Table of Contents
الشيعة الأساسية: سرقة وحفر ما بعد الغلاف الجوي للأرض
عندما تنهار طائرة عبر الغلاف الجوي للأرض، ترتفع وتسحب كشركاء واضحين: فأحدها يمسكها ويقاوم الحركة الأخرى، ولكن يجرد من حقل الأرض الجاذبية، وتتحول هذه القوى إلى شيء أكثر ترابطاً وضرورة إلى مستقبل استكشاف الفضاء، بل في بيئة الجاذبية الصغرى التي تدور فيها المركبات الفضائية، والزخم الافتراضي، والميزانيات الخارجية المستقبلية.
ويجب إعادة النظر في تعريفات الرفع والسحب ذاتها عندما تصبح الجاذبية اضطرابات خلفية بدلاً من القوة المهيمنة، وفي التحليق المداري، تقع المركبة بصورة مستمرة في مكان حر حول جسم كوكبي، وبالتالي يفقد مفهوم الرفع كآلية لمكافحة الجاذبية معناه غير المناسب، ويجب فهم كل ناقلات القوة من حيث تأثيرها على الميكانيكيات المدارية، ومراقبة المواقف، وإدارة الطاقة.
Reinterprepreting Aerodynamic Forces in Free Fall
(أ) لا توجد أي آلية ضغط تتطور عبر الهواء، مما يولد قوة منعزلة باتجاه حر، وعلى الأرض، تكون هذه القوة موجهة بشكل عام إلى الجاذبية.() وعلى النقيض من ذلك، فإن السحب يوازي التدفق، والحركة المعارضة دائماً.() ويحدّد كل من النطاق الذي يتسم بكثافة وسرعة السرعة، ويحدّد معدلها كفاءة أي مركبة تطير مباشرة.
إن إعادة تحديد هذا التعريف ليست مجرد عملية نظرية، إذ أن المهندسين الذين يصممون مركبات الدخول، والأبحار الشمسية، والثروات الكهرودينامية تعتمد على هذا التعريف الموسع لاستخراج قوى مفيدة من البيئة، وأن ديناميات السوائل تتحول من تدفق مستمر على مستوى البحر إلى نظم بحرية أو انتقالية، حيث يتفاعل الكيمياء المميزة مع الجسم الطبيعي.
ويستخدم رقم النادينسن كمدون أساسي لنظم التدفق هذه، وعندما ينطبق التدفق المستمر للخلية Kn < 0.01، ويظل التدفق الكلاسيكي للمعادن الخافضة - المركب صالحا، حيث يتراوح بين 0.01 و 0.1 من التدفق الخفي، حيث تعمل سرعة الغاز على السطح غير صفر و 10، وتهيمن التدفقات الانتقالية، وفوق 10، تسود الظواهر الجزيئية.
Drag in the Orbital Environment
وحتى المئات من الكيلومترات فوق سطح الأرض، لا ينتهي الغلاف الجوي للأرض بصورة مفاجئة، إذ إن الغازات المتبقية - الأكسجين الجزئي والهيدروجين - الكثافة التي تدوم 10 كيلومترات - - 10[FLT:] - 10[FLT:] - 14
Flow and Gas-Surface Interactions
في النظام الجزيئي الحر، يُحسب قوة سحب المركبة الفضائية بإلهام تبادل الزخم بين جزيئات أو ذرات فردية تصيب أسطحها، ويُظهر معامل الإقامة، وجزء من قوة الدفع الشائكة التي تنقل إلى السطح، دوراً حاسماً، ويُعتبر السطح الواقعي الذي يُعتبر متجانساً ويقترب من تآكل إشعاعي واحد، ويُستحوذ على كل الزخم، ويُحدث التلوث الازدحاماًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً.
وقد يكون هذا التقلبات أقل من جر الساتل الذي يحمل سطحاً مطهراً أو سطحاً مضافاً إليه، وكلها متساوية، وعلى مدى بعثة متعددة السنوات، يمكن أن يترجم هذا الفارق إلى سنوات من العمر المداري الإضافي أو وفورات كبيرة في الوقود، كما أن معامل الإيواء يختلف باختلاف الزائد من حيث الزوايا الذرية، ويزيد من تعقيدات الغازات الجامدة.
