إعادة تعريف الإطلاق الصغير: التحول نحو الدفع الكهربائي

وتشهد الساحة الفضائية تحولا أساسيا، إذ أن السواتل الصغيرة وأجهزة الكوكبسات قد اصطدمت منذ عقود بعبارات ثانوية على صواريخ كبيرة، مقيدة بالجدول الزمني للبعثة الرئيسية ومدارها، حيث أن ارتفاع مركبات الإطلاق الصغيرة - الصواريخ التي تُستخدم في عمليات التعبئة - الصنع - والتي تهدف إلى رفع حمولات بضع مئات من الكيلوغرامات أو أقل - فتحت آفاقا جديدة لعمليات الدفع المرنة والمتكررة والفعالة من حيث التكلفة.

فنظم الدفع الكهربائي، مثل محركات الدفع بالأيون ومدافع القاذورات التي تعمل بالهالو، تعمل بتسريع الدافع المحمل (الزون أو الكريبتون) باستخدام حقول كهربائية أو مغناطيسية، وهي توفر دوافع محددة (الرقم القياسي) تتراوح بين 500 و000 5 ثانية، مقارنة بـ 300-450 ثانية للصواريخ الكيميائية، ويعني هذا الكفاءة أن محرك الدفع الكهربائي الذي يزيد طولا عن عمره يمكن أن يحقق قدرا أكبر بكثير من الاندفاع.

وفي حين أن الإطلاق الكهربائي الكامل من الأرض غير عملي نظراً للانخفاض في نسبة الدفع إلى الوزن بالنسبة للقوى الكهربائية الحالية، فإن الجمع بين معزز ذي قدرة كيميائية يرفع المركبة إلى المدار، يليه مرحلة كهربائية عليا للإضافة المدارية وما بعدها، يمثل هيكلاً هجيناً عملياً، وتنشط عدة شركات فضائية ومنظمات بحثية في تطوير مثل هذه النظم، تستهدف أجهزة الإطلاق الصغيرة التي يمكنها أن تسلم حمولات إلى مدار منخفض غير مسبوق.

لماذا مسائل الانشاء الكهربائي لمركبات الاطلاق الصغيرة

محررين من أعلى أوربيت مع أقل بروبلانت

والمزية الرئيسية للدفع الكهربائي لمركبات الإطلاق الصغيرة هي كفاءة الوقود الاستثنائية، وقد تستخدم المرحلة العليا الكيميائية عدة مئات من الكيلوغرامات من الوقود لتعميم مدار أو رفع الارتفاع، ويمكن أن تنتج مرحلة كهربائية عليا، باستخدام نفس الكتلة الدفعية، أكثر من ذي قبل، مما يمكن جهاز الإطلاق الصغير من الوصول إلى مدارات أعلى أو القيام بعمليات نشر متعددة الأهداف، مثلا، صاروخ صغير يمكن أن يوصل 100 كيلومتر إلى موقع محمول ساتلي.

وهذه القدرة قيمة خاصة بالنسبة لمشغلي السواتل الصغيرة الذين يرغبون في العمل في مدارات غير عادية أو في حاجة إلى تجنب كثافة الحطام الفضائي على ارتفاعات مشتركة، ويتيح لهم الدفع الكهربائي حرية اختيار مدارات لم يكن من الممكن الوصول إليها من قبل في أجهزة الإطلاق الصغيرة بأسعار معقولة.

خفض تكاليف الإطلاق والسوقيات المبسطة

ونظراً لأن محركات الكهرباء تستخدم الوقود الدفعي بكفاءة كبيرة، يمكن تخفيض كتلة المرحلة العليا، وهذه التعاقبات الخفضية إلى المزدحم: فقل الوقود في المرحلة العليا يعني أن المزدحم يحتاج إلى أقل من الدافع والوقود لرفع الحزمة بأكملها، مما يمكن أن يقلل تكاليف التصنيع ويتيح لوحات الإطلاق الأصغر، وبالإضافة إلى ذلك، فإن نظم الدفع الكهربائي لديها أجزاء أقل من المحركات الكيميائية المعقدة - التي لا تمزق -

كما أن عدد قليل من الوقود الدافع إلى الخطر يخفض تكاليف مناولة الأرض، ففي حين أن المراحل العليا الكيميائية كثيرا ما تستخدم خلائط الهيدرازين السامة أو الفائقة الفولط، فإن محركات الكهرباء تستخدم عادة الغازات النبيلة غير الصالحة للشرب مثل الزينون أو الكريبتون، ولا تتطلب أي بدل أمان خاص لطاقم الأرض، ويمكن تخزينها وتحميلها بمعدات أبسط، وتصبح حملة الإطلاق العامة أسرع وأرخص وأكثر أمانا.

