جدول المحتويات
مقدمة: إعادة الدخول كسيناريو حراري متطرف
إن عودة المركبة الفضائية إلى الغلاف الجوي للأرض هي واحدة من أكثر المراحل التي تتطلب حرارة عالية في البعثة. فخلال العودة إلى الغلاف الجوي، تصل درجة الحرارة إلى أكثر من 1500 درجة مئوية على السطح الخارجي للمركبة. درجة مئوية، الناجمة عن موجات الصدمة والحرارة الاحتكاكية وتأثيرات البلازما في الغلاف الجوي المرتفع. وفي الوقت نفسه، تعمل الضغوط الميكانيكية القوية على الهيكل. ويضطلع درع الحماية الحرارية (نظام الحماية الحرارية TPS) بمهمة حماية المركبة الفضائية ومكوناتها الداخلية من هذه الظروف القاسية – عدة مرات في الحالة المثالية. وتركز برامج الفضاء الحالية بشكل متزايد على متطلبات إعادة الاستخدام، سواء من قبل الوكالات الحكومية مثل ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية أو من قبل الجهات الراعية الخاصة.
بينما اعتمدت الأنظمة السابقة على المواد الاستئصالية أو المواد الخزفية، يتزايد التركيز على فئة من المواد التي تجمع بين الخاصيتين التاليتين: القوة الميكانيكية العالية والتوصيل الحراري الجيد – المواد المركبة المقواة بالمصفوفة المعدنية أو MMCs اختصارًا. تتكون هذه المواد من مصفوفة معدنية (على سبيل المثال ب. الألومنيوم أو التيتانيوم أو النيكل) مع جزيئات أو ألياف خزفية مدمجة (على سبيل المثال.B. SiC أو Al₂O₃)، والتي تعطي المادة الخصائص المرغوبة على وجه التحديد. تكمن إمكاناتها على وجه الخصوص في التكامل الهيكلي لوظائف الحماية الحرارية، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من الوزن والتعقيد والتكاليف (Oluseyi et al., 2021).
ومع ذلك، لا يستند القرار بشأن ما إذا كانت هذه المادة قادرة على تحمل المتطلبات القصوى لإعادة الدخول إلى الغلاف الجوي فقط على افتراضات النمذجة النظرية أو اختبارات المواد التقليدية. إن معرفة دقيقة بالخصائص الفيزيائية الحرارية في ظل ظروف واقعية أمر بالغ الأهمية – لا سيما الانتشار الحراري والتوصيلية والسعة الحرارية على نطاق واسع من درجات الحرارة. وهنا يأتي دور الطريقة التي أثبتت نفسها في توصيف المواد للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية: تحليل الوميض بالليزر (LFA) .
أثبت جهاز تحليل الوميض بالليزر نفسه كطريقة دقيقة وغير تلامسية لقياس الانتشار الحراري ويشكل الأساس لتحديد التوصيل الحراري للمواد المعقدة مثل MMCs. هذه الطريقة مفيدة بشكل خاص للعينات متباينة الخواص أو المسامية – مثل تلك الموجودة في تكوينات TPS الحقيقية. وهي تتيح تقييم التوصيلية الحرارية في الاتجاه المحوري والشعاعي ويمكن استخدامها على نطاقات درجات الحرارة الكبيرة، وهو أمر ضروري لتقييم مواد TPS.
ولذلك تبحث هذه المقالة في كيفية تقييم مركبات MMCs لأنظمة الحماية الحرارية باستخدام تحليل الوميض الليزري. يُستخدم العمل البحثي الحالي، بما في ذلك تطوير وكالة ناسا لمفاهيم TPS المعدنية القابلة لإعادة الاستخدام (NASA LaRC, 2004) ودراسات علم المواد الحديثة حول توصيف درجات الحرارة العالية للمواد المتعددة المعادن (Oluseyi et al., 2021). لا ينصب التركيز ليس فقط على خواص المواد نفسها، ولكن أيضًا على المتطلبات المترولوجية وتفسير بيانات LFA في سياق سيناريوهات التطبيق الحقيقية.
