اختبار السقوط

اختبار السقوط هو طريقة لاختبار خصائص الطيران للطائرات التجريبية أو النموذجية والمركبات الفضائية عن طريق رفع المركبة التجريبية إلى ارتفاع معين ثم إطلاقها. يمكن الإشارة إلى الرحلات التجريبية التي تنطوي على طائرات تعمل بالطاقة، وخاصة الطائرات التي تعمل بالصواريخ ، باسم عمليات الإطلاق المتساقطة بسبب إطلاق صواريخ الطائرة بعد إطلاقها من حاملتها.

في حالة الطائرات غير المزودة بمحركات، تسقط المركبة التجريبية أو تنزلق بعد إطلاقها في هبوط غير مزود بمحركات إلى موقع هبوط. يمكن استخدام اختبارات السقوط للتحقق من الأداء الديناميكي الهوائي وديناميكيات الطيران للمركبة التجريبية، أو لاختبار أنظمة الهبوط الخاصة بها، أو لتقييم القدرة على البقاء على قيد الحياة في حالة الهبوط المخطط له أو الهبوط الاصطدامي. يسمح هذا لمصممي المركبة بالتحقق من صحة نماذج الطيران الحاسوبية ، أو اختبار نفق الرياح ، أو غيرها من خصائص التصميم النظرية لتصميم الطائرة أو المركبة الفضائية.

يمكن إجراء اختبارات السقوط من ارتفاعات عالية عن طريق حمل مركبة الاختبار على متن سفينة أم إلى ارتفاع مستهدف للإطلاق. ^[1] يمكن إجراء اختبارات السقوط من ارتفاعات منخفضة عن طريق إطلاق مركبة الاختبار من رافعة أو منصة جسرية . ^[2]

يجب أن تكون عجلات الهبوط في الطائرات المستخدمة على حاملات الطائرات أقوى من تلك الموجودة على الطائرات البرية، بسبب سرعات الاقتراب الأعلى ومعدلات الهبوط أثناء هبوط حاملات الطائرات. ^{[3] [4]} في وقت مبكر من أربعينيات القرن العشرين، تم إجراء اختبارات السقوط عن طريق رفع طائرة على حاملة الطائرات مثل Grumman F6F Hellcat إلى ارتفاع عشرة أقدام ثم إسقاطها، لمحاكاة تأثير الهبوط بسرعة تسعة عشر قدمًا في الثانية (5.8 م / ث). تم إسقاط F6F في النهاية من ارتفاع عشرين قدمًا (6.1 م)، مما يدل على أنها يمكن أن تمتص ضعف قوة هبوط حاملة الطائرات. ^{[5] [6]} لا تزال اختبارات السقوط مستخدمة في تطوير واختبار الطائرات على حاملات الطائرات؛ في عام 2010، خضعت طائرة Lockheed Martin F-35C Lightning II لاختبارات السقوط لمحاكاة أقصى معدل هبوط لها وهو 26.4 قدمًا في الثانية (8.0 م / ث) أثناء هبوط حاملة الطائرات. ^{[7] [8]}

تم اختبار العديد من الطائرات التجريبية والنماذج الأولية عن طريق السقوط أو إطلاقها عن طريق السقوط. تم تصميم العديد من طائرات X-planes المزودة بمحركات ، بما في ذلك Bell X-1 و Bell X-2 و North American X-15 و Martin Marietta X-24A و X-24B و Orbital Sciences X-34 و Boeing X-40 و NASA X-43A خصيصًا ليتم إطلاقها عن طريق السقوط. كما تم اختبار المواد الاختبارية لطائرة NASA X-38 غير المزودة بمحركات من ارتفاعات تصل إلى 45000 قدم (14000 متر)، من أجل دراسة خصائصها الديناميكية الهوائية والتعامل معها وقدرات الطيران المستقلة ونشر المظلة القابلة للتوجيه . ^[9]

بعض الطائرات التجريبية المصممة للإطلاق الجوي، مثل نورثروب إتش إل-10 ، قامت باختبارات إسقاط بدون محرك وإطلاق بإسقاط بمحرك. قبل الرحلات الجوية المزودة بمحرك صاروخي، قامت إتش إل-10 بـ 11 رحلة إسقاط بدون محرك من أجل دراسة خصائص المناورة واستقرار الجسم الرافع أثناء الطيران. ^[10]