المنافع البيئية والتنظيمية

وقد أبرز التركيز المتزايد على العمليات الفضائية المستدامة الأثر البيئي لعمليات إطلاق الصواريخ، أما الصواريخ الكيميائية التي تبعث على بخار المياه، وثاني أكسيد الكربون، وأكسيد النيتروجين، والأنواع المحتوية على الكلور والتي يمكن أن تلحق الضرر بطبقة الأوزون، فعملية الدفع الكهربائي، على عكس ذلك، تنتج حدا أدنى من العادم والذرات الغازية المحايدة ذات التسارع، كما أن لمحركات الدافعين في الوقت الحالي آثارا لا تذكر على التلوث.

وعلاوة على ذلك، فإن الكتلة المخففة للوقود تعني شحنات أقل من المواد الخطرة، مما يزيد من تخفيض البصمة البيئية العامة لحملة الإطلاق، وبما أن الحكومات تفرض معايير أشد صرامة للانبعاثات على مركبات الإطلاق، فإن الدفع الكهربائي سيصبح خيارا جذابا بصورة متزايدة.

التكنولوجيات الحالية والتطورات الرئيسية

القاعات المؤثرة للقصّات العليا الصغيرة

(ب) إن أجهزة الدفع ذات التأثيرات الهالوية (HETs) هي أجهزة تشغيل صغيرة من طراز Wrsquo؛ وأجهزة الدفع الكهربائي، وهي تعمل على نحو مدمج وفعال وتراث للرحلات الجوية على عشرات المركبات الفضائية، أما بالنسبة لمركبات الإطلاق الصغيرة، فتقوم عدة شركات بتخفيض حجمها إلى 100-000 1 من الطاقة الكهربائية مع الاحتفاظ بمستوى مرتفع (500-000 2 من طراز S.

وكان أحد المظاهرات البارزة هو " مركبة الصومعة ذات الدفع الكهربائي الكهربي " ؛ ومفهوم " SVEP " الذي درسته وكالة الفضاء الأوروبية، والذي استخدم مجموعة من محركات الهالونات المصغرة لتربيتها في المدار بعد حروق معززة بالصواريخ الصلبة، وفي حين لم يتدفق بعد كطور متكامل، أدى المفهوم إلى تطوير وحدات معالجة للوزن الخفيف (PUs) وGimbals التي يمكن أن تعالجها.

المُستقيمون: أعلى مستوى للمهام الموسعة

كما أن محركات الأيون المشبوهة تعرض دفعات محددة أعلى من 000 5 ثانية ولكن بتكلفة كثافة دفع منخفضة وزيادة تعقيدات أجهزة الإطلاق الرخيصة في المدار الثابت بالنسبة للغاز الخفيف؛ وقد ثبت أن محركات الغاز المحتوي على الغازات الطويلة مثل الفجر.

(أ) إنتاج مدفع I2T5 1.3 ميغاواط من الدفع عند 500 2 ثانية من طراز Isp، مما يجعله ملائماً للمناورات الساتلية الصغيرة، غير أنه يلزم، بالنسبة لدور أعلى من المرحلة، عشرات أو مئات النانوينات، مجموعات من مدافع الأيوني أو وحدات أكبر واحدة، وهناك عدة أفرقة بحثية بصدد تطوير صفائف متعددة الأطقم مع وحدات مشتركة من نوع بي بيزوات لخفض التكاليف.

التكنولوجيات البديلة: البلازما المطلية والكهرباء

(أ) ما بعد الدفعات من الهال واليون، يجري استكشاف مفاهيم أخرى للدفع الكهربائي بالنسبة للمراحل العليا من مركبات الإطلاق الصغيرة، حيث تقدم أجهزة الدفع بالبلازما ذات البساطتين (Pulsma) وصفائح الوقود الصلب (مثل تيفلون)، ولكن انخفاض كفاءتها وتوجهها يحد من تطبيقات التلقيح المايكروي.

وثمة مفهوم جديد آخر هو ]magnetoplasmadynamic (MPD)دافع ، الذي يستخدم قوساً عالياً لتوليد البلازما الكثيفة وكثافة عالية في الدفع، ومع أن مدونات الصواريخ التي تستخدمها أجهزة الدفع المغناطيسية قد درست منذ عقود، فإن متطلبات الطاقة العالية لها (ميغاوات لتشغيلها بكفاءة) تجعلها غير عملية.

