إن التحليق في الفضاء هو بلا شك أحد أكثر الإنجازات المدهشة لحضارتنا. غاغارين الشهير "اذهب!" وخطوة أرمسترونغ الأولى على سطح القمر - المعالم التاريخية على الطريق إلى الكواكب البعيدة والأنظمة النجمية الأخرى. لا شيء كان سيحدث بدون محرك صاروخ ، والذي سمح لنا بالتغلب على قوة الجاذبية للكوكب وجعل من الممكن الذهاب إلى مدار الأرض.
إن جهاز المحرك الصاروخي ، من جهة ، بسيط للغاية بحيث يمكنك أن تبنيه في المنزل بنفسك ، وتنفق فيه ثلاثة كؤوس. ولكن ، من ناحية أخرى ، فإن تصميم الفضاء والصواريخ العسكرية معقد للغاية بحيث لا يوجد سوى عدد قليل من الدول في العالم لديها تكنولوجيا التصنيع الخاصة بها.
المحرك الصاروخي (RD) هو نوع من المحركات النفاثة ، حيث يكون جسم العمل ومصدر الطاقة على متن الطائرة مباشرة. هذا هو الفرق الرئيسي من المحركات النفاثة. وبالتالي ، لا يعتمد الممر على أكسجين الغلاف الجوي ، وبالتالي يمكن استخدامه لرحلات الطيران في الفضاء (بدون هواء).
روسيا هي واحدة من قادة العالم في مجال بناء محرك الصاروخ. المتراكم المتأخر عن الاتحاد السوفييتي مثير للإعجاب. الصناعة المحلية قادرة على إنتاج أفضل محركات الصواريخ للأغراض المختلفة. والدليل على ذلك هو محرك الصاروخ RD-180 ، المستخدم في الأطلس الأمريكي. بدأت عمليات التسليم إلى الولايات المتحدة في عام 2000 وتستمر حتى يومنا هذا. هناك تطورات أخرى مثيرة للاهتمام ، ونحن نتحدث ليس فقط عن المحركات القوية للقذائف التسيارية أو الفضائية ، ولكن أيضا الممرات المؤجرة لأنظمة الأسلحة المختلفة.
حاليا ، أكثر ما يسمى محركات الصواريخ الكيميائية المعروفة ، والتي يتم تشكيل دفعة محددة بسبب احتراق الوقود. بالإضافة إلى هذه ، هناك أيضًا محركات نووية وكهربائية. سنتحدث في هذا المقال عن كيفية عمل محرك الصاروخ ، ونقول لك عن مزاياه وعيوبه ، ونعرض أيضًا التصنيف الحالي للممرات.
بعض الفيزياء أو كيف يعمل
هناك أنواع مختلفة من محركات الصواريخ لديها اختلافات كبيرة في تصميمها ، ولكن عمل أي منها يستند إلى قانون نيوتن الثالث الشهير ، والذي ينص على أن "كل عمل له مقاومة متساوية". يصدر RD نفاثة من سائل العمل في اتجاه واحد ، وفي حد ذاته ، وفقا لمبدأ نيوتوني ، يتحرك في الاتجاه المعاكس. تمر منتجات احتراق الوقود من خلال الفوهة ، وتشكل الرغبة الشديدة - وهذه هي أساسيات نظرية محركات الصواريخ.
إذا كنت تقف في القارب ، ألقِ حجرًا من المؤخرة ، ثم ستبحر سفينتك قليلاً. هذا هو النموذج المرئي لأداء جميع محركات الصواريخ. مثال آخر هو عمل خرطوم الحريق ، الذي يتم طرد الماء منه تحت ضغط مرتفع. للاحتفاظ بها تحتاج إلى بذل بعض الجهد. إذا وضعت رجل إطفاء على لوح تزلج وأعطيته خرطومًا ، فسيتحرك بسرعة عالية جدًا.
السمة الرئيسية التي تحدد فعالية مثل هذه الأنظمة هي قوة الدفع (قوة الدفع). يتشكل نتيجة لتحويل الطاقة الأولية إلى النفاثة الحركية لسائل العمل. في النظام المتري ، يقاس محرك الصاروخ في نيوتن ، بينما يحسبه الأمريكيون بالجنيه.
