כיצד עובדות רקטות: מערכות הנעה וטכנולוגיה שיגור מוסברות

כל שיגור מסלול, מפלקון 9 המעלה צוות לטיסות בדיקה של סטארשיפ, מסתמך על אותה פיזיקה בסיסית שתואר לראשונה על ידי אייזק ניוטון: לכל פעולה יש תגובה שווה והפוכה. מנוע רקטה שורף דלק ודוחף את גז חם המתקבל מחוץ לנחיר בקצב גבוה; הגז דוחף את הרקטה בכיוון ההפוך. לפי מרכז מחקר גלן של נאסא, זוג פעולה-תגובה זה קיים בין הרקטה לפליטה שלה, וזה הסיבה שרקטות עובדות בחלל הוואקום ואינן זקוקות לאוויר או כל מדיום אחר לדחוף אליו.

הפיזיקה: דחיפה ודחיפה ספציפית

מהנדסים מתארים את ביצועי המנוע בשני מספרים: דחיפה ודחיפה ספציפית. דחיפה היא הכוח המופק, המונע בעיקר על ידי כמה מסה זורמת מחוץ לנחיר וכמה מהר היא יוצאת. דחיפה ספציפית (Isp), הנמדדת בשניות, מתארת כמה יעיל מנוע ממיר דלק לדחיפה — נאסא גלן מגדירה אותה כדחיפה חלקי קצב זרימת משקל הדלק, כך שמנוע עם Isp גבוה יותר מייצר דחיפה רבה יותר מאותה כמות דלק, או צריך פחות דלק עבור אותה דחיפה.

המספר היחיד הזה מאפשר למהנדסים לגדל מנוע ולהשוות מערכות הנעה שונות מאוד בתנאים שווים, וזו הסיבה שדחיפה ספציפית מופיעה כל הזמן בגיליונות מפרט רקטה.

הנעה כימית: נוזל, מוצק והיברידי

כמעט כל הרכבים העוזבים את פני כדור הארץ משתמשים בהנעה כימית, שבה דלק ומחמצן מגיבים לייצור גז חם ומתרחב. ישנן שלוש תצורות עיקריות. מנועי דלק נוזלי אחסנים דלק ומחמצן בנפרד ודוחפים אותם לתא שריפה, מה שמאפשר למנוע להיות מווסת, מושבת וניתן להפעלה מחדש — גמישות המשמשת הן ספקי שיגור ממשלתיים והן מסחריים. מנועי דלק מוצק מערבבים דלק ומחמצן לגבול מוצק יחיד אחסון בתוך גוף הרקטה; הם פשוטים מבחינה מבנית וזולים אך, לאחר הצתה, שורפים עד שהדלק מכיל. מערכות היברידיות משלבות דלק מוצק עם מחמצן נוזלי או גזי, תוך ישיבה בין שתי ההנהגות.

מנוע ראפטור של SpaceX, המשמש לרכבי סטארשיפ וסוּפר הוביוֹ, ממחיש גישה חדשה יותר בהנעה נוזלית: עיצוב 'שריפה מרובה שלבים מלאה' שבו הדלק כולו והמחמצן כולו עוברים דרך שני מדעדעים ראשיים נפרדים לפני הגעה לתא השריפה הראשי, לפי בחוץ תעופה Everyday Astronaut. ראפטור שורף מתאן נוזלי עם חמצן נוזלי — שילוב שSpaceX בחרה בחלקו מכיוון שמתאן שורף ללא פקדון פחם המסבך שימוש חוזר של מנועים בקרוסין, וחלקו מכיוון שמתאן יכול, בעיקרון, להיות מיוצר על מאדים ממשאבים מקומיים. הבתחום דיווח ראפטור מייצר בערך 2 מגניוטון דחיפה עם דחיפה ספציפית בוואקום של בערך 330 עד 350 שניות.

למה כלים להשקה בנויים בשלבים

הגעה למסלול מפני כדור הארץ דורשת הגעה לגובה של יותר מ 150 קילומטרים בעוד נסיעה במהירות של יותר מ-7.9 קילומטרים לשנייה, לפי מדריך השיגור של סוכנות החלל האירופית. עיצוב מנוע יחיד לעתים נדירות עושה זאת בהיעילות בחלל כל הטיסה, כך שרוב הרקטות במסלול מחולקות לשלבים המושלכים ברגע שהדלק שלהם אוזל, להשלחת משקל מת כדי שהשלבים הנותרים יאיצו את הכלי הקל יותר בקלות רבה יותר.

תיאור סוכנות החלל האירופית של טיסת מחלקה אריאן נמוכה מראה כיצד זה מתקיים בפועל: משדרים ושלב ראשי יורים ביחד במהלך בערך שתי הדקות הראשונות של עלייה אנכית, השלב הראשי ממשיך לשרוף במשך בערך שנים עשרה דקות בעוד המשדרים כבר הופרדו ונפלו לים ליד גובה של 60 קילומטרים, ושלב עליון ואז יורה לתקופה סופית, הגעה לשיא מהירות המשימה של בערך 8 קילומטרים לשנייה לפני שחרור של עומסו. לאחר סיום עבודתו, שלב עליון מוצי בדרך כלל מועבר ל'מסלול בית קברות' כדי שהוא לא יהפוך לסכנת התנגשות לעבור לוויינים פעילים.

מעבר להשקה: הנעה חשמלית ויונית

ברגע שכלי חלל נמצא כבר במסלול או בחלל עמוק, הנעה כימית לא תמיד הבחירה היעילה ביותר לנסיעות ארוכות. במקום זאת, משתמשים בחלקות רבות בהנעה חשמלית, המיוניות דלק — בדרך כלל גז קסנון — ומעיצה את החלקיקים טעונים שנוצרו מהתאי דחיפה באמצעות שדות חשמליים מופעלים על ידי פנלים סולריים. מעבדת הנעה סילוני של נאסא מתארת את הדחיפה מהמערכות הללו כעדינה ביותר: במקרה של המשימה בחגורת אסטרואיד Psyche, הלחץ המופק על ידי מדיע היוני שלו דומה לאחיזה בשלוש רבעיות בידך, אפילו בעוצמה מלאה.

הדחיפה הקטנה הזו אינה מספיקה כדי להרים דבר מן כדור הארץ, אך בסביבה חלקה של חלל היא יכולה להיות מיושמת כדי לחודשים, לאט בהדרגה בנייה מהירות. מעבדת הנעה סילוני מדווחת כי מדיע סולאר-חשמלי של Psyche כבר דחפו את כלי החלל לבערך 84,000 קילומטרים בשעה ובסופו של דבר יביאו אותו לבערך 124,000 ק"מ לשעה — מחזור למה הנעה יונית שמורה לשיוט בחלל רק בקצרה של השיגור, שבו דחיפה הרבה יותר גבוהה של מנועים כימיים נדרשת כדי להתגבר על כוח הכבידה וגרור אטמוספירה בתוך דקות.