دفع المركبات الفضائية

عند مناقشة كفاءة نظام الدفع، يركز المصممون غالبًا على الاستخدام الأمثل لكتلة التفاعل، التي يجب حملها مع الصاروخ وتُستهلك بشكل نهائي عند استخدامها. ^{[ 17 ]} يمكن قياس أداء المركبة الفضائية بمقدار التغير في الزخم لكل وحدة من الوقود المستهلك، والذي يُسمى أيضًا بالدفع النوعي . وهو مقياس لمقدار الدفع الذي يمكن الحصول عليه من كمية ثابتة من كتلة التفاعل. كلما زاد الدفع النوعي، تحسنت الكفاءة. تتميز محركات الدفع الأيوني بدفع نوعي عالٍ (حوالي 3000  ثانية) وقوة دفع منخفضة ^{[ 18 ]،} بينما تتميز الصواريخ الكيميائية، مثل محركات الصواريخ أحادية الوقود أو ثنائية الوقود، بدفع نوعي منخفض (حوالي 300  ثانية) ولكن بقوة دفع عالية. ^{[ 19 ]}

الدفع لكل وحدة وزن على الأرض (يُشار إليه عادةً بـ${\displaystyle I_{\text{sp}}}$تُقاس وحدة الدفع النوعي بالثواني. ^{[ 15 ]} ولأن وزن كتلة التفاعل على الأرض غالبًا ما يكون غير مهم عند مناقشة المركبات في الفضاء، يمكن أيضًا مناقشة الدفع النوعي من حيث الدفع لكل وحدة كتلة، بنفس وحدات السرعة (مثلًا، متر في الثانية). ^{[ 20 ]} هذا المقياس يعادل سرعة العادم الفعالة للمحرك، ويُشار إليه عادةً بـ${\displaystyle v_{e}}$^{[ 21 ]} يمكن استخدام إما التغير في كمية الحركة لكل وحدة من الوقود المستخدم بواسطة المركبة الفضائية، أو سرعة الوقود الخارج من المركبة الفضائية، لقياس دفعها النوعي. تختلف القيمتان بمعامل التسارع القياسي للجاذبية، g _{_n} ، 9.80665  م/ث² (${\displaystyle I_{\text{sp}}g_{\mathrm {n} }=v_{e}}$). ^{[ 22 ]}

على عكس الصواريخ الكيميائية، تستخدم الصواريخ الكهروديناميكية المجالات الكهربائية أو المغناطيسية لتسريع الوقود المشحون. وتكمن فائدة هذه الطريقة في قدرتها على تحقيق سرعات عالية للغازات الخارجة، وبالتالي${\displaystyle I_{\text{sp}}}$تُنتج هذه التقنية قوة دفع تزيد عن عشرة أضعاف قوة الدفع في المحركات الكيميائية، مما يُتيح توليد قوة دفع ثابتة بكمية وقود أقل بكثير. ففي نظام الدفع الكيميائي التقليدي، قد تصل 2% فقط من كتلة الصاروخ إلى وجهتها، بينما تُستهلك النسبة المتبقية البالغة 98% كوقود. أما في نظام الدفع الكهربائي، فيمكن لـ 70% من مكونات الصاروخ في المدار الأرضي المنخفض أن تصل إلى وجهتها في الفضاء السحيق. ^{[ 23 ]}

مع ذلك، ثمة مقايضة. تحوّل الصواريخ الكيميائية الوقود إلى معظم الطاقة اللازمة لدفعها، لكن نظيراتها الكهرومغناطيسية يجب أن تحمل أو تولد الطاقة اللازمة لتكوين الوقود وتسريعه. ونظرًا لوجود حدود عملية حالية على كمية الطاقة المتاحة في المركبة الفضائية، فإن هذه المحركات غير مناسبة لمركبات الإطلاق أو عندما تحتاج المركبة الفضائية إلى دفعة سريعة وكبيرة، كما هو الحال عند الكبح للدخول في مدار الالتقاط. ومع ذلك، ولأن الصواريخ الكهروديناميكية توفر قدرة عالية جدًا${\displaystyle I_{\text{sp}}}$^{[ 22 ]} أصبح مخططو المهمات أكثر استعداداً للتضحية بالقوة والدفع (والوقت الإضافي الذي سيستغرقه وصول المركبة الفضائية إلى وجهتها) من أجل توفير كميات كبيرة من كتلة الوقود.

