في المجال الجوي الخاضع للمراقبة وتستخدم مسارات مشفرة، فإن التهديد يُؤخذ على محمل الجد، وتُدمج مركبات الإطلاق العسكرية، مثل حفرة دلتا الرابعة والأطلس الخامس، تقنيات التنقيب عن الأنظار والتحريك لمنع الخصم من التدخل في النشاط، وتعتمد المركبات التجارية المقبلة أشكالا مماثلة من الحماية.

الابتكارات والاتجاهات المستقبلية

وسيتطلب الجيل القادم من محركات الصواريخ رصدا أكثر تطورا، وهناك عدة تكنولوجيات في الأفق.

أجهزة الاستشعار الفيبرية

ويمكن لمستشعرات الرافعة المحتوية على الألياف البصرية الوحيدة أن تقيس درجة الحرارة والإجهاد عند مئات النقاط على طول الألياف، وهي محصنة من التدخل الكهرومغناطيسي، ويمكن أن تنجو من ارتفاع درجات الحرارة، وأن تقلل بدرجة كبيرة من تعقيد الأسلاك، وقد أجرت وكالة ناسا اختبارا لمجس FBG في مواقع اختبار محركات الصواريخ، ومن المتوقع أن تشق طريقها إلى محركات التشغيل خلال العقد.

شبكات الاستشعار اللاسلكية

ويقلل القضاء على الأسلاك من حجم ودمجها في أماكن غير متاحة سابقاً، ويكمن التحدي في ضمان الاتصال الموثوق به في بيئة غنية بالمعادن، ومسببة للضوء الكهربائي (مثلاً، المولدات الكهربائية الحرارية التي تُحرّض حرارة من المحرك) [محرك البلازما القصيرة النطاق]

الاستخبارات الفنية للنفقة الافتراضية

فبدلاً من الكشف عن الشذوذ بعد حدوثه، يمكن لنماذج التنفيذ المتدربة على بيانات الإطلاق التاريخية أن تتنبأ عندما يُحتمل أن يفشل عنصر ما، وبحيثما يتعلّم من أنماط اختبار المحركات، يمكن للشبكات العصبية أن تحدد السلائف الفرعية للفشل - مثل بيانات متجانسة محددة في بيانات الاهتزاز تسبق حدوث صدع مؤثر، وهذا يتيح " الصيانة القائمة على المقاييس " حيث لا تُستبدل المكونات إلا عندما تشير البيانات الثابتة إلى أنها قريبة من نهاية الحياة.

الإدارة المتكاملة لصحة المركبات

والهدف النهائي هو نظام متكامل يجمع بين بيانات الاستشعار، والمقاييس عن بعد، ومحركات التعليل لاتخاذ قرارات مستقلة بشأن صحة المركبات. ويجري تطوير نظم للإدارة الذاتية للمحركات الارتيميس التابعة للأكاديمية الوطنية للملاحة الفضائية لرصد محركات نظام الاطلاق الفضائي، ومن شأن هذه النظم أن تتيح للسيارة إعادة تشكيل نفسها - مما يعطل محركا صحيا للتعويض عن محرك متدهور لا يقرره عن تدخل بشري.

خاتمة

فالحدود والمقاييس عن بعد ليست مجرد محركات للصواريخ؛ فهي النظام العصبي الذي يسمح للمهندسين برؤية وسماع وشعور ما يفعله المحرك خلال أكثر الدقائق توتراً في حياتهم، ومن خلال أجهزة رصد الحرارة التي تقاس غازات الاحتراق المتحركة إلى بيانات عالية الجودة عن المحركات، فإن كل عنصر يؤدي دوراً أسرع في الحفاظ على البعثة.

Further reading: ]NASA Technical Report: Rocket Engine Health Monitoring and FAA Office of Commercial Space Transportation] guidelines on launch vehicle telemetry requirements.