Fabrication and Hydrostatic Evaluation of a Meter-Scale Aluminum Propellant-Tank Demonstrator by Hybrid Wire Arc Additive and Subtractive Manufacturing

يتطلب بناء الجيل القادم من المركبات الفضائية مواد تكون قوية للغاية وخفيفة الوزن بما يكفي للطيران في آن واحد. لعقود من الزمن، اعتمد المهندسون على طرق تقليدية لتشكيل المعادن، لكن هذه التقنيات غالبًا ما تواجه صعوبات عند إنشاء المنحنيات الكبيرة والمعقدة اللازمة لخزانات الوقود. ويقدم نهج أحدث، يُعرف باسم التصنيع الإضافي بالقوس السلكي، مسارًا مختلفًا. فبدلاً من قطع كتلة معدنية لتصل إلى الحجم المطلوب، تقوم هذه الطريقة ببناء الجسم للأعلى، طبقة تلو الأخرى، باستخدام ذراع روبوتية تعمل كأنها مشعل لحام عالي الدقة. حيث تقوم بصهر سلك معدني رفيع وترسبه في نمط محدد، مما يدمجه في هيكل صلب. وبينما تحمل هذه التقنية وعودًا كبيرة لإنشاء أجزاء ضخمة بسرعة، إلا أنها تواجه عقبة كبيرة: الحرارة الشديدة المطلوبة لصهر المعدن تسبب التواء وتشوه المادة أثناء تبريدها. وعلى مدار عملية بناء جسم كبير، يمكن لهذه الالتواءات الصغيرة أن تتراكم، مما يؤدي إلى شكل نهائي مائل أو ضعيف لدرجة تجعله غير مفيد.

ولحل هذه المشكلة، وضع باحثون في شركة شيميزو (Shimizu Corporation) ووكالة استكشاف الفضاء اليابانية (JAXA) خطة للجمع بين سرعة طريقة البناء القائمة على اللحام ودقة التصنيع التقليدي. فقد طوروا نظامًا هجينًا لا يقوم فيه الروبوت بإضافة المعدن فحسب، بل بإزالته أيضًا. ومن خلال دمج أداة طحن وماسح ضوئي بالليزر في نفس الخلية الروبوتية، يمكن للنظام قياس ارتفاع كل طبقة جديدة أثناء بنائها وتعديل مسار الروبوت في الوقت الفعلي. فإذا تراكم المعدن بشكل زائد أو تعرض للالتواء، يمكن للروبوت إيقاف اللحام، وجرش المادة الزائدة لإنشاء سطح مستوٍ تمامًا، ثم مواصلة البناء. تضمن هذه العملية الحفاظ على الشكل المقصود للجسم النهائي، حتى عندما تحاول الحرارة إخراجه عن مساره. وقد اختبر الفريق هذا النظام عبر بناء نموذج كامل الحجم لخزان وقود، وهو نوع من الأوعية التي ستضم الوقود لصاروخ، ثم أخضعوه لضغط شديد لمعرفة مدى قدرته على التحمل.

أنشأ الباحثون خزانًا تجريبيًا يبلغ ارتفاعه 1.1 متر، مع قسم عريض يبلغ عرضه مترًا واحدًا، وقسم أضيق يبلغ عرضه نصف متر. بُنيت جدران هذا الخزان من سلك سبائك الألومنيوم، حيث تم ترسبها في طبقات لتصل سماكتها إلى خمسة مليمترات. وللحفاظ على صلابة الهيكل خلال العملية الطويلة المتمثلة في إضافة طبقة تلو الأخرى، أدخل الفريق مقويات حلقية داخل الخزان، والتي تم لحامها يدويًا في مكانها قبل أن يستأنف الروبوت عمله. وكان جزء حاسم من نجاحهم هو استخدام ماسح ليزري (laser profiler) يقوم بمسح سطح الخزان عشر مرات كل ثانية أثناء قيام الروبوت باللحام. سمح هذا للنظام بالتحقق باستمرار من ارتفاع المعدن الذي يتم إضافته وتعديل حركات الروبوت تلقائيًا للحفاظ على انتظام الطبقات. وكانت النتيجة عبارة عن غلاف معدني سلس حافظ على سماكة جدار ثابتة، رغم تحديات بناء جسم كبير كهذا باستخدام حرارة عالية.