تُطلق الأقمار الصناعية أولاً إلى الارتفاع المطلوب بواسطة صواريخ تقليدية تعمل بالوقود السائل أو الصلب، وبعد ذلك قد يستخدم القمر الصناعي أنظمة دفع داخلية للحفاظ على موقعه المداري. وبمجرد وصولها إلى المدار المطلوب، غالباً ما تحتاج إلى نوع من التحكم في اتجاهها لضمان توجيهها بشكل صحيح بالنسبة للأرض والشمس ، وربما بعض الأجرام السماوية الأخرى . ^{[ 24 ]} كما أنها تخضع لمقاومة الهواء في الغلاف الجوي الرقيق ، لذا فإن البقاء في المدار لفترة طويلة يتطلب أحياناً استخدام نوع من الدفع لإجراء تصحيحات طفيفة ( الحفاظ على الموقع المداري ). ^{[ 25 ]} وتحتاج العديد من الأقمار الصناعية إلى الانتقال من مدار إلى آخر من حين لآخر، وهذا يتطلب أيضاً استخدام الدفع. ^{[ 26 ]} وعادةً ما ينتهي العمر الافتراضي للقمر الصناعي بمجرد استنفاد قدرته على تعديل مداره. ^{[ 27 ]}

For interplanetary travel, a spacecraft can use its engines to leave Earth's orbit. It is not explicitly necessary as the initial boost given by the rocket, gravity slingshot, monopropellant/bipropellent attitude control propulsion system are enough for the exploration of the solar system (see New Horizons). Once it has done so, it must make its way to its destination. Current interplanetary spacecraft do this with a series of short-term trajectory adjustments.^[28] In between these adjustments, the spacecraft typically moves along its trajectory without accelerating. The most fuel-efficient means to move from one circular orbit to another is with a Hohmann transfer orbit: the spacecraft begins in a roughly circular orbit around the Sun. A short period of thrust in the direction of motion accelerates or decelerates the spacecraft into an elliptical orbit around the Sun which is tangential to its previous orbit and also to the orbit of its destination. The spacecraft falls freely along this elliptical orbit until it reaches its destination, where another short period of thrust accelerates or decelerates it to match the orbit of its destination.^[29] Special methods such as aerobraking or aerocapture are sometimes used for this final orbital adjustment.^[30]

Some spacecraft propulsion methods such as solar sails provide very low but inexhaustible thrust;^[31] an interplanetary vehicle using one of these methods would follow a rather different trajectory, either constantly thrusting against its direction of motion in order to decrease its distance from the Sun, or constantly thrusting along its direction of motion to increase its distance from the Sun. The concept has been successfully tested by the Japanese IKAROS solar sail spacecraft.^[32]

Because interstellar distances are great, a tremendous velocity is needed to get a spacecraft to its destination in a reasonable amount of time. Acquiring such a velocity on launch and getting rid of it on arrival remains a formidable challenge for spacecraft designers.^[33] No spacecraft capable of short duration (compared to human lifetime) interstellar travel has yet been built, but many hypothetical designs have been discussed.

تُشكل الصواريخ الكيميائية نسبة كبيرة من محركات الصواريخ المستخدمة اليوم ؛ أي أنها تستمد الطاقة اللازمة لتوليد الدفع من خلال تفاعلات كيميائية تُنتج غازًا ساخنًا يتمدد لتوليد الدفع . ^{[ 36 ]} تُستخدم العديد من تركيبات الوقود المختلفة للحصول على هذه التفاعلات الكيميائية، بما في ذلك، على سبيل المثال، الهيدرازين ، والأكسجين السائل ، والهيدروجين السائل ، وأكسيد النيتروز ، وبيروكسيد الهيدروجين . ^{[ 37 ]} ويمكن استخدامها كوقود أحادي أو في تكوينات ثنائية الوقود . ^{[ 38 ]}

