كيفية عمل الصواريخ: الدفع والأنظمة الدافعة وميكانيكا المدارات الموضحة

في كل مرة ينطلق فيها صاروخ - سواء كان Falcon 9 مأهول بالبشر، أو مُطلق Ariane الأوروبي، أو صاروخ صغير لإطلاق أقمار رصد الأرض - فإنه يطبق نفس عدد قليل من مبادئ الفيزياء التي استخدمها المهندسون منذ أوائل القرن العشرين. يبقى الاهتمام العام بهذه الإطلاقات مرتفعاً طوال السنة، لكن الميكانيكا الأساسية للدفع والدفع والمدار غالباً ما يتم تجاهلها. الوكالات بما فيها NASA و European Space Agency (ESA) تنشر شروحات مفصلة لكيفية عمل الصواريخ فعلياً؛ تعتمد هذه المقالة على هذه المواد.

إنتاج الدفع: قانون نيوتن الثالث في العمل

وفقاً لـ NASA's Glenn Research Center، محرك الصاروخ يحرق الوقود المخزن معاً مع المؤكسد المخزن داخل حجرة الاحتراق، مما ينتج عنه غاز عادم ساخن وعالي الضغط. يتم بعد ذلك فرض هذا الغاز من خلال فوهة، التي تسرعها أكثر قبل أن تترك المركبة. تنص NASA بوضوح على أن "الدفع ينتج وفقاً لقانون نيوتن الثالث للحركة": يتم دفع الغاز في اتجاه واحد خارج الفوهة، والصاروخ يتم دفعه في الاتجاه المعاكس بقوة متساوية. ESA تصف نفس الآلية للقراء الأصغر سناً باستخدام تشبيه البالون - الهواء الذي يندفع خارج عنق البالون في اتجاه واحد يدفع البالون في الاتجاه الآخر.

معادلة الدفع من NASA تعبر عن هذا عددياً كـ F = ṁVe + Ae(pe − p0)، حيث ṁ هي معدل تدفق كتلة العادم من خلال المحرك، Ve هي سرعة خروج العادم، Ae هي منطقة خروج الفوهة، pe هي الضغط عند مخرج الفوهة، و p0 هي الضغط المحيط (الحر-التدفق). في الممارسة العملية، كمية الدفع التي ينتجها الصاروخ تعتمد بشكل رئيسي على كمية كتلة العادم التي تترك في الثانية وسرعة هذا العادم عند خروجه من الفوهة.

لماذا تعمل الصواريخ في فراغ الفضاء

محركات النفاثة والمراوح تعتمد على سحب الهواء المحيط، مما يعني أنها لا تستطيع العمل بمجرد مغادرة المركبة للغلاف الجوي. تتجنب الصواريخ هذا القيد لأنها، كما تلاحظ NASA، تحمل المؤكسد الخاص بها على متنها بدلاً من الاعتماد على الأكسجين الجوي. بما أن الهواء الخارجي ليس متورطاً في التفاعل على الإطلاق، فإن معادلة الدفع لا تحتوي على مصطلح "الهواء الحر-التدفق" - وهذا هو السبب أيضاً في أن الصاروخ، كما تقول NASA، يمكن أن ينتج دفعاً في الفراغ حيث لا توجد مصادر أكسجين أخرى.

الدفع النوعي: قياس كفاءة المحرك

يقارن المهندسون محركات الصواريخ باستخدام رقم يسمى الدفع النوعي، أو Isp. يعرّفه NASA's Glenn Research Center على أنه الدفع مقسوماً على معدل تدفق وزن الوقود المستهلك، معبراً عنه من خلال الصيغة Isp = F/(ṁ·g0)، حيث g0 هي التسارع الجاذبي القياسي (9.8 m/s²، أو 32.2 ft/s²). تشرح NASA أن المحرك ذو الدفع النوعي الأعلى يكون أكثر كفاءة لأنه ينتج دفعاً أكثر لنفس كمية الوقود المحترق - مما يجعل Isp معادل اقتصاد الوقود في الدفع الصاروخي.

