Table of Contents

تحدي اداء الفضاء العميق

ويدفع استكشاف الفضاء العميق حدود الهندسة البشرية، إذ أن البعثات إلى المريخ، وحزام الكويكبات، والكوكب الخارجية، وما وراء نظم الدفع بالطلب التي تعمل لسنوات، بينما تستخرج قوة دفع قصوى من كل كيلوغرام من الوقود، وتخدم الصواريخ الكيميائية، مع دفعها القصير ولكن المكثف، جيداً في الإطلاق والإدراج المداري، ولكنها تتدفق عندما يكون التسارع المستمر على مدى أشهر أو سنوات مختلفة.

إن فهم كيفية ظهور الدافع في نظم البلازما يتطلب فهما صلبا للكهرباء، والفيزياء البلازما، وهندسة الطاقة في المركبات الفضائية، وتدرس هذه المادة علوم توليد الدافع في الدفع بالبلازما، والعوامل التي تحكم الأداء، وتركيبات الدفع الرئيسية، والمسارات التي تتجه نحو تشغيل البعثات الفضائية العميقة، والفيزياء في اللعب هنا هي نفسها التي تحكم مفاعلات التبريد.

مواد التساهل الأساسية

وتولد نظم دفع البلاستيك قوة دفع بالتعجيل بعجلات الغاز المؤينة إلى سرعة العادم العالية جدا باستخدام الحقول الكهرومغناطيسية، خلافا للصواريخ الكيميائية التي تعتمد على ردود الفعل الخارجية على الوقود الحراري، وتزيد من ذلك من خلال النور، فإن محركات البلازما قد تضعف مصدر الطاقة عن الدافع نفسه، وتزيد الطاقة الكهربائية عادة من الألواح الشمسية أو مفاعل للوقود النووي.

دور الانطلاقات المحددة

ويتخذ نظام الدفعات العالية (Isp) تدابير بشأن مدى كفاءة استخدام نظام الدفع، وهو الدافع الكلي لكل وحدة من الوقود، وهو متناسب بشكل مباشر مع سرعة العادم، وتتحقق الصواريخ الكيميائية من قيم I SLT]، وهي قيم روتينية تتراوح بين 300 و450 ثانية.

التحصين وولاية بلاسما

وقبل أن يتم إنتاج الغاز المدفوع بالدفع المحايد، يجب تحويله إلى بلازما، وهذا يحدث في غرفة التأيين، حيث يتم تجريد الإلكترونات من الذرات أو الجزيئات لخلق مزيج من الأيونات الإيجابية والإلكترونيات الحرة، وتشمل أساليب التأيين القصف الإلكتروني، والتردد الراديوي، وضبط الموجات الدقيقة.

فالبلاسمة هي منطلقة ومستجيبة للكهرباء والمغنطيسيين، وهذه الاستجابة هي أساس التسارع الكهرومغناطيسي، ودرجة التأيين، وكثافة البلازما، ودرجة الحرارة الكهربائية تؤثر جميعها على مدى كفاءة الدافع.

فيزياء جيل الصدأ

في أي نظام للدفع يطيع القانون الثالث لـ(نيوتن) لكل عمل، هناك رد فعل متساوٍ وعكسي، في مدفع البلازما، الإجراء هو طرد الجسيمات ذات السرعة العالية، ورد الفعل هو الدفع الأمامي للمركبة الفضائية، والعلاقة الأساسية هي:

F = ⁇ × v]e]]

(د) إذا كان التدفق التدفقي للزواحف، و(ف)(ه)(ه)()]() هو سرعة العادم، وهذه المعادلة بسيطة بشكل مخادع ومثيرة للشبهات ضد ]e، في حين أن إدارة الـ ⁇ ضمن قيود الطاقة المتاحة هي التحدي الهندسي المركزي.

