إطلاق صاروخ ثلاثي الأبعاد بنسبية فضاء باستخدام سبيكة ناسا المبتكرة
مهندسو المواد في ناسا ديف إليس وكريس بروتز يتفقدون أول غرفة احتراق مصنوعة من مادة GRCop. الائتمان: ناسا
أطلقت شركة Relativity Space صاروخ Terran 1، وهو أول صاروخ اختبار مصنوع بالكامل من أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد، من محطة Cape Canaveral Space Force في مارس. يضم الصاروخ، الذي يبلغ ارتفاعه 100 قدم وعرضه 7.5 قدم، تسع محركات مطبوعة ثلاثية الأبعاد تم بناؤها باستخدام سبيكة نحاسية مبتكرة تُعرف باسم جلين ريسيرش كوبر (GRCop)، وهي قادرة على تحمل درجات حرارة تقترب من 6000 درجة فهرنهايت. تم تطوير سبائك GRCop في مركز أبحاث Glenn التابع لناسا، وهي توفر قوة عالية، وموصلية حرارية، ومقاومة للزحف، مما يسمح لها بتحمل درجات حرارة أعلى بنسبة 40٪ من سبائك النحاس التقليدية.
في مارس، أضاء صاروخ Relativity Space Terran 1 سماء الليل أثناء إطلاقه من محطة Cape Canaveral Space Force Station في فلوريدا. كان هذا أول إطلاق لصاروخ اختبار مصنوع بالكامل من أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد، بطول 100 قدم وعرض 7.5 قدم. تعد الطباعة ثلاثية الأبعاد، وهي شكل من أشكال التصنيع الإضافي، تقنية أساسية لتعزيز القدرات وتقليل التكلفة. تضمن Terran 1 تسع محركات مُصنَّعة بشكل إضافي مصنوعة من سبيكة نحاسية مبتكرة، والتي شهدت درجات حرارة تقترب من 6000 درجة فهرنهايت.
تم إنشاء هذه العائلة من السبائك القائمة على النحاس والمعروفة باسم Glenn Research Copper ، أو GRCop ، والتي تم إنشاؤها في مركز أبحاث Glenn التابع لناسا في كليفلاند في إطار برنامج تطوير Game Changing Development التابع للوكالة، للاستخدام في غرف الاحتراق لمحركات الصواريخ عالية الأداء. مزيج من النحاس والكروم والنيوبيوم، تم تحسين GRCop للحصول على قوة عالية، وموصلية حرارية عالية، ومقاومة عالية للزحف – مما يسمح بمزيد من الضغط والإجهاد في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية – والتعب الجيد للدورة المنخفضة – مما يمنع فشل المواد – فوق 900 درجة فهرنهايت. إنها تتحمل درجات حرارة تصل إلى 40٪ أعلى من سبائك النحاس التقليدية، مما يؤدي إلى مكونات عالية الأداء وقابلية إعادة الاستخدام.
صورة لعادم صاروخ Terran 1 أثناء الإطلاق في مارس 2023. Credit: Relativity Space
في أواخر الثمانينيات، أرادت ناسا تطوير محرك لمناورة المركبات الفضائية في مدار أرضي منخفض يمكنه تحمل العديد من عمليات إطلاق النار. تواجه محركات الصواريخ تحديات معقدة في التصميم والبيئات التي تعمل فيها، بما في ذلك العديد من عمليات بدء التشغيل والإغلاق التي تخلق دورة من التآكل والتلف على المكونات الهامة.
طور الدكتور ديفيد إليس عائلة GRCop للسبائك كطالب دراسات عليا تدعمه وكالة ناسا خلال عصر مكوك الفضاء. واصل نضج السبائك وتطبيقاتها طوال حياته المهنية.
وأوضح إليس: “في ذلك الوقت، تم استبدال بطانات غرفة الاحتراق في المحرك الرئيسي لمكوك الفضاء بعد مهمة واحدة إلى خمس بعثات”. “كان بحثنا قادرًا على إظهار أن GRCop-84 سيحقق بسهولة هدف 100 مهمة بين خدمة الصيانة و500 مهمة من عمر المحرك.”