تم نقل الطائرات التجريبية المبكرة، مثل X-1 و X-2 ، على متن قاذفات B-29 و B-50 المعدلة. ^{[11] [12]} في الخمسينيات من القرن الماضي، زودت القوات الجوية الأمريكية وكالة ناسا بقاذفة B-52 لاستخدامها كسفينة أم للطائرة التجريبية X-15 . تم بناء B-52 في عام 1955، وكانت العاشرة فقط التي خرجت من خط التجميع، واستخدمتها القوات الجوية للاختبارات الجوية قبل تسليمها إلى وكالة ناسا. ^[13] أثناء تحليقها برقم ذيل ناسا 008، أطلق طيارو القوات الجوية على الطائرة لقب Balls 8 ، وفقًا لتقليد الإشارة إلى الطائرات المرقمة بأصفار متعددة باسم "Balls" بالإضافة إلى الرقم النهائي. ^[14]

تلقت Balls 8 تعديلات كبيرة من أجل حمل X-15. تم تركيب برج خاص ، مصمم لحمل وإطلاق X-15، أسفل الجناح الأيمن بين جسم الطائرة والمحرك الداخلي. كما تم قطع شق في أحد رفارف الجناح الأيمن حتى تتمكن الطائرة من استيعاب ذيل X-15 العمودي. كانت Balls 8 واحدة من قاذفتين تم تعديلهما لحمل X-15؛ بينما تم تقاعد الطائرة الأخرى في عام 1969 بعد نهاية برنامج X-15، استمرت وكالة ناسا في استخدام Balls 8 لاختبارات السقوط حتى تقاعدت في عام 2004. خلال مسيرتها المهنية التي استمرت 50 عامًا، حملت Balls 8 العديد من المركبات التجريبية بما في ذلك HL-10 وX-24A وX-24B وX-38 وX-43A. ^[13]

أثناء تصميم مركبة الفضاء المكوكية في سبعينيات القرن العشرين، ناقش المهندسون ما إذا كان ينبغي تصميم المركبة لتنزلق إلى هبوط غير مزود بمحركات أو تجهيزها بمحركات نفاثة من أجل الهبوط بمحرك. وبينما يتطلب تصميم الهبوط المزود بمحركات حمل المحركات ووقود الطائرات، مما يضيف وزنًا وتعقيدًا إلى المركبة، بدأ المهندسون في تفضيل خيار الهبوط المزود بمحركات. واستجابة لذلك، أجرت وكالة ناسا اختبارات إسقاط غير مزودة بمحركات لطائرة X-24B لإثبات جدوى هبوط طائرة ذات جسم رافع في رحلة غير مزودة بمحركات. في عام 1975، تم إسقاط طائرة X-24B من Balls 8 على ارتفاع 45000 قدم (14000 متر) فوق صحراء موهافي ، ثم أشعلت محركات الصواريخ لزيادة السرعة ودفعها إلى 60000 قدم (18000 متر). بمجرد توقف محرك الصاروخ، سمحت ظروف السرعة العالية والارتفاع العالي للطائرة X-24B بمحاكاة مسار مركبة فضائية مدارية في ظل ظروف إعادة الدخول بعد الغلاف الجوي . نجحت الطائرة X-24B في إجراء هبوطين دقيقين بدون محرك في قاعدة إدواردز الجوية ، مما يدل على جدوى تصميم جسم الرفع بدون محرك لمكوك الفضاء. أقنعت هذه النجاحات المسؤولين عن برنامج مكوك الفضاء بالالتزام بتصميم هبوط بدون محرك، مما من شأنه أن يوفر الوزن ويزيد من سعة الحمولة للمكوك. ^{[15] [16]}