تُوفر محركات الصواريخ أعلى قدرة نوعية وأعلى قوة دفع نوعية مقارنةً بأي محرك آخر يُستخدم في دفع المركبات الفضائية. ^{[ 22 ]} معظم محركات الصواريخ هي محركات احتراق داخلي (مع وجود أنواع أخرى لا تعتمد على الاحتراق). ^{[ 39 ]} تُنتج محركات الصواريخ عادةً كتلة تفاعل عالية الحرارة، على شكل غاز ساخن، وذلك عن طريق احتراق وقود صلب أو سائل أو غازي مع مؤكسد داخل غرفة الاحتراق. ^{[ 40 ]} يُسمح للغاز شديد السخونة بالخروج عبر فوهة جرسية الشكل ذات نسبة تمدد عالية ، وهي السمة التي تُعطي محرك الصاروخ شكله المميز. ^{[ 39 ]} يتمثل تأثير الفوهة في تسريع الكتلة، وتحويل معظم الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية، ^{[ 39 ]} حيث تصل سرعات العادم عادةً إلى عشرة أضعاف سرعة الصوت عند مستوى سطح البحر.

بدلاً من الاعتماد على درجات الحرارة العالية وديناميكيات السوائل لتسريع كتلة التفاعل إلى سرعات عالية، هناك مجموعة متنوعة من الطرق التي تستخدم القوى الكهروستاتيكية أو الكهرومغناطيسية لتسريع كتلة التفاعل مباشرة، حيث تكون كتلة التفاعل عادةً عبارة عن تيار من الأيونات .

تعتمد صواريخ الدفع الأيوني عادةً على تسخين البلازما أو الغاز المشحون داخل وعاء مغناطيسي ، ثم إطلاقه عبر فوهة مغناطيسية، ما يغني عن ملامسة البلازما لأي مادة صلبة. ^{[ 48 ]} يستخدم هذا المحرك الطاقة الكهربائية، أولًا لتأيين الذرات، ثم لتوليد تدرج جهد كهربائي لتسريع الأيونات إلى سرعات عالية جدًا. ^{[ 49 ]} في هذه المحركات، عند أعلى سرعات العادم، تتناسب كفاءة الطاقة وقوة الدفع عكسيًا مع سرعة العادم. وتعني سرعة العادم العالية جدًا أنها تتطلب كميات هائلة من الطاقة، وبالتالي، مع مصادر الطاقة العملية، توفر قوة دفع منخفضة، لكنها تستهلك كمية ضئيلة جدًا من الوقود.

يُستخدم الدفع الكهربائي بشكل شائع للحفاظ على موقع الأقمار الصناعية للاتصالات التجارية ، وللدفع الأساسي في بعض المهمات الفضائية العلمية، نظرًا لارتفاع دافعها النوعي. ^{[ 50 ]} ومع ذلك، فإن قيم الدفع فيه منخفضة عمومًا، ولذلك يجب تشغيله لفترات طويلة لتوفير الدفع الكلي المطلوب للمهمة. ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]}

تعود فكرة الدفع الكهربائي إلى عام 1906، عندما فكر روبرت جودارد في إمكانية ذلك في دفتر ملاحظاته الشخصي. ^{[ 55 ]} ونشر كونستانتين تسيولكوفسكي الفكرة في عام 1911. ^{[ 56 ]}

تشمل طرق الدفع الكهربائي ما يلي: ^{[ 57 ]}

• محركات الدفع الأيونية ، التي تعمل على تسريع الأيونات أولاً ثم تحييد حزمة الأيونات لاحقًا بتيار إلكتروني ينبعث من مهبط يسمى المعادل: ^{[ 58 ]}
  • محركات الدفع الأيونية الكهروستاتيكية
  • الدفع الكهربائي ذو الانبعاث الميداني
  • محركات الدفع المغناطيسية
  • محركات الدفع ذات تأثير هول
  • محركات الدفع الغروانية
• المحركات الكهروحرارية، حيث تُستخدم المجالات الكهرومغناطيسية لتوليد بلازما لزيادة حرارة الوقود الدافع، ثم يتم تحويل الطاقة الحرارية المنقولة إلى غاز الوقود الدافع إلى طاقة حركية بواسطة فوهة مصنوعة إما من مادة مادية أو بوسائل مغناطيسية:
  • محركات القوس الكهربائي التي تستخدم التيار المستمر أو الموجات الدقيقة
  • محركات دفع هيليكون ثنائية الطبقات
  • ريزيستوجيتس
• المحركات الكهرومغناطيسية، حيث يتم تسريع الأيونات إما بواسطة قوة لورنتز أو بواسطة تأثير المجالات الكهرومغناطيسية حيث لا يكون المجال الكهربائي في اتجاه التسارع:
  • محركات الدفع البلازمي
  • محركات الدفع المغناطيسية البلازمية الديناميكية
  • محركات البلازما عديمة الأقطاب الكهربائية
  • محركات الدفع الاستقرائية النبضية
  • محركات دفع البلازما النبضية
  • صواريخ البلازما المغناطيسية ذات الدفع النوعي المتغير (VASIMR)
  • محركات الدفع القوسية الفراغية
• محركات الكتلة المصممة للدفع.

