لماذا تعتبر الصمامات أسوأ كابوس لمهندس المركبة الفضائية

تابع صناعة الفضاء لفترة كافية وستلاحظ أن عددًا كبيرًا من المشكلات التي تسبب أعطالًا كارثية للأقمار الصناعية أو مركبات الإطلاق يمكن إرجاعها إلى جزء صغير ماديًا ولكنه موجود في كل مكان: الصمامات.

تلعب الصمامات دورًا حاسمًا في بنية المركبة الفضائية، حيث تنظم تدفق عوامل الضغط مثل الهيليوم والوقود. ويمكن العثور عليها أيضًا في مركبات الإطلاق، ومن حيث العدد فهي أحد المكونات الفرعية الأكثر شيوعًا في هذه الأنظمة. تم التركيز على هذه الحقيقة بشكل حاد هذا الأسبوع، عندما أعلنت شركة أستروبوتيك أن مركبة الهبوط القمرية بيريجرين الخاصة بها لن تكون قادرة على محاولة الهبوط الناعم على القمر بسبب تسرب الدفع في نهاية المهمة – مع أصول محتملة في الصمام الذي فشل في إعادة الغلق.

لكن أستروبوتيك ليست شركة الفضاء الوحيدة التي توقفت مهمتها بسبب مشاكل في الصمامات في المدار. بوينغ واجهت تأخيرات كبيرة في المهمة للرحلة التجريبية المدارية الثانية لكبسولة ستارلاينر المأهولة بسبب مشاكل في الصمامات، والعودة في عام 2019، Crew Dragon من SpaceX انفجرت أثناء الاختبار الأرضي بسبب تسرب الصمام في نظام الدفع.

قال جيك تيوفيرت، المدير التنفيذي للتكنولوجيا في شركة Benchmark Space Systems، وهي شركة ناشئة مقرها فيرمونت تعمل على تطوير أنظمة الدفع للمركبات الفضائية: “هناك آلاف الطرق المختلفة التي يمكنك من خلالها جعل الصمام غير سعيد”.

حتى ألف قد يكون بخس. بشكل عام، تتكون الصمامات من مكبس يحتاج إلى إعادة تركيب نفسه بعد تشغيله، ويجب أن يُغلق في سدادة. وقال جرانت بونين، مصمم المركبات الفضائية ومؤسس شركة GravityLab: “إذا كانت هناك أي مشكلات في ذلك، فيمكن أن تغلق بشكل خاطئ، ويمكن أن تسبب تسريبات”.

لكن هذا الوصف بسيط للغاية، إلى حد أنه مضلل. يجب أن يتم تصنيع صمامات الفضاء الجوي بدقة فائقة، وأن تكون خفيفة الوزن قدر الإمكان، وأن تكون قادرة على تحمل تحديات الظروف القاسية: درجات الحرارة القصوى، والسوائل الشديدة، وبيئات الاهتزاز الشديدة، والضغوط الشديدة – تصل أحيانًا إلى آلاف الجنيهات لكل بوصة مربعة. . يجب أن تتمتع الصمامات أيضًا بمتطلبات تسرب منخفضة للغاية؛ وقال تيوفرت إن بعض الصمامات لديها معدلات تسرب مسموح بها تعادل تسرب جرام واحد فقط من الهيليوم على مدار 200 عام.

وما يزيد الأمور تعقيدًا هو الحقائق المادية الأساسية التي يجب على المهندسين ومصنعي الصمامات مواجهتها. على سبيل المثال، بعض أنواع الوقود والمؤكسدات غير متوافقة مع بعض البوليمرات الخاصة بحشية الصمام، وعدم التوافق الكيميائي لا يؤدي إلا إلى مشاكل، مثل التآكل أو التشقق. يجب على المهندسين أيضًا أن يكونوا يقظين ضد “حطام الأجسام الغريبة”، أو FOD، وهو أصغر جسيم من الحطام أو الشوائب التي يمكن أن تسد الصمام أو تمنع الختم المناسب. حتى التسربات الصغيرة يمكن أن تسبب تأثيرات جامحة، لأن الغاز المتوسع بسرعة يجعل الأشياء باردة، مما قد يخرج الصمام عن نطاق درجة الحرارة المقبول.

وأوضح تيوفيرت أن المهندسين يديرون المركبة الفضائية من خلال مجموعة من الاختبارات على الأرض، لكن بيئة الطيران لا يمكن مطابقتها إلا إلى حد ما.

“يمكنك بالتأكيد رمي شيء ما على طاولة الهزاز والقيام به [vibration] قال: “الملف الشخصي، ولكنك قد لا تفعل ذلك بينما تكون أيضًا تحت ضغط كامل ومعرض لأبخرة المؤكسد، وهو ما يحدث أثناء الطيران”. “معظم بيوت الاختبار، إذا وضعت خزانًا ممتلئًا من رابع أكسيد النيتروجين على طاولة شاكر، فلن تقول لك لا – ولكن لا بحق الجحيم.”

