وكالة ناسا – يوم 19 ديسمبر 2018 م – بواسطة بوب جراناث Bob Granath : مركز كينيدي للفضاء التابع لناسا ، فلوريدا.

.

بينما تواصل ناسا الاستعدادات لإطلاق صاروخ نظام الإطلاق الفضائي (SLS) ومركبة أورايون الفضائية التي سترسل البشر إلى ما وراء مدار الأرض المنخفض ، تستعد أنظمة الاستكشاف الأرضية Exploration Ground Systems (EGS) في مركز كينيدي للفضاء التابع للوكالة في فلوريدا لبناء أكبر خزان تخزين للهيدروجين السائل في العالم. وسيحتوي علي تقنيات جديدة طورها باحثون في مختبر اختبار علوم التبريد Cryogenics Test Laboratory التابع للميناء الفضائي.

 

الابتكار يشبه الإنتقال من استخدام صندوق ثلج Ice Box إلى استخدام ثلاجة حديثة.

.

عندما أطلقت ناسا رواد الفضاء الأوائل إلى القمر ، كان وقود الدفع Propellants للمرحلتين الثانية والثالثة من الصاروخ ساتورن Saturn V هي الهيدروجين السائل والأكسجين السائل. قبل تحميلها في مركبة الإطلاق ، تم تخزينها في حاويات كروية سعتها 850.000 جالون – كل منها على بعد حوالي 1500 قدم من المنصة. خدمت صهاريج التخزين هذه نفس الغرض خلال برنامج مكوك الفضاء لمدة 30 عامًا.

 

لكن تصميم المعدات كان قديمًا ، كما يوضح جيمس فيسمير James Fesmire ، كبير الباحثين الرئيسيين Senior Principal Investigator في برامج كينيدي لأبحاث الاستكشاف والتكنولوجيا Kennedy Exploration Research and Technology Programs .

 

وقال: “لقد تم تطوير تقنية لاستخدامها عند تخزين كميات كبيرة من الأكسجين السائل خلال المراحل الأولى من الحرب العالمية الثانية”. “المواد والعمليات الخاصة بخزانات الأكسجين السائل والهيدروجين السائل في منصتي الإطلاق رقم Pads 39A and B مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ Stainless Steel ، وتم تطويرها في الخمسينيات من القرن الماضي.”

 

كانت المشكلة المستمرة خلال أبولو وعصر المكوك هي الغليان أو التبخر والقيود التشغيلية.

 

في حين أن الهيدروجين السائل والأكسجين السائل هما وقودان صاروخيان ممتازان ولهما أداء عالي High-Performance ، إلا أنهما شديدان البرودة Cryogenic – مما يعني فائقي البرودة. الأكسجين في الحالة السائلة يكون بحرارة مقدارها سالب 147 درجة مئوية (سالب 297 درجة فهرنهايت) والهيدروجين سالب 217 درجة مئوية (سالب 423 درجة فهرنهايت). بسبب درجات الحرارة للجو المحيط ، فإن تخزين هذه السلع يشبه تخزين الثلج في الفرن.

 

قال آدم سوانجر Adam Swanger ، مهندس باحث Research Engineer في كينيدي إنجنيرنج Kennedy Engineering : “كانت صهاريج التخزين Storage Tanks الحالية محاطة بطبقة مفرغة الهواء بسمك ثلاثة أقدام من مادة البيرلايت Perlite العازلة”. “لقد كانت حديثة في عام 1965 م. ولكن الغليان كان مشكلة مستمرة وكان لا مفر من الخسائر والمفاقيد الكبيرة.”

 

أشار فيسمير Fesmire إلى أن ما يقرب من نصف الهيدروجين السائل الذي تم شراؤه لتغذية المحركات الرئيسية Main Engines الثلاثة لمكوك الفضاء قد فقد بسبب الغليان الناتج عن التبخر.

 

قال “شعرنا أنه يجب أن يكون هناك طريق أفضل”.

 

منذ عام 2001 م، يعمل الدكتور بيل نوتاردوناتو Bill Notardonato ، باحث رئيسي Principal Investigator في برامج كينيدي لأبحاث الاستكشاف والتكنولوجيا ، والدكتور جونج بايك Jong Baik ، من مركز فلوريدا للطاقة الشمسية Florida Solar Energy Center ، في مختبر اختبار علوم التبريد Cryogenics Test Laboratory بالمركز كرائد لتقنية لتخفيف هذه المفاقيد.

