Computational Multiphysics Modeling of Instability Staged Combustion Propulsion, Radiative Convective Ablative/TPS Interfacial Heat Transfer, Supersonic Retro Propulsive Landing Dynamics for Reusable Heavy Lift Architectures and Subcooled Liquid Management in High Pressure Rocket Engine and Booster Return Trajectories

لفهم العمل الموصوف في هذه الورقة، يجب أولاً استيعاب التحدي الفيزيائي الهائل المتمثل في إرسال البشر عائدين إلى القمر، وفي نهاية المطاف إلى المريخ. إن الهدف ليس مجرد إطلاق صاروخ، بل بناء مركبة يمكنها الطيران إلى الفضاء، والعودة إلى الأرض، والهبوط بنعومة، ثم الطيران مرة أخرى، كل ذلك أثناء حمل طاقم وكمية هائلة من الوقود. يتطلب هذا حل أربع مشكلات متميزة ولكنها مترابطة. أولاً، يجب أن يحرق المحرك الوقود بكثافة بحيث يخلق طاقة كافية لرفع سفينة ثقيلة، مع البقاء مستقراً بما يكفي لكي لا يمزق نفسه من شدة الاهتزاز. ثانياً، يجب أن يتحمل جلد المركبة الحرارة الشديدة الناتجة عن دخول الغلاف الجوي، حيث تحول احتكاك الهواء السطح إلى فرن متوهج، دون أن ينصهر أو يتشقق. ثالثاً، يجب أن يتم الإمساك بالمعزز الضخم الذي يطلق السفينة في منتصف الهواء بواسطة ذراع برج عملاق، وهي مناورة تتطلب توقيتاً دقيقاً ونظام تخميد يمتص صدمة هائلة دون أن ينكسر. وأخيراً، يجب أن تمنع خزانات الوقود محتوياتها السائلة من الغليان والتحول إلى غاز بينما تنتظر السفينة في فراغ الفضاء البارد لأسابيع، وهي عملية قد تترك السفينة عالقة دون طاقة كافية للوصول إلى وجهتها.

قام فيراج غاجيرا، وهو مهندس في معهد نيويورك للتكنولوجيا، بإنشاء مجموعة من النماذج الحاسوبية لاستكشاف كيفية حل هذه المشكلات الأربع. لا تقدم الورقة أجهزة جديدة أو نتائج اختبارات فيزيائية؛ بل تقدم بدلاً من ذلك محاكاة دقيقة قائمة على الفيزياء للعقبات الهندسية التي تواجه نظام "ستارشيب" (Starship) التابع لشركة سبيس إكس (SpaceX) ودوره في برنامج "أرتميس" (Artemis) التابع لناسا. ومن خلال بناء تمثيلات رقمية مبسطة ولكن دقيقة للمحرك، ودرع الحرارة، وآلية الإمساك، وخزانات الوقود، يوضح المؤلف كيف تؤثر خيارات التصميم المختلفة على الأداء. يعمل هذا العمل كخطوة تأسيسية، تثبت أن مناهج رياضية محددة يمكنها التنبؤ بكيفية سلوك هذه الأنظمة المعقدة قبل بنائها، مما يوفر خارطة طريق واضحة للاختبارات الأكثر تفصيلاً التي ستتبع ذلك.

المجال الأول للتركيز هو محرك "رابتور" (Raptor)، وهو قلب نظام "ستارشيب". يستخدم هذا المحرك دورة معقدة حيث يتم تحويل كل من الأكسجين السائل والميثان السائل إلى غاز قبل دخولهما إلى غرفة الاحتراق الرئيسية. يسمح هذا التصميم بضغط عالٍ للغاية، مما يولد دفعاً هائلاً، ولكنه يجعل التحكم في المحرك صعباً أيضاً. قام المؤلف ببناء نموذج حاسوبي لحساب شكل فوهة المحرك، وهي الجزء الذي يوجه غازات العادم لخلق الدفع. ومن خلال حل المعادلات التي تحكم كيفية تدفق الغاز عبر أنبوب يضيق ثم يتسع، حدد النموذج المنحنى الدقيق اللازم لتسريع العادم إلى سرعات فوق صوتية. أظهرت المحاكاة أنه بالنسبة لضغط التشغيل المحدد للمحرك، يجب أن تتوسع الفوهة إلى حجم معين لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة. وبينما تعد هذه رؤية مبسطة تتجاهل بعض التفاصيل الفوضوية لتدفق الغاز في العالم الحقيقي، إلا أنها توفر نقطة انطلاق قوية لتصميم الشكل المعدني الفعلي للمحرك، مما يضمن توجيه الدفع بشكل صحيح لرفع المركبة الثقيلة.