بمجرد اكتمال الخزان، احتاج الفريق إلى التحقق مما إذا كان قويًا بما يكفي ليعمل كحاوية وقود حقيقية. قاموا بإغلاق الجزء العلوي بغطاء معدني وملؤوا الخزان بالماء لإجراء اختبار الضغط الهيدروستاتيكي. وتعتبر هذه الطريقة آمنة وفعالة لاختبار القوة لأن الماء لا يمكن ضغطه مثل الهواء، مما يعني أن الخزان لن ينفجر بعنف في حال فشله. قاموا بزيادة الضغط داخل الخزان ببطء، مع مراقبة كيفية تمدد وتشوه المعدن بدقة. صمد الخزان بقوة حتى وصل الضغط الداخلي إلى 1.7 ميجاباسكال، وعند هذه النقطة انفجر أخيرًا. ومع ذلك، حدث التمزق عند الدرزة حيث التقى الغطاء الملحوم يدويًا بالخزان الذي بناه الروبوت، وليس في جسم الخزان الرئيسي نفسه. وهذا يشير إلى أن الوصلة الملحومة كانت أضعف نقطة، وليس الجدران المعدنية التي تم إنشاؤها بواسطة العملية الإضافية.

جاء المقياس الحقيقي لأداء الخزان من تحليل اللحظة التي بدأ فيها المعدن يتمدد بشكل دائم، وهي نقطة تُعرف باسم ضغط الخضوع (yield pressure). ومن خلال قياس الإجهاد على سطح الخزان باستخدام أجهزة استشعار حساسة، وجد الباحثون أن القسم الأسطواني من الخزان بدأ في الخضوع عند ضغط قدره 1.30 ميجاباسكال، بينما خضع القسم السفود المنحني عند 1.38 ميجاباسكال. كانت هذه الأرقام قريبة جدًا مما توقعه الفريق باستخدام عمليات المحاكاة الحاسوبية بناءً على القوة المعروفة لسلك الألومنيوم المستخدم. قدرت المحاكاة ضغط الخضوع بنحو 1.37 ميجاباسكال للأسطوانة و1.38 ميجاباسكال للقبة. وطابق هذا التطابق الوثيق بين الاختبار الفيزيائي والنموذج الحاسوبي حقيقة أن المعدن الناتج عن عملية اللحام الروبوتية كان بنفس قوة المادة الخام المستخدمة في صنع السلك.

كما بحثت الدراسة فيما إذا كانت الحلقات المقوية الداخلية تحدث فرقًا كبيرًا في قدرة الخزان على مقاومة الضغط. أشارت النماذج الحاسوبية إلى أن إضافة هذه الحلقات تحسن مقاومة الضغط بنسبة 5% فقط تقريبًا، وهي زيادة ضئيلة نسبيًا. ودعمت البيانات التجريبية ذلك، حيث أظهرت أن الخزان أدى عمله جيدًا حتى دون الاعتماد بشكل كبير على المقويات في قوته الأساسية. وأشار الباحثون إلى أن الاختلافات الطفيفة بين توقعاتهم ونتائج الاختبار الفعلية ناتجة على الأرجح عن التبسيطات في نماذجهم الحاسوبية، مثل عدم مراعاة الشكل الدقيق للغطاء الملحوم يدويًا أو الاختلافات الطفيفة في سماكة الجدار. ومع ذلك، ظل الاستنتاج الجوهري واضحًا: نجح نظام التصنيع الهجين في إنتاج خزان ألومنيوم كبير ومعقد يلبي متطلبات القوة النظرية.

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن بناء مكونات فضائية بمقاييس مترية باستخدام مزيج من التقنيات الإضافية والطرحية دون التضحية بالسلامة الهيكلية. وكان مفتاح هذا النجاح هو القدرة على تصحيح الأخطاء فور حدوثها، مما يمنع تراكم العيوب الذي عادة ما يعيب مشاريع اللحام واسعة النطاق. وبينما حدد الفريق مجالات للتحسين، مثل تعزيز جودة المعدن عند نقاط إعادة بدء عملية اللحام، فإن التجربة العامة أثبتت جدوى هذا النهج. لقد صمد الخزان تحت الضغط تمامًا كما توقعت قوانين الفيزياء، مما يشير إلى أن هذه الطريقة الهجينة يمكن أن تصبح وسيلة موثوقة لتصنيع الهياضات الكبيرة وخفيفة الوزن المطلوبة لاستكشاف الفضاء في المستقبل.