تركيبة دافع هلامي جديدة تهدف إلى حل المفاضلة الهندسية في دفع المركبات الفضائية

طرح باحثون في مجال الفضاء الجوي تركيبة متقدمة لدافع هلامي صُممت لحل مفاضلة هندسية مستمرة في مناورات الأقمار الاصطناعية ودفع الصواريخ، محققة التوازن بين الاستقرار الهيكلي للوقود السميك والسيولة المطلوبة للاحتراق الفعال في المحرك. وتستهدف التقنية تحديين قائمين منذ زمن طويل يعقدان تصميم المركبات الفضائية: التموج غير الموجه للدافعات السائلة داخل خزانات التخزين، والذي يمكن أن يزعزع مسارات المركبات الفضائية، وصعوبات الضخ والتذرية الشديدة التي منعت تاريخياً أنواع الوقود الهلامي التقليدية من تحقيق اعتماد واسع في مركبات الإطلاق التشغيلية والمنصات المدارية.

## Key facts

- صُممت التركيبة المطورة حديثاً لتقليل تموج الوقود الداخلي إلى أدنى حد، وهي ظاهرة في أنظمة الدافعات السائلة تؤثر على مركز كتلة المركبة الفضائية وتُضعف التحكم في التوجيه. - قاومت الدافعات الهلامية التقليدية تاريخياً عمليات الضخ والرش عبر الحاقنات بشكل موثوق، مما أدى إلى تذرية غير متساوية واحتراق غير مكتمل في غرف احتراق الصواريخ. - يوازن النهج الكيميائي الجديد بين الاستقرار الهيكلي في ظروف التخزين الساكنة وخصائص ترقق القص السريع تحت ضغط الضخ الميكانيكي. - تتطلب المركبات الفضائية العاملة بالدافعات السائلة بصورة دورية معدات ميكانيكية للتخفيف من هذه الظاهرة، مثل الحواجز الداخلية في الخزانات أو الأغشية المطاطية المرنة، مما يزيد من الكتلة الجافة الخاملة ويقلل من سعة الحمولة الصافية. - في حال التحقق من فاعليتها في محركات جاهزة للطيران، يمكن للتركيبة أن تخدم كلاً من مركبات إدخال المراحل العليا في المدار والأقمار الاصطناعية التجارية طويلة الأمد التي تتطلب الحفاظ الدقيق على المدار.

## What happened

ابتكر مهندسون يعملون على الجيل القادم من الدفع الكيميائي نظام دافع هلامي معدّل ومصمم للتغلب على العقبات المادية التي حصرت أنواع الوقود الهلامي في البرامج التجريبية لعقود من الزمن، وفقاً لتقرير أعدته Maria Mocerino.

ويواجه هذا التطوير بشكل مباشر القيود التشغيلية للأنظمة السائلة والهلامية التقليدية. ففي خزانات الدافعات السائلة، تتدفق أنواع الوقود والمؤكسدات منخفضة اللزوجة بحرية. وتحت ظروف الجاذبية المنخفضة أو الجاذبية الصغرى في الرحلات الفضائية، تتسبب القوى الخارجية — مثل إشعال محركات التحكم التفاعلي أو حرق المحرك الرئيسي — في اندفاع السائل بقوة ضد الجدران الداخلية للخزان. وتخلق هذه الحركة، المعروفة باسم تموج الدافع الهيدروديناميكي، اضطرابات ديناميكية يمكن أن تطغى على خوارزميات التوجيه والملاحة والتحكم (GNC) في المركبة الفضائية، مما قد يؤدي إلى دوران المركبة حول نفسها أو انحرافها عن مسارها المخطط له.

