כיצד עובדים רקטות: טכנולוגיית מנוע ומכניקת שיגור לחלל מוסברות

כל שיגור מסלולי, מכלי שיגור כבד של סוכנות מרחב ממשלתית ועד לטיסת לוויין מסחרית, מסתמך על אותה פיזיקה בסיסית שתוארה לראשונה לפני יותר מ-מאה שנה. הבנה כיצד מנוע רקטה יוצר דחף, למה רכבי שיגור מחולקים לשלבים, ומה מבדיל בין הגעה למסלול לבריחה מכדור הארץ לחלוטין עוזרת להסביר מדוע טכנולוגיית רקטות נותרה אחת המשימות ההנדסיות הקשות ביותר.

הפיזיקה שמאחורי כל שיגור

לפי מרכז מחקר Glenn ב-NASA, דחף רקטה מיוצר בהתאם לחוק השלישי של ניוטון: המנוע מאיץ גז פליטה בכיוון אחד, וכוח שווה והפוך דוחף את הרקטה בכיוון ההפוך. דלק וחומצן מעורבים ודלוקים בתא בעירה, מה שיוצר גז חם בלחץ גבוה הנדחף דרך חרוז להאצת הזרימה.

מקורות NASA Glenn Research Center קובעים שהדחף המתקבל תלוי בשלושה גורמים: קצב זרימת המסה של הפליטה, מהירות היציאה שלה, ולחץ ביציאת החרוז, המבוטא כ-F = ṁVe + Ae(pe − p0). הנקודה הצרה ביותר של החרוז, הנקראת הגרון, היא המקום שבו הפליטה מגיעה לעוצמת הקול, המקביעה את קצב זרימת המסה; היחס בין הגרון ליציאה קובע את מהירות היציאה והלחץ.

אותם מקורות של NASA מציינים את הסיבה הראשית שרקטות עובדות כאשר מנועי סילון לא יכולים: מנועי טורבינה ומדחפים מסתמכים על אוויר אטמוספירה כנוזל העבודה שלהם, בעוד שרקטה מובילה חומצן משלה ולכן יכולה ליצור דחף בריק של החלל.

מנועי דלק נוזלי ודלק מוצק

מרכז מחקר Glenn ב-NASA מתאר שתי משפחות עיקריות של מנועים. במנוע רקטה בדלק נוזלי, דלק וחומצן מאוחסנים בנפרד כנוזלים ונשאבים לתא הבעירה, מה שמאפשר את הבעירה להיות מוסדרת, מעוצמת ולפעמים הופעלה מחדש. ברקטה בדלק מוצק, החומרים הדוחפים כבר מעורבבים ופחוסים לתוך צילינדר מוצק; ברגע שדלוק, מנוע מוצק לא יכול להיות מושבת ללא הרסת הקליפה.

הסבר 'How Things Fly' של המוזיאון הלאומי לאוויר ומרחב של Smithsonian אומר שדלק מוצק בדרך כלל מועדף לשיגור המוקדם של רקטה כי הוא שרוף בעקביות וקל מכנית ויציב, בעוד שדלק נוזלי מספק דחף שניתן להתאים ולשלוט בו במהלך הטיסה, וזה מתאים יותר לשלבים מאוחרים יותר, מנוהלים בדיוק רב יותר של טיסה.

למה רקטות בנויות בשלבים

הקשר בין יכולת המהירות של רקטה לבין המסה שלה נשלט על ידי משוואת הרקטה של ציולקובסקי, שפורסמה לראשונה בשנת 1903. כפי שמסכמת The Planetary Society, שינוי המהירות הכולל (דלתה-v) שרקטה יכולה להשיג שווה למהירות הפליטה מוכפלת בלוגריתם הטבעי של יחס המסה - המסה הראשונית כשהדלק מלא חלקי המסה הסופית המותושה.

מכיוון שקשר זה הוא לוגריתמי, The Planetary Society מציינת שברגע שיחס המהירות הרצוי עולה על בערך שלוש או ארבע, כמות המסה הנוספת הנדרשת גדלה בתופעות עבור כל תוספת מהירות נוספת. דלק נוסף חייב להיות מואץ בעצמו, כך שרווחי מהירות הופכים לבלתי פרופורציונלים יקרים במסה.

פיצול שלבים פותר חלק מהבעיה הזו. לפי הסבר Smithsonian, ברגע שטיים שרף את הדלק שלו, המבנה והמנוע שלו לא מספקים יותר דחף שימושי וממנו הופכים לוזן נוסף המאט את הרקטה, כך שרכבי השיגור משחררים כל שלב שהוצא כדי להקל על הרקטה הנותרת לפני שמנוע הבא דולק.

מסלול מול בריחה מכדור הארץ לחלוטין

הגעה למסלול אינה אותו דבר כמו עזיבת כוח הכבידה של כדור הארץ לחלוטין. שירות החדשות של Georgia Tech נותן את מהירות הבריחה של כדור הארץ - המהירות המינימלית הנדרשת להחליק משם מכוכב הלכת בעצמאות בלי דחף נוסף - כ-25,020 מייל בשעה, או בערך 40,000 קילומטר בשעה.

לוויינים וחללית אנושית בעתידים נמוכים בעתידים של כדור הארץ נוסעים הרבה יותר לאט מהנתון הזה. Georgia Tech מסבירה שחפצים מסלולים משוגרים עם מומנטום לצדדים, כך שכאשר כוח הכבידה משך אותם לכיוון כדור הארץ, התנועה קדימה שלהם נושאת אותם הימנה כוכב הלכת במקום לתוכו, מה שמאפשר להם ליפול בעקביות סביב כדור הארץ במקום לתוכו. זה למה, המקורות מציינים, אלפי לוויינים במסלול בהצלחה במהירויות הרבה יותר נמוכות ממהירות הבריחה המלאה.

שימוש חוזר: דוגמה Falcon 9

רכבי שיגור מודרניים מעדיפים בעוד ועוד להחזיר ולתעופף חומרה במקום להשליך אותו. לפי ערך Wikipedia של Falcon 9, שבו מופעל על ידי SpaceX, השלב הראשון של הרכב מופעל על ידי תשעה מנועי Merlin 1D שורפים חמצן נוזלי וקרוזין RP-1, מסודרים בתצורה שהחברה קוראת Octaweb.

אותם מקורות קובעים שלאחר הפרדה מהשלב העליון, השלב הראשון משתמש בזעפי גריד המפורסים לאחר הפרדה לבקרת דינמיקה של נוזלים, יחד עם ארבעה רגליים נחיתה הניתנות להרחבה, כדי להנחית על יבשה או על ספינת פחיתה אוטונומית בים. נכון ל-13 באוקטובר 2026, לפי הערך, דוחפים Falcon 9 בודדים הטיסו עד 37 פעמים.