في عام 1977، أجريت سلسلة من اختبارات السقوط لمكوك الفضاء إنتربرايز لاختبار خصائص طيران مكوك الفضاء. ولأن مكوك الفضاء مصمم للانزلاق بدون محرك أثناء هبوطه وهبوطه، فقد تم استخدام سلسلة من اختبارات السقوط باستخدام مركبة مدارية تجريبية لإثبات إمكانية التحكم في المركبة المدارية بنجاح في رحلة بدون محرك. استخدمت اختبارات السقوط هذه، المعروفة باسم برنامج اختبار الاقتراب والهبوط ، طائرة بوينج 747 معدلة ، تُعرف باسم طائرة حاملة المكوك أو SCA، لحمل إنتربرايز إلى ارتفاع يتراوح بين 15000 إلى 30000 قدم (4600 إلى 9100 متر). بعد سلسلة من اختبارات الطيران الأسير التي لم يتم فيها إطلاق المركبة المدارية، تم إجراء خمسة اختبارات طيران حر في الفترة من أغسطس إلى أكتوبر 1977. ^[17]

في حين أن اختبارات الطيران الحر لمركبة إنتربرايز تضمنت إطلاق طائرة غير مزودة بمحرك من طائرة تعمل بمحرك، إلا أن هذه الاختبارات لم تكن نموذجية لاختبار السقوط لأن المركبة المدارية تم حملها وإطلاقها من موضع فوق SCA. كان هذا الترتيب خطيرًا محتملًا لأنه وضع إنتربرايز في طيران حر مباشرة أمام زعنفة ذيل SCA فور الإطلاق. ونتيجة لذلك، تم إجراء "السقوط" باستخدام سلسلة من المناورات المخطط لها بعناية لتقليل مخاطر اصطدام الطائرات. بعد الإطلاق مباشرة، ستصعد إنتربرايز إلى اليمين بينما تقوم SCA بغوص ضحل إلى اليسار، مما يسمح بفصل رأسي وأفقي سريع بين الطائرتين. ^[18]

في منتصف عام 2013، تخطط شركة سييرا نيفادا لإجراء اختبارات إسقاط لنموذجها الأولي من طائرة دريم تشيسر الفضائية التجارية . سيُسقط أول اختبار طيران بدون طيار نموذج دريم تشيسر الأولي من ارتفاع 12000 قدم (3700 متر) بواسطة مروحية كولومبيا 234-UT، حيث من المخطط أن تطير المركبة بشكل مستقل إلى هبوط بدون محرك في مركز درايدن لأبحاث الطيران . ^{[19] [20]} أكملت دريم تشيسر الرحلة الحرة بنجاح واجتازت اختبار السقوط في 11 نوفمبر فوق صحراء موهافي . هبطت المركبة بدون طيار في قاعدة إدواردز الجوية .

قد يتم إجراء اختبارات السقوط للنماذج الأولية لكبسولات الفضاء المأهولة لاختبار مدى القدرة على البقاء بعد الهبوط، وذلك في المقام الأول من خلال اختبار خصائص هبوط الكبسولة وأنظمة هبوطها بعد إعادة الدخول . وعادة ما يتم إجراء هذه الاختبارات بدون طاقم قبل أي اختبار لرحلات الفضاء البشرية.

في عام 1963، قامت شركة نورث أميركان أفييشن ببناء وحدة BP-19A، وهي وحدة قيادة غير مأهولة من نوع أبولو لاستخدامها في اختبارات السقوط. أجرت وكالة ناسا سلسلة من الاختبارات في عام 1964 والتي تضمنت إسقاط وحدة BP-19A من طائرة C-133 Cargomaster من أجل اختبار أنظمة المظلات الخاصة بالكبسولة قبل بدء الاختبارات المأهولة لمركبة أبولو الفضائية. ^[21]

في عامي 2011 و2012، أجرت وكالة ناسا سلسلة من اختبارات السقوط القصيرة على قابلية البقاء على قيد الحياة أثناء الهبوط على الماء في كبسولة أوريون المأهولة من خلال إسقاط مركبة اختبار أوريون بشكل متكرر في حوض مائي كبير. تحاكي الاختبارات الهبوط على الماء بسرعات تتراوح من 7 إلى 50 ميلاً في الساعة (11 إلى 80 كم / ساعة) عن طريق تغيير ارتفاع منصة الهبوط فوق الحوض. سمح نطاق سرعات الهبوط لوكالة ناسا بمحاكاة مجموعة من ظروف الدخول والهبوط المحتملة أثناء الهبوط على الماء. ^{[22] [23] [24] [25]}