بعد ذلك، تبحث الورقة في نظام الحماية الحرارية، وهي آلاف البلاطات السيراميكية التي تغطي بطن السفينة لحمايتها من حرارة إعادة الدخول. عندما تهبط المركبة عائدة إلى الغلاف الجوي، ينضغط الهواء ويسخن إلى درجات حرارة تتجاوز 1400 درجة مئوية. يجب أن تمتص البلاطات هذه الحرارة وتشعها بعيداً دون السماح لها بالمرور عبر الجلد الفولاذي للسفينة، مما قد يؤدي إلى صهرها. أنشأ المؤلف نموذجاً رقمياً لمجموعة بلاطات واحدة، يحاكي كيفية انتقال الحرارة عبر الطبقات بمرور الوقت. طبقت المحاكاة نبضة من الحرارة الشديدة على السطح وتتبعت كيفية تغير درجة الحرارة داخل المادة. أظهرت النتائج أن طبقة بسمك 50 ملم من مادة البلاط القائمة على السيليكا كانت كافية لإبقاء الفولاذ الموجود تحتها بارداً نسبياً، حيث ارتفع بمقدار 20 درجة مئوية فقط بينما وصل السطح إلى أكثر من 1000 درجة مئوية. وهذا يؤكد أن التصميم الأساسي لنظام البلاط يعمل من حيث المبدأ، رغم أن النموذج أشار أيضاً إلى أن المشكلات الواقعية مثل تشكل الشقوق بين البلاطات أو الإجهاد الميكانيكي ستتطلب اختبارات أكثر تعقيداً لفهمها بالكامل.

يتضمن التحدي الثالث نظام الإمساك "ميكازيلا" (Mechazilla)، حيث يمسك ذراع برج عملاق بالمعزز العائد. هذه مناورة عالية المخاطر: يجب الإمساك بالمعزز، الذي يزن مئات الأطنان، بواسطة ذراعين يتحركان على مسار، بينما لا تزال المحركات تعمل على بعد أمتار قليلة. قام المؤلف بنمذجة هذا الحدث كنظام نابض ومخمد بسيط، يشبه كيفية امتصاص نظام تعليق السيارة للصدمة. كان الهدف هو إيجاد درجة الصلابة المناسبة لآلية التخميد الموجودة على الأذرع. إذا كانت الأذرع صلبة جداً، فستكون الصدمة قوية جداً وقد تسبب ضرراً للهيكل؛ وإذا كانت ناعمة جداً، فقد يرتد المعزز أو يستغرق وقتاً طويلاً للتوقف. باستخدام بحث حاسوبي لاختبار آلاف الاحتمالات، حدد النموذج صلابة معينة من شأنها تقليل ذروة القوة التي يشعر بها البرج. اقترحت المحاكاة أن الوسادة المرنة والناعمة نسبياً هي الأفضل، مما يسمح للأذرع بامتصاص الطاقة الناتجة عن عملية الإمساك على فترة زمنية أطول قليلاً، وبالتالي حماية الهيكل الضخم من صدمة مفاجئة وعنيفة.

أخيراً، تتناول الورقة مسألة إدارة الوقود في الفضاء. للوصول إلى القمر، يجب إعادة تزويد مركبة الهبوط "ستارشيب" بالوقود في مدار الأرض عبر سلسلة من رحلات الناقلات. ومع ذلك، يُحفظ الوقود في درجات حرارة باردة للغاية، وأي تسرب للحرارة إلى الخزانات يتسبب في غليان السائل وتحوله إلى غاز، والذي يجب تصريفه أو سيؤدي إلى فقدان الوقود. بنى المؤلف نموذجاً لتقدير كمية الوقود التي ستُفقد خلال جدول زمني نموذجي للمهمة، اعتماداً على مدى جودة عزل الخزانات. قامت المحاكاة بتغيير عدد الطبقات في بطانية العزل وحسبت معدل فقدان الوقود على مدى عشرين يوماً. سلطت النتة الضوء على مقايضة حرجة: حتى مع وجود عزل ممتاز، فكلما طال انتظار السفينة في المدار، زاد فقدان الوقود. وتؤكد هذه النتيجة أهمية نظام الإمساك الموصوف سابقاً؛ فمن خلال تمكين إعادة الاستخدام السريع للمعززات والناقلات، يمكن للبرنامج الإطلاق بشكل متكرر وتقليل إجمالي الوقت الذي يقضيه الوقود في المدار، وبالتالي تقليل الكمية المفقودة بسبب الغليان.

طوال الورقة، يحرص المؤلف على التمييز بين هذه الحسابات الحاسوبية المبسطة والواقع المعقد لبناء صاروخ. النماذج المقدمة هي نماذج منخفضة الرتبة، مما يعني أنها تجرد الكثير من التفاصيل ثلاثية الأبعاد والسلوكيات الفوضوية الموجودة في العالم الحقيقي للتركيز على الفيزياء الجوهرية. يصرح المؤلف صراحة بأن هذه النتائج ليست تصميمات نهائية بل هي خطوة أولى ضرورية. وللانتقال من هذه عمليات المحاكاة إلى مركبة طائرة، سيحتاج المهندسون إلى استخدام برامج متقدمة لإنشاء نماذج كاملة ثلاثية الأبعاد، وإجراء محاكاة تفصيلية لديناميكا السوائل، وإجراء اختبارات فيزيائية على الأجهزة الحقيقية. تكمن قيمة هذا العمل في وضوحه: فهو يأخذ أربعاً من أصعب المشكلات الهندسية التي تواجه الجيل القادم من الرحلات الفضائية ويقسمها إلى أجزاء يمكن إدارتها وحلها. ومن خلال إظهار كيف تؤثر خيارات تصميم محددة - مثل شكل الفوهة، أو سمك البلاطة، أو صلابة ذراع الإمساك، أو طبقات العزل - بشكل مباشر على النتيجة، توفر الورقة مساراً واضحاً ومنطقياً لتحويل الرؤية الطموحة لنظام نقل قمري قابل لإعادة الاستخدام إلى واقع ملموس.