وتاريخياً، حاول مهندسو الكيمياء القضاء على التموج عن طريق تبلور الدافعات وتحويلها إلى هلام. ومن خلال تعليق عوامل التثخين، مثل السيليكا المدخنة، أو الجسيمات النانوية الكربونية، أو البوليمرات العضوية، في الهيدروكربونات السائلة، أو الهيدرازين، أو الخلائط المبردة، أنتجوا مواد هلامية شبه صلبة لا تتدفق بحرية أثناء السكون. غير أن هذا جلب عيباً ميكانيكياً بالغ الشدة بالقدر نفسه؛ فعند ضغطها داخل خطوط التغذية لمحرك الصاروخ، أظهرت المواد الهلامية التقليدية مقاومة مفرطة للتدفق. وبمجرد دفعها عبر الفتحات المجهرية للوحة حاقن الوقود، قاومت المواد الهلامية التذرية، وتفتتت إلى كرات كبيرة وغير منتظمة بدلاً من رذاذ دقيق ومتجانس. ومن دون تشتيت مناسب للقطرات، لا يمكن للوقود أن يتبخر بسرعة أو يختلط جيداً مع المؤكسدات، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الاحتراق، أو حدوث عدم استقرار صوتي شديد، أو انطفاء شعلة المحرك.

ووفقاً للتقرير، جرت هندسة التركيبة الجديدة لتحقيق تسوية ريولوجية دقيقة؛ إذ تحافظ على إجهاد خضوع كافٍ أثناء التخزين والمناورات القياسية لكبح تموج السائل داخل الخزان، ومع ذلك تتحول بسرعة إلى حالة منخفضة اللزوجة عند تعرضها لإجهاد القص الميكانيكي المتولد عن مضخات التغذية وفوهات الحاقن، مما يتيح تذرية قياسية للقطرات.

## Why it matters

تؤثر عملية تحسين إيصال الدافع في المركبات الفضائية تأثيراً مباشراً على كتلة المعدات المدارية وسلامتها وطول عمرها التشغيلي. وفي صناعة الأقمار الاصطناعية الحديثة وهندسة المراحل العليا للصواريخ، يفرض التعويض عن تموج السائل أعباءً هندسية جسيمة. ويضطر مصممو المركبات الفضائية بصورة روتينية إلى تركيب حواجز ميكانيكية داخلية، أو أجهزة إدارة الدافع القائمة على التوتر السطحي (PMDs)، أو أغشية طرد مرنة داخل خزانات الدافع. وتضيف هذه المكونات المعدنية والبوليمرية "كتلة جافة" خاملة كبيرة إلى المركبة. وفي الميكانيكا المدارية، حيث يقلل كل كيلوغرام إضافي من الكتلة الهيكلية مباشرة من كتلة الحمولة التجارية أو العلمية التي يمكن للصاروخ رفعها، فإن القضاء على حواجز الخزان الداخلية يمكن أن يحقق مكاسب أداء ملموسة ويخفض تكاليف الإطلاق.

وإلى جانب كفاءة الإطلاق، يمثل تموج الدافع نمط فشل حرج أثناء العمليات المدارية الدقيقة. إذ يتعين على المركبات الفضائية التي تنفذ عمليات اقتراب أو التحام مداري أو هبوطاً في الغلاف الجوي تشغيل محركات التحكم التفاعلي مع الحفاظ على دقة توجيه بالغة. ويمكن أن يؤدي انتقال الوقود داخل الخزانات نصف الفارغة إلى تحول مركز ثقل المركبة بشكل غير متوقع، مما يجبر محركات التحكم في التوجيه على الإشعال باستمرار لمواجهة الزخم، وهو ما يستنزف بسرعة احتياطيات الوقود على متن المركبة.

كما توفر الدافعات الهلامية مزايا أمان بالغة الأهمية مقارنة بالدافعات السائلة القياسية. فلا يزال قطاع الأقمار الاصطناعية يعتمد اعتماداً كبيراً على السوائل ذاتية الاشتعال، وبخاصة أحادي ميثيل الهيدرازين (MMH) ورابع أكسيد ثنائي النيتروجين (NTO)، والتي تشتعل تلقائياً عند التلامس ولا تتطلب مشعلات خارجية. ورغم موثوقيتها العالية في الفضاء السحيق، فإن المركبات القائمة على الهيدرازين متطايرة وشديدة السمية وتشكل مخاطر استنشاق وحروق كيميائية بالغة لطواقم العمل الأرضية أثناء عمليات التزود بالوقود في مواقع الإطلاق. وتحد تركيبة الهلام المستقرة من خطر الانسكابات الكارثية وانبعاث الأبخرة وتمزق الخزانات تحت تأثير الضغط الزائد العرضي. وتقاوم المواد الهلامية أيضاً انفصال الأطوار والتسرب تحت التسارعات العالية، مما يجعلها خياراً جذاباً لبنى الإطلاق ذات الاستجابة السريعة المتعلقة بالدفاع.