الهدف هو تقديم نظرة ثاقبة راسخة في التقييم الفيزيائي الحراري للمواد المركبة المعدنية للتطبيقات الفضائية وإظهار مساهمة الأساليب التحليلية الحديثة في تطوير الدروع الحرارية القابلة لإعادة الاستخدام.
أساس تكنولوجيا المواد: مركّبات المصفوفة المعدنية كمواد من الجيل التالي من قطع غيار المعادن
يعد اختيار المواد المناسبة معيارًا رئيسيًا لأنظمة الحماية الحرارية (TPS) التي يجب أن تكون قابلة لإعادة الاستخدام وفي نفس الوقت تظل موثوقة في ظل الظروف القاسية. في صناعة الطيران، هيمن التوتر بين تأثير العزل الحراري والسلامة الميكانيكية وتوفير الكتلة لعقود من الزمن. في هذا الصدد، تقدم مركبات المصفوفة المعدنية (MMCs) بديلاً جذابًا لمواد TPS التقليدية مثل السيراميك أو مركبات البوليمر الاستئصالي.
تتكون مركّبات MMCs من مصفوفة معدنية – غالبًا ما تكون من الألومنيوم أو التيتانيوم أو النيكل – حيث يتم وضع مرحلة تقوية من جزيئات السيراميك (على سبيل المثال مثل كربيد السيليكون وأكسيد الألومنيوم) أو الألياف القصيرة. يسمح المزيج المستهدف من كلتا المرحلتين بتحسين الخصائص مثل التوصيل الحراري واستقرار الأكسدة والقوة في درجات الحرارة العالية ومقاومة الصدمات الحرارية على مستوى النظام (أولوسيي وآخرون، 2021).
من الحجج الرئيسية التي تؤيد استخدام مركبات MMCs في مكونات TPS هي إمكانية دمج الوظائف الحرارية هيكليًا. وفي حين أن طبقات TPS التقليدية غالبًا ما يجب تطبيقها بشكل إضافي على هيكل حاملة – على سبيل المثال كبلاط أو ألواح – يمكن أن تعمل MMCs كنظام حاملة وموصلة للحرارة ومثبطة للحرارة في نفس الوقت. وهذا لا يقلل من الوزن الإجمالي فحسب، بل يزيد أيضًا من قابلية إعادة الاستخدام من خلال تقليل الميل إلى التفكك أو التشقق بعد التدوير الحراري المتكرر.
ومع ذلك، من الناحية العملية، تعتمد خصائص مركبات MMCs بشكل كبير على نظام المواد المعنية، ومسار التصنيع والبنية المجهرية. على سبيل المثال، تتميز مركبات الألومنيوم والسيليكون، على سبيل المثال، بموصلية حرارية عالية وكثافة منخفضة، ولكن لديها ثبات أكسدة محدود فقط فوق 600 °C. ومن ناحية أخرى، توفر مركّبات MMCs القائمة على التيتانيوم ثباتًا ممتازًا في درجات الحرارة العالية تصل إلى أكثر من 1000 درجة مئوية. درجة مئوية، ولكنها تمثل تحديات أكبر من حيث المعالجة والترابط بين الألياف والمصفوفة الليفية.
ومن ثم فإن الفهم المتعمق للخصائص الفيزيائية الحرارية – لا سيما الانتشار الحراري المعتمد على درجة الحرارة والتوصيل الحراري – أمر ضروري من أجل تأهيل هذه المواد خصيصًا لتطبيقات TPS.
ومن السمات الأخرى للمواد المجهرية الحديثة زيادة قابليتها للتصنيع من خلال التصنيع الإضافي، ولا سيما من خلال عمليات مثل اندماج قاع المسحوق بالليزر (LPBF) أو الترسيب بالطاقة الموجهة (DED). وتتيح هذه العمليات الضبط المستهدف للبنية المجهرية المحلية ودمج انتقالات المواد المتدرجة التي يمكن أن تعوض بشكل أفضل عن الضغوط الميكانيكية الحرارية. وبالاقتران مع طرق مثل تحليل وميض الليزر، لا يمكن تطوير أنظمة المواد هذه فحسب، بل يمكن أيضًا اختبارها وتقييمها بدقة.