التعجيل بالكهرباء الكهربائية

وفي المدافع الكهربائية، مثل محركات الأيوني المزودة بالكهرباء، يتسارع الأيونات بفعل حقل كهربائي يقام بين شبكتين أو أكثر مع تفاوت كبير في الفولطية، ويعطي قانون قوة لورنتز القوة على أيون:

F = q(E + v × B)]

وفي حالة الكهرباء الكهربائية، فإن العنصر المغناطيسي (v × باء) لا يذكر أو يخفض إلى أدنى حد ممكن، ويعجل المجال الكهربائي بالأيون إلى الطاقات الحركية المقابلة للفولط المطبق، ويمكن أن تصل السرعة إلى عشرات الكيلومترات في الثانية، وينتج الإلكترونات المحايدة في أسفل المجرى لمنع المركبة الفضائية من تراكم شحنة سلبية صافية.

Electromagnetic Acceleration

كما أن المدافع المغناطيسية، بما في ذلك محركات الدفع بالهضات وأجهزة الدفع المغنطيسية، تستخدم الحقول الكهربائية والمغنطية على السواء للتعجيل بالبلازما، وفي مدفع للهال، يخلق حقل كهربائي محوري ومجال مغناطيسي مشع تيارا في اتجاه الاززمموتال، ويعلق الكهرباء في مسارات مائلة تؤدي إلى تيار كهربائي متسارع.

وتقترن قوة لورنتز في هذه النظم بالحركة الجسيمية الموجهة ضد الحقول، مما يتيح التعجيل دون وجود الكهروديس الفيزيائية على اتصال مباشر بالبلازما، مما يقلل من التآكل ويوسع نطاق الميزة التشغيلية للحياة - وهي ميزة حاسمة بالنسبة للبعثات المتعددة السنوات.

الميجور بلسمة ثروتستر

المحتالون إيون ثروستر

وتُعد محركات الأيوني المُستَهَمَة من بين أكثر التكنولوجيات التي تُسَنَّت في مجال دفع البلازما ناضوًا، وتُستَخَذَت محركَة " زينون ثورستر " (NASA) ومحرك " NSTAR " المستخدم في بعثة " داون " أمثلة معروفة جيداً، وفي هذه المحركات الدفع، يُؤون في غرفة تصريف، ويُستخرج الآلات ويُستخرج ويُستَحَرَزُتَرَبَرَزَبَرَرَرَبَبَسَرَبَعَبَرَرَبَبَعَبَبَعَبَبَبَبَبَعَعَبَة ويُ بواسطة مجموعة من مجموعة من مجموعة من مجموعة من مجموعة من مجموعة من شبكاتٍ من الشبكاتِيَةِيَةِيَةِيَةِيَةِيَةِيَةِيَةِيَةِيَةِيَةِ

وتقدم محركات الأيونات المشوية درجة عالية من الكفاءة، مثل المسحات الحزامية للكمبيوتر، والزهور العميقة للفضاء.

القاعة: ثارث

وتستخدم أجهزة الدفع بالهضاب على نطاق واسع في عمليات حفظ محطات السواتل، وتتزايد في التطبيقات الفضائية العميقة، وهي تعمل بكثافة عالية في الدفعات أعلى من محركات الأيوني المزودة بشبكة، حيث تتعدى قيم القوة العاملة بالشبكة (FLT:0) (FLT:1]) عادة ما تتراوح بين 500 1 و3000 ثانية، أما مستويات القوة الكهربية (SPT-100) ومشتقاتها فهي معدات قياسية على العديد من السواتل الثابتة الثابتة بالنسبة للأرض.

ونظراً لأن مدافع الهالونات لا تملك شبكات معرّضة للبلازما، فإنها أقل عرضة للتحات، رغم أن تآكل الجدار من القصف الأيوني لا يزال مصدر قلق، فالتشكيل الميداني المغناطيسي والمواد الجدارية هي مجالات نشطة للبحث في مدى الحياة.