في عامي 2011 و2012، أجرت ناسا أيضًا اختبارات إسقاط لأنظمة المظلات الخاصة بمركبة الاختبار أوريون وقدرات الهبوط على الأرض. في كل اختبار، تم إسقاط مركبة الفضاء أوريون من طائرة شحن من طراز C-17 أو C-130 . للاختبار، يتم تثبيت الكبسولة على نظام منصة نقالة ووضعها داخل طائرة الشحن. تُستخدم المظلات الموجودة على المنصة لسحب المنصة والكبسولة من مؤخرة الطائرة؛ ثم تنفصل الكبسولة عن المنصة وتبدأ هبوطها الحر. ^[26]

في الرابع من مارس 2012، أسقطت طائرة سي-17 مادة اختبارية من طراز أوريون من ارتفاع 25000 قدم (7600 متر). وتم نشر مظلات الكبسولة بنجاح بين 15000 إلى 20000 قدم (4600 إلى 6100 متر)، مما أدى إلى إبطاء المركبة الفضائية حتى هبطت على الأرض في صحراء أريزونا. هبطت الكبسولة بسرعة 17 ميلاً في الساعة (27 كم/ساعة)، وهي سرعة أقل بكثير من الحد الأقصى للسرعة المصممة للهبوط. ^[27]

في سبتمبر 2011، أجرت شركة بوينج سلسلة من اختبارات السقوط، التي أجريت في صحراء موهافي في جنوب شرق كاليفورنيا ، للتحقق من صحة تصميم المظلة وأنظمة الهبوط المخففة للوسائد الهوائية لكبسولة CST-100 . توجد الوسائد الهوائية أسفل الدرع الحراري لـ CST-100، والذي تم تصميمه ليتم فصله عن الكبسولة أثناء الهبوط بالمظلة على ارتفاع حوالي 5000 قدم (1500 متر). تم إجراء الاختبارات بسرعات أرضية تتراوح بين 10 و30 ميلاً في الساعة (16 و48 كم / ساعة) من أجل محاكاة ظروف الرياح المتقاطعة في وقت الهبوط. قامت شركة Bigelow Aerospace ببناء منصة الاختبار المتنقلة وأجرت الاختبارات. ^[28]

في أبريل 2012، أجرت شركة بوينج اختبار إسقاط آخر لكبسولتها الفضائية النموذجية CST-100 من أجل اختبار أنظمة هبوط الكبسولة. تم رفع مركبة الاختبار بواسطة مروحية إلى ارتفاع 11000 قدم (3400 متر) ثم تم إطلاقها؛ ثم تم نشر المظلات الثلاث الرئيسية للكبسولة بنجاح وإبطاء هبوط الكبسولة. قبل الهبوط مباشرة، انتفخت الوسائد الهوائية الستة للكبسولة أسفل الكبسولة من أجل امتصاص بعض طاقة التأثير من الهبوط. ومن المقرر إجراء اختبارات إسقاط مماثلة من أجل إجراء اختبارات إضافية للوسائد الهوائية، بالإضافة إلى اختبارات التخلص من المظلة الواقية من الحرارة . ^[29]

في عامي 2009 و2010، أجرت وكالة ناسا زوجًا من اختبارات السقوط لدراسة قابلية النجاة من حوادث تحطم المروحيات. باستخدام مروحية MD 500 التي تبرع بها الجيش الأمريكي، أسقطت وكالة ناسا المروحية بزاوية من ارتفاع 35 قدمًا (11 مترًا) لمحاكاة هبوط مروحية صعب. تم وضع دمى اختبار تحطم متطورة مع أعضاء داخلية محاكاة داخل المروحية واستخدامها لتقييم الإصابات الداخلية من مثل هذا الاصطدام. ^{[30] [31]} نظرًا للأضرار الجسيمة التي لحقت بمروحية الاختبار بعد الاختبار الثاني، لم يتم التخطيط لاختبار ثالث. ^[31]