كيف تعمل الصواريخ: أنظمة الدفع وتكنولوجيا الإطلاق موضحة

كل إطلاق مداري، من صاروخ فالكون 9 الذي يحمل طاقماً إلى اختبارات ستارشيب، يعتمد على نفس الفيزياء الأساسية التي وصفها إسحاق نيوتن أولاً: لكل فعل هناك رد فعل متساوٍ ومعاكس. محرك الصاروخ يحترق الوقود ويطرد الغاز الساخن الناتج من فوهة بسرعة عالية؛ الغاز يدفع الصاروخ في الاتجاه المعاكس. وفقاً لمركز جلين للأبحاث في ناسا، هذا الزوج من الفعل والرد الفعل يوجد بين الصاروخ وعادمه الخاص به، وهذا هو السبب في أن الصواريخ تعمل في فراغ الفضاء ولا تحتاج إلى هواء أو أي وسيط آخر للضغط عليه.

الفيزياء: الدفع والدفع النوعي

يصف المهندسون أداء المحرك برقمين: الدفع والدفع النوعي. الدفع هو القوة المنتجة، مدفوعة في المقام الأول بمقدار الكتلة التي تتدفق من الفوهة وسرعة خروجها. الدفع النوعي (Isp)، المقاس بالثواني، يصف مدى كفاءة تحويل المحرك للوقود إلى دفع — تعرفه ناسا جلين على أنه الدفع مقسوماً على معدل تدفق وزن الوقود، لذا فإن محرك بدفع نوعي أعلى ينتج دفعاً أكثر من نفس كمية الوقود، أو يحتاج إلى وقود أقل لنفس الدفع.

هذا الرقم الواحد يسمح للمهندسين بتحديد حجم المحرك ومقارنة الأنظمة الدافعة المختلفة جداً على قدم المساواة، وهذا هو السبب في أن الدفع النوعي يظهر باستمرار في أوراق مواصفات الصاروخ.

الدفع الكيميائي: السائل والصلب والهجين

تقريباً جميع المركبات التي تترك سطح الأرض تستخدم الدفع الكيميائي، حيث يتفاعل الوقود والمؤكسد لإنتاج غاز ساخن متوسع. هناك ثلاث تكوينات رئيسية. محركات الوقود السائل تخزن الوقود والمؤكسد بشكل منفصل وتضخهما إلى غرفة احتراق، مما يسمح للمحرك بأن يكون قابلاً للتحكم والإيقاف وإعادة التشغيل — وهي المرونة المستخدمة من قبل موفري الإطلاق الحكوميين والتجاريين. محركات الوقود الصلب تخلط الوقود والمؤكسد في حبة صلبة واحدة معبأة في غلاف الصاروخ؛ فهي بسيطة الهيكل وغير مكلفة لكن، عند إشعالها، تحترق حتى ينفد الوقود. الأنظمة الهجينة تجمع بين وقود صلب مع مؤكسد سائل أو غازي، وتقع بين النهجين.

محرك رابتور من سبيس إكس، المستخدم في مركبات ستارشيب وسوبر هيفي، يوضح نهجاً أحدث في الدفع السائل: تصميم 'الاحتراق المرحلي الكامل' حيث يمر كل الوقود وكل المؤكسد عبر محترقات أولية منفصلة قبل الوصول إلى غرفة الاحتراق الرئيسية، وفقاً لمنفذ الفضاء إيفريديي أسترونوت. رابتور يحرق الميثان السائل مع الأكسجين السائل — مجموعة اختارتها سبيس إكس جزئياً لأن الميثان يحترق دون ترك رواسب سخام تعقد إعادة استخدام محركات الكيروسين، وجزئياً لأن الميثان يمكن، من حيث المبدأ، أن يتم تصنيعه على المريخ من الموارد المحلية. يزعم المنفذ أن رابتور ينتج تقريباً 2 ميجانيوتن من الدفع مع دفع نوعي في الفراغ حوالي 330 إلى 350 ثانية.

لماذا يتم بناء مركبات الإطلاق على مراحل

الوصول إلى المدار من سطح الأرض يتطلب الوصول إلى ارتفاع يزيد عن 150 كيلومتراً تقريباً مع التحرك بسرعة تزيد عن 7.9 كيلومترات في الثانية، وفقاً لدليل الإطلاق من وكالة الفضاء الأوروبية. تصميم محرك واحد نادراً ما يفعل هذا بكفاءة عبر الرحلة كاملة، لذا معظم الصواريخ المدارية تنقسم إلى مراحل يتم التخلص منها بمجرد انتهاء الوقود، والتخلص من الوزن الميت حتى تسرع المراحل المتبقية المركبة الأخف بسهولة أكبر.

وصف وكالة الفضاء الأوروبية لرحلة طراز أريان نموذجية يوضح كيف يحدث هذا عملياً: محركات الدفع والمرحلة الرئيسية تطلق معاً أثناء أول حوالي دقيقتين من الصعود الرأسي، المرحلة الرئيسية تستمر في الاحتراق لمدة حوالي اثني عشر دقيقة بينما فصلت محركات الدفع بالفعل وسقطت في البحر بالقرب من ارتفاع 60 كيلومتراً، ثم تطلق مرحلة عليا للفترة النهائية، الوصول إلى أقصى سرعة للمهمة حوالي 8 كيلومترات في الثانية قبل إطلاق حمولتها. بعد انتهاء وظيفتها، عادة ما يتم نقل مرحلة عليا مستنزفة إلى 'مدار القبور' حتى لا تصبح خطراً تصادماً للأقمار الصناعية النشطة.

بعد الإطلاق: الدفع الكهربائي والأيوني

بمجرد أن تكون المركبة الفضائية بالفعل في المدار أو الفضاء العميق، الدفع الكيميائي ليس دائماً الخيار الأكثر كفاءة للرحلات الطويلة. بدلاً من ذلك، تستخدم العديد من المسابير الدفع الكهربائي، الذي يؤين وقوداً — عادة غاز الزينون — ويسرع الجزيئات المشحونة الناتجة من المحرك باستخدام الحقول الكهربائية المدعومة بالألواح الشمسية. تصف مختبر الدفع النفاث في ناسا الدفع من هذه الأنظمة على أنه لطيف للغاية: في حالة مهمة الكويكب سايكي، الضغط المنتج بواسطة محركات الأيون الخاصة به يمكن مقارنته بحمل ثلاثة أرباع في يدك، حتى بالقوة الكاملة.

هذا الدفع الصغير ليس كافياً لرفع أي شيء عن الأرض، لكن في البيئة الخالية من الاحتكاك في الفضاء يمكن تطبيقه بشكل مستمر لأشهر، ببطء بناء السرعة. يزعم مختبر الدفع النفاث أن محركات سايكي الكهربائية الشمسية قد دفعت المركبة الفضائية بالفعل إلى حوالي 84,000 ميل في الساعة وستجلبها في النهاية إلى حوالي 124,000 ميل في الساعة — يوضح السبب الذي يجعل الدفع الأيوني محفوظاً للرحلات الفضائية بدلاً من الإطلاق، حيث يلزم دفع محركات الكيميائي الأعلى بكثير للتغلب على الجاذبية والمقاومة الجوية في غضون دقائق.