ماغنيتوبلاسيدناميك ثروستر

ويعمل مدافع التعبئة على مستويات عالية جدا من الطاقة، وغالبا ما يكون ذلك في نطاق الميغاوات، وهي تستخدم مجالا مغناطيسيا قويا في الوقت الراهن ومستحثا ذاتيا للتعجيل بصنع البلازما من خلال قوة لورنتز، ويمكن لمدافعي التعبئة من أجل التنمية أن تجهز معدلات تدفق كبيرة وأن تنتج دفعات كبيرة، مما يجعلهم مرشحين للبعثات المشتركة بين الكواكب التي توجد فيها حاجة إلى كلا من التعبئة العالية I():

ويتمثل التحدي الرئيسي في إدارة أجهزة الدفع التابعة للأجهزة المتفجرة المحتوية على قاذورات حرارية وتآكل الكهرودين في الكثافة القصوى الحالية، وتركيب المتغيرات المستخرجة، مثل الثروتستر المستخرج من القش، وإزالة الكهروديس باستخدام الحقول المغناطيسية ذات الدفء الزمني لتسخين حرارة الصنع وتسريع البلازما، مما يوفر الوعد بحياة أطول في قوة عالية.

RF and Microwave Ion Thrusters

ويقضي مدخرات التردد الراديوي وأجهزة الموجات الميكرويفية على العجلات الساخنة باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية لتأيين الوقود، ويستخدم عنصر الأيون ثورستر الذي وضعته وكالة الفضاء الأوروبية تصريفاً مقترناً بغاز البلازما، ويعتمد هذان المدافعان على تركيزات الموجات الدقيقة، مثل ميكروغرام 10 المستخدم في بعثات هايبوسا، على إعادة الصمود الكهربائي للزونات من أجل الحد من التحلل.

Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR)

ويمثل نظام VASIMR نهجاً متميزاً تسخن فيه البلازما بموجات الترددات اللاسلكية ثم توجهها نوزر مغناطيسي، ويمكن أن يتفاوت الدافع سرعة العادم ويدفع على نطاق واسع بتعديل الطاقة الترددية ومعدل تدفق الوقود، مما يسمح للمحرك بالعمل في وضع صدء عالي في الهروب الكوكبي وفي مراحل الدفع العالي (ب)

العوامل التي تحكم كفاءة الصدأ

إن كفاءة الدفع بالبلازما ليست مجرد مسألة مدخلات في الطاقة الخام، بل إن التفاعل بين عوامل متعددة في المجالين المادي والهندسي يحدد كم من الطاقة التي تستخدم في تحويلها إلى طاقة حركية مفيدة من العادم.

فصيلة الكثافة وعلامة التوحيد

وزيادة كثافة البلازما يزيد عدد الجسيمات المتاحة للتسارع، مما يمكن أن يزيد من قوة الدفع في سرعة استنفاد معينة، غير أن البلازما الكثيفة تتطلب مزيدا من القوة للحفاظ على التأيين ويمكن أن تؤدي إلى زيادة الخسائر التبعية، وأن الجزء من التأيين - نسبة الجزيئات التي تستهلك في شكل مؤون - يُبقي مرتفعاً لتجنب فقدان الدفع في شكل محايد.

علم الطبقات في الميدان المغناطيسي

إن تشكيل الحقول المغناطيسية داخل المدافع يؤثر تأثيرا مباشرا على كفاءة التعجيل، وفي محركات الهالونات، يجب أن يكون القوام الميداني المغناطيسي على الوجه الأمثل لحصر الإلكترونيات في مسارها العائم مع السماح للأيون بالهرب دون عائق، كما أن التدرجات الميدانية والغطاء والقوة تؤثر جميعها على وقت الإقامة للكهرباء واستقرار التصريف.

Propellant Selection

(زينون) كان دافعاً لمعظم نظم الدفع الكهربائي بسبب كتلته الذرية العالية، وقلة الطاقة المؤينة، وعدم التعرض للطبيعة، غير أن مسائل التكلفة والتوافر قد دفعت الاهتمام بالبدائل، ولكريبتون خصائص مماثلة، ولكن كثافة أقل، تتطلب كميات أكبر من الصهاريج، وآرجون وفرة وغير مكلفة ولكنها تتطلب المزيد من الطاقة لكليون.

