Table of Contents
إن معادلة صواريخ تسيولكوفسكي، التي استمدت أولا من قبل الرواد الروسي كونستانتين تسيولكوفسكي في عام 1903، لا تزال أهم علاقة رياضية في مجال الملاحة الفضائية، وهي تحكم كيف تغير مركبة فضائية سرعة استكشافها استنادا إلى كتلة الوقود التي تحملها وترجمة كفاءة محركاتها، وبالنسبة للمهندسين الذين يصممون الجيل القادم من المركبات الفضائية، فإن هذه المعادلة ليست مجرد فضول التاريخي
فهم معادلة الروك في ديبث
[العملية] [العملية] [العملية]: الدافع الخفيف] [الرمزية:]
ومعرفة السبب في أهمية الوزن المادي، والنظر في مهمة بسيطة: ساتل يحتاج إلى 5 كيلومترات/أجزاء من الدلتا-ت للوصول إلى مدار النقل الثابت بالنسبة للأرض، وإذا كان الكتلة الجافة للسواتل 000 1 كيلوغرام، وكان للمحرك جهاز انقاذ كهربائي من 300 ثانية (الشكل للصواريخ الكيميائية)، فإن الكتلة الدافعة المطلوبة تبلغ حوالي 800 1 كيلوغرام.
ومن الناحية التاريخية، فإن المعادلة الصاروخية تُجبر على التداول بين الحمولة والنطاق والتعقيد، فقد تم بناء وحدة أبوللو لونار، على سبيل المثال، مع حد أدنى من الهيكل الكتلي باستخدام جلدات الألمنيوم الرقيقة وإطار معقد وخفيف الوزن، واليوم، فإن المنطق نفسه يؤدي إلى تطوير مركبات متقدمة، وحيوانات معدنية، ومواد سمية توفر نسبا عالية من القوة إلى الوزن.
المُختلَف للمواد الخفيفة الوزن في تصميم المركبات الفضائية
وقد اعترفت صناعة الفضاء الجوي منذ وقت طويل بأن الكتلة هي عدو الأداء، وتصف معادلة الصواريخ هذا العدو بدقة الرياضيات، وأن نسبة الكتلة الجافة إلى الكتلة الأولية هي مواصفات تصميم حرجة، إذ يمكن أن تمتد الكتلة الكلية إلى ما يتراوح بين 0.10 و 0.15، أي 85 و90 في المائة من الكتلة الفضائية التي تعمل بالضغط على الكتلة.
وعلاوة على ذلك، تسهم المواد الخفيفة الوزن بصورة غير مباشرة في الموثوقية والسلامة، وتضع مركبة فضائية أخف ضغطا أقل على هياكل مركبات الإطلاق ونظم الفصل، مما يقلل من خطر الفشل أثناء الرئة، ويتيح أيضا هامشا أكبر في احتياطيات الوقود، التي يمكن استخدامها لتصحيح الأخطاء في المسارات أو تجنب الحطام، وفي البعثات المكتظة حيث تُستخدم كل كيلوغرام من الفضاء المسكن ودعم الحياة في أقساط ومواد خفيفة محررة من الضغط الإشعاعي،
مواد الوزن الخفيف الرئيسية في مركبة فضائية حديثة
وقد ظهرت عدة فئات من المواد كأهداف عمل في تصميم المركبات الفضائية المعاصر، حيث يوفر كل منها توازنا فريدا من الممتلكات، ولا توجد مادة واحدة مثالية؛ ويتوقف الاختيار على الاحتياجات المحددة لدرجات الحرارة التي تعمل بها البعثة، ومسار الحمولة، وقيود التصنيع، والتكاليف.