 

التبريد والتخزين المتكامل Integrated Refrigeration and Storage IRaS ، هو نظام تبريد يسمح بالتحكم في السوائل داخل صهاريج التخزين. يوفر هذا النهج إزالة مباشرة للطاقة الحرارية باستخدام مبادل حراري متكامل Integrated Heat Exchanger مع نظام للتبريد الفائق Cryogenic Refrigeration System . بدأت دراسات التكنولوجيا الجديدة بالتحليل والنمذجة وسلسلة من الاختبارات البحثية المعملية.

 

قال نوتاردوناتو Notardonato : “إن نظام التبريد والتخزين المتكامل IRaS مهم لأنه يسمح بالتحكم غير المسبوق في تخزين السوائل فائقة التبريد Cryogenic Liquids”. “معدل التبخر Evaporation Rate الطبيعي أو” الغليان Boil Off” يمكن أن يكون الآن شيئًا من الماضي.”

 

تقترن التكنولوجيا الجديدة أيضًا مع استخدام “فقاعة” عزل زجاجية جديد لتحل محل مسحوق البيرلايت Perlite Powder . استنادًا إلى العديد من الاختبارات التجريبية الميدانية التي تم الانتهاء منها في مركز كينيدي ومركز ستينيس للفضاء Stennis Space Center التابع لوكالة ناسا في ميسيسيبي في عام 2015 م، مع زجاج فقاعات للعزل Glass Bubble Insulation ، يمكن تقليل مفاقيد الهيدروجين السائل الناتجة عن الغليان بنسبة تصل إلى 46 بالمائة. إذا تم استخدام نظام التبريد والتخزين المتكامل IRaS ، فيمكن التخلص من الغليان تمامًا. سيكون هذا مهمًا بشكل خاص لخزان الهيدروجين السائل Liquid Hydrogen Tank الجديد الذي سيتسع لـ 1.25 مليون جالون.

 

من ناحية المقارنة ، يبدو الأمر أشبه بالانتقال من تخزين الثلج في كوب رغوي Foam Cup إلى حفظه في الفريزر. فبينما يؤدي العزل في الكوب الرغوي إلى إبطاء الذوبان ، إلا أنه لن يوقفه ولا يوجد تحكم. وبالمثل ، تتبخر السوائل فائقة التبريد Cryogenic Liquids عند تخزينها في حاوية معزولة ، حتى لو كانت محاطة بغلاف مفرغ Vacuum-Jacketing عالي الأداء.

 

في الفريزر مع التحكم في درجة الحرارة ، يمكن تخزين الثلج إلى أجل غير مسمى. وينطبق الشيء نفسه على الهيدروجين السائل باستخدام نظام التبريد والتخزين المتكامل IRaS – إنفاق حوالي 15 سنتًا في الكهرباء يوفر دولارًا واحدًا من الهيدروجين.

 

خزان التخزين Storage Tank الموضح على اليسار يوضح كيف تم تخزين الهيدروجين السائل والأكسجين السائل في مركز كينيدي للفضاء التابع لناسا لأكثر من 50 عامًا. الخزان المعزول أبطأ الغليان ورغم ذلك حدث تنفيس الغاز. النظام الفعال المخطط له في خزان الهيدروجين السائل الجديد ذو سعة 1.25 مليون جالون سيستخدم تقنية تسمى نظام التبريد والتخزين المتكامل Integrated Refrigeration and Storage IRaS مع زجاج “فقاعات” للعزل الحراري Glass “Bubble” Thermal Insulation وستتواجد الفقاعة حول الحيز الداخلي للوعاء. سيوفر نظام التبريد والتخزين المتكامل IRaS إزالة مباشرة للطاقة الحرارية باستخدام مبادل حراري متكامل Integrated Heat Exchanger مع نظام تبريد فائق Cryogenic Refrigeration System . الصورة: مختبر اختبار علوم التبريد Cryogenic Test Laboratory في مركز كينيدي للفضاء.

.

لدعم تزويد صاروخ نظام الإطلاق الفضائي SLS التابع لناسا بالوقود ، سيبدأ برنامج أنظمة الاستكشاف الأرضية في كينيدي EGS قريبًا في بناء خزان تخزين الهيدروجين السائل الجديد في المنصة Pad 39B . صُمم صاروخ SLS لإطلاق مركبة الفضاء أورايون Orion التابعة للوكالة ، وإرسال البشر إلى وجهات بعيدة ، مثل القمر والمريخ. ستتطلب المرحلة الأساسية Core Stage الخاصة بالصاروخ SLS والمرحلة الفضائية التي تعلوها مايصل إلي 730.000 جالون من الهيدروجين السائل والأكسجين السائل لتزويد الوقود إلي المحركات الأربعة في المرحلة الأساسية والمحرك الوحيد في المرحلة العليا.

