يمكن لنظام الصواريخ ثنائي الوضع الجديد التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إرسال أقمار صناعية صغيرة إلى المريخ

معيمكن لمحرك الفضاء الجديد ثنائي في واحد أن يحول الأقمار الصناعية الصغيرة إلى مستكشفين للفضاء السحيق يتمتعون بقدرات مذهلة.

يقوم الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا باختبار تقنية دفع جديدة يمكن أن تمنح الأقمار الصناعية الصغيرة دفعة كبيرة من حيث القدرة. يجمع النظام بين شكلين مختلفين تمامًا من دفع المركبات الفضائية في حزمة واحدة، مما يسمح للأقمار الصناعية بإجراء مناورات سريعة والسفر لمسافات طويلة بكفاءة عالية.

يوجد في قلب التصميم وقود دافع واحد يمكنه تشغيل محركات الدفع الكيميائية والكهربائية. تقليديًا، تتطلب هذه الأنظمة مصادر وقود منفصلة، ​​مما يزيد من التعقيد ويشغل مساحة كبيرة على متن المركبة الفضائية.

تقول أميليا برونو، باحثة ما بعد الدكتوراه السابقة في قسم الطيران والملاحة الفضائية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (AeroAstro): “إذا كان بإمكانك الحصول على دفع كيميائي وكهربائي في حزمة صغيرة واحدة، فهذا أفضل ما في العالمين”. “هذا يفتح الباب أمام الأقمار الصناعية الصغيرة للقيام بالمزيد من العلوم، والمزيد من الملاحظات، ومهام أكثر إثارة للاهتمام، كل ذلك على منصة أصغر وأرخص.”

برونو هو المؤلف الرئيسي لدراسة نشرت في مجلة الدفع والقوة. يوضح البحث أن نوعًا من الوقود الأحادي الأكثر صداقة للبيئة والذي طورته في الأصل القوات الجوية الأمريكية للدفع الكيميائي يمكن استخدامه أيضًا لتشغيل محركات الدفع الكهربائية المصغرة المعروفة باسم محركات الدفع الكهربائي.

الجمع بين الدفع الكيميائي والكهربائي

أجهزة الدفع بالرش الكهربائي عبارة عن أجهزة دفع صغيرة، بحجم عشرة سنتات تقريبًا، تستخدم المجالات الكهربائية لشحن الجسيمات في الوقود الدافع السائل. يتم بعد ذلك طرد هذه الجسيمات المشحونة إلى الفضاء، مما يؤدي إلى قوة الدفع.

تتميز هذه الدفعات بالكفاءة في استهلاك الوقود بشكل استثنائي وهي مناسبة تمامًا للمناورات البطيئة والدقيقة. ويمكنها دفع المركبات الفضائية تدريجيًا عبر مسافات شاسعة، مما يجعلها جذابة للمهام طويلة الأمد.

تخدم الدافعات الكيميائية غرضًا مختلفًا. إنها تولد مستويات أعلى بكثير من الدفع لفترات قصيرة، مما يجعلها مفيدة عندما تحتاج المركبة الفضائية إلى التسريع بسرعة، أو تغيير اتجاهها بسرعة، أو إجراء مناورات أخرى صعبة.

ومن خلال إيجاد وقود دافع يعمل لكلا النظامين، يعتقد فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الأقمار الصناعية الصغيرة يمكن أن تكتسب مرونة غير مسبوقة. ويتعاون الباحثون مع ناسا في مهمة Green Propulsion Dual Mode، هناك قمر CubeSat بحجم حقيبة سيحمل محركًا كيميائيًا وأربعة محركات رش كهربائي مدعومة بخزان وقود واحد.

وستكون المهمة بمثابة أول اختبار في الفضاء لهذا النوع من نظام الدفع ثنائي الوضع على قمر صناعي صغير. ووفقا لبرونو، فإن النجاح يمكن أن يساعد في تمهيد الطريق لاستكشاف الفضاء السحيق في المستقبل بواسطة المركبات الفضائية المدمجة.

“يمكننا إرسال CubeSats إلى المريخيقول المؤلف المشارك في الدراسة باولو لوزانو، وأستاذ ميغيل أليمان فيلاسكو للملاحة الجوية والفضائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “أو حزام الكويكبات، حيث يمكنهم القيام بالرحلة ببطء باستخدام محركات الدفع الكهربائية. ويمكنك بعد ذلك استخدام محركات الدفع الكيميائية للتحرك بسرعة للنظر في الميزات المثيرة للاهتمام. يمكن أن تتمتع بمرونة أكبر للقيام بأشياء أكثر بكثير.”

شارك في تأليف الدراسة أيضًا ماثيو كورادو، وهو طالب دراسات عليا سابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في AeroAstro.

كيف تعمل دافعات الرش الكهربائي

يقوم مختبر لوزانو بتصميم واختبار أنظمة الدفع بالرش الكهربائي للأقمار الصناعية التي تتراوح أحجامها من صندوق الغداء إلى حقيبة السفر الصغيرة. تعتبر تكلفة إطلاق هذه المركبات الفضائية المصغرة أقل بكثير من تكلفة إطلاق الأقمار الصناعية التقليدية.

نظرًا لأن كل مكون يجب أن يكون مدمجًا، فإن أنظمة الدفع للأقمار الصناعية الصغيرة تواجه قيودًا صارمة على الحجم. تعالج تقنية Electrospray هذا التحدي.

