כיצד פועלות רקטות: דחף, מערכות הנעה ומכניקת מסלולים מוסברות

בכל פעם שרקטה משגרת - בין אם זהו Falcon 9 בעלת צוות, משגר Ariane אירופי או משגר לוויין תצפית כדור הארץ קטן - היא מיישמת את אותם עקרונות פיזיקה אחדים שמהנדסים השתמשו בהם מאז תחילת המאה העשרים. העניין הציבורי בהשגרות אלה נשאר גבוה כל השנה, אך המכניקה הבסיסית של דחף, הנעה ומסלול לעתים קרובות מושמטת. סוכנויות כולל NASA و European Space Agency (ESA) מפרסמות הסברים מפורטים כיצד רקטות למעשה פועלות; חלק זה מתבסס על חומר זה.

ייצור דחף: החוק השלישי של ניוטון בפעולה

לפי NASA's Glenn Research Center, מנוע רקטה שורף דלק מאוחסן יחד עם מחמצן מאוחסן בתוך תא בעירה, ויוצר גז פליטה חם ובעל לחץ גבוה. הגז מוכנס לאחר מכן דרך זרבובית, המאיצה אותו יותר לפני שהוא עוזב את הכלי. NASA קובעת בבירור כי "דחף נוצר בהתאם לחוק השלישי של ניוטון": הגז דחוף בכיוון אחד מהזרבובית, והרקטה דחופה בכיוון ההפוך בכוח שווה. ESA מתארת את אותה מנגנון לקוראים צעירים יותר תוך שימוש באנלוגיה של בלון - אוויר השוטף מצוואר בלון בכיוון אחד דוחף את הבלון בכיוון השני.

משוואת הדחף של NASA מבטאת זאת מספרית כ-F = ṁVe + Ae(pe − p0), כאשר ṁ הוא קצב זרימת המסה של פליטה דרך המנוע, Ve היא מהירות היציאה של הפליטה, Ae היא שטח היציאה של הזרבובית, pe הוא הלחץ במוצא הזרבובית, ו-p0 הוא הלחץ שמסביב (זרימה חופשית). בפועל, כמות הדחף שרקטה מייצרת תלויה בעיקר בכמה מסת פליטה עוזבת לשנייה וכמה מהר פליטה זו נעה כשהיא יוצאת מהזרבובית.

מדוע רקטות פועלות בוואקום של החלל

מנועי סילון ומדחפים תלויים בצייד אוויר שמסביב, מה שאומר שהם אינם יכולים לעבוד ברגע שכלי משאיר את האטמוספירה. רקטות הימנעו מההגבלה זו כי, כפי שציינה NASA, הן נושאות את המחמצן שלהן על הסיפון במקום להסתמך על חמצן אטמוספרי. מכיוון שאין אוויר חיצוני מעורב בתגובה כלל, למשוואת הדחף אין מונח "זרימה חופשית" - וזה גם הסיבה, כפי שנאמר ב-NASA, שרקטה יכולה ליצור דחף בוואקום שבו אין מקור חמצן אחר.

דחף ספציפי: מדידת יעילות המנוע

מהנדסים משווים מנועי רקטה באמצעות דמות הנקראת דחף ספציפי, או Isp. NASA's Glenn Research Center מגדירה זאת כדחף חלקי קצב זרימת המשקל של ההנעה המנוצל, המתבטא דרך הנוסחה Isp = F/(ṁ·g0), כאשר g0 הוא תאוצה כבידה סטנדרטית (9.8 m/s², או 32.2 ft/s²). NASA מסבירה שמנוע עם דחף ספציפי גבוה יותר יעיל יותר מכיוון שהוא מייצר יותר דחף לאותה כמות דלק שנשרף - מה שהופך את Isp לשקול של יעילות דלק בהנעה רקטית.