لذلك يقدم القسم التالي المنهجية المترولوجية لتحليل الوميض الليزري (LFA) – ويشرح كيف يمكن استخدامه لتحديد الخصائص الفيزيائية الحرارية الحاسمة لمركبات MMCs بدقة في نطاق درجات الحرارة العالية.
تقنية القياس: تحليل الوميض بالليزر كمفتاح للتوصيف الحراري للمركبات متعددة الأغراض
يعتمد الأداء الحراري للمادة في ظل ظروف درجات الحرارة العالية إلى حد كبير على ثلاثة معايير: التوصيل الحراري ( λ ) فإن الانتشار الحراري ( α ) والقدرة الحرارية النوعية السعة الحرارية النوعية (cp) . بالنسبة للمركبات المقواة بالمصفوفة المعدنية (MMCs) التي تستخدم في درجات حرارة أعلى من 1000 درجات الحرارة المئوية لتعمل كأنظمة حماية حرارية (TPS)، فإن التحديد الدقيق والمحدد للمواد لهذه الخصائص أمر ضروري. وقد أثبت تحليل الوميض بالليزر (LFA) نفسه كطريقة قياسية لتحديد الانتشار الحراري وهو مناسب بشكل خاص للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
يعتمد LFA على مبدأ القياس العابر غير التلامسي يتم قصف صفيحة عينة مسطحة على جانبها الخلفي بنبضة ليزر قصيرة عالية الطاقة. تُقاس الزيادة الناتجة في درجة الحرارة على الجانب المقابل باستخدام مستشعر الأشعة تحت الحمراء. يمكن تحديد الانتشار الحراري من استجابة درجة الحرارة بمرور الوقت. α مباشرةً. الموصلية الحرارية λ ينتج عن العلاقة
\(
\ لامبدا = \ ألفا \ دكتوراه \ رهو \ دكتوراه
\ رباعية \ نص{mit} \ رباعية
\ بداية{cases}
\ لامبدا : \النص \{الموصلية الحرارية (W/m-K)} \\
\ ألفا : \نص: \{انتشارية حرارية (m$^2$/ثانية)} \\
\rho : \\النص: \{الكثافة (كجم/م^3$$$$$)} \\
c_p : \\النص: \{السعة الحرارية المحددة (جول/كجم-كجم-ك)}
\النهاية{cases}
\)
حيث ρ هي الكثافة و cp هي السعة الحرارية النوعية للمادة. يمكن عادةً تحديد هاتين القيمتين بشكل منفصل أو استخدامهما من قيم الأدبيات أو طرق القياس التكميلية مثل DSC (المسح التفاضلي للسعرات الحرارية).
تتمثل الميزة الرئيسية لطريقة LFA في إمكانية استخدام هذه الطريقة أيضًا مع المواد المعقدة أو غير المتجانسة أو متباينة الخواص. كما هو الحال عادةً مع مركبات MMCs. يسمح الاختيار المستهدف لسُمك العينة وطاقة الليزر ووقت الكشف بتحليل كل من المواد ذات الموصلية الحرارية العالية والمنخفضة للغاية. وهذا مناسب بشكل خاص لمكونات TPS ذات البنية الطبقية أو البنية المجهرية الاتجاهية، حيث يمكن أن يكون انتشار الحرارة معتمدًا بشكل كبير على الاتجاه.
وبالإضافة إلى ذلك، يمكن إجراء قياسات LFA في نطاق واسع من درجات الحرارة – درجات حرارة تصل إلى 2800 درجة مئوية، اعتمادًا على مادة العينة وتقنية الاستشعار. وهذا يتيح تحليلاً مستمراً لسلوك درجة حرارة مواد TPS خلال المراحل المختلفة لعودة الطيران، من التسخين بالاحتكاك إلى التبريد في مرحلة التحليق النهائية.
بالإضافة إلى القياس الفردي الكلاسيكي، يمكن أيضًا استخدام LFA في المنحنيات المعتمدة على الوقت ودرجة الحرارة الأحمال الدورية واختبارات التقادم المستهدفة. وهذا الأمر ذو قيمة خاصة في سياق قابلية إعادة استخدام المكونات الفضائية الجوية: غالبًا ما يظهر التلف الحراري مثل التشقق الدقيق أو التفكك أو هجمات الأكسدة في تغيرات قابلة للقياس في الانتشار الحراري – قبل وقت طويل من اكتشاف الاختبارات الميكانيكية للأعطال.
