هندسة نظم نقل الوقود الكاريوكي لإعادة الوقود

هندسة نظم نقل الوقود الكاريوكي لإعادة الوقود

وقد تحولت عملية إعادة الإمداد بالوقود داخل المدار من مفهوم المضاربة إلى ضرورة تشغيلية قريبة الأجل، إذ إن توسيع نطاق عمر خدمة السواتل، مما يتيح استخدام الأنابيب المدارية، ودعم البعثات ذات الطاقات الفضائية العميقة كلها يتوقف على القدرة على نقل الوقود السائل في الفضاء.

الفيزياء الوحيدة للمتجرين المسببين للسرطان في الفضاء

وتوجد مواد مشبعة بالبراميل الرئوي في درجات حرارة تقل كثيرا عن البيئة المحيطة داخل مركبة فضائية أو مستودع للوقود، وفي الفضاء، دون التأثير المعتدل للغلاف الجوي، يهيمن الإشعاع الحراري والتدفئة الشمسية على الحمولة الحرارية، ويغلي الهيدروجين السائل في حوالي 20 كيلو مترا، والأكسجين السائل عند 90 كيلو مترا، والميثان السائل عند 112 كيلو مترا.

كما أن الجاذبية تتداخل بين السائل والبخار على الأرض: فالجمعات السائلة في قاع الصهريج، والبخار في القمة، وفي المدار، يصبح التوتر السطحي، والقوى الرطبة مهيمنة، وبدون أجهزة إدارة الوقود - وهي عادة ما تختفي، أو تحلق، أو تفرز - لا يمكن للمهندسين أن يضعوا سائلاً بصورة موثوقة في منفذ الصهريج.

التحديات الهندسية الرئيسية

الإدارة الحرارية والنفاذ

أما أكثر الخصمات استمراراً من الوقود المسبب للبرد فهو الحرارة، فبدون التبريد أو العزل السوبر، يمكن لدباب الهيدروجين السائل أن يغلي عدة في المائة من كتلته في اليوم، وبالنسبة للبعثات التي تستمر شهوراً أو سنوات (مثل عبور المريخ)، فإن الصهاريج تُحدد في البعثات.

الوقاية من الأمراض والنزاهة في تصريفها

والسوائل المسببة للسرطان منخفضة جداً وضغوط بخار عالية، مما يعني أن التسربات الميكروسكوبية يمكن أن تسبب خسائر كبيرة في الوقود، ويجب أن تعمل السفن على مدى درجات حرارة كبيرة - من درجات الحرارة المبردة أثناء الشغل إلى درجة الحرارة المحيطة (أو أعلى) عند الفراغ - ويجب أن تنجو من توتر الإطلاق والتدوير الحراري المتكرر.

إدارة الذوبان في الجاذبية الصغرية

(أ) إن الحصول على السائل من خزان مانح إلى خزان استقبال في درجة صفر من الغواصات يتطلب مراقبة دقيقة لوصلات السائل، وإذا كانت الصهاريجان ملوثتان بتساوي الضغط، يمكن للبخار أن يلوث المرحلة السائلة، وإذا استخدم النقل المزود بالضغط، يجب أن يضغط الصهريج المانح بغاز الهيليوم أو البول، ويجب أن يكون صهريج الاستلام مهيمناً أو مضخاً فعلياً.

"الرقص بدون مغامرة"

وقبل أن يمكن نقل الصهريج المستقبلي وخطوط النقل يجب أن تبرد من درجة الحرارة المحيطة إلى ظروف مسببة للبرد، وعلى الأرض، يتم ذلك عن طريق إدخال سائل ببطء والسماح بالتبخر العاجل لتبريد الأجهزة، وتهوية البخار، وفي المدار، لا يمكن استخلاص التهوية لأن البخار يضغط على المركبة الفضائية (يستخدم فيها الدفع غير المرغوب فيه) ولأنه قد تم حله.