كفاءة تجهيز الطاقة

وتحوّل وحدة تجهيز الطاقة طاقة حافلة المركبات الفضائية الخام إلى فولتات و تيارات يحتاجها المدافع، وتتراوح كفاءة اليورانيوم المنسَّق بين 85 في المائة و 95 في المائة، مع حدوث خسائر في محولات وتحولات وعناصر محولة، وبالنسبة للمركبات الفضائية المحدودة الطاقة، كل نقطة مئوية من مسائل كفاءة استخدام القوة الشرائية، وتُحدِّد السلف في أجهزة شبه موصلة واسعة النطاق (مثلاً للخرات النيوم).

"التراخيص" و "بيام أوبتيكت"

ولا تخرج جميع الجسيمات المعجلة من المدفع في الاتجاه المنشود، وتنجم خسائر في الاختلاف عندما تكون للأيونات مكونات تسارعية مشعة لا تسهم في الدافع الحاد، وفي محركات الأيون المزودة بشبكات، والتصميم الشبكي، والمباعدة بين الزمن، والشعاعات المحددة للمواءمة التي تركز على ذلك، وفي محركات الهالونات، تشكل الملامح الميدانية المغناطيسية أقل من 10 في المائة من التركيب.

نظم الطاقة من أجل نشر البلاستيك الفضائي العميق

مهمات الفضاء العميقة التي تعمل بعيداً عن الشمس لا يمكن أن تعتمد على الطاقة الشمسية فقط، التدفق الشمسي في المريخ هو حوالي 40% من قيمة الأرض، في المشتري، ينخفض إلى أقل من 4%، وبالنسبة للبعثات التي تتجاوز حزام الكويكب، تصبح مصادر الطاقة النووية ضرورية.

Solar Electric Propulsion

إن الدفع الكهربائي بالطاقة الشمسية مناسب جيدا لبعثات النظام الشمسي الداخلي، إذ أن صفائف شمسية كبيرة منتشرة على متن مركبة فضائية مثل مدار الفجر، وقاعدة قوة الدفع والضغط النازحين توفر عشرات الكيلووات من الطاقة، وتشتغل نظم SEP بكفاءة لحوالي 2.5 وحدة فلكية، وما إلى ذلك من حجم المجموعة التي يجب أن تزيد بشكل كبير لاحتجاز ضوء الشمس الكافي.

:: إنتاج الكهرباء النووية

ويضم الدافع النووي للكهرباء النووية مفاعلاً للكهرباء النووية مع محركات البلازما، ويوفر المفاعل طاقة ثابتة عالية بغض النظر عن المسافة التي تبعد عن الشمس، وتنتج مفاعلات الكيلوتات التي طورتها ناسا 1-10 كيلوواط، بينما يمكن للتصميمات الأكبر للبعثات المزودة بالطاقم أن توفر ميغاوات، وتسمح أجهزة التحكم بالقوى المحركة العالية بكثير من أجهزة التحكم في مسافات الكواكب الخارجية، وتخفضة الإشعاعية.

الإدارة الحرارية

ولا تبدو الطاقة المهدرة حرارة يجب إدارتها على نحو كامل، إذ أن مستويات الطاقة فوق 10 كيلوواط، وتصبح التبريد السلبي غير كاف، وتلزم نظم فعالة للمراقبة الحرارية تستخدم حلقات السائل المضخ، ويجب أن تُخزّن صفائف الرادى لرفض حرارة النفايات عند درجة حرارة تشغيل دورة تحويل الطاقة، وتكنولوجيا الأنابيب واللوحات المبردة للوزن الخفيف هي تكنولوجيات تمكينية رئيسية.

مقارنة مع التكاثر الكيميائي

وتنتج الصواريخ الكيميائية دفعة بطرد منتجات الاحتراق في سُبل العادم عادة بين 2.5 و4.5 كيلومترات/كثافة الطاقة من الوقود الكيميائي تُثبت بكيمياء رد الفعل، ولزيادة الدافع الكلي، يتمثل الخيار الوحيد في تحمل مشكلة كبيرة مركبة للوقود بسبب معادلة الصاروخ.

