كيف تعمل الصواريخ: تكنولوجيا المحرك وميكانيكا إطلاق الفضاء موضحة

كل إطلاق مداري، من مركبة إطلاق ثقيلة تابعة لوكالة فضاء حكومية إلى رحلة قمر صناعي تجارية، يعتمد على نفس الفيزياء الأساسية التي وصفت لأول مرة منذ أكثر من قرن. فهم كيف ينتج محرك الصاروخ الدفع، ولماذا يتم تقسيم المركبات الإطلاقية إلى مراحل، وما الذي يفصل بين الوصول إلى المدار والهروب من الأرض تماماً يساعد في شرح سبب بقاء صناعة الصواريخ من أصعب المشاكل الهندسية.

الفيزياء وراء كل إطلاق

وفقاً لمركز Glenn للأبحاث التابع لـ NASA، يتم إنتاج دفع الصاروخ وفقاً لقانون نيوتن الثالث للحركة: المحرك يسرع غاز العادم في اتجاه واحد، وقوة معادلة وموازية تدفع الصاروخ بالاتجاه الآخر. يتم خلط الوقود والمؤكسد وإشعالهما في حجرة الاحتراق، مما ينتج عنه غاز ساخن بضغط عالي يتم دفعه عبر فوهة لتسريع التدفق.

تنص مصادر NASA Glenn Research Center على أن الدفع الناتج يعتمد على ثلاثة عوامل: معدل تدفق كتلة العادم، وسرعة خروجه، والضغط عند مخرج الفوهة، معبراً عنه بـ F = ṁVe + Ae(pe − p0). أضيق نقطة في الفوهة، تسمى الحلق، هي حيث يصل العادم إلى سرعة الصوت، وهذا يحدد معدل تدفق الكتلة؛ والنسبة بين الحلق والمخرج تحدد سرعة الخروج والضغط.

تشير نفس مصادر NASA إلى السبب الرئيسي الذي يجعل الصواريخ تعمل حيث لا تستطيع محركات النفاثة: محركات التوربين والمراوح تعتمد على الهواء الجوي كوسط عملها، بينما الصاروخ يحمل مؤكسده الخاص وبالتالي يمكنه توليد دفع في فراغ الفضاء.

محركات الوقود السائل والوقود الصلب

يصف مركز Glenn للأبحاث التابع لـ NASA عائلتين رئيسيتين من المحركات. في محرك صاروخي يعمل بالوقود السائل، يتم تخزين الوقود والمؤكسد بشكل منفصل كسوائل وضخهما إلى حجرة الاحتراق، مما يسمح بتنظيم الحرق وإيقافه وأحياناً إعادة تشغيله. في صاروخ بالوقود الصلب، تكون المواد الدافعة مختلطة بالفعل وملفوفة في أسطوانة صلبة؛ بمجرد الإشعال، لا يمكن إيقاف محرك صلب دون تدمير الجدار.

يقول شرح متحف Smithsonian الوطني للهواء والفضاء 'How Things Fly' إن الوقود الصلب غالباً ما يُفضل لأول إطلاق للصاروخ لأنه يحترق بثبات وبسيط ميكانيكياً واستقراراً، بينما الوقود السائل يوفر دفعاً يمكن تعديله والتحكم فيه أثناء الطيران، وهو أفضل لمراحل لاحقة أكثر إدارة دقيقة للطيران.

لماذا يتم بناء الصواريخ في مراحل

العلاقة بين قدرة السرعة للصاروخ وكتلته تحكمها معادلة تسيولكوفسكي للصاروخ، التي نُشرت لأول مرة عام 1903. كما يلخصها The Planetary Society، فإن التغيير الإجمالي في السرعة (دلتا-في) الذي يمكن للصاروخ تحقيقه يساوي سرعة العادم مضروبة في اللوغاريتم الطبيعي لنسبة الكتلة — الكتلة الأولية المزودة بالوقود مقسومة على الكتلة النهائية المستنزفة.

نظراً لأن هذه العلاقة لوغاريتمية، تلاحظ The Planetary Society أنه بمجرد أن تتجاوز نسبة السرعة المرغوبة تقريباً ثلاثة أو أربعة، تزداد كمية الكتلة الإضافية المطلوبة بحدة لكل زيادة إضافية في السرعة. يجب تسريع الوقود الإضافي بنفسه، لذا تصبح مكاسب السرعة مكلفة بشكل غير متناسب من حيث الكتلة.

يحل التقسيم المرحلي جزءاً من هذه المشكلة. وفقاً لشرح Smithsonian، بمجرد أن تحترق المرحلة وقودها، لا توفر هياكلها ومحركها أي دفع مفيد وبدلاً من ذلك تصبح وزناً إضافياً يبطئ الصاروخ، لذا تسقط المركبات الإطلاقية كل مرحلة مستنزفة لتخفيف الصاروخ المتبقي قبل أن يشتعل المحرك التالي.

المدار مقابل الهروب من الأرض تماماً

الوصول إلى المدار ليس نفس الشيء مثل مغادرة جاذبية الأرض تماماً. تعطي خدمة أخبار Georgia Tech سرعة الهروب من الأرض — الحد الأدنى من السرعة اللازمة للإنزلاق بعيداً عن الكوكب بشكل دائم دون دفع إضافي — بـ 25,020 ميل في الساعة، أو حوالي 40,000 كيلومتر في الساعة.

الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية المأهولة بالسكان في مدار أرضي منخفض تسافر بسرعة أقل بكثير من هذا الرقم. توضح Georgia Tech أن الأجسام المدارية يتم إطلاقها بزخم جانبي، بحيث عندما تسحبها الجاذبية نحو الأرض، تحملها حركتها الأمامية بعد الكوكب بدلاً من الدخول فيه، مما يسمح لها بالسقوط بشكل مستمر حول الأرض بدلاً من السقوط إليها. هذا هو السبب، كما تشير المصادر، في أن آلاف الأقمار الصناعية تدور بنجاح بسرعات أقل بكثير من سرعة الهروب الكاملة.

القابلية لإعادة الاستخدام: مثال Falcon 9

تهدف المركبات الإطلاقية الحديثة بشكل متزايد إلى استعادة وإعادة تشغيل الأجهزة بدلاً من التخلص منها. وفقاً لإدخال Wikipedia حول Falcon 9، الذي تشغله SpaceX، يتم تشغيل المرحلة الأولى من المركبة بتسعة محركات Merlin 1D تحرق الأكسجين السائل وكيروسين RP-1، مرتبة في تكوين تسميه الشركة Octaweb.

تنص نفس المصادر على أنه بعد الفصل عن المرحلة العليا، تستخدم المرحلة الأولى زعانف شبكية يتم نشرها بعد الفصل للتحكم الديناميكي الهوائي، جنباً إلى جنب مع أربعة أرجل هبوط قابلة للتمديد، للهبوط إما على الأرض أو على سفينة طائرة آلية بحرية. اعتباراً من 13 أكتوبر 2026، وفقاً للإدخال، كانت معززات Falcon 9 الفردية قد حلقت ما يصل إلى 37 مرة.