نظم الإدارة الحرارية والعزل

The design of a cryogenic storage tank in space is essentially a thermal engineering problem. A typical tank for liquid hydrogen may have an inner apotinum shell (for strength at cryogenic temperature and low mass) surrounded by dozens of layers of MLI - aluminized Mylar or Kapton separated by Dacron netting. Between tank and MLI, a vapor-cooled shield (VS).

تكنولوجيا صفر - مركب

إن نظم الصواريخ الصفرية تجمع بين بطانية مرنة من طراز MLI مع مبرد نشط يستخرج حرارة كافية لإبقاء الدافع في درجة حرارة التشبع دون تبخر صافي، وقد يكون الرأس البارد للمبرد مركبا مباشرة إلى حائط الصهريج أو حافلة حرارية تبرد أيضا الدرع المزود بالبخار.

آليات نقل الذوبان

نقل الضغط

ويستخدم أبسط طريقة نقل النفايات الضغط: فالدبابة المانحة تضغط بغاز غير ملوث (عادة هيليوم) لإجبار السائل عن طريق خط نقل إلى خزان استقبال منخفض الضغط، ولتجنب الخلط بين المصارع والدافع، يمكن استخدام جهاز مثان أو مسدس، كما أن نقل المثقفات يعمل جيداً لعمليات النقل الصغيرة والبعثات التي تُصبح فيها كفاءة المخزن الكثيف.

تحويلات مقطوعة

وبالنسبة لعمليات النقل ذات التدفق العالي، فإن المضخات الكهربائية تقدم كفاءة جماهيرية أفضل، ويجب أن تكون المضخات المسببة للسرطان مصممة بعناية لتجنب التجويف: فالرأس المصنوع من الرش الإيجابي المنخفض في مضخة الجاذبية الصغرية يعني أن المهندسين يضعون في الغالب المضخة داخل الصهريج، ويغمرون بالسائل، ويجب أن تعمل المركبات في درجات حرارة مبردة.

Capillary and Surface Tension Transfer

فبدون مضخات نشطة، يمكن نقل السائل باستخدام التوتر السطحي وحده، وفي بيئة الجاذبية الصغرى، يمكن أن يكون السائل محركاً بمستويات حرارة (تدفقات الطاقات الحرارية) أو بالفرق في الرطب بين سطحين، وبينما تكون معدلات التدفق منخفضة، فقد استخدمت هذه التقنية في إعادة الوقود بواسطة السواتل الصغيرة (مثلاً، [أغطية الشحن الضوئية: صفر] أو طريقة النقل السريع.

التلقائية والاستشعار والمراقبة

ويجب أن تكون أي عملية عملية للتزود بالوقود في المدار آلية أو تعمل عن بعد، ويشمل النقل المسبب للسرطان تغيرات سريعة في الضغط ودرجة الحرارة والمرحلة، ويجب أن يدير نظام المراقبة تسلسل التبريد أو معدل التبريد لتجنب الصدمة الحرارية، وموجز التهوية (أو عدم ملء المواهب)، ويجب على أجهزة الاستشعار قياس مستوى السائل (استخدام أجهزة كشف التسرب، أو أجهزة ضغط الأشعة فوق الصوتية، أو أجهزة التحلل الحرارية.

ويجري تطوير خوارزميات التحكم المتقدمة، التي كثيرا ما تستند إلى الرقابة التوقعية النموذجية، لتنسيق الصمامات الكثيرة والمضخات والتسخينات في سلسلة نقل، كما أن نظاما مستقلا تماما سيحتاج إلى معالجة كشف الأخطاء والتعافي منها، مثل الصمامات المحصورة أو المضخة. وقد أثبت مشروع [FLT:]NASA CryoFill

الاختبار والتقييم: من الأرض إلى المدار

ويتطلب تطوير نظم نقل مبردة موثوقة إجراء اختبارات واسعة النطاق في البيئات التي تحاكي الظروف المدارية، وتوفر رحلات الطائرات الموازية (الطائرات من طراز Zro-G) 20-30 ثانية من الجاذبية الصغرية، وهي مفيدة لدراسة السلوك السوائل في خلايا اختبار شفافة، وقد استضافت محطة الفضاء الدولية عدة تجارب، منها Zero-Boil-Off Tank (ZBOT) [FPMLT:1]

