حددت وكالة الفضاء الأمريكية موعدًا لإرسال وحدة تجريبية غير مسبوقة إلى سطح القمر في عام 2026. وتهدف المعدات إلى التسبب في حرائق خاضعة للرقابة ومراقبتها في بيئة منخفضة الجاذبية. سوف تقوم أجهزة الاستشعار عالية الدقة بتسجيل سلوك اللهب أثناء حرق عينات الوقود الصلب. وستوفر العملية بيانات أولية عن انتشار الحرائق خارج البيئة الأرضية.
تسعى المبادرة إلى سد فجوة معرفية أساسية لبناء القواعد المأهولة. تخضع ديناميكيات الغازات الساخنة لتغيرات جذرية عندما تتعرض لسدس قوة الجاذبية الأرضية. إن فهم هذه الظاهرة الفيزيائية سيسمح بتطوير بروتوكولات أمان أكثر صرامة لأطقم برنامج Artemis المستقبلية. يعتمد التخطيط الهيكلي للوحدات السطحية بشكل مباشر على هذه القياسات.
التشغيل المستقل من خلال المنصات التجارية
حصل المشروع على التصنيف الفني لقابلية اشتعال المواد على القمر، والمعروفة بالاختصار FM2. يتكون الهيكل من غرفة مغلقة ومستقلة تمامًا. سوف يسافر النظام على متن مركبة هبوط بدون طيار. يعد التسليم جزءًا من برنامج خدمات الحمولة القمرية التجارية، والذي يستخدم شركات خاصة لنقل الحمولات العلمية إلى التربة القمرية.
وبمجرد وصولها إلى السطح، ستبدأ المعدات في تسلسل الاختبار دون الحاجة إلى تدخل بشري. يضمن عزل الغرفة عدم تلوث البيئة الخارجية. تتضمن العملية الإشعال المتسلسل لأربعة مواد متميزة. كل عينة لها كثافة محددة وخصائص التركيب الكيميائي.
يتم جمع البيانات في وقت واحد من خلال مجموعة من الأدوات المدمجة في الوحدة. يتضمن الإعداد الفني للتجربة عناصر القياس التالية:
- كاميرات عالية السرعة لتسجيل حجم الحريق وحجم اللهب بشكل مرئي.
- أجهزة قياس الإشعاع المعايرة لقياس الكثافة الحرارية المتولدة أثناء الاحتراق.
- أجهزة استشعار محددة للمراقبة المستمرة لاستهلاك الأكسجين الداخلي.
يوفر هذا الهيكل التكنولوجي عدة دقائق من المراقبة المتواصلة لهذه الظاهرة. الاختبارات التي تم إجراؤها على الأرض باستخدام الرحلات الجوية المكافئة أو أبراج السقوط الحر توفر بضع ثوانٍ فقط من الجاذبية الصغرى. تمثل المدة الممتدة للتجربة القمرية تقدمًا منهجيًا كبيرًا في هندسة الطيران. سيكون لدى الباحثين الوقت الكافي لمراقبة دورة الاحتراق والانقراض الكاملة.
تأثير الجاذبية الجزئية على فيزياء الاحتراق
تلعب قوة الجاذبية دورًا حاسمًا في كيفية استمرار النار وانتشارها. في البيئة الأرضية، يرتفع الهواء الساخن الناتج عن اللهب بسرعة بسبب الحمل الحراري. العملية مستمرة. تخلق هذه الحركة تيارًا يسحب الأكسجين الطازج إلى قاعدة النار، مما يغذي التفاعل الكيميائي. غالبًا ما تعمل نفس الديناميكيات على إطفاء الحرق بسرعة عن طريق تبديد الحرارة.
يتغير السيناريو بشكل كبير على سطح القمر. الجاذبية التي تعادل حوالي 16% من جاذبية الأرض تتسبب في ارتفاع الغازات الساخنة بمعدل أبطأ بكثير. يظل إمداد الأكسجين عند قاعدة اللهب ثابتًا لفترة أطول. يغير هذا الاستقرار دورة حياة النار بطرق عميقة.
يمكن للمواد ذات القابلية المنخفضة للاشتعال على كوكبنا أن تظهر سلوكًا مختلفًا في ظل هذه الظروف. إن العنصر الذي سيخرج بسرعة إلى الأرض لديه القدرة على الاحتراق لفترات طويلة في البيئة القمرية. يؤدي غياب الحمل الحراري القوي إلى إنشاء منطقة احتراق أكثر ثباتًا وتركيزًا. تؤثر الحرارة المشعة على الأسطح المجاورة بكثافة أكبر.
