محرك صاروخي يعمل بالبارود الأسود

محرك صاروخي يعمل بالبارود الأسود يدفع صاروخاً نموذجياً باستخدام البارود الأسود . تتكون مواد دفع الصواريخ التي تعمل بالبارود الأسود من الفحم والكبريت ونترات البوتاسيوم .

ابتكر الصينيون محركات الصواريخ التي تعمل بالبارود الأسود بشكل بدائي في أوائل القرن الثالث عشر، وخضعت هذه المحركات على مر السنين لتحسينات وتطويرات عديدة، حيث استُخدمت في الأسلحة وأجهزة المراقبة، فضلاً عن استخدامها في الترفيه.

تُصنع محركات الصواريخ التي تعمل بالبارود الأسود بأحجام صغيرة فقط، لتقليل خطر الانفجار وفقدان الكفاءة. وتُصنّف هذه الصواريخ ضمن الفئات من 1/8 A إلى F. أما محركات الصواريخ النموذجية الأكبر حجماً فتستخدم وقوداً مركباً من بيركلورات الأمونيوم ، أو أنواعاً أخرى من الوقود المركب الذي يحتوي على نترات الأمونيوم .

سبق استخدام البارود الأسود في الصواريخ استخدامه في الأسلحة النارية . ^{[ 1 ]} وبحلول عام 1045، كان الصينيون ينتجون البارود الأسود. ^{[ 2 ]} في أوائل القرن الثالث عشر، صنع الصينيون أجسامًا متحركة باستخدام البارود الأسود، الذي كان يُستخدم سابقًا لأغراض الترفيه فقط. أول استخدام مُسجل للصواريخ في الأسلحة العسكرية كان عام 1232. ^{[ 1 ]} كانت "سهام النار" الصينية تُطلق من نوع من المنجنيق. كان البارود الأسود يُعبأ في أنبوب مغلق به ثقب في أحد طرفيه، وعصا طويلة كنظام أساسي للاستقرار والتوجيه.

كان للبارود الأسود دافع نوعي منخفض للغاية . وقد أُدخلت تحسينات على تصميم الصواريخ على مدى القرون القليلة التالية. في عام 1591، وصف البلجيكي جان بيفي فكرة الصواريخ متعددة المراحل ورسمها. وبحلول عام 1600، استُخدمت الصواريخ في أنحاء متفرقة من أوروبا ضد سلاح الفرسان. وبحلول عام 1688، صُنعت صواريخ يزيد وزنها عن 120 رطلاً وأُطلقت بنجاح في ألمانيا. هذه الصواريخ الألمانية، التي تحمل رؤوسًا حربية تزن 16 رطلاً، كانت تستخدم أغلفة بارود خشبية مُدعمة بالكتان.

بلغت صواريخ البارود الأسود مستوىً جديدًا من الأداء مع إدخال الهياكل الحديدية والاحتراق عالي الضغط، الذي طوره مهندسو تيبو سلطان في الهند . وبمدى يصل إلى كيلومتر واحد، فاجأت قنابله الصاروخية وقذائفه الحارقة الغزاة البريطانيين خلال حروب الأنجلو-ميسور . ^{[ 3 ]} وقد أُعجب المحامي اللندني، السير ويليام كونغريف ، بهذه الأسلحة ، وانبهر بتحدي تطوير الصواريخ. ^{[ 4 ]} فأجرى تجارب على أنواع الوقود وتصميم الغلاف. وأسفر نهجه المنهجي في حل المشكلة عن تحسين المدى والتوجيه (الاستقرار) والقدرات الحارقة. وقد استفادت القوات المسلحة البريطانية استفادة كبيرة من صواريخ كونغريف الجديدة خلال الحروب النابليونية .

في عام ١٩٣٩، قام باحثون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، سعياً لتطوير محرك صاروخي صلب عالي الأداء لمساعدة الطائرات على الإقلاع، بدمج البارود الأسود مع الأسفلت العادي المستخدم في الطرق لإنتاج أول محرك مركب حقيقي. كان هذا بمثابة ميلاد المحرك المركب الحقيقي، ومثّل نهاية استخدام البارود الأسود في تطبيقات الصواريخ الرئيسية. ^{[ ١ ]} كما كان هذا بداية مختبر الدفع النفاث ، ومصدر اسمه. ^{[ ٥ ]}