في نهاية المطاف، يواجه المهندسون قائمة طويلة مستحيلة من أوضاع الفشل ويجب عليهم في مرحلة ما تحديد ثقتهم في الاختبار. بالإضافة إلى ذلك، ليس من غير المألوف أن تستهلك الشركات كل هامش جدولها الزمني من خلال التصميم والمشتريات والبناء، ومن ثم فإن قسم الاختبار هو الذي يتلقى أكبر قدر من ضغط الجدول الزمني.

قال بونين: “عندما يكون لديك معدل دوران داخلي، وعندما تعمل مع مجموعة كاملة من البائعين المختلفين، قد يكون من السهل جدًا عدم إجراء الاختبار بشكل كافٍ، وتفويت بعض هذه المشكلات”.

قد يكون من المغري أن نفكر، لماذا لا نضيف صمامًا إضافيًا، بحيث إذا فشل أحد في الفتح، يكون هناك صمام احتياطي؟ لكن إضافة صمامين (أو أي مكونات فرعية إضافية) يمكن أن يؤدي إلى إنشاء أوضاع فشل جديدة تمامًا لن تحصل عليها أبدًا مع صمام واحد.

والمسألة الأخرى هي سلسلة التوريد. على الرغم من الكميات الكبيرة نسبيًا من المركبات الفضائية الصادرة عن برنامج Starlink التابع لـ SpaceX، وAmazon’s Kuiper، وOneWeb، ومجموعة كاملة من الشركات الفضائية الناشئة، إلا أن المكونات الفرعية للمركبة الفضائية لا تزال بعيدة جدًا عن الإنتاج الضخم.

وقال بونين: “المشكلة في جوهرها هي أن الفضاء ليس سوقًا ضخمة”. “عندما يتحدث أي شخص في مجال الطيران عن الإنتاج الضخم، فإنني أضحك، لأننا نقوم بأشياء في بعض الأحيان بكميات متوسطة، لكننا لا نفعل أي شيء يعتبر إنتاجًا ضخمًا حقًا. لذلك نحن لسنا العملاء ذوي الأولوية العالية لهذه الشركات. ردد تيوفرت هذه الأفكار قائلاً: “كصناعة، ما زلنا على وشك أن نكون أجهزة حرفية مصنوعة يدويًا، إذا كان الأمر يتعلق بأي شيء خاص بالفضاء، وهذا يمتد بالتأكيد إلى الصمامات”.

نظرًا للكميات الصغيرة نسبيًا من المنتج، لا يزال التصنيع مخصصًا إلى حد كبير، مع تصنيع العديد من الصمامات في سلسلة صغيرة جدًا لأنظمة دفع معينة أو مركبات فضائية. لكن كفاءة الموردين ليست بالضرورة مستقرة بمرور الوقت، لأن العملية معقدة للغاية وتعتمد بشكل كبير على المعرفة القبلية.

وقال تيوفيرت: “إذا كان الأمر يتعلق بإنتاج ضخم وحقيقي سنويًا، فلديهم عمليات رائعة ومعرفة موزعة جيدًا حول كيفية صنع هذا الصمام أو أي مكون آخر بشكل موثوق مع مرور الوقت”. “في حين أن صمام الطيران الصغير الغريب الذي يصنعونه سنويًا لهذا السوق المتخصص، هو [made by] رجل يدعى بوب، وهو في أوائل الستينيات من عمره، ولديه قدم واحدة في التقاعد. إنه يصنع هذه الأشياء كل عامين ثم يغادر بوب، وكل تلك المعرفة القبلية تخرج من الباب لأنه لم يكن هناك أحد ليأتي تحت قيادة بوب. لقد رأيت ذلك على الكثير من المكونات.

لا شك أن هذا ليس صحيحًا بالنسبة لكل برنامج؛ على سبيل المثال، مصمم ومصنع الصمامات الصيف الماضي ماروتا أعلنت أنها قامت بتسليم صمام الملف اللولبي CoRe رقم 30,000 إلى سبيس إكس. ولكن في حالات أخرى، يتعين على شركات الفضاء الصغيرة التعامل مع جداول زمنية أطول للتصنيع بكميات أصغر، أو شراء منتجات تجارية جاهزة، أو محاولة إيجاد حل داخل الشركة.

قال بونين: “يمكنني شراء نفس الجزء مرتين، لكن إذا صنع جيم الجزء أ وجو صنع الجزء ب، على الرغم من أنهما يحملان نفس رقم الجزء، إلا أن جودتهما مختلفة تمامًا”. أو إذا كان الفني الرئيسي لديك يعاني من يوم الإثنين سيئًا، فربما يكون قد تخطى خطوة. هناك خطأ بشري في كل مكان في هذه الأشياء.