على مدار سنوات من تطوير السبائك، عمل إليس وفريقه مع العديد من المشاريع والبرامج، مثل التحليل السريع وتكنولوجيا دفع التصنيع (RAMPT) التابعة لوكالة ناسا، لتطوير إصدارات مختلفة من سبائك GRCop. يستخدم أحدث التكرار، المسمى GRCop-42، مجموعة متنوعة من طرق التصنيع المضافة لإنشاء غرف احتراق من قطعة واحدة ومتعددة المواد وتجميعات غرفة الدفع لمحركات الصواريخ. أدت هذه العمليات إلى تحسين الأداء، مع تقليل الوزن وتكاليف مكونات غرفة الدفع بشكل كبير.
تظهر غرفة الاحتراق المصنعة المضافة في منتصف العملية. الائتمان: ناسا
وجدت وكالة ناسا أن سبائك GRCop تتزاوج جيدًا مع أحدث طرق التصنيع المضافة. طرق التصنيع الحديثة مثل اندماج طبقة مسحوق الليزر وترسيب الطاقة الموجهة هما طريقتان يمكن استخدامهما لبناء أجزاء GRCop للعديد من تطبيقات الفضاء، مثل محركات الصواريخ Terran 1.
في اندماج طبقة المسحوق بالليزر، يتم تقطيع نموذج الكمبيوتر ثلاثي الأبعاد إلى طبقات رقيقة رقميًا. بعد ذلك، تبدأ آلة طبقة المسحوق، التي تعمل كطابعة، في عملية نشر ودمج طبقات رقيقة من المسحوق فوق بعضها البعض، آلاف المرات لتشكيل جزء كامل. تؤدي عملية ربط الطبقات هذه معًا إلى قوة مواد يمكن مقارنتها بالمعدن المطروق. تتمثل ميزة هذه الطريقة في إمكانية إنشاء أجزاء مفصلة بدقة، مثل الفوهات وقنوات التبريد المستخدمة في غرف الاحتراق والفوهات.
تستخدم عملية ترسيب الطاقة الموجهة (DED) الليزر لإنشاء حوض تذوب. ثم ينفخ المسحوق في حوض السباحة المصهور ويبرد مكونًا مادة صلبة. توجه الحركة ثلاثية الأبعاد للروبوت عملية البناء لإنشاء الجزء بالكامل باستخدام الليزر والبودرة المنفوخة. تنتج عملية DED أشكالًا ومكونات أكبر مقارنةً بدمج طبقة مسحوق الليزر، ولكن بتفاصيل أقل دقة.
قال بول جرادل، المهندس الرئيسي في مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا في هنتسفيل ، ألاباما: “تسمح مشاريع التطوير، مثل RAMPT، بتطوير سبائك وعمليات جديدة لاستخدامها في الفضاء التجاري والصناعة والأوساط الأكاديمية”. “ناسا تأخذ على عاتقها مخاطر التطوير وتنضج العملية من مفاهيم المواد والعمليات المبكرة من خلال الشهادات. يعد هذا التسريب لسبائك GRCop-42 في الفضاء التجاري مثالًا رائعًا آخر على كيفية قيام الابتكارات التي تقودها وكالة ناسا بتعزيز قدرات الصناعة والمساهمة في اقتصاد الفضاء المتنامي في أمريكا “.
بموجب اتفاقية قانون الفضاء القابل للسداد، قدمت وكالة ناسا الخبرة الفنية إلى Relativity Space التي نقلت GRCop-42 من التطوير إلى منتج جاهز للطيران يستخدم لإطلاق صاروخ Terran 1. أظهرت Relativity Space أن هذه المكونات عالية الأداء لمحركات الصواريخ، التي تم إنتاجها عن طريق التصنيع الإضافي باستخدام سبائك GRCop ، يمكن استخدامها في البعثات المستقبلية إلى القمر والمريخ وما وراءهما.
يعد تطوير تغيير اللعبة جزءًا من إدارة مهام تكنولوجيا الفضاء التابعة لناسا، والتي تعمل على تطوير تقنيات وقدرات جديدة شاملة لمهام ناسا الحالية والمستقبلية.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