صيانة الأيروسات والأيوربيت
وفي حين أن الجر يصيبه في كثير من الأحيان إزعاج، فإنه يمكن أيضاً أن يُستخدم كأداة.
تقنية التهوية تتطلب ملاحه دقيقه و إدارة حراريه كل تمر عبر الجو يزيل كمية محددة من الطاقة المدارية و يجب أن تنجو المركبة الفضائية من التدفئة الكهربية الناتجة عن ذلك و أنظمة الحماية الحرارية مثل تلك المستخدمة في المركبات التي تستخدم لحماية المكونات الحساسة خلال أعمق الممرات
وبالنسبة للسواتل المدارة للأرض، فإن التعويض عن الجر هو شرط تشغيلي روتيني، كما أن السواتل في المدارات ذات المدارات الشمسية، مثل السواتل المستخدمة في رصد الأرض ورصد الأحوال الجوية، تحتاج إلى إعادة تشغيل دورية للحفاظ على مسارها الأرضي وارتفاعها، كما أن تواتر هذه الأجهزة يتوقف على الارتفاع والنشاط الشمسي الموسّع ومعامل التسيارات الساتلية، وبعض السواتل لديها نظم مخصّصة للتخلص من الحطام المصممة لهذا الغرض، بينما تعتمد السواتل الأخرى على التأثيرات التراكمة على الموجّة.
Reinventing Lift: From Wings to Photon Sails
إنّ سرقة الجاذبية الصغرية قد لا تساعد مركبة فضائية على التسلق من بئر الجاذبية، لكنّها توفر قوى أفراقية تمكّن من طرق الدفع والتحكم الجديدة، أكثر التطبيقات إلماماً هي خلال دخول الغلاف الجوي فوق الصوتي، حيث يُستخدم مسار رفع جسم المركبة لتوليد عنصر قوة منعزلة إلى حمولات الارتفاع المُتَوَجِيّة
وتبيّن نسبة الرفع إلى الدراجة (L/D) أثناء الدخول مدى إمكانية بلوغ المركبة عبر النطاق - أي مدى يمكن أن تتجه إلى أبعد من مسارها الأولي، وتوفر قدرة أكبر على المناورة، وتتيح للمركبة التعويض عن أخطاء الملاحة وتعديل موقعها على الهبوط، حيث تبلغ مسيرة الفضاء نحو 4.5 د خلال فترة الحد الأدنى من العمر، مما يجعلها أكثر من 000 1 كيلومتر.
Solar Sails: Riding Photon Momentum
ربما التعبير النقي عن الرفع في الفراغ هو الإبحار الشمسي، الضوء يحمل زخماً، عندما يعكس الإبحار الكبير، فوق البحر،
إن فيزياء الإبحار الشمسي تعتمد على قوة الدفع الضوئية، وكل صورة لها تحمل زخماً يتناسب مع طاقتها، وعندما تنعكس، تنقل ضعف زخمها إلى الإبحار، وبالنسبة لإبحار نصف قطره 100 متر في الاتحاد الأفريقي من الشمس، فإن القوة الإجمالية تبلغ حوالي 0.01 طن جديد - تقريباً بما يكفي لرفع شفرة على الأرض، ولكن في الفراغات الفضائية، تُطبق باستمرار على مئات السنين من المحركات.
ويحدّد التوجه البحري اتجاه ناقلات القوة، وعندما يكون البحار منعزلا إلى ناقل الشمس، فإن القوة مشعة بحتة، مما يدفع المركبة الفضائية بعيدا عن الشمس، ويصبح عنصر القوة ذا توجه متين إلى المدار، ويتيح للمركبات الفضائية زيادة أو تخفيض طاقتها المدارية، كما أن هذا العنصر المكون من القوة المتطورة للتحكم في المدار.