وعلى النقيض من ذلك، يمكن أن تحقق نظم الدفع بالبلسم سرعات العادم تتراوح بين 20 و50 كيلومتراً/كثيراً باستخدام الطاقة الكهربائية، وقد يكون كتلة نظام الطاقة كبيراً، ولكن المدخرات الجماعية للدافعين هائلة بالنسبة للبعثات ذات الطول العالي، وبالنسبة لبعثة إلى اليوروبا تتطلب حفرة طولها 10 كيلومترات/كثيرة، فإن النظام الكيميائي يحتاج إلى ما يقرب من 70 في المائة من نظامه الأولي للشحن.

والمقايضة هي مستوى الدافع، إذ تنتج المحركات الكيميائية نسباً للوزن فوق 10: 1، مما يتيح عمليات الإطلاق الكواكبية والمناورات السريعة، وتقارب نسب البلاستيك إلى الوزن 0.001:1 إلى 0.01:1، ولا يمكنها أن تبتعد عن الأرض، ولكن في فراغ الفضاء، تتراكم سرعة الدافع المنخفضة باستمرار على مر الزمن من خلال التسارع التدريجي.

موجزات البعثات وتصميم المسارات

إن طبيعة الدفع بالبلازما المنخفضة، والمرتفعة، والمنخفضة، والمنخفضة، والمنخفضة، والمنخفضة، والمنخفضة، والمنخفضة، والمتفجرة، والمتفجرة، هي عادة من النوع الذي يتكون من أحواض دوامة، حيث أن المركبة الفضائية ترفع مدارها تدريجيا حول جسم مركزي، وأن الميكانيكيات التسارعة المستمرة يجب أن تحفز بعناية.

Parker Solar Probe and SEP Assistance

وعلى الرغم من أن " مسبار باركر للطاقة الشمسية " هو في المقام الأول مهمة كيميائية، فإنه يستخدم الدافع الكهربائي لمراقبة المواقف والتصويبات الطفيفة، وهذا يبرز النهج الهجين الذي قد يصبح شائعا: الدافع الكيميائي للحرق الدافع الرئيسي، ودفع البلازما من أجل التسارع المستمر والمناورات الدقيقة.

بعثة ناسا النفسية

وتتمثل المهمة النفسية التي أطلقت في عام 2023 في أول بعثة من بعثات ناسا لاستخدام مدافع القاذفات في القاعة من أجل القيام بدور رئيسي في الدفع في الفضاء العميق، وتجهز المركبة الفضائية بأربعة مدافع في القاعة تعمل على مروحة اكسينون، وستدفع القاذفات الروحية إلى الكويكب المعدني 16 الروحي في الحزام الرئيسي، مما يدل على وجود قوة فضائية عاملة على مدى عدة سنوات.

البعثات النووية المقبلة

وقد درست منذ عقود مقترحات لبعثات الكوكب الخارجي للطاقة النووية، وتصور مفهوم " جوبيتر آيسي مونز أوربيتر " نظاماً لأفضلية الطاقة النووية يتراوح بين 200 و000 100 كيلو متر، يستخدم مدافعاً لليون لاستكشاف اليوروبا وغانيميد وكاليستو، وفي حين أن هذا البرنامج المحدد قد ألغي، فإن العمل التقني مستمر، وقد يصل المدار الكهربي النووي إلى نبتون أو بلوتو بدلاً من ذلك إلى هدفه في الفترة من 10 إلى 12 سنة.

البحث والتطوير المستمران

المبتدئون المتقدمون

وقد برزت اليود كبديل واعد لـ " إكسنون " ، وهو وافٍ وغير مكلف ويمكن تخزينه كبديل صلب، مما يزيل الحاجة إلى صهاريج عالية الضغط، كما أن جزيئات اليود هي دياتوميكية، وتتطلب فصلا قبل التأيين، ولكن المظاهرات الأخيرة أظهرت أداء تنافسي، كما يجري دراسة البخار الماء وحتى التقلبات التي تستهلك من الكويكبات.