Polymers Reinforced
إن مركبات التعبئة الكربونية ربما تكون أكثر المواد الهيكلية وزناً بالبراعة في السواتل الحديثة والمركبات الفضائية، وهي تجمع بين قوة عالية التشابك وقلة الكثافة (حوالي 1.6 غ/سم3 مقابل 2.7 غ/سم3) يمكن أن تصمم المكعبات لتوفير التليف في اتجاهات محددة،
Aluminum-Lithium Alloys
إن جميع السبيكات التي تُعالج في إطار نظام " أل لي " أصبحت مواد اختيار للعديد من مركبات الإطلاق والهياكل الأساسية للمركبات الفضائية، وذلك بإضافة نسبة صغيرة من الليثيوم (من 1 إلى 3 في المائة) فإن كثافة السواحل تتطلب 10 في المائة بينما تحافظ على قوة مماثلة لسبيكة الألومنيوم التقليدية، كما أن هذه السبيكات تظهر توترا محسّنا في البروبوغين
السيراميكات ذات الوزن المرتفع ونظم الحماية الحرارية
المواد الكيميائية ذات أهمية حيوية لتطبيقات عالية الحرارة مثل الحواف الرئيسية على مركبات الصعود الفائقة الصوت أو أكاذيب الحماية الحرارية، وقد تم إنتاج أكاذيب المكوك الفضائي من الرغاوي المشبوهة ذات الصبغة الحرفية، مع وجود كثافة منخفضة تبلغ 0.14 غرام/كغم3 - أكثر من محركات الخشب المشبع بالغاز والتي يمكن أن تصمد أمام 400 1 درجة مئوية من التطورات الحديثة
أفلام و هياكل مشتعلة
وثمة نهج آخر في مجال الوزن الخفيف يتمثل في استخدام أفلام البوليمر الرقيقة والهياكل المشتعلة التي توزع في الفضاء، وكان الساتل Echo (1960) منطاداً ذروياً يتراوح بين 30 متراً، أثبت المبدأ، حيث إن الموائل المشتعلة، والأبحار الشمسية، والمواد القابلة للانتشار تستخدم مواد مثل كابتون، ومييار، وكيفيلار، لتحقيق مناطق سطحية كبيرة ذات كتلة صغيرة من المواد الصنع.
التحديات الهندسية والمفاضلات
إن تطوير مواد الوزن الخفيف ليس مجرد جعل الأمور أكثر رقعة أو أقل كثافة، إذ يجب أن تنجو المركبات الفضائية من سرعة الإطلاق العنيفة، والتقلب الحراري من - 200 درجة مئوية إلى + 120 درجة مئوية، والتعرض للإشعاع المؤين، والأكسجين الذري، والفراغ، كما أن كل خيار مادي ينطوي على مبادلات بين القوة، والثبات الحراري، والتوسع في التغيير، والتكلفة، وسهولة النسيج.
وثمة تحد رئيسي آخر هو حجم التصنيع، إذ أن إنتاج المواد النانوية أو السيراميات المتقدمة قد يولد خصائص مثيرة للإعجاب، ولكن تكرارها في لوحات كبيرة، وجاهزة للرحلات بتكلفة مقبولة، ويتيح التصنيع الإضافي (الطباعة بواسطة الطبع) مسارا واعدا يتيح هياكل معقدة ذات وزن خفيف لا يمكن أن تُصنع بواسطة الذكاء التقليدي، كما أن هذه المواد تطبع أجزاء من محركات الصواريخ من Inconel مقارنة بنسبة 50 في المائة.
ومن دواعي القلق الأخرى أن بعض البوليمرات والمركبات تتحلل في ظل التعرض الطويل الأجل للبيئة الإشعاعية الفضائية، أو فقدان القوة أو الملوِّثات المارة، وأن الرفع من الأشعة الكونية المجرية يتطلب إما جدراناً هيكلية سميكة أو بوليمرات متخصصة ذات إثراء الهيدروجين، وأن المبادلات بين الفعالية الجماعية والقابلية للدروع هي نتيجة مباشرة لمعادل الصواريخ: إن زيادة الدفتر يعني المزيد من الكتلة الجافة.
دراسات الحالات: كيف يمكن للبعثات التمكينية من المواد الخفيفة الوزن
جيمس ويب تلسكوب الفضاء
إن المرآة الأولى التي أطلقت في يوم الميلاد 2021 هي تحفة من هندسة الوزن الخفيف، وهي تتألف من 18 قطعة من البرايليوم، وكل جزء من الذهب، واختيار البيكونيوم من حيث كثافة الكثافة المنخفضة (1.85 غ/كتار3)، ودرجة عالية من التجمد، واستقرار مبرد تماماً.
مختبر علوم المريخ (الكوري) ورواسب المحافظ
ويواجه مركب المريخ تحدي البقاء على ارتفاع مستوى الدخول والنسب والهبوط أثناء حمله للوسائل العلمية، حيث استخدمت الفضائح نظاماً للهبوط بالوزن الخفيف مصنوعاً في المقام الأول من العجلات المركبة المتحركة واليتانيوم المتحرك، وتتكون من هوامش وعجلات من هوامش النسيج الألومنيوم والليثوم المرنة التي توفر الكتلة المتطورة مقارنة بمجموعات التقليدية.