يُشبه وقود الصواريخ المصنوع من البارود الأسود في تركيبه البارود التقليدي إلى حد كبير. ويكمن الاختلاف الرئيسي في وجود مادة رابطة، عادةً ما تكون الدكسترين . تُصنع محركات صواريخ إيستس النموذجية الشائعة الاستخدام باستخدام وقود البارود الأسود. ^{[ 2 ]} يجب ضغط وقود البارود الأسود بشدة لضمان أدائه الجيد. غالبًا ما تكون المحركات المصممة باستخدام البارود الأسود من نوع الاحتراق النهائي، نظرًا لسرعة احتراق هذا الوقود. تحتوي النسخة البسيطة الخالية من الدكسترين (وهي التركيبة الأكثر شيوعًا) على 75% نترات البوتاسيوم، و10% كبريت، و15% فحم نباتي. ^{[ 4 ]} يمكن إضافة الدكسترين حسب الرغبة (عادةً ما بين 0 و5%). كما يمكن إضافة كميات إضافية من الفحم النباتي الخشن أو مساحيق المعادن (5-10%) للحصول على أثر شرارة مميز. مع ذلك، قد يؤدي ذلك إلى تغيير طفيف في معدل احتراق الخليط. ^{[ 1 ]}

تُستخدم قوة الدفع (المساحة تحت منحنى الدفع-الزمن) لمحرك الصاروخ لتحديد فئته . تُقسم محركات البارود الأسود إلى فئات من 1/8A إلى F، والتي تغطي نطاق قوة دفع من 0 إلى 80 نيوتن -ثانية .

تُستخدم البيانات المستقاة من اختبارات محركات صواريخ إستيس في الأمثلة التالية لأداء محركات الصواريخ. ^{[ 6 ]}

بالنسبة لمحركات الصواريخ المصغرة التي تعمل بالبارود الأسود (قطرها 13 مم)، تتراوح قوة الدفع  القصوى بين 5 و12 نيوتن، والدفع الكلي بين 0.5 و2.2 نيوتن.ثانية، وزمن الاحتراق بين 0.25 و1 ثانية. أما محركات صواريخ إستس "ذات الحجم العادي" ( قطرها 18 مم)، فتُصنّف إلى ثلاث فئات: أ، ب، وج. تتميز محركات الفئة أ (قطرها 18 مم) بقوة دفع قصوى تتراوح بين 9.5 و9.75 نيوتن، ودفع كلي يتراوح بين 2.1 و2.3 نيوتن.ثانية، وزمن احتراق يتراوح بين 0.5 و0.75 ثانية. بينما تتميز محركات الفئة ب (قطرها 18 مم) بقوة دفع قصوى تتراوح بين 12.15 و12.75 نيوتن، ودفع كلي يتراوح بين 4.2 و4.35 نيوتن.ثانية، وزمن احتراق يتراوح بين 0.85 و1 ثانية. تتمتع محركات الفئة C مقاس 18 مم بقوة دفع قصوى تتراوح من 14 إلى 14.15 نيوتن، ودافع إجمالي يتراوح بين 8.8 و 9 نيوتن.ثانية، ووقت احتراق يتراوح بين 1.85 و 2 ثانية.   

تتضمن  محركات الصواريخ الكبيرة من إستيس (قطرها 24 مم) ثلاث فئات: C وD وE. تتميز محركات الفئة C (قطرها 24  مم) بقوة دفع قصوى تتراوح بين 21.6 و21.75 نيوتن، ودفع كلي يتراوح بين 8.8 و9 نيوتن.ثانية، وزمن احتراق يتراوح بين 0.8 و0.85 ثانية. أما  محركات الفئة D (قطرها 24 مم) فتتميز بقوة دفع قصوى تتراوح بين 29.7 و29.8 نيوتن، ودفع كلي يتراوح بين 16.7 و16.85 نيوتن.ثانية، وزمن احتراق يتراوح بين 1.6 و1.7 ثانية. بينما  تتميز محركات الفئة E (قطرها 24 مم) بقوة دفع قصوى تتراوح بين 19.4 و19.5 نيوتن، ودفع كلي يتراوح بين 28.45 و28.6 نيوتن.ثانية، وزمن احتراق يتراوح بين 3 و3.1 ثانية. كما تنتج إستيس محركات تعمل بالبارود الأسود بقطر 29 مم من الفئتين E وF. تتميز محركات الفئة F بقوة دفع إجمالية تبلغ 50 نيوتن-ثانية، وتحتوي على 60 غرامًا من البارود الأسود. لا تُعدّ محركات البارود الأسود الأكبر حجمًا عملية في الولايات المتحدة، لأن قوانين المتفجرات تُقيّد محركات البارود الأسود المخصصة للاستخدام المنزلي بـ 62.5 غرامًا من البارود. ويتطلب استخدام كميات أكبر من البارود الحصول على ترخيص متفجرات من مكتب الكحول والتبغ والأسلحة النارية والمتفجرات. أما المحركات التي تحتوي على أكثر من 62.5 غرامًا من البارود، فتعتمد عادةً على مركب بيركلورات الأمونيوم، لأن هذا المركب مُعفى من التنظيم باعتباره مادة متفجرة.

• حلوى الصواريخ