وفي التطبيق العملي لتطورات TPS، لا يُستخدم LFA في التطبيق العملي لتطورات TPS، وبالتالي لا يُستخدم LFA لتقييم المواد فحسب، بل يُستخدم أيضًا بشكل متزايد في التحقق من صحة النماذج العددية (z.FEM أو CFD)، للتحكم في العملية أثناء الإنتاج (على سبيل المثالعلى سبيل المثال بعد التصنيع الإضافي) وللإصدار المتسلسل للمكونات عالية الإجهاد.
دراسة حالة إفرادية: NASA-X-33 وتطوير TPS المعدني مع MMCs
كجزء من تطوير أنظمة فضائية قابلة لإعادة الاستخدام، أطلقت ناسا في نهاية التسعينيات من القرن الماضي المركبة الفضائية X-33 التكنولوجية التوضيحية معايير جديدة. كانت المركبة الاختبارية غير المأهولة جزءًا من برنامج مركبة الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام (RLV) وكان الهدف منه اختبار التكنولوجيات التي من شأنها أن تتيح إمكانية الوصول إلى الفضاء بطريقة اقتصادية وقابلة لإعادة الاستخدام بالكامل. وكان أحد أكبر التحديات في هذا المشروع هو تطوير مركبة فضائية قوية وخفيفة الوزن وقابلة لإعادة الاستخدام. نظام الحماية الحرارية (TPS) – وهنا كان التركيز على كان التركيز على المفاهيم المعدنية والتي تختلف بشكل كبير عن أنظمة الاستئصال السابقة (NASA LaRC, 2004).
ما يسمى بـ نظام الحماية الحرارية المعدنية (METTPS) يتكون من هياكل شطائر متعددة الطبقات مع طبقات تغطية معدنية مقاومة للأكسدة مصنوعة عادةً من سبائك الإينكونيل أو التيتانيوم على قلب عازل حراريًا (على سبيل المثالعلى سبيل المثال هيكل قرص العسل المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ أو Ti). توفر هذه الأنظمة العديد من المزايا: يمكن أن تكون متكاملة هيكليًا، وتتمتع بقدرة تحميل ميكانيكية عالية، ومقاومة للصدمات – على عكس العديد من الحلول الخزفية – يمكن إصلاحها قطعة تلو الأخرى في حالة تلفها.
ومع ذلك، فإن أداء هذه الأنظمة يعتمد إلى حد كبير على على الخواص الفيزيائية الحرارية للمواد المستخدمة. من. معرفة دقيقة بـ التوصيل الحراري والانتشار الحراري ضرورية لنمذجة توزيعات درجة الحرارة بشكل صحيح داخل TPS، والتنبؤ بالسلوك الميكانيكي الحراري وتجنب البقع الساخنة المحلية.
وحدد البرنامج في النهاية عدة متغيرات قائمة على مركبات MMC ذات قدرة تحميل حراري عالية بما فيه الكفاية وميل منخفض للتشوه وقابلية جيدة لإعادة الاستخدام. وتجمع هذه الأنظمة بين مزايا المعادن الداعمة للهيكل والتوصيل الحراري المتحكم فيه، مما يجعلها مثالية للاستخدام المتكرر في المركبات الفضائية دون المدارية أو المدارية. كما استندت المفاهيم اللاحقة – مثل نظام TPS لمطارد الأحلام أو الألواح السطحية المعدنية للدروع الحرارية في مشروع المركبة الفضائية – إلى فلسفة المواد والاختبار هذه.