SpaceX Starship
وبالإضافة إلى ذلك، يقدم برنامج تطوير المركبات مثالا معاصرا على اختيار المواد التي تحملها الصواريخ، ويُعتزم في الأصل بناء سفينة من مركبات الكربون - التحررية، ولكنها تتحول إلى سبيكة فولاذية متخصصة لا تطاق )٣٤٠( بعد أن تبين أن الأداء العالي التمرين وسهولة تصنيع الصلب تفوق العقوبة الجماعية، إذ إن ارتفاع نسبة الماشية أثناء العودة إلى الصلب غير القابل للذوبان يتطلب حماية أقل من الحد الأدنى.
المستقبل: المواد النانوية، والمواد المميتة، والمواد الصناعية المضافة
وفي المستقبل، لا تزال معادلة الصواريخ تحفيز البحوث في الجيل القادم من المواد التي يمكن أن تتيح بعثات أكثر طموحا، كما أن المعالم النانوية مثل نانووبات الكربون والغرافيين لها قوتان نظريتان محددتان تتجاوزان أي مادة حالية، ولكن تصنيع صحائف الكوكائين الخالي من العيوب لا يزال يشكل تحديا.
ويمكن أن تكون هياكل الميثامترات المصممة بممتلكات غير موجودة في مصممات ذات طابع منخفض أن تخلق مواد خفيفة جداً ولكنها شديدة الارتحال، مثلاً، يمكن أن تكون للهياكل المصغرة ذات الميكروميتات ذاتية ذاتية الكثافة منخفضة حيث تبلغ 0.0001 غرام/سم3، بينما لا تزال تدعم التحميلات الكبيرة، وقد جربت هذه الآلات الدقيقة الفلزية لصناعة الكهرباء ذاتية الكهربية المحتوية على البطارية.
فالصناعة المضافة (الطباعة 3D) تحدث بالفعل أثراً من خلال التمكين من إيجاد أشكال معقدة تقلل من الكتلة إلى أدنى حد ممكن، ويمكن أن ينتج عن تضخم الشعاع الإليكتروني وقطع الليزر الانتقائية أجزاء من التيتانيوم أو الألمنيوم بأجهزة طلاء تقلل وزنها بنسبة 50 في المائة مع الحفاظ على القوة، أما في مجال الصناعة، حيث يمكن أن تتيح بيئة الجرعة الدقيقة تجهيز مواد جديدة، فيلزم التغلب على مسائل الطباعة الخفيفة.
وهناك اهتمام أيضاً بالمواد الكيميائية الحيوية - البنى التي تستمد من العظام أو الخشب أو الحرير العنكبوتي - والتي لها قوة محددة عالية وتسامح في الأضرار، وقد تؤدي التصميمات الهرمية التي تخفف الهيكل الجزئي للعظم إلى مواد مركبة ذات قدرة محسنة على الصمود، وتستكشف هذه المفاهيم في مؤسسات مثل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وNASA.
خاتمة
إن معادلة الصواريخ التي تُعد منذ أكثر من قرن، لها نفس الأهمية اليوم كما كتبها تسيولكوفسكي أولا، وهي توفر ضرورة رياضية واضحة: تخفيض الكتلة الجافة لزيادة الأداء، والمواد الخفيفة ذات الوزن الكمالي؛ وهي عامل أساسي للتنقيب عن الفضاء، ومن مركبات الكربون - التحررية إلى السكك الحديدية المتقدمة والمركبات النانوية الخفية، وكل تحسن في القوة إلى التدفق.
وبما أن البشرية تُلقي نظرة على وجود دائم على القمر، وهي بعثة مكتظة إلى المريخ، وتُسجّل الكواكب الخارجية، فإن تطوير مواد خليعة للوزن الضوء سيظل في مقدمة هندسة الفضاء الجوي، ويتمثل التحدي في تحقيق التوازن بين المدخرات الجماعية وبين القابلية للتشهير، والقابلية للدوام، والتكاليف كلها في إطار القيود التي لا تغتفر في معادلة الصواريخ.
For further reading on light weight materials in space, consult resources from ESA], the NASA Technical Reports Server, and technical articles from the Acta Astronautica journal.]