غير أن المظاهرة المدارية الكاملة لا تزال هي المصادقة النهائية، إذ أن مفهوم Tanker-001 [المقترح من شركات تجارية متعددة] سيضع مستودعاً مبرداً في مدار أرضي منخفض وينقل إلى مركبة فضائية زائرة، وإلى حين أن تبث هذه البعثة، يعتمد المجتمع الهندي على سوائل متجانسة ذات حجم عال (DCF)

التطبيقات الحالية والمقبلة

امتداد العمر الساتلي

(أ) [أكثر التطبيقات مباشرة هو تجديد سواتل الاتصالات الثابتة بالنسبة للأرض، وعادة ما تحمل هذه السواتل ما يكفي من الوقود لمدة 15 سنة من عمليات حفظ المحطة؛ ويمكن أن يمدّد الوقود حياته بخمس سنوات إلى عشر سنوات، ويتجنب تكلفة استبداله.

Lunar and Mars Missions

وبالنسبة للفضاء العميق، فإن إعادة الإمداد بالوقود المبردة هي عملية تحول، إذ يمكن لبعثة الهبوط باللون القمري أن تطلق مهبطا جافا إلى مدار ثم تزوده بالوقود من مستودع، وتقضي على الحاجة إلى هيكل ضخم من أحادي الإطلاق، كما أن خطة ناسا Artemis تعتمد على إعادة تزويد نظام الإنزال البشري بأجهزة الدفع المزودة بالبقود.

مستودعات المدارات ومركبات الفضاء

يمكن أن تعمل مستودعات التبريد الدائمة المتمركزة في مدار أرضي منخفض بوصفها " محطات الغاز " بالنسبة للحمولات الفضائية التي تنقل حمولات من مدار منخفض إلى مدارات أعلى أو إلى القمر، وسيتطلب المستودع صفيفة شمسية كبيرة من أجل الطاقة، ومجهزين بأجهزة التبريد ذات الأداء العالي، وواجهة قوية للسخرية والنقل.

الآثار الاقتصادية والاستراتيجية

فالإمداد بالوقود في المدار يغير اقتصاد الإطلاق الفضائي، وفي الوقت الراهن، تحدد ميزانية الوقود الساتلية عند الإطلاق؛ وترفع الكتلة الكاملة للمركبات الفضائية من الأرض، ويمكن أن يطلق الساتل مع إعادة الوقود المداري بالخزانات الفارغة )أو المملوءة جزئيا( وينفجر في المدار، مما يقلل من الكتلة والتكلفة، أو يسمح بشحنات أكبر على نفس الصاروخ.

ومن الناحية الاستراتيجية، فإن الدول التي تروج للوقود المداري الرئيسي تكتسب ميزة كبيرة في القدرة على تشغيل الأصول الثابتة في الفضاء، وقد حددت وزارة الدفاع بالولايات المتحدة اللوجستيات الموجودة في المدار بوصفها قدرة حاسمة على الأمن الفضائي في المستقبل، ويرى المشغلون التجاريون أنها الحدود التالية لخفض تكلفة الوصول إلى الفضاء وتمكين نماذج الأعمال الجديدة مثل إزالة الحطام والتجمع في المدار.

خاتمة

إن نظم نقل الوقود الارتجاعي من أجل إعادة الإمداد بالوقود داخل المدار تمثل أحد أكثر التحديات الهندسية إلحاحا في ضوء الفضاء اليوم، بينما كانت مجموعة درجات الحرارة المنخفضة، وسوائل الجاذبية الصغرية، والقيود الصارمة على الكتلة والموثوقية، والحاجة إلى التشغيل المستقل تدفع الآن أحدث الاختبارات الحرارية والميكانيكية والتحكمية، بينما أظهر العديد من المكونات الأساسية - وهي المراكب المبردة والمضخات والأختام -