الخلاصة والتوقعات: LFA كمفتاح لتطوير المواد الفضائية القابلة لإعادة الاستخدام في الفضاء
يمثل تطوير أنظمة الحماية الحرارية القابلة لإعادة الاستخدام (TPS) تحديًا رئيسيًا في تكنولوجيا الفضاء الحديثة. وينصب التركيز هنا على المواد التي تتمتع بالقوة الميكانيكية الحرارية العالية والتكامل الهيكلي – وهي الخصائص التي تحققها المركبات المقواة بالمصفوفة المعدنية (MMCs) على وجه الخصوص. يسمح هيكلها الهجين الذي يتكون من مصفوفة معدنية وتقوية السيراميك بالمواءمة المستهدفة للتوصيل الحراري والقوة ومقاومة درجات الحرارة على نطاق واسع. ومع ذلك، فإن اختيار أنظمة MMC المناسبة يعتمد بشكل حاسم على التوصيف الموثوق به لخصائصها الفيزيائية الحرارية – خاصةً في ظل ظروف درجات الحرارة العالية الواقعية.
وقد أثبت تحليل وميض الليزر (LFA ) نفسه كطريقة لا غنى عنها في هذا السياق. فهو لا يسمح فقط بالقياس الدقيق للانتشار الحراري على نطاقات درجات الحرارة الكبيرة، ولكنه يوفر أيضًا إمكانية تحليل المواد متباينة الخواص أو المعقدة التركيب. تعد قدرة LFA على اكتشاف سلوك التوصيل الحراري المعتمد على الاتجاه، خاصةً في المواد الحديثة أو المتدرجة أو المصنعة بشكل إضافي، وثيقة الصلة للغاية.
تنشأ إمكانية خاصة من الجمع بين التحليل الحراري الدقيق والمحاكاة العددية يمكن نقل قيم قياس LFA مباشرةً إلى نماذج العناصر المحدودة من أجل التنبؤ بمجالات درجة الحرارة والإجهادات الحرارية والسلوك الهيكلي في ظل ظروف التشغيل الحقيقية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الطريقة مناسبة أيضاً لمراقبة الجودة وتحليل تقادم مكونات أنظمة النقل الفضائي القابلة لإعادة الاستخدام – وهو جانب تزداد أهميته في ضوء الاستخدام الدوري المتزايد للأنظمة الفضائية مثل المركبة الفضائية أو مطاردة الأحلام أو راكب الفضاء.
يمكن للتطورات المستقبلية أن تزيد من توسيع دور الصندوق المحلي للأغذية والزراعة. وهذا يفتح آفاقا لـ التوصيف المضمنة MMCs المصنعة بشكل تجميعي في العمليات الصناعية، على سبيل المثال من خلال أنظمة LFA مصغرة مع توليد نبضات بصرية والكشف بالأشعة تحت الحمراء في مساحة التركيب. الاقتران مع قياس الجاذبية الحرارية (TGA) , مقياس التمدد (DIL) ومسعر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) للتحديد المتزامن لقيم cp والكثافة في آنٍ واحد يعد بدقة أكبر في اشتقاق التوصيل الحراري.
في سياق تطوير المواد الرقمية – على سبيل المثال من خلال استخدام التوائم الرقمية أو نماذج المواد المدعومة بالذكاء الاصطناعي – تمثل بيانات LFA أساسًا أساسيًا للاختيار القائم على البيانات وتحسين مواد TPS المستقبلية. وبالتالي لا تساهم هذه الطريقة في التحقق التجريبي من صحة التصميمات الحالية فحسب، بل تتيح أيضًا التطوير المستهدف لمفاهيم المواد الجديدة في الفضاء الافتراضي.
وبالتالي، فإن الجمع بين المواد المبتكرة مثل المواد المبتكرة مثل مركبات MMCs، والتوصيف الدقيق بواسطة LFA والتصميم الذكي للمحاكاة يبشر بتقدم مستدام في تطوير أنظمة فضائية قابلة لإعادة الاستخدام – مع فوائد مباشرة لأداء وتكاليف وسلامة البعثات المستقبلية.
قائمة المصادر
أولوسيي ب. أولاديجو وآخرون. (2021). خواص درجات الحرارة العالية لمركبات المصفوفات المعدنية. في: موسوعة المواد: المركبات. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819724-0.00096-3
فرع مواد الحماية الحرارية التابع لوكالة ناسا. (2023). اختبار وتصنيع مواد الحماية الحرارية TPS: استخدام تحليل وميض الليزر (LFA). موقع ناسا الإلكتروني. https://www.nasa.gov/thermal-protection-materials-branch-testing-and-fabrication/?utm_source=chatgpt.com