الصهاريج النقالة والكهربائية
فالأبحار المغنطيسية (الآلات) تستغل قوة لورنتز بنشر حلقة كبيرة من المحركات الخارقة التي تخلق طبقة مغناطيسية اصطناعية، وحيث أن الرياح الشمسية - وهي تيار من البروتونات والكهرباء تنبع من عائق الشمس في هذه الفقاعة المغنطيسة، فإن الجسيمات تُنحرف وتُنقل الزخم إلى البحر، عن طريق تغيير الاتجاه المغنطيفي.
إن الرياضيات التي تبثها الأشرعة المغناطيسية تتضمن التفاعل بين الحقل المغناطيسي والجسيمات المحملة بالرياح الشمسية، ويتوقف التقاطع الفعال للبحر على قوة الحقل المغناطيسي وكثافة وسرعة الرياح الشمسية، وقد أدت حلقة المغناطيسية التي تبلغ قطرها 10 كيلومترات والتي تستمد طاقتها من مولد محرك فوقي واحد من طراز 1MW إلى إحداث اتجاه في الأصل نحو عدة طائرات جديدة.
ويستخدم مفهوم ذو صلة، وهو الإبحار الكهربائي، شبكة من الأسلاك الرقيقة المحملة على نحو إيجابي والتي تُبدد البروتونات الشمسية، ويدفع الزخم المتقطع المركبة الفضائية، ويدور في تركيب السلك، ويمكن توجيه الاتجاه نحو الدافع، ويعطي الإبحار الكهربائي مزايا في الكتلة والتعقيد مقارنة بالبحر المغنطيسي، حيث لا يتطلب وجود حلقة مثمرة أو نظام مبردات مائلة.
تصميم المركبات الفضائية في إطار الجاذبية الصغرية
وحتى عندما تكون القوى الهوائية متناهية الصغر، فإنها تتراكم على مدى عمر البعثة ويجب أن تُدرج في قرارات التصميم، أما الكتلة المعاملية المقذوفة التي تقسم إلى ناتج معامل الجر واختلاف المناطق، فتحدد مدى حساسية المركبة الفضائية، إذ أن التصميم العالي الكثافة، والسواتل المدمجة في المدارات الأرضية يمكن أن تحافظ على مداراتها لسنوات دون إعادة استخدام، بينما تتطلب هياكل اختيارات ذات حجم منخفض.
ويتوقف معامل السحب في التدفق الجزيئي المجاني على قياس الهندسة في المركبة الفضائية ومعامل الإيواء في أسطحها، ففيما يتعلق بمجال، فإن معامل السحب في التدفق الجزيئي المجاني يناهز ٢,٠-٢، بالمقارنة بحوالي ٥,٥ في التدفق المستمر، وبالنسبة لجهاز قياسي مسطح يتجه نحو التدفق، يمكن أن يكون معامل الجر مرتفعاً عند ٣,٠-٣,٥.
التقليل إلى أدنى حد من الدراج في المدار الأرضي المنخفض
ويكافح المصممون جرّه عبر عدة استراتيجيات: إن تشكيل المركبة الفضائية مع منطقة جبهية صغيرة وأنوف مقطوفة أو مخروطة يقلل من التقاطع الفعال للاصطدام، كما أن المواد ذات معامل الإيواء المنخفضة تساعد على الحد من نقل الزخم؛ فعلى سبيل المثال، يمكن أن يعكس سطح معدني مثقوب بجزء أكبر من المضاربة التي تدور حول الحوادث، ويمكن أن تؤدي المعاطف السطحية مثل تيفلون أو الذهب إلى خفض معامل التحلل في أماكن الإقامة بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة من حيث تضاهيكلترات القياسية.
أكثر تطرفاً، إنّ الدفع الكهربائي الذي يُحدث الغلاف الجوي يُجمع الغازات المرنة في المدار الأرضي، ويضغط عليه ويُغذيه بمحرك إيون لإنتاج دفعة ضغط مُعدّلة، وهذه التكنولوجيا يمكن أن تُمكّن البعثات الممتدة على ارتفاعات منخفضة جداً (أقل من 200 كيلومتر) حيث الجوّ كافٍ لتوفير الدفعات الكبيرة.