في يوم 19 ديسمبر 2018 م، في مجمع الإطلاق Launch Complex 39B التابع لمركز كينيدي للفضاء التابع لوكالة ناسا ، وضع مديرو الوكالة والمقاولون حجر الأساس لخزان هيدروجين سائل جديد. وشارك كل من: ريجينا سبيلمان Regina Spellman ، مدير أول مشروع منصة الإطلاق Launch Pad Senior Project Manager في EGS ، وآندي ألين Andy Allen ، المدير العام لشركة جاكوبس Jacobs ، مقاول دعم الاختبارات والعمليات في وكالة ناسا ، و جينيفر كونز Jennifer Kunz نائب مدير برنامج Deputy Program Manager في EGS ، و مايك بولجر Mike Bolger ، مدير برنامج Program Manager في EGS ، و بيل هيل Bill Hill ، نائب المدير المساعد Deputy Associate Administrator لتطوير أنظمة الاستكشاف Exploration Systems Development في مقر ناسا بواشنطن ، و بوب كابانا Bob Cabana مدير المركز Center Director ، و شون كوين Shawn Quinn ، مدير أنظمة الاستكشاف Exploration Systems Manager في أنظمة الاستكشاف الأرضية EGS ، و تشارلي بلاكويل طومسون Charlie Blackwell-Thompson ، مدير الإطلاق Launch Director ، و تود جراي Todd Gray رئيس شركة Precision Mechanical المقاول الرئيسي للمشروع. الصورة : NASA/Kim Shiflett .

 

وقال فيسمير Fesmire : “سيسمح لنا الصهريج ذو الحجم الأكبر بمحاولة إطلاق SLS في ثلاثة أيام متتالية”. “في الماضي ، كان علينا التوقف بعد محاولتين حتى يمكن نقل كمية إضافية من الهيدروجين السائل وتحميله في صهريج التخزين.”

 

أشار سوانجر Swanger إلى أن وكالة ناسا في مركز كينيدي تعمل على تطوير أحدث التقنيات التي لا تدعم مهام الوكالة فحسب ، بل تدعم أيضًا الشركات التجارية والشركاء مثل شركة سبيس إكس SpaceX و بلو اوريجين Blue Origin كجزء من دور المركز كميناء فضائي رئيسي متعددة المستخدمين.

وقال “من خلال اختيار تطبيق التقنيات الجديدة لنظام التبريد والتخزين المتكامل IRaS ، تعمل EGS بشكل فعال على صنع المستقبل. إنه ابتكار يمكن أن يؤثر على كيفية إنجاز الأشياء هنا وفي جميع أنحاء الصناعة فائقة التبريد Cryogenic Industry للأجيال القادمة.” (المصدر Source – وكالة ناسا)

.

مراجع إضافية

 

1- Research and Development History of Glass Bubbles Bulk-Fill Thermal Insulation Systems for Large-Scale Cryogenic Liquid Hydrogen Storage Tanks – PDF – NASA.

*

 

• شركة خدمات الفضاء الأمريكية Space Services Inc of America

.

• تشارلز شافر Charles Chafer مؤسس والرئيس التنفيذي Founder & CEO لشركة خدمات الفضاء الأمريكية

.

• أول صاروخ قطاع خاص كونستوجا Conestoga 1 من تكساس في 9 سبتمبر 1982 م

.

• تأجيل إطلاق أول مسبار روسي إلي القمر لونا 25 إلي عام 2023 م

مواضيع ذات صلة

.

• وقود المركبات الفضائية – الضغط الذاتي Autogenous Pressurization

.

• خزانات بلاستيكية مدعمة بألياف الكربون Carbon Fibre Reinforced Plastic لمركبات الإطلاق الفضائي

.

• محرك الدفع الأيوني Ion Thruster الأوروبي بالترددات الراديوية

.

• قصة العثور علي خزان هيدرازين علي شاطئ

.

• الوقود تلقائى الاشتعال Hypergolic Propellant

.

• تقسيم مركبات الإطلاق إلي مراحل Staging

.

• مخروط المقدمة (مخروط الأنف) Nose cone

.

• مركبة الإطلاق الثقيلة Heavy-Lift Launch Vehicle

.

• نظام الإطلاق الجوي إلي المدار Air-Launch-to-Orbit

.