معلمة مهمة أخرى لمحركات الصواريخ هي الدافع المحدد. هذه هي نسبة قوة الدفع (أو كمية الحركة) إلى استهلاك الوقود لكل وحدة زمنية. تعتبر هذه المعلمة درجة الكمال في ممر معين ، وهي مقياس لكفاءته.
تعمل المحركات الكيميائية بسبب التفاعل الطارد للحرارة من احتراق الوقود والأكسدة. يحتوي هذا النوع من RD على مكونين:
- فوهة يتم فيها تحويل الطاقة الحرارية إلى حركية ؛
- غرفة الاحتراق ، حيث تجري عملية الاحتراق ، أي تحويل الطاقة الكيميائية للوقود إلى حرارة.
من تاريخ هذه القضية
محرك الصاروخ هو واحد من أقدم أنواع المحركات المعروفة للبشرية. لا يمكننا الإجابة بدقة على السؤال عندما تم تحديد أول صاروخ. هناك افتراض بأن هذا كان من قبل الإغريق القدماء (الحمام الخشبي ل Archite of Tarent) ، لكن معظم المؤرخين يعتبرون الصين مهد هذا الاختراع. حدث هذا في حوالي القرن الثالث بعد الميلاد ، بوقت قصير بعد اكتشاف البارود. في الأصل ، تم استخدام الصواريخ للألعاب النارية وغيرها من وسائل الترفيه. محرك الصاروخ المسحوق كان فعالاً وسهل التصنيع.
ويعتقد أن هذه التكنولوجيات جاءت إلى أوروبا في مكان ما في القرن الثالث عشر ، ودرسوا الطبيعة الإنجليزية روجر بيكون.
تم تطوير أول صاروخ قتالي في عام 1556 من قبل كونراد هاس ، الذي اخترع أنواع مختلفة من الأسلحة للإمبراطور فرديناند الأول. يمكن أن يسمى هذا المخترع أول مبتكر لنظرية محركات الصواريخ ، كما قام بتأليف فكرة صاروخ متعدد المراحل - آلية تشغيل طائرة تتكون من من صواريخ. واستمر المسح بواسطة القطب كازيمير سيمينوفيتش ، الذي عاش في منتصف القرن السابع عشر. ومع ذلك ، ظلت جميع هذه المشاريع على الورق.
بدأ الاستخدام العملي للصواريخ فقط في القرن التاسع عشر. في عام 1805 ، أظهر الضابط البريطاني وليام كنغريف صواريخ مسحوق ، والتي كانت لها قوة غير مسبوقة في ذلك الوقت. وقد أعجب هذا العرض ، واعتمد الجيش البريطاني صواريخ كنجريف. كانت ميزتهم الرئيسية ، مقارنة مع برميل المدفعية ، عالية الحركة وتكلفة منخفضة نسبيا ، وكان العيب الرئيسي هو دقة النار ، والتي تركت الكثير مما هو مرغوب. وبنهاية القرن التاسع عشر ، انتشرت البنادق المدببة على نطاق واسع ، وأطلقوا النار بدقة شديدة ، لذلك أزيلت الصواريخ من الخدمة.
في روسيا ، تم التعامل مع هذه القضية من قبل الجنرال Zasyadko. فهو لم يحسن فقط صواريخ الكونجريف ، بل كان أول من اقترح استخدامها لرحلة إلى الفضاء. في عام 1881 ، ابتكر المخترع الروسي Kibalchich نظريته الخاصة بمحركات الصواريخ.
آخر مواطننا ، كونستانتين Tsiolkovsky ، قدم مساهمة كبيرة لتطوير هذه التكنولوجيا. ومن بين أفكاره محرك الصاروخ السائل (LRE) ، الذي يعمل على مزيج من الأكسجين والهيدروجين.
في بداية القرن الماضي ، شارك المتحمسين في العديد من دول العالم في إنشاء RD السائل ، وكان أول من نجح المخترع الأميركي روبرت جودارد. تم إطلاق صاروخه الذي يعمل على خليط من البنزين والأكسجين السائل بنجاح في عام 1926.
كانت الحرب العالمية الثانية فترة عودة أسلحة الصواريخ. في عام 1941 ، اعتمد الجيش الأحمر عملية تركيب حريق الطائرة من طراز بي إم - 13 ، الكاتيوشا الشهيرة ، وفي عام 1943 ، بدأ الألمان باستخدام البالستية V-2 بمحرك صاروخي يعمل بالوقود السائل. تم تطويره تحت إشراف Werner von Braun ، الذي ترأس لاحقاً برنامج الفضاء الأمريكي. كما أتقنت ألمانيا إنتاج KR-1 من خلال محرك نفاث مباشر التدفق.
بعد انتهاء الحرب بين الاتحاد السوفيتي والولايات المتحدة الأمريكية ، بدأ سباق "صاروخي" حقيقي. كان سيرجي كوروليف ، المصمم البارز لمحركات الصواريخ ، يرأس البرنامج السوفياتي ، وقد تم إنشاؤه من خلال إنشاء ICBM R-7 المحلي ، وفي وقت لاحق تم إطلاق أول قمر اصطناعي وتم تنفيذ رحلة فضائية مأهولة.
على مر السنين ، بذلت محاولات لإنشاء محركات صواريخ تعمل على حساب طاقة الاضمحلال النووي (التخليق) ، ولكنها لم تصل إلى الاستخدام العملي لمحطات الطاقة هذه. في 70s ، بدأ استخدام محركات الصواريخ الكهربائية في الاتحاد السوفياتي والولايات المتحدة. اليوم يتم استخدامها لتصحيح مدارات ومسار المركبات الفضائية. في السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين ، كانت هناك تجارب على أجهزة XRDs البلازمية ، والتي يعتقد أنها تتمتع بإمكانيات جيدة. وتعزى آمال كبيرة إلى محركات الصواريخ الأيونية ، والتي يمكن من الناحية النظرية أن تسرع المركبة الفضائية بشكل كبير.
ومع ذلك ، فإن كل هذه التكنولوجيات تقريبًا ما زالت حتى الآن في مهدها ، ولا تزال السيارة الرئيسية للمستكشفين الفضائيين هي الصاروخ "الكيميائي" القديم الجيد. حالياً ، تتنافس F-1 الأمريكية ، التي شاركت في المشروع القمري ، والسوفيتي RD-170/171 ، الذي تم استخدامه في برنامج "Energy-Buran" ، على لقب "أقوى محرك صاروخي في العالم".
ما هم يحبون؟
يعتمد تصنيف محركات الصواريخ على طريقة الحصول على الطاقة لرفض السائل العامل. بناء على هذه المعلمة ، فإن الممرات هي:
- الكيميائية.
- نووي (حراري نووي) ؛
- كهربائي (صاروخ كهربائي) ؛
- الغاز.
يمكن تقسيم كل من الأنواع المذكورة أعلاه إلى فئات أصغر. فالمحركات الكيميائية (HDR) ، على سبيل المثال ، تبعاً لحالة تجميع الوقود ، هي الوقود الصلب والوقود السائل. هناك أيضا محرك الصاروخ الهجين الكيميائي (GRD). يتضمن HDR أيضًا محرك صاروخي هوائي إسفنجي ، له تصميم وشكل فوهة مختلف. هناك RD النووي و المرحلة الصلبة RD. هناك عدة أنواع من محطات الطاقة الكهربائية.
RD الكيميائية: مزايا وعيوب
هذا النوع من المحركات الصاروخية هو الأكثر شيوعا ويتقن بشكل جيد. يمكننا القول أنه كان المدافع عن حقوق الإنسان التي أعطت مساحة للبشرية. إنه يعمل بسبب تفاعل كيميائي طارد للحرارة ، وكل من الوقود والمؤكسد على متن الطائرة ويشكلان معاً الوقود. كما أنه بمثابة مصدر للطاقة ، والأساس لسائل العمل.
تحتوي محركات الأقراص الصلبة على دفعة محددة صغيرة نسبيًا (عند مقارنتها بالأجهزة الكهربائية) ، ولكنها تسمح لها بتطوير قوة سحب أكبر. هذا مهم بشكل خاص لإطلاق محركات الصواريخ وعند إزالة الحمولات إلى المدار.
في المحركات السائلة ، يكون المؤكسد والوقود في الطور السائل. بمساعدة نظام الوقود ، يتم تغذيتها في الغرفة ، حيث يتم حرقها وتدفقها خلال الفوهة.
في RD الوقود الصلب ، يتم وضع خليط من الوقود والأكسدة مباشرة في غرفة الاحتراق. كقاعدة ، يكون للوقود شكل قضيب بقناة مركزية. تنتقل عملية الاحتراق من المركز إلى المحيط ، وتشكل الغازات التي تخرج من خلال الفوهة ، قوة دفع. هذه المحركات لها العديد من المزايا: فهي بسيطة نسبيا ، ورخيصة ، وصديقة للبيئة وموثوق بها.
تشمل عيوب محرك كيميائي يعمل بالوقود الصلب المدة المحدودة لتشغيله ، وهو مؤشر صغير للدفعة المحددة (مقارنة بالسواقات XRDs) واستحالة إعادة التشغيل - بعد بدء التشغيل لم يعد من الممكن إيقافه. تحدد الميزات المذكورة أعلاه نطاق استخدام الممرات التي تعمل بالوقود الصلب - وهي الصواريخ الباليستية والأرصادية والصواريخ والقذائف والصواريخ وقذائف الصواريخ لأنظمة إطلاق النار من الطائرات. كما يستخدم الوقود الصلب في تشغيل محركات الصواريخ.
تمتلك الممرات السائلة دافعًا محددًا أعلى ، ويمكن إيقافها وإعادة تشغيلها مرة أخرى ، والضغط - للتنظيم. بالإضافة إلى ذلك ، بالمقارنة مع الوقود الصلب ، فهي أخف وزنا وأكثر إحكاما. ولكن هناك أيضاً ذبابة في المرهم: فالمحركات السائلة لها بنية معقدة وتكلفة عالية ، لذا فإن المجال الرئيسي لاستخدامها هو الملاحة الفضائية.
كما تستخدم مكونات الوقود ل XRD السائل تركيبات مختلفة. على سبيل المثال ، الأوكسجين + الهيدروجين أو رباعي أكسيد النيتروجين + ثنائي ميثيل الهيدرازين غير المتماثلة. في السنوات الأخيرة ، أصبحت صواريخ الأكسجين والكيروسين تحظى بشعبية كبيرة. قد يتكون الوقود من خمسة أجزاء أو أكثر. تعتبر محركات صاروخ الميثان واعدة جدا ، واليوم فهي تشارك في إنشائها في العديد من دول العالم في وقت واحد. ومن بين التطورات الأخرى المثيرة للاهتمام في هذا المجال ، يمكننا أن نذكر ما يسمى بمحرك صاروخ التفجير ، الذي لا يحترق وقوده ، ولكنه ينفجر.
إن العمل على تحسين تقرير التنمية البشرية لا يتوقف ، ولكن من المحتمل أن تكون حدوده قد تم التوصل إليها بالفعل - فقد قام المصممون "بتقلص" كل ما بوسعهم من الوقود الكيميائي. إن مشكلة خطيرة في تقرير التنمية البشرية هي الكتلة الضخمة من الوقود التي يتعين على الطائرة رفعها. وهذا غير فعال إلى حد كبير. المخطط مع خطوات انفصال تحسن إلى حد ما الوضع ، ولكن من الواضح لم تصبح دواء لكل داء.
وتجدر الإشارة إلى أن محركات الصواريخ الكيميائية لا تستخدم فقط لاستكشاف الفضاء. وجدوا استخدامهم على الأرض ، رغم ذلك ، في الأساس فقط في الشؤون العسكرية. جميع الصواريخ القتالية ، بدءا من الطائرات الصغيرة أو المضادة للدبابات ، وتنتهي مع ICBMs ضخمة ، هي مجهزة HRA. بشكل ساحق ، لديهم محركات وقود صلبة أبسط وأكثر موثوقية. مثال على الاستخدام السلمي لتنمية الموارد البشرية هي الصواريخ الجيوفيزيائية والأرصاد الجوية.
على السفينة الذرية للنجوم!