إن أجهزة الدفع التي طورتها مجموعة لوزانو يبلغ حجمها حجم الصورة المصغرة تقريبًا. يقع كل منها فوق خزان صغير مملوء بالوقود السائل الأيوني. عند توصيله بمصدر طاقة، يقوم الجهد الكهربائي بشحن الأيونات الموجودة داخل السائل. يتم بعد ذلك توجيه تلك الجسيمات المشحونة عبر بواعث صغيرة ويتم طردها إلى الفضاء، مما يولد قوة دفع.

على مدى العقد الماضي، قام فريق البحث بتقييم العديد من التصاميم وتركيبات الوقود الدافع. لقد ركز الكثير من عملهم على السوائل الأيونية، وهي مواد ذات أساس ملحي تظل سائلة في ظل ظروف لا تكون فيها العديد من المواد الأخرى كذلك.

يقول برونو: “السوائل الأيونية مستقرة جدًا، ويمكن أن تظل سائلة في الفضاء، وهو ما لا تستطيع الكثير من المواد فعله”. “وهو في الأساس بحر من الأيونات، ولهذا السبب قمنا ببناء تقنيتنا حوله، حتى نتمكن من سحب تلك الأيونات إلى رذاذ كهربائي.”

اختبار الوقود الدافع ASCENT

عمل برونو ولوزانو أيضًا مع القوات الجوية الأمريكية، التي طورت وقودًا دافعًا سائلًا أيونيًا جديدًا يسمى الوقود الدفعي النشط غير السام المتقدم لمركبات الفضاء (ASCENT). كان الوقود مخصصًا في الأصل للاستخدام في أنظمة الدفع الكيميائي.

تم تصميم ASCENT كبديل أكثر أمانًا للهيدرازين، وهو وقود المركبات الفضائية شائع الاستخدام والذي يشكل مخاطر كبيرة في التعامل معه بسبب سميته.

يقول برونو: “يصادف أن يكون ASCENT عبارة عن خليط سائل أيوني”. “وقلنا، هذه هي الأشياء التي نستخدمها عادةً. ومن الناحية النظرية، يجب أن ينجح هذا. فلنكتشف كيف.”

ولاختبار هذه الفكرة، قام الباحثون بتزويد دافعات الرش الكهربائي بـ ASCENT وقاموا بقياس أدائها. تم ربط كل محرك بخزان على شكل مكعب بحجم قطعة LEGO تقريبًا ومملوء بجرام واحد من الوقود الدافع. السائل له لزوجة مشابهة لزيت الأطفال.

تم تركيب أجهزة الدفع على جوانب متقابلة من CubeSat الموضوعة على منصة اختبار MagLev المخصصة. يسمح هذا الإعداد، الموجود داخل غرفة مفرغة، للباحثين بمحاكاة الظروف الموجودة في الفضاء عن طريق رفع المركبة الفضائية مغناطيسيًا.

خلال سلسلة من التجارب، طبق الفريق مستويات جهد مختلفة على أجهزة الدفع. وولدت الرشات الناتجة قوة كافية لتدوير CubeSat، بشكل يشبه إلى حد كبير قمة عائمة. قام الباحثون بقياس الدفع الناتج ومراقبة كفاءة استهلاك الوقود أثناء التشغيل المستمر الذي يستمر لمدة تصل إلى 100 ساعة.

نحو المزيد من الأقمار الصناعية المكعبة ذات القدرة

وأظهرت النتائج أن ASCENT نجح في تشغيل دافعات الرش الكهربائي. كان الأداء مشابهًا لذلك الذي تم تحقيقه باستخدام الوقود الدفعي السائل الأيوني التقليدي المستخدم بالفعل في أنظمة الدفع الكهربائي.

يقول برونو: “بالمقارنة مع الوقود الدفعي الكهربائي العادي، فإن ASCENT يمكن أن يوفر أداءً مشابهًا من حيث الدفع”. “الآن بعد أن علمنا أن محركاتنا تعمل مع ASCENT، يمكننا البدء في التفكير في جميع الطرق التي يمكننا من خلالها تحسينها.”

ونظرًا لأن ASCENT يمكنه دعم الدفع الكيميائي والكهربائي، فيمكن للمركبات الفضائية المستقبلية الاعتماد على خزان وقود واحد لتشغيل كلا النظامين. ومن شأن هذا النهج أن يبسط تصميم المركبات الفضائية مع الحفاظ على مزايا كل طريقة من طرق الدفع.

سيتلقى هذا المفهوم أول عرض توضيحي له في العالم الحقيقي من خلال مهمة Green Propulsion Dual Mode التابعة لناسا، والمقرر إطلاقها حاليًا في نوفمبر.

يقول لوزانو: “ستكون هذه هي المرة الأولى التي يمتلك فيها القمر الصناعي خزانًا مشتركًا للوقود”.

ويعتقد أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تكون مفيدة ليس فقط لاستكشاف ما بين الكواكب، ولكن أيضًا للمهام الأقرب إلى الأرض، بما في ذلك مراقبة الطقس وأبحاث المناخ.

يقول: “لنفترض أن هناك عاصفة قادمة، وأنك تريد نشر كوكبة من الأقمار الصناعية الصغيرة لرصد موقع واحد”. “يمكنك اختيار إرسالها بسرعة أو ببطء اعتمادًا على طبيعة المراقبة. والطريقة الوحيدة للقيام بذلك هي إذا كان لديك نظامان للدفع، وهو أمر ممكن الآن”.

المرجع: “توصيف أداء دافعات الرش الكهربائي باستخدام وقود الدفع الأحادي السائل الأيوني النشط” بقلم أميليا آر. برونو، وماثيو إن. كورادو، وباولو سي. لوزانو، 31 مايو 2026، مجلة الدفع والقوة.
دوى: 10.2514/1.B40175

تم دعم البحث جزئيًا من قبل وكالة ناسا.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.