## The background

انقسمت تكنولوجيا الدفع تاريخياً إلى ثلاث فئات رئيسية: الأنظمة الصلبة، والسائلة، والهجينة. وتوفر محركات الصواريخ الصلبة، التي استُخدمت لأول مرة بأشكال بدائية منذ قرون وجرى تحسينها خلال الحرب الباردة للصواريخ الباليستية العابرة للقارات (ICBMs) ومعززات مكوك الفضاء، قوة دفع هائلة وعمراً تخزينياً غير محدد وبساطة هيكلية. ومع ذلك، فهي تفتقر إلى التحكم في قوة الدفع ولا يمكن إيقافها أو إعادة تشغيلها بمجرد اشتعالها. أما محركات الصواريخ السائلة، التي كان Robert Goddard رائداً فيها عام 1926 وتطورت إلى أنظمة تشغيلية خلال منتصف القرن العشرين، فتوفر نبضاً نوعياً عالياً — وهو مقياس لكفاءة الدافع — جنباً إلى جنب مع إمكانات إعادة التشغيل والتعديل الدقيق لقوة الدفع، ولكنها تتطلب مضخات توربينية وصمامات وهياكل معقدة لإدارة التموج.

وظهرت الدافعات الهلامية كمحاولة لدمج مزايا كلا المجالين: قابلية التخزين، والسلامة السلبية، والتوزيع المنتظم للكتلة التي تميز المحرك الصلب، مع إمكانات التحكم في قوة الدفع، والإيقاف، وإعادة الإشعال التي يتميز بها المحرك السائل. وبين الستينيات وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أجرت وكالات الدفاع والفضاء الرئيسية، بما في ذلك U.S. Army Aviation and Missile Command (AMCOM)، ومركز Marshall Space Flight Center التابع لـ NASA، وGerman Aerospace Center (DLR)، أبحاثاً مكثفة حول الدافعات الهلامية. واستكشفت البرامج المبكرة الكيروسين الهلامي (RP-1)، وثنائي ميثيل الهيدرازين اللاتماثلي الهلامي (UDMH)، وحمض النيتريك الدخاني الأحمر المثبط الهلامي (IRFNA).

ورغم نجاح هذه البرامج في إثبات عمليات الإطلاق الأرضية الساكنة ورحلات الصواريخ التجريبية، إلا أنها تعثرت مراراً وتكراراً عند تصميم الحاقن وديناميكيات السوائل غير النيوتونية. وتتصرف المواد الهلامية كسوائل غير نيوتونية، ما يعني أن لزوجتها تتغير بحسب معدل انفعال القص المطبق. وأظهرت العديد من التركيبات المبكرة متغيرة الانسيابية (thixotropy) ضعيفة — وهو المعدل الذي يترقق به السائل أثناء الحركة ويعود إلى حالة السكون — أو تطلبت ضغوطاً مرتفعة غير مستدامة في خطوط التغذية، مما استلزم خزانات أثقل ومضخات قوية ألغت أي مكاسب تم تحقيقها في الكتلة الجافة من خلال إزالة حواجز التموج. علاوة على ذلك، تراكمت عوامل التبلور المعلقة بشكل متكرر على فتحات الحاقن، مما أدى إلى تكوين رواسب كربونية أو أكسيدية أدت إلى تآكل مكونات المحرك أو انسدادها بمرور الوقت.

## Reaction

من المتوقع أن يدقق مهندسو الدفع ومصنعو هياكل الأقمار الاصطناعية ومشغلو الرحلات الفضائية التجارية في هذا التطور من خلال مجموعات العمل المعنية بالصناعة والمؤتمرات الفنية، مثل منتدى الدفع والطاقة التابع لـ American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA). وفي هذه المحافل، يقيّم الباحثون الأكاديميون ومن القطاع الخاص بانتظام ريولوجيا الدافع غير النيوتوني وديناميكيات الحقن مقارنة بالمعايير التشغيلية.