تتميز أنواع الوقود النووي عادةً بطاقة نوعية عالية جدًا ، أعلى بكثير من أنواع الوقود الكيميائي، مما يعني قدرتها على توليد كميات كبيرة من الطاقة لكل وحدة كتلة. وهذا ما يجعلها ذات قيمة في رحلات الفضاء، إذ تُمكّن من توليد دفعات نوعية عالية ، وأحيانًا حتى عند مستويات دفع عالية. ورغم تعقيد الآليات اللازمة لذلك، فقد طوّرت الأبحاث طرقًا لاستخدامها في أنظمة الدفع، وتم اختبار بعضها في المختبر. ^{[ 63 ]}

هنا، يشير الدفع النووي بشكل أكبر إلى أن مصدر الدفع نووي، بدلاً من الصاروخ الكهربائي النووي حيث يوفر المفاعل النووي الطاقة (بدلاً من الألواح الشمسية) لأنواع أخرى من الدفع الكهربائي.

تشمل طرق الدفع النووي ما يلي:

• صواريخ الشظايا الانشطارية
• أشرعة الانشطار
• صواريخ الاندماج
• الصواريخ الحرارية النووية (NTR)
• الدفع النبضي النووي
• صواريخ تعمل بالطاقة النووية في الماء المالح
• صواريخ النظائر المشعة

يُعرَّف نظام دفع المركبات الفضائية بدون وقود بأنه أي نظام دفع يُسرِّع المركبة من خلال التفاعل مع البيئة المحيطة بدلاً من إطلاق وقود مُخزَّن على متنها. تشمل الأنظمة التي تم إثبات فعاليتها: المساعدة بالجاذبية لمسارات الأقمار الصناعية في مجال الجاذبية، والكبح الهوائي باستخدام مقاومة الغلاف الجوي، والأشرعة الشمسية التي تستخدم ضغط الإشعاع الشمسي، والحبال الكهروديناميكية التي تستفيد من المجال المغناطيسي للكوكب بواسطة سلك طويل. أما الأنظمة الأخرى التي لا تستخدم وقودًا فهي مجرد مفاهيم استكشافية. ^{[ 59 ]}

يُعدّ مفهوم المساعدة الجاذبية شكلاً من أشكال الدفع لحمل مسبار فضائي إلى وجهات أخرى دون الحاجة إلى كتلة رد فعل؛ إذ يسمح تسخير طاقة الجاذبية للأجرام السماوية الأخرى للمركبة الفضائية باكتساب طاقة حركية. ^{[ 64 ]} ومع ذلك، يمكن الحصول على طاقة أكبر من المساعدة الجاذبية باستخدام الصواريخ عبر تأثير أوبرث .

تعتمد فكرة الأشرعة الشمسية على ضغط الإشعاع الناتج عن الطاقة الكهرومغناطيسية، لكنها تتطلب سطح تجميع كبير لتعمل بكفاءة. ^{[ 65 ]} أطلقت اليابان مركبة فضائية تعمل بالطاقة الشمسية، وهي إيكاروس، في مايو 2010، والتي أثبتت بنجاح قدرتها على الدفع والتوجيه حتى انتهاء مهمتها في عام 2025. ^{[ 66 ]} وكدليل إضافي على جدوى فكرة الأشرعة الشمسية ، أصبح نانوسيل-دي أول قمر صناعي يعمل بهذه الطاقة يدور حول الأرض . ^{[ 67 ]} وفي أغسطس 2017، أكدت وكالة ناسا انتهاء مشروع صن جامر للأشرعة الشمسية في عام 2014، مع الاستفادة من الدروس المستفادة لمشاريع الأشرعة الفضائية المستقبلية. ^{[ 68 ]} وسيكون برنامج كيوبسيل البريطاني أول مهمة تُثبت جدوى الإبحار الشمسي في مدار أرضي منخفض، وأول مهمة تُثبت التحكم الكامل في اتجاه الشراع الشمسي على ثلاثة محاور. ^{[ 69 ]}

يستخدم نظام الدفع بالحبل كابلًا طويلًا ذو قوة شد عالية لتغيير مدار المركبة الفضائية، وذلك عن طريق التفاعل مع المجال المغناطيسي للكوكب أو من خلال تبادل الزخم مع جسم آخر. ^{[ 70 ]}

تعمل الأشرعة المغناطيسية على تحويل مسار الجسيمات المشحونة من الرياح الشمسية باستخدام مجال مغناطيسي، مما يمنح المركبة الفضائية زخمًا. ^{[ 71 ]} على سبيل المثال، يُعد ما يُسمى بالشراع المغناطيسي حلقة فائقة التوصيل كبيرة الحجم، مُقترحة لتسريع/إبطاء المركبة في الرياح الشمسية ، ولإبطاء حركتها في الوسط بين النجوم . ^{[ 72 ]} ومن بين الأنظمة المُختلفة نظام الدفع البلازمي المغناطيسي المصغر ^{[ 73 ]} ، وخليفته شراع البلازما المغناطيسية ^{[ 74 ]} ، الذي يحقن البلازما بمعدل منخفض لتعزيز المجال المغناطيسي، وبالتالي تحويل مسار الجسيمات المشحونة في الرياح البلازمية بشكل أكثر فعالية.

يُعدّ الدفع الشعاعي طريقة أخرى للدفع دون الحاجة إلى كتلة رد فعل، ويشمل ذلك الأشرعة التي تُدفع بواسطة أشعة الليزر أو الموجات الدقيقة أو الجسيمات. ^{[ 75 ]} ويُعتقد أن تزويد المركبة الفضائية بالطاقة عبر الشعاع له إمكانات واعدة، وفقًا لوكالة ناسا وجامعة كولورادو بولدر . ^{[ 76 ] [ 77 ]}

قد تستخدم تقنيات الدفع المتقدمة، وفي بعض الحالات النظرية ، الفيزياء الكيميائية أو غير الكيميائية لتوليد قوة الدفع، ولكنها تُعتبر عمومًا أقل نضجًا من الناحية التقنية، وتواجه تحديات لم يتم التغلب عليها بعد. ^{[ 78 ]} بالنسبة للاستكشاف البشري والروبوتي على حد سواء، يُعدّ اجتياز النظام الشمسي صراعًا مع الزمن والمسافة. تقع أبعد الكواكب على بُعد 4.5 إلى 6 مليارات كيلومتر من الشمس، ويتطلب الوصول إليها في أي وقت معقول أنظمة دفع أكثر كفاءة بكثير من الصواريخ الكيميائية التقليدية. تُعدّ مهمات النظام الشمسي الداخلية السريعة ذات مواعيد الإطلاق المرنة صعبة، وتتطلب أنظمة دفع تتجاوز أحدث التقنيات المتاحة اليوم. تُشكّل اللوجستيات، وبالتالي الكتلة الإجمالية للنظام المطلوبة لدعم الاستكشاف البشري المستدام لما وراء الأرض إلى وجهات مثل القمر أو المريخ أو الأجرام القريبة من الأرض ، تحديًا هائلًا ما لم يتم تطوير ونشر تقنيات دفع فضائية أكثر كفاءة. ^{[ 79 ] [ 80 ]}

تمّ النظر في مجموعة متنوعة من تقنيات الدفع الافتراضية التي تتطلب فهمًا أعمق لخصائص الفضاء، ولا سيما الأطر المرجعية العطالية وحالة الفراغ . هذه الأساليب تخمينية للغاية وتشمل ما يلي:

يقسم تقييم ناسا لبرنامجها للفيزياء الاختراقية للدفع هذه المقترحات إلى تلك غير القابلة للتطبيق لأغراض الدفع، وتلك ذات الإمكانات غير المؤكدة، وتلك التي ليست مستحيلة وفقًا للنظريات الحالية. ^{[ 81 ]}

فيما يلي ملخص لبعض التقنيات الأكثر شيوعًا وثباتًا، تليها طرقٌ أكثر تجريبية. تظهر أربعة أرقام. أولها سرعة العادم الفعالة : وهي السرعة المكافئة التي يخرج بها الوقود من المركبة. هذه ليست بالضرورة أهم سمة في طريقة الدفع؛ فقد تكون قوة الدفع واستهلاك الطاقة وعوامل أخرى أكثر أهمية. ومع ذلك،

• إذا كانت قيمة دلتا-في أكبر بكثير من سرعة العادم، فستكون هناك حاجة إلى كميات هائلة من الوقود (انظر قسم الحسابات أعلاه) ،
• إذا كانت أكبر بكثير من دلتا-في، فإن الحاجة إلى طاقة أكبر تناسبياً ستكون أكبر؛ وإذا كانت الطاقة محدودة، كما هو الحال مع الطاقة الشمسية، فهذا يعني أن الرحلة تستغرق وقتاً أطول تناسبياً.

يمثل العاملان الثاني والثالث مقداري الدفع وفترات الاحتراق النموذجية لهذه الطريقة؛ فخارج نطاق الجاذبية، يُعطي تطبيق كميات صغيرة من الدفع على مدى فترة طويلة نفس تأثير تطبيق كميات كبيرة من الدفع على مدى فترة قصيرة، شريطة ألا يتأثر الجسم بالجاذبية بشكل كبير. أما العامل الرابع فهو أقصى تغيير في السرعة (دلتا-في) يمكن أن تُحققه هذه التقنية دون الحاجة إلى مراحل. بالنسبة لأنظمة الدفع الصاروخية، يعتمد هذا على نسبة الكتلة وسرعة العادم؛ وعادةً ما تكون نسبة الكتلة في هذه الأنظمة محدودة بوزن نظام الدفع ووزن خزانات الوقود. ولتحقيق هذا الحد، قد يلزم أن تكون الحمولة نسبة ضئيلة من وزن المركبة، وبالتالي قد يكون الحد العملي في بعض الأنظمة أقل بكثير.

ملاحظات الجدول

طُرحت العديد من الأفكار لآليات مساعدة الإطلاق التي لديها القدرة على خفض تكلفة الوصول إلى المدار بشكل كبير. تشمل آليات مساعدة الإطلاق المقترحة غير الصاروخية ما يلي: ^{[ 105 ] [ 106 ]}

• سكاي هوك (يتطلب مركبة إطلاق شبه مدارية قابلة لإعادة الاستخدام، وهو أمر غير ممكن باستخدام المواد المتاحة حاليًا)
• مصعد فضائي (حبل يربط سطح الأرض بالمدار الثابت بالنسبة للأرض، ولا يمكن بناؤه باستخدام المواد الموجودة حاليًا)
• حلقة الإطلاق (حلقة دوارة مغلقة سريعة جداً  يبلغ ارتفاعها حوالي 80 كم)
• نافورة فضائية (مبنى شاهق الارتفاع مدعوم بتيار من الكتل المنبعثة من قاعدته)
• حلقة مدارية (حلقة حول الأرض تتدلى منها أذرع من محاور)
• المنجنيق الكهرومغناطيسي ( مدفع السكك الحديدية ، مدفع الملف اللولبي ) (مدفع كهربائي)
• إطلاق زلاجة صاروخية
• مدفع فضائي ( مشروع هارب ، مسرع الصدمة ) (مدفع يعمل بالطاقة الكيميائية)
• صواريخ وطائرات نفاثة تعمل بالطاقة الشعاعية، يتم تشغيلها من الأرض عبر شعاع.
• منصات على ارتفاعات عالية للمساعدة في المرحلة الأولية

تُظهر الدراسات عمومًا أن المحركات التقليدية التي تعمل بالهواء، مثل المحركات النفاثة الضاغطة أو التوربينية النفاثة ، ثقيلة جدًا (نسبة الدفع إلى الوزن فيها منخفضة جدًا) بحيث لا تُحقق تحسينًا ملحوظًا في الأداء عند تركيبها على مركبة إطلاق. مع ذلك، يمكن إطلاق مركبات الإطلاق جوًا من مركبات رفع منفصلة (مثل B-29 ، وبيغاسوس روكيت ، ووايت نايت ) التي تستخدم أنظمة دفع مماثلة. كما يمكن استخدام المحركات النفاثة المثبتة على سكة إطلاق.

من ناحية أخرى، تم اقتراح محركات خفيفة الوزن للغاية أو عالية السرعة للغاية تستفيد من الهواء أثناء الصعود:

• سابري – محرك نفاث توربيني خفيف الوزن يعمل بالهيدروجين مع مبرد مسبق ^{[ 100 ]}
• ATREX – محرك نفاث توربيني خفيف الوزن يعمل بالهيدروجين مع مبرد مسبق ^{[ 107 ]}
• محرك دورة الهواء السائل – محرك نفاث يعمل بوقود الهيدروجين يقوم بتسييل الهواء قبل حرقه في محرك صاروخي
• محركات سكرامجت - محركات نفاثة تستخدم الاحتراق فوق الصوتي
• محرك سكرامجيت - يشبه محرك سكرامجيت، ولكنه يستفيد من الموجات الصدمية الناتجة عن الطائرة في غرفة الاحتراق للمساعدة في زيادة الكفاءة الإجمالية.

تحلق مركبات إطلاق الصواريخ التقليدية بشكل عمودي تقريبًا قبل أن تنقلب على ارتفاع عشرات الكيلومترات، ثم تنطلق جانبيًا نحو المدار. هذا الصعود العمودي الأولي يُهدر بعض الوقود، ولكنه مثالي لأنه يقلل مقاومة الهواء بشكل كبير. أما المحركات التي تعمل بالهواء المضغوط، فتحرق الوقود بكفاءة أعلى بكثير، مما يسمح بمسار إطلاق أكثر استواءً. عادةً ما تحلق هذه المركبات بشكل مماس تقريبًا لسطح الأرض حتى تغادر الغلاف الجوي، ثم تُجري عملية احتراق صاروخي لزيادة السرعة النهائية اللازمة للوصول إلى السرعة المدارية.

بالنسبة للمركبات الفضائية الموجودة بالفعل في مدارات منخفضة للغاية، يمكن لأنظمة الدفع الكهربائي التي تعمل بالهواء أن تستخدم الغازات المتبقية في الغلاف الجوي العلوي كوقود. وقد يُتيح هذا النوع من الدفع الكهربائي إمكانية تنفيذ فئة جديدة من المهمات طويلة الأمد في مدارات منخفضة على الأرض أو المريخ أو الزهرة . ^{[ 108 ] [ 109 ]}

عندما تدخل مركبة مدارًا حول كوكبها المستهدف، أو عندما تهبط عليه، يجب عليها تعديل سرعتها. ^{[ 110 ]} يمكن القيام بذلك باستخدام أي من الطرق المذكورة أعلاه (شريطة أن تولد قوة دفع كافية)، ولكن هناك طرقًا تستفيد من الغلاف الجوي للكواكب و/أو أسطحها.

• تُمكّن تقنية الكبح الهوائي المركبة الفضائية من خفض ارتفاع مدارها الإهليلجي عبر احتكاكها المتكرر بالغلاف الجوي ^{[ 111 ]} عند أدنى نقطة في المدار. وهذا يُوفر كمية كبيرة من الوقود، إذ يتطلب الدخول في مدار إهليلجي تغييرًا أقل بكثير في السرعة (دلتا-في) مقارنةً بالمدار الدائري المنخفض. ولأن الكبح يتم على مدارات عديدة، يكون التسخين الناتج طفيفًا نسبيًا، ولا حاجة إلى درع حراري. وقد طُبقت هذه التقنية في العديد من مهمات المريخ، مثل مركبة مارس غلوبال سيرفيور ، ومركبة مارس أوديسي 2001 ، ومركبة مارس ريكونيسانس أوربيتر ، وفي مهمة واحدة على الأقل إلى كوكب الزهرة، وهي ماجلان .
• تُعدّ عملية الالتقاط الهوائي مناورةً أكثر فعالية، إذ تُحوّل مدارًا زائديًا قادمًا إلى مدار بيضاوي في مرور واحد. تتطلب هذه العملية درعًا حراريًا ونظام ملاحة أكثر دقة، لأنها يجب أن تُنجز في مرور واحد عبر الغلاف الجوي، وعلى عكس الكبح الهوائي، لا يُمكن معاينة الغلاف الجوي مسبقًا. إذا كان الهدف هو البقاء في المدار، فإنه يلزم إجراء مناورة دفع إضافية واحدة على الأقل بعد الالتقاط الهوائي، وإلا ستبقى أدنى نقطة في المدار الناتج داخل الغلاف الجوي، مما يؤدي في النهاية إلى إعادة الدخول. لم تُجرَّب عملية الالتقاط الهوائي بعد في مهمة كوكبية، ولكن تجاوز إعادة الدخول بواسطة زوند 6 وزوند 7 عند عودتهما إلى القمر كان مناورات التقاط هوائي، لأنهما حوّلتا مدارًا زائديًا إلى مدار بيضاوي. في هاتين المهمتين، ولعدم وجود محاولة لرفع نقطة الحضيض بعد الالتقاط الهوائي، ظل المدار الناتج يتقاطع مع الغلاف الجوي، وحدثت إعادة الدخول عند نقطة الحضيض التالية.
• البالوت عبارة عن جهاز سحب قابل للنفخ. ^{[ 112 ]}
• يمكن للمظلات أن تهبط بمسبار على كوكب أو قمر ذي غلاف جوي، عادةً بعد أن يمتص الغلاف الجوي معظم السرعة، باستخدام درع حراري .
• يمكن للوسائد الهوائية أن تخفف من حدة الهبوط النهائي.
• يحدث التوقف عن طريق الاصطدام بالسطح، أو ما يُعرف بالكبح الصخري، عادةً عن طريق الخطأ. ومع ذلك، قد يتم ذلك عمدًا مع توقع بقاء المسبار (انظر، على سبيل المثال، مركبة ديب إمباكت الفضائية )، وفي هذه الحالة يلزم وجود مسابير متينة للغاية.

يُعرّف مصطلح "متطلبات المهمة" بأنه تقنية أو خاصية أداء ضرورية لتلبية متطلبات مهمة ناسا المخطط لها. أما أي علاقة أخرى بين تقنية ومهمة (مثل نظام دفع بديل) فتُصنّف ضمن "دفع التقنية". كما يُشير مصطلح "العرض التجريبي الفضائي" إلى رحلة فضائية لنسخة مصغّرة من تقنية معينة أو لنظام فرعي تقني بالغ الأهمية. من جهة أخرى، تُعدّ رحلة التحقق الفضائي بمثابة رحلة تأهيلية لتنفيذ مهمة مستقبلية. ولا تتطلب رحلة التحقق الناجحة أي اختبارات فضائية إضافية لتقنية معينة قبل اعتمادها في مهمة علمية أو استكشافية. ^{[ 51 ]}

غالبًا ما تُجرى اختبارات ثابتة لأنظمة دفع المركبات الفضائية أولًا على سطح الأرض، داخل الغلاف الجوي، ولكن العديد من الأنظمة تتطلب غرفة تفريغ لإجراء الاختبار الكامل. ^{[ 116 ]} تُختبر الصواريخ عادةً في منشأة اختبار محركات الصواريخ بعيدًا عن المناطق السكنية والمباني الأخرى لأسباب تتعلق بالسلامة. تُعد محركات الدفع الأيوني أقل خطورة بكثير وتتطلب إجراءات سلامة أقل صرامة، وعادةً ما تكفي غرفة تفريغ متوسطة الحجم. تُجرى عمليات الإطلاق الثابتة للمحركات في منشآت اختبار أرضية ، ويمكن استخدام الأنظمة التي لا يمكن اختبارها بشكل كافٍ على الأرض والتي تتطلب عمليات إطلاق في موقع إطلاق .