إدماج التكاثر الكهربائي في تصميمات مركبات الإطلاق الصغيرة

خيارات الهندسة المعمارية: مرحلة الإجازات، أو التوغل، أو المرحلة العليا الهجينة

[[هناك عدة طرق لدمج الدافع الكهربائي في جهاز إطلاق صغير، والأكثر بساطة هو مرحلة ] - مركبة فضائية منفصلة تفصل عن المقوي الكيميائي وتستخدم أجهزة الدفع الكهربائية لإكمال المدار ثم تؤدي مناورات إضافية.

ومن النهج الأكثر تكاملاً بناء المرحلة العليا بأكملها حول مجموعة محركات كهربائية، مع قيام المعزز بالركود الأولي والتنقيب في السهول دون المدارية، ثم ترتفع مرحلة الكهرباء مدارها الخاص على مدى أيام أو أسابيع باستخدام الدافع المنخفض المستمر، وهذا الهيكل يتيح زيادة أصغر بكثير لأن المرحلة العليا قد تكون أقل قدرة بكثير من المكافئ الكيميائي، والمبادلات أطول فترة عبور للوصول إلى المدار النهائي بدلاً من دقائق الوصول.

وأخيراً، تتوخى بعض المفاهيم إنشاء مرحلة هجينة عالية ] مع كل من محرك كيميائي صغير لإدخال المدار السريع ومحرك كهربائي لعمليات حفظ المحطة أو تغيرات المدار اللاحقة، ويجمع هذا النهج المزدوج الحركة بين سرعة الدفع الكيميائي وكفاءة الدفع الكهربائي، ولكنه يضيف الكتلة والتعقيد.

إدارة الطاقة والحرارة

وتحتاج أجهزة الدفع الكهربائي إلى طاقة كهربائية كبيرة تتراوح بين 1 و10 كيلوواط واط في مرحلة عليا صغيرة ويمكن توليد هذه الطاقة بواسطة صفائف شمسية قابلة للانتشار، ويجب أن تُزرع أثناء فترة الفصل بين مواقع الطاقة الكهربائية والكهربائية، أما بالنسبة لمركبات الإطلاق الصغيرة، فإن عبوات صفائف شمسية كبيرة (التي غالباً ما تتراوح بين 10 و30 متر مربع) فهي تحد كبير.

كما أن الإدارة الحرارية حرجة بنفس القدر، إذ أن محركات الدفع الكهربائي تولد حرارة النفايات من وحدة ضغط الدم وجهاز الدفع، كما أن إطلاقات الصواريخ الطويلة الأمد (عشرات ساعات) يمكن أن تسبب ارتفاع درجات الحرارة فوق حدود المكونات، ويجب تصميم أجهزة الاستنشاق والأنابيب الحرارية لرفض الحرارة مع تهيئة بيئة الإطلاق، وتستخدم بعض التصميمات الدافع نفسه كهض مبرد، وتتدفقه عبر قنوات قبل أن يستخدمها في نقل النفايات.

التغلب على التحديات

الحدود الصدئة والتأثير

أما السحب الأكثر تكراراً للدفع الكهربائي فهو منخفض الدافع، إذ ينتج محرك الهال نموذجي بضع مئات من الطاحونة؛ وينتج محرك كيميائي من نفس الحجم كيلونيوتونات، ويستغرق جمعه بالكهرباء أسابيع أو أشهراً بدلاً من دقائق، ويعني ذلك أن المرحلة العليا لا تستطيع أن تدعم البعثات الحساسة من حيث الوقت مثل نقل الأطقم أو التصوير بالدماغ.

وترتفع مستويات الدفع المتقدمة.() وقد أثبت محرك الهالونات () وجود 100 كيلوواط و5.4 نون من الدفع، مما يدل على أن التوسع ممكن، أما بالنسبة لمحركات الإطلاق الصغيرة، فإن مجموعات من ثلاث إلى خمسة مدافع من طراز KW يمكن أن توفر الدافع الكلي اللازم في الوقت الذي تقدم فيه إمدادات من الطاقة الكهربائية العالية، فتستمر البحوث في زيادة كثافة القوى المحركة.

نظام الطاقة

ويتطلب الدفع الكهربائي الطويل الأجل نظماً للطاقة موثوقة للغاية، ويجب أن تنجو الصفوف الشمسية من بيئة الإشعاع وتنتج طاقة ثابتة حتى في زوايا عالية من الإصابة، ويجب أن تعمل آليات النشر بلا عيوب بعد تحميل الإطلاق، ويمكن أن يقطع الفشل في نظام الطاقة أعلى مرحلة في مدار وقوف السيارات، وللتخفيف من ذلك، فإن المصنعين مؤهلون للارتفاع والتقلب الحراري، باستخدام التكييفات الإلكترونية التي لا تُعد.