تاريخ التحليلات في المحطات المدارية
لدى المجتمع العلمي بالفعل كمية كبيرة من البيانات حول الحرائق في الجاذبية الصغرى. عملت محطة الفضاء الدولية كمختبر لأكثر من 1500 عملية إشعال صغيرة يمكن التحكم فيها. وكشفت هذه الملاحظات أن اللهب يأخذ شكلا كرويا عندما لا توجد جاذبية لتوجيه الغازات. يحدث الحرق بشكل شعاعي وموحد.
تعمل التهوية الاصطناعية للوحدات الفضائية كعامل مؤثر رئيسي في الحرق المداري. يؤدي إيقاف تشغيل أنظمة دوران الهواء إلى إبطاء انتشار الحريق. ومع ذلك، فإن إعادة الإشعال التلقائي لا تزال تحدث في حالات محددة حتى بدون تدفق مستمر للأكسجين. يحتفظ الجمر بما يكفي من الحرارة لإعادة الاحتراق إذا تم إعادة تنشيط التهوية.
ويمثل مشروع Saffire مرحلة أخرى مهمة في هذا الخط من الأبحاث التي تجريها الوكالة الأمريكية. استخدمت التجربة كبسولات شحن يمكن التخلص منها لحرق الأقمشة وألواح الأكريليك على نطاق واسع. وأظهرت النتائج أن الحريق يمكن أن ينتشر في الاتجاه المعاكس لتدفق الهواء في أنواع معينة من المواد. أظهرت الصفائح الرقيقة كثافة احتراق أعلى من المتوقع بواسطة النماذج الحسابية.
تحديث معلمات شهادة المواد
تعتمد هندسة الطيران الحالية إرشادات الحماية الخاصة بها على الاختبارات التي يتم إجراؤها تحت جاذبية الأرض. يحدد المعيار الفني NASA-STD-6001B معيار الموافقة لأي عنصر مخصص للاستخدام في المهام المأهولة. يُخضع هذا الإجراء عينة رأسية إلى لهب يبلغ ارتفاعه ستة بوصات. يتم التقييم في غرف اختبار موحدة.
يتم رفض المادة فورًا إذا تجاوز الحرق علامة الستة بوصات أو إذا تقطرت شظايا متوهجة. ضمنت هذه المنهجية سلامة الطاقم خلال العقود الأخيرة من الاستكشاف المداري. تتطلب عودة الإنسان إلى القمر مراجعة كاملة لمعايير التقييم هذه. تتطلب الفيزياء المختلفة معلمات محدثة.
سيتم استخدام المعلومات التي تم جمعها بواسطة تجربة FM2 لمعايرة النماذج الرياضية الموجودة. يسعى العلماء إلى إنشاء جسر بيانات موثوق به بين الملاحظات التي تم إجراؤها على الأرض وتلك المسجلة في حالة انعدام الجاذبية. الفهم الدقيق للجاذبية الجزئية يسد الفجوة الحالية في الكتيبات الهندسية. ستحدد المعايير الجديدة اختيار البوليمرات والأقمشة والعوازل الحرارية.
التخطيط للاحتلال الدائم للتربة القمرية
يتطلب إنشاء أسس مستدامة السيطرة المطلقة على المخاطر البيئية الداخلية. يمثل الحريق داخل موطن مغلق أحد أهم التهديدات لبقاء الطاقم. يحتوي الجو الاصطناعي لهذه الوحدات على تركيزات الأكسجين التي يتم مراقبتها بدقة. أي تغيير في تكوين الهواء يؤثر على القابلية العامة للاشتعال للبيئة.
وسيزداد الوقت الذي يقضيه رواد الفضاء على السطح بشكل تدريجي خلال المراحل المتقدمة لبرنامج أرتميس. يزيد التعرض لفترات طويلة من الاحتمالية الإحصائية للحوادث التي تنطوي على دوائر قصيرة أو أعطال في المعدات الكهربائية. إن اختيار مواد البناء المناسبة هو بمثابة خط الدفاع الأول ضد هذه الأحداث. تحل الوقاية الهيكلية محل الحاجة إلى القمع النشط.
يقوم الباحثون من مراكز جلين وجونسون بتنسيق مراحل التطوير الفني للمشروع. تشارك جامعة كيس ويسترن ريزيرف في الاتحاد من خلال تقديم الدعم في تحليل البيانات الأولية. خضعت التفاصيل التشغيلية للمهمة للتدقيق خلال النسخة الأخيرة من مؤتمر علوم القمر والكواكب. يراقب المجتمع الأكاديمي تجميع أجهزة الطيران.
ستعود حزم القياس عن بعد إلى الأرض بعد وقت قصير من اكتمال حرق العينات الأربع. ستقوم الفرق الهندسية بمقارنة القياسات غير المسبوقة مع قواعد البيانات المجمعة على مدى عقود. إن كفاية معايير الاعتماد ستوجه تصميم الوحدات السكنية في العقد القادم. ستحدد معالجة المعلومات إرشادات التصنيع لموردي صناعة الطيران.