ومن النهج الآخر لتخفيف آثار السحب التحكم في المواقف من أجل خفض المساحة المسقطة باتجاه الطيران، ومن خلال مواءمة أصغر قطاع للمركبات الفضائية مع ناقل السرعة، يمكن التقليل من قوة السحب خلال فترات لا تتطلب فيها صيانة المحطة، وتستخدم هذه التقنية عدة سواتل لرصد الأرض لتوسيع مدارها، ويجب أن يكون نظام مراقبة السلوك قادرا على الحفاظ على هذا التوجه رغم دقة التدرجات التي تتطلبها أجهزة الاستشعار الحرارية.
مناورة بلا مزاح مع فئران الإلكترودينامية
طريقة أخرى بارزة لإدارة المدار بدون الوقود هي التراب الكهرودينامي، وجهاز إرسال طويل من مركبة فضائية يمكن أن يتفاعل مع حقل الأرض المغناطيسي لإنتاج قوة لورنتس، وبتحكمه في اتجاه التدفق الحالي، يمكن أن يولد التايثر كلاً من الدافع والسحب، مما يسمح بتجديد المدار أو التحلل دون أي كتلة من عوامل التفاعل،
إن فيزياء التوليد الكهرودينامي تعتمد على حركة موصل عبر حقل مغناطيسي، حيث ينتقل التثر عبر حقل الأرض المغناطيسي، فإن الفولط يولد على طوله، ويقود تياراً عبر التراب والبلازما المحيطة به، وينتج التفاعل بين هذا المجال الحالي والمغنطيسي قوة على طول الأرض، وهي قوة السحب المغناطيسية التي تتحكم في التركات.
وتواجه الترسبات الكهربائية الكهربية العملية تحديات هندسية عديدة، ويجب أن يكون الترتيل طويلاً بما يكفي من حيث الطول لعدة كيلومترات - لتوليد فولت مفيد، ولكن هذا يستحدث مسائل تتعلق بالنشر ومراقبة الاهتزاز، فالربتر معرض للكميكروميتيوم وآثار الحطام، التي يمكن أن تفصله، فالصلة الكهربائية إلى البلازما المحيطة تتطلب نقاط اتصال موثوقة يمكن أن تعالج الاختلالات العالية التي تنطوي عليها.
منابر الاختبار والتقييم
ولا يمكن أن تؤدي هذه الأبراج المسقطة، مثل مرفق الحد الأقصى من الجرعة في بريمن - بروم، إلى إجراء تجارب في البيئات التي لا تخفي فيها جسامة الأرض آثاراً فرعية، كما أن هذه البرجينات لا يمكن أن تتيح إمكانية إجراء عمليات تحليق أوسع نطاقاً من حيث الجرعة، حيث لا يمكن أن تكون هذه الرحلات الجوية مجهزة بمقياس " ZARM " في برومن - بروفيدي، وذلك لمدة 9 ثوانٍ من الخريف، بما يكفي لدراسة فصل الظواهر الغازات.
وفي محطة الفضاء الدولية، تُجري مجموعة غلوبت للعلوم الجاذبية الصغرية، وتُجري تجارب مضيفة مختبرات العلوم الفلورية التي تعزل القوى غير الملاحية، وتُظهر دراسات عن تدفقات المواد المحتوية على مواد، وحرق السقوط، وإجراءات الكبسولة من البيئة القريبة من الوزن، وتُعرض المرافق الخارجية مثل معرض محطة المواد الفضائية الدولية (MISSE) لجرائم اختبارات على الأوكسجين الذري، والإشعاع غير المميت.
توفر غرف الفراغ الأرضية قدرة اختبار حرجة أخرى، ويمكن لمرافق الفراغ ذات المقياس الكبير، مثل تلك التي يديرها مركز بحوث غلين التابع لوكالة الأمن الدولية للطاقة الذرية، أن تحاكي ظروف التدفق النادرة للطائرة على ارتفاعات تصل إلى 150 كيلومتراً باستخدام المضخات الكهربائية وألواح التبريد، مما يتيح للمهندسين قياس قوات السحب على نماذج التدفق الصغيرة الحجم، ويثبت من صحة نماذج التفاعل بين الغازات.