רקטות בעלות מספר שלבים: התפטרות מהמשקל המת

רוב כלי ההשגרה בנויים בשני או שלושה שלבים. ESA מסבירה שברגע ששלב שרף את כל ההנעה שלו, הוא מופרד והזרק, כי גרירת מיכל ריק וציוד מנוע שנוצל כל כך הלאה הייתה מבזבזת דלק הדרוש להאצת שאר הכלי. משגרי גדולים גם מצמידים רקטות משדרג בדלק מוצק או נוזלי לשלב הראשון לדחף נוסף בהשגרה; גם משדרגים אלה מושלכים ברגע שהם מנוצלים. ESA מציינת כי חלליות זקוקות להגעה לכ-28,000 km/h כדי להיכנס למסלול, מהירות שסטגינג עוזר להשגה על ידי הקלת כלי מתמיד כשהוא טוען.

הנעה כימית מול הנעה חשמלית

לא כל מערכת הנעה מעוצבת לשגר כלי מפני כדור הארץ. מנועים כימיים - שריפת דלק ומחמצן ביחד, כמתואר לעיל - נותרים הדרך הכל-מעשית היחידה להרים רקטה מאטמוספירת כדור הארץ. לתמרון כשכבר בחלל, עם זאת, סוכנויות מתגברות להשתמש בהנעה חשמלית. NASA מתארת מערכות המשתמשות בחשמל, הנוצר על ידי מערכות אנרגיה סולארית או כור גרעיני, כדי ליינן גז כמו קסנון או קריפטון והאצת היונים שנוצרו מהדוחף באמצעות שדות חשמליים ומגנטיים.

משימת NASA's Dawn ממחישה את ההחלפה: היא השתמשה בהנעה חשמלית כדי לבלות בערך חמש שנים בדרך לחגורת האסטרואידים לפני תמרון בין הגופים Vesta ו-Ceres - תאוצה איטית וקבועה בלתי אפשרית להשגה עם השורפות הקצרות והחזקות של מנועים כימיים, אך יעילה לאורך משימות ארוכות. ESA עושה את אותה נקודה לגבי בדיקת הירח SMART-1 שלה ומשימת BepiColombo הנמשכת לכספית, שתיהן הנשענות על מנועי יון שיכולים, בדברי ESA, "להמשיך לדחוף בעדינות במשך חודשים או אפילו שנים" תוך שימוש בהספק קטן בלבד של הנעה וכמה קילוואטים של כוח מפנלים סולריים.

הגעה והישארות במסלול

להגיע לחלל והישאר שם הם שתי בעיות שונות. U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) מסבירה שלוויין נשאר במסלול כאשר המומנטום שלו קדימה מאוזן עם משיכת הכבידה של כדור הארץ: כבידה כופפת את הנתיב של הלוויין לעבר כדור הארץ, בעוד שמהירותו הצדדית ממשיכה לשאת אותו קדימה, כך שהשתיים השפעות משתלבות בנתיב מעגלי או אליפטי במקום ליפול ישר. אם לוויין נע לאט מדי לגובהו, כבידה שולטת והוא יורד; אם הוא נע מהר מדי, הוא שובר מהנתיב המאוזן במקום לשמור על מסלולו.

המהירות הדרושה לאיזון זה משתנה עם גובה. NOAA נותנת דוגמה ללווייה NOAA-20 שלה, שמסתובב כמה מאות קילומטרים למעלה בערך 17,000 mph, בהשוואה ללווייה GOES-East שלה, שמסתובב בערך 22,000 קילומטר גבוה בלבד בערך 6,700 mph - המחישה שככל שלוויין רחוק יותר מכדור הארץ, כבידה חלשה יותר ומהירות נמוכה יותר נדרשת להישאר במסלול. NASA's Earth Observatory catalog נותן נתונים קונקרטיים לשיעורי מסלול נפוצים: הלוויין Aqua שלה לוקח בערך 99 דקות להקיף את כדור הארץ מבערך 705 קילומטר למעלה (מסלול כדור הארץ נמוך); לוויינים GPS טסים במסלול כדור הארץ בינוני קוואזי-סינכרוני בערך 20,200 קילומטר מעל פני השטח עם פרק זמן של 12 שעות; ולוויינים גיאוסטציונריים יושבים בערך 36,000 קילומטר למעלה, השלמת מסלול אחד כל 23 שעות, 56 דקות ו-4 שניות כדי שיופיעו קבועים על פני נקודה אחת בכדור הארץ.