أعطى محرك الصاروخ السائل مساحة للإنسان وساعد في الوصول إلى أقرب الكواكب. لا تتجاوز سرعة العادم النفاث على الوقود السائل 4.5-5 م / ث ، مما يجعله غير مناسب للمهام البعيدة - وهذا يتطلب عشرات الأمتار في الثانية. لا تزال المركبات الفضائية التي لديها مدافعون عن حقوق الإنسان قادرة على توصيل شخص إلى أقرب الكواكب - مثل المريخ أو الزهرة - ولكن للسفر إلى الأجسام البعيدة في النظام الشمسي ، سيكون علينا التوصل إلى شيء جديد. يبدو أن أحد الطرق للخروج من هذا الطريق المسدود هو استخدام الطاقة المخبأة في النواة الذرية.
محرك الصاروخ النووي (YARD) هو نوع من محطات توليد الطاقة يتم فيها تسخين سائل التشغيل بواسطة طاقة انشطار أو طاقة نووية. بالاعتماد على حالة الوقود ، يمكن أن تكون مرحلة صلبة أو سائلة أو غازية. يستخدم الهيدروجين أو الأمونيا عادة كوسط عمل. الجر "يارد" قابلة للمقارنة تماما مع المحركات الكيميائية ، في حين أن لديهم دفعة محددة عالية. ولكن هناك مشكلة واحدة - تلوث الغلاف الجوي عن طريق العادم المشع.
بدأ تاريخ المحركات النووية في منتصف خمسينيات القرن العشرين ، حيث انخرطت دولتان في العالم - الولايات المتحدة والاتحاد السوفييتي - في خلقهما العملي. بالفعل في عام 1958 ، حدد الأمريكيون مهمة إنشاء ساحة لرحلات إلى القمر والمريخ (برنامج NERVA). في نفس الوقت تقريباً ، عالج المصممون السوفييت قضايا مشابهة. بحلول نهاية السبعينيات ، تم إنشاء محرك الصاروخ النووي RD-0410 ، لكنه لم يجتاز اختبارات كاملة.
وفي الوقت الحالي ، تعد المحركات النووية الطليعية الأكثر واعدة ، حيث يكون الوقود في حالة غازية في قارورة مختومة خاصة. هذا يلغي ملامسته لسائل العمل ويقلل بشكل كبير من احتمالية التلوث الإشعاعي. على الرغم من حقيقة أن المشاكل التقنية الرئيسية لإنشاء NREs قد تم حلها منذ فترة طويلة ، إلا أن أياً منها لم يجد تطبيقه عملياً. على الرغم من أن هذا YARD بالتحديد يبدو أكثر واعدة من وجهة نظر الاستخدام الحقيقي.
محركات الصواريخ الكهربائية وخصائصها ومزاياها وعيوبها
منافس محتمل آخر ، لديه فرصة لاستبدال HRD ، هو محرك صاروخي كهربائي (ERE) ، والذي يستخدم الطاقة الكهربائية لتفريق السائل العامل.
وُلدت فكرة إنشاء مثل هذه المحطة في بداية القرن العشرين ؛ ففي الثلاثينيات ، قام العالم السوفييتي غلوشكو بتنفيذها عمليًا. بدأ العمل النشط في الدفع الكهربائي في الولايات المتحدة والاتحاد السوفييتي في الستينيات ، وفي السبعينات ، تم تركيب أول محركات صواريخ من هذا النوع على متن المركبة الفضائية.
هناك عدة أنواع من ERD:
- الكهروحرارية.
- كهرباء.
- الكهرومغناطيسية.
- البلازما.
تمتلك محركات الصواريخ الكهربية معدل دافعًا محددًا عاليًا ، مما يسمح لها باستهلاك سائل العمل اقتصاديًا ، ولكنها تحتاج أيضًا إلى الكثير من الطاقة ، وهي مشكلة خطيرة. حتى الآن ، المصدر الحقيقي الوحيد للدفع الكهربائي هو الألواح الشمسية. لديهم قوة دفع منخفضة ، والتي لا تسمح لهم باستخدامها في الغلاف الجوي للأرض - محرك الإطلاق الصاروخية من محرك الدفع لن يعمل بالتأكيد. وهي تستخدم حاليا كتحويل - من أجل تصحيح مدارات المركبات الفضائية.