فصائل اللغتين المغناطيسية والبلاسم

في الأزياء المغناطيسية، تتوسع البلازما على طول خطوط أرضية مغناطيسية مختلفة، تحول الطاقة الداخلية إلى طاقة حركية موجهة، التحدي هو ضمان أن البلازما "الديتاشي" من حقل المغناطيسي للمركبات الفضائية بدلا من سحبها للخلف،

Air-Breathing Electric Propulsion

وبالنسبة للبعثات المدارية الأرضية المنخفضة جدا، تجمع مفاهيم الدفع الكهربائي بالهواء الغازات الجوية المتبقية كدافع، مما يزيل الحاجة إلى حمل الوقود لأغراض حفظ المحطة، وفي حين لا ينطبق ذلك مباشرة على الفضاء العميق، فإن تقنيات التأيين والتسريع التي وضعت لهذه النظم تترجم إلى تحسينات عميقة في مجال القوى الفضائية.

اختبارات مدى الحياة والمؤهلات

ويتطلب تحديد مدفع البلازما في الفضاء العميق آلاف ساعات من التشغيل المستمر، ويجب أن يتم وصف وتقليص آليات الزر بما في ذلك تآكل الشبكة، وقطع الجدار، وتدهور الطوابق، وأن يتراكم محرك البوليستر الوطني على مدى 000 50 ساعة من الاختبارات الأرضية، مما يوفر الثقة في استعداده للبعثات، وأن تتيح تقنيات التشخيص المتقدمة، بما في ذلك الفلورية التي يسببها الليزر وخليل الطاقة غير المؤينة، للباحثين.

مسارات الاستخدام التشغيلي

ويتطلب الانتقال من أجهزة المختبرات إلى نظم تأهب الرحلات نضجا هنديا منهجيا، ويجب أن تنجو عناصر الثروتستر من يقظة الإطلاق، والتدوير الحراري في الفراغ، والتعرض للإشعاع، ويجب أن تكون وحدات تجهيز الطاقة مصحوبة بالإشعاع ومتسامحة مع الأخطاء، ويجب أن تعمل نظم التخزين والتغذوية بشكل موثوق به لسنوات دون صيانة.

مستوى قدرة وكالة ناسا على الارتقاء التكنولوجي يوفر إطارا لهذا التقدم، حيث وصلت محركات الدفعات وأجهزة الدفع باليون المشبكية إلى الهدف 9 (مثبتة بالضوء)

خاتمة

إن الصرع في نظم الدفع بالبلازما هو مظهر مباشر من القوى الكهرومغناطيسية التي تعمل على مادة مأهولة، ومن خلال تسيير سرعة الجسيمات المحملة عبر الحقول الكهربائية والمغنطية، فتح المهندسون نظاما للدفع لا يمكن أن تصل إليه ردود الفعل الكيميائية، فالنقاش بين كثافة الدفع، والضغط المحدد، ومتطلبات الطاقة، والعمر يحدد حيزا للتصميم غنيا بإمكانية.

إن علم التدفق بالبلازما يستمد من الفيزياء البلازما والكهرباء والإلكترونيات الكهربائية وعلوم المواد، فمع تقدم هذه التخصصات، سيستمر حفز البلازما في التطور نحو مستويات أعلى من الطاقة، وزيادة الكفاءة، والحياة التشغيلية الأطول، وبالنسبة للبعثات الفضائية العميقة - إلى المريخ، والكواكب الخارجية، ودفع الفولاذبية - البعيدة - ليس مجرد مسارات عالية للصواريخ الكيميائية.

وما زلنا في العقود الأولى من هذه التكنولوجيا، أول جيل من بعثات الدفع في بلازما الفضاء العميقة - دوان، هايبوسا، ونفسيا - قد أكدا على المبادئ الأساسية، وسيحمل الجيل القادم، الذي تولده المفاعلات النووية والمدافع المتقدمة، وجود البشرية في النظام الشمسي الخارجي، مع وصول إلى أن الدافع الكيميائي وحده لا يمكن أن يحقق.