الصواريخ متعددة المراحل: التخلص من الوزن الميت

معظم مركبات الإطلاق مبنية في مرحلتين أو ثلاث مراحل. تشرح ESA أنه بمجرد احتراق المرحلة لكل وقودها، يتم فصلها والتخلص منها، لأن حمل خزان فارغ وأجهزة محرك مستهلكة أبعد قد يهدر الوقود اللازم لتسريع بقية المركبة. المُطلقات الكبيرة تأتي أيضاً بأجنحة صواريخ معززة مشتعلة صلبة أو سائلة إلى المرحلة الأولى للحصول على دفع إضافي عند الانطلاق؛ هذه المعززات أيضاً يتم رميها بمجرد استهلاكها. تلاحظ ESA أن المركبات الفضائية تحتاج إلى الوصول إلى حوالي 28,000 km/h لدخول المدار، وهي سرعة ساعدت المراحل على تحقيقها من خلال تخفيف وزن المركبة باستمرار أثناء الصعود.

الدفع الكيميائي مقابل الدفع الكهربائي

ليس كل نظام دفع مصمم لإطلاق مركبة من الأرض. محركات كيميائية - حرق الوقود والمؤكسد معاً، كما هو موضح أعلاه - تبقى الطريقة العملية الوحيدة لإطلاق الصاروخ من الغلاف الجوي للأرض. للمناورة بمجرد أن تكون في الفضاء بالفعل، لكن الوكالات تستخدم بشكل متزايد الدفع الكهربائي. تصف NASA الأنظمة التي تستخدم الكهرباء، المولدة بواسطة صفائح شمسية أو مفاعل نووي، لتأين غاز مثل الزينون أو الكريبتون وتسريع الأيونات الناتجة خارج الدافع باستخدام الحقول الكهربائية والمغناطيسية.

توضح مهمة NASA's Dawn المقايضة: استخدمت الدفع الكهربائي لقضاء حوالي خمس سنوات للوصول إلى حزام الكويكبات قبل المناورة بين الأجسام Vesta و Ceres - تسارع بطيء وثابت مستحيل تحقيقه مع الحروق القصيرة والقوية للمحركات الكيميائية، لكن فعال على المدى الطويل. تجعل ESA نفس النقطة حول مسبار القمر SMART-1 الخاص بها والمهمة الجارية BepiColombo إلى عطارد، والتي تعتمد على محركات أيون يمكنها، بحسب كلام ESA، "أن تستمر في الدفع برفق لأشهر أو حتى سنوات" باستخدام فقط إمدادات صغيرة من الوقود وبضعة كيلوواتات من الطاقة من الألواح الشمسية.

الوصول والبقاء في المدار

الوصول إلى الفضاء والبقاء هناك مشكلتان مختلفتان. توضح U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) أن القمر الصناعي يبقى في المدار عندما يكون زخمه الأمامي متوازناً مع قوة جاذبية الأرض: الجاذبية تحنى مسار القمر الصناعي باتجاه الأرض، بينما سرعته الجانبية تستمر في حمله للأمام، لذا يجتمع التأثيران في مسار دائري أو بيضاوي الشكل بدلاً من سقوط مستقيم. إذا تحرك القمر الصناعي ببطء شديد لارتفاعه، تسيطر الجاذبية وينحدر؛ إذا تحرك بسرعة عالية جداً، فإنه يخرج عن المسار المتوازن بدلاً من الحفاظ على مداره.

السرعة المطلوبة لهذا التوازن تتغير مع الارتفاع. تعطي NOAA مثالاً على قمرها الصناعي NOAA-20، الذي يدور على بعد بضع مئات من الأميال بسرعة حوالي 17,000 mph، مقارنة مع قمرها الصناعي GOES-East، الذي يدور على ارتفاع تقريبي 22,000 ميل بسرعة حوالي 6,700 mph - يوضح أن القمر الصناعي كلما كان بعيداً عن الأرض، كلما كانت قوة جاذبية أضعف والسرعة المطلوبة للبقاء في المدار أقل. يعطي NASA's Earth Observatory catalog أرقاماً ملموسة لفئات المدار الشائعة: قمرها الصناعي Aqua يستغرق حوالي 99 دقيقة لمحاصرة الأرض من حوالي 705 كيلومتر لأعلى (مدار أرضي منخفض)؛ الأقمار الصناعية GPS تحلق في مدار أرضي متوسط شبه متزامن حوالي 20,200 كيلومتر فوق السطح بفترة 12 ساعة؛ والأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض تجلس حوالي 36,000 كيلومتر لأعلى، تكمل مدار واحد كل 23 ساعة و 56 دقيقة و 4 ثوانٍ بحيث تبدو ثابتة على نقطة واحدة على الأرض.