ويعتمد وضع نماذج حاسوبية على البيانات التجريبية والتحليل النظري، كما أن أساليب المحاكاة المباشرة لمونت كارلو، التي تتبع الجزيئات الفردية وتصادمها مع السطح، هي الأداة الرئيسية لنموذج تدفقات الغازات النادرة، وهذه المحاكاة تتطلب نماذج دقيقة للتفاعلات بين سطح الغاز، بما في ذلك معامل الإقامة وتوزيع البيانات المعايرة من الجزيئات المجسدة باستمرار.
الآفاق المستقبلية: من محطة سيسلونار إلى مستكشفين متقاطعين
فيزياء الرفع والسحب في الجاذبية الصغرية ستصبح أكثر أهمية عندما تضغط البعثات خارج مدار الأرض، على سبيل المثال، ستعتمد رحلة المريخ المتحركة على رفع سطح الأرض إلى سرعة الارتداد خلال دخولها إلى الغلاف الجوي المريخي الرقيق حيث تكون كثافة الأرض 1 في المائة فقط من الأرض،
"وهذه القيود تنطبق على "تيتان حيث الغلاف الجوي الساخر والبارد يقدم رفع ممتاز للطائرات الدوارة مثل "التنينفيلي"
وفي الفضاء السيلوناري، حيث يكون الجر الهوائي في الأساس صفراً، فإن عمليات حفظ المحطة وتكوينها ستعتمد على التفاعلات الكهرومغناطيسية - قوات كولومب بين المركبات الفضائية المحملة، وقوات لورنتز من الخانات الميدانية المغنطية، والضغط الإشعاعي الشمسي، وستمكن هذه القوى المتحركة من تحديد مواقعها النسبية بدقة دون أن تستهلك الوقود، مما يكتنف عمليات البوابات الفضائية المتحركة في المستقبل، وخدمة بواسطة السواتل.
وعلى أوسع نطاق، فإن بعثات السلائف المتقاطعة تتوخى الإبحار الكهربائية أو الأضواء التي تحركها الليزر والتي تتسارع إلى نسبة قليلة من سرعة الضوء، وتضع مبادرة " انطلاق ستار " التي تهدف إلى إرسال مسبارات ذات حجم مصغر إلى " ألفا سنتوري " ، تعتمد على مجموعة من الأشعة الليزرية لتدفع الضوء إلى سرعة التقلب.
كما يجري دراسة مفاهيم الدافع الهجين التي تجمع بين مصادر متعددة للقوة، ويمكن أن تستخدم المركبة الفضائية بحارا شمسيا في الدفع الأولي بينما تستخدم ربات الكهرباء أو الأشرعة المغنطيسية في تصحيحات منتصف الطريق، كما أن الجمع بين نظم الدفع المتعددة التي لا تباع في الدفع يمكن أن يوفر درجة عالية من المناورة دون فرض عقوبة جماعية على الوقود الكيميائي، وهذه النظم الهجينة التي تجذب بشكل خاص تكاليف إعادة التعبئة في الفضاء العميق.
خاتمة
فالسرقة والسحب ليست مفاهيم ثابتة متجهة إلى أجنحة الطائرات في أجنحة الكواكب، ففي بيئة الجاذبية الصغرية للضوء الفضائي، فإنها تتحول إلى مجموعة من القوى - تبادل للزخم الغازي المتصدع، والضغط الضوئي، والتشويش المغنطيسي، والتفاعلات الجامحة في لورنتز - التي تستقر وتحافظ على المركبات الفضائية عبر النظام الشمسي، والتحدي الهندسي لا يسمح بتخطي الجاذبية بل بتد.
إن استمرار تقدم الأيروديناميات الجاذبية الصغرية يتوقف على دورة نشطة من التطوير النظري، والنمذجة الحسابية، والتثبت من التجارب، إذ توفر كل بعثة جديدة بيانات تصقل فهمنا للتفاعلات بين سطح الغاز ومعاملات الإقامة، وتزيد من قوة النظام الجزيئي الحر، وهذه المعرفة بدورها تتيح تصميم مركبات فضائية أكثر كفاءة، وتزيد من دقة التنبؤات المتعلقة بالمسارات، ومفاهيم أكثر طموحا.