وحافظت أذرع أبحاث الدفاع، بما في ذلك U.S. Air Force Research Laboratory (AFRL) وDefense Advanced Research Projects Agency (DARPA)، على اهتمام مستمر بالدافعات الهلامية نظراً للمتطلبات المتعلقة بأنظمة الصواريخ القابلة للتخزين طويل الأمد وغير القابلة للانفجار والتي يمكنها تحمل مناورات تفادٍ عند مستويات تسارع عالية دون المعاناة من نفاد الوقود أو زعزعة الاستقرار الناتجة عن التموج. وسيقيم مشغلو أساطيل الأقمار الاصطناعية ما إذا كان بإمكان التركيبة التكامل مع الأشكال الهندسية للمحركات الحالية أو ما إذا كانت تتطلب إعادة تصميم شاملة للبنية التحتية لتغذية الدافع.

## What we don't know yet

لا تزال العديد من مقاييس الأداء الحاسمة والخصائص التقنية دون توضيح في المعلومات الأولية. فالتركيب الكيميائي الدقيق لزوج الوقود والمؤكسد — وما إذا كانت التركيبة تستخدم مواد تبلور جسيمية مثل السيليكا أو مواد تبلور بوليمرية عضوية — لم يُحدد علناً. وبالمثل، من غير المعروف ما إذا كان الهلام يعتمد بنية أحادية الدافع أو ثنائية الدافع.

علاوة على ذلك، لا تكشف البيانات عن النبض النوعي ($I_{sp}$) للتركيبة الجديدة مقارنة بالدافعات السائلة المرجعية مثل الهيدرازين ($I_{sp} \sim 220–240\text{ s}$) أو الدافعات الثنائية القياسية ($I_{sp} > 300\text{ s}$). ومن دون نشر أرقام الأداء، لا يستطيع المهندسون تحديد ما إذا كان خفض أجهزة إدارة التموج يعوض أي انخفاض محتمل في كثافة الطاقة الكيميائية الخام.

كما أن الاستقرار الحراري في الفراغ وقابلية التخزين على المدى الطويل غير مؤكدين بعد. فالمركبات الفضائية التي تعمل في مدار أرضي منخفض أو مدارات النقل الثابتة بالنسبة للأرض تتحمل دورات حرارية قاسية، من درجات حرارة تتجاوز 100°C في ضوء الشمس المباشر إلى أقل من -100°C في الظل. ولا يزال بقاء هذا الدافع الهلامي متجانساً دون حدوث الانفصال العصاري (syneresis) — وهو الانفصال التلقائي للقاعدة السائلة عن عامل التبلور — على مدار عمر تشغيلي يتراوح بين 10 إلى 15 عاماً سؤالاً حاسماً دون إجابة.

## What to watch

سيعتمد تقدم هذه التكنولوجيا على معالم هندسية محددة خلال دورات التطوير القادمة. ويترقب المراقبون المنشورات الفنية القادمة في المجلات المحكمة التي تفصل منحنيات تدفق التركيبة، وعتبات إجهاد الخضوع، وتوزيعات حجم قطرات التذرية (Sauter mean diameter).

وستكون العقبة التقنية الرئيسية هي اختبارات الحرق الساكن طويلة الأمد على منصات الاختبار الأرضية. ويجب أن تؤكد هذه الاختبارات ما إذا كان الدافع قادراً على تحقيق احتراق مستقر وعالي الكفاءة دون إحداث عدم استقرار صوتي عالي التردد أو سد فوهات الحاقن عبر عمليات إعادة تشغيل متعددة.

وعقب التحقق الساكن، سيحتاج الباحثون إلى إثبات فاعلية التكنولوجيا داخل نموذج أولي متكامل للطيران، ومن المرجح أن يبدأ ذلك بصواريخ التجارب دون المدارية أو مهمات العرض التكنولوجي لأقمار CubeSat الصغيرة، لإثبات تدفق السائل بشكل موثوق في ظل ظروف الجاذبية الصغرى الفعلية. وسيشير تتبع إيداعات براءات الاختراع، واتفاقيات ترخيص التكنولوجيا، وعقود الأبحاث الممنوحة من وكالات الفضاء الوطنية أو الشركات المصنعة للأقمار الاصطناعية التجارية إلى ما إذا كانت التركيبة ستنتقل من مفهوم تجريبي إلى منتج فضاء جوي تشغيلي.

يستند هذا التقرير إلى تغطية أصلية أعدتها Maria Mocerino.