وثمة نهج آخر يتمثل في استخدام مصادر الطاقة الكهربائية النووية، مثل المولدات الكهربائية الحرارية للنظائر المشعة أو مفاعلات الانشطار الصغيرة، أما بالنسبة لمنتجات الإطلاق الصغيرة، فإن أجهزة التفجير ذات الترددات العالية جداً وشحيحة (إمدادات محدودة من البلوتونيوم - 238). Kilopower، وهو مشروع ذو مقياس ناسا، قد أثبت وجود مفاعل للكهرباء متعدد الأطراف.

الحياة والتآكل

وتعاني القوى الكهربائية من محدودية العمر التشغيلي بسبب تآكل الكهرباء، وجدران القنوات، والشبكات، وعادة ما تكون مدة الدفع في القاعة 000 10 ساعة، تبعا لظروف التشغيل، ولفترة أعلى قد تحترق لمدة 000 10 ساعة على مدى عدة أشهر، وهذا كاف، ولكن بالنسبة للبعثات التي تتطلب عدة فترات استراحة أو حروق طويلة جدا، يمكن أن يصبح التآكل وسيلة للفشل.

The Road Ahead: Near-Term Demonstrations and Long-Term Vision

اختبارات الطيران القادمة

A-FLT: A-FL.S.B.A.A.A.A.L.S.

ومن جهة البحث، يقوم مشروع " ناسا " (NASA) بتجهيز نظام الدفع بالكهرباء الشمسية (SEP) ((SEP) ((SEP)) (((((((): تطوير نظام توجيهي ذي تركيز على 12.5 كيلوواط يمكن تكييفه في نهاية المطاف بالنسبة للمراحل العليا لمركبات الإطلاق الصغيرة، ويختبر المتقاعدون في المدارات الطويلة؛ (Small Launcher Technology Program()

Economic Viability and Market Pull

أما حالة الدفع الكهربائي في مركبات الإطلاق الصغيرة فتتوقف على تخفيض التكلفة الإجمالية لكل كيلوغرام إلى المدار، وقد يكلف جهاز الإطلاق الصغير بدون مرحلة كهربائية مبلغ يتراوح بين ٥ و ٠١ ملايين دولار لبعثة من طراز LEO تبلغ ٠٠٣ كيلوغراما، ويزيد من تكلفة المرحلة العليا الكهربائية ويضيف الكتلة التي تستخدمها شبكة الطاقة، ولكنه يمكن أن يتيح توصيله إلى مدارات أعلى تحمل أسعارا بأقساط متعددة الدفع، بدلا من أن يؤدي ذلك إلى خفض تكاليف الاستهلاك الكيميائي المصغر.

ويتوقع محللو الأسواق أن يزداد الطلب على خدمات الإطلاق بواسطة السواتل الصغيرة من بليوني دولار في عام 2023 إلى أكثر من 10 بلايين دولار بحلول عام 2030، مدفوعة بمجموعات النطاق العريض، ورصد الأرض، والوصلية بين المدار الثابت، وسيكون الدفع الكهربائي عاملاً تمكينياً رئيسياً لجعل هذه الوصلات معقولة التكلفة، لا سيما وأن المشغلين يسعون إلى تجديد السواتل في بارامترات مدارية دقيقة، وقدرة تعديل المدار بعد انتهاء الخدمة نقطة بيع رئيسية.

الاستنتاج: مستقبل هجين

ولن يحل الدفع الكهربائي محل المحركات الكيميائية لمعززات مركبات الإطلاق الصغيرة في أي وقت قريب، فالقوة الهائلة اللازمة للهروب من الأرض المركوعة؛ والجاذبية لا تتجاوز قدرة المدافع الكهربائية الحالية، إلا أن الدفع الكهربائي في المرحلة العليا وما بعدها يوفر مساراً لزيادة الكفاءة، وانخفاض التكاليف، وتقليص الأثر البيئي، ويُعد الجمع بين مرحلة أولى ذات طاقة كيميائية، ومرحلة متقدمة ذات قدرة كهربائية، تسمى " مركبة متقدمة " .

ومع نضج تكنولوجيا الدفع، تصبح نظم الطاقة أخف، وتتراكم تراث الطيران، يمكننا أن نتوقع أن نرى المزيد من أجهزة الإطلاق الصغيرة تعتمد مراحل كهربائية عالية، وهذا التحول سيضفي الطابع الديمقراطي على الوصول إلى مدارات أعلى، ويتيح عمليات فضائية أكثر استدامة، ويعجل بنمو نظام إيكولوجي فضائي تجاري نشط، ومستقبل الإطلاق الفضائي الصغير ليس كهربائياً فحسب، بل هو مختلط بالكهرباء، مما يجعل كل الفرق.