فقدان الجاذبية

في مجال ديناميكا الفضاء والصواريخ ، يُعدّ فقدان الجاذبية مقياسًا لانخفاض الأداء الكلي للصاروخ أثناء دفعه في مجال الجاذبية . بعبارة أخرى، هو تكلفة الحفاظ على الصاروخ معلقًا في مجال الجاذبية.

تعتمد خسائر الجاذبية على مدة تطبيق الدفع واتجاهه. تُقلَّل خسائر الجاذبية كنسبة من دلتا-في إلى أدنى حدٍّ ممكن عند تطبيق أقصى دفع لفترة قصيرة، مع تجنُّب الدفع مباشرةً بعيدًا عن مجال الجاذبية المحلي. خلال مرحلتي الإطلاق والصعود، يجب تطبيق الدفع لفترة طويلة مع وجود مُكوِّن رئيسي للدفع في الاتجاه المُعاكس للجاذبية، ما يجعل خسائر الجاذبية كبيرة. على سبيل المثال، يتطلب الوصول إلى سرعة 7.8  كم/ث في مدار أرضي منخفض دلتا-في تتراوح بين 9 و10  كم/ث. وتُعزى الزيادة في دلتا-في، التي تتراوح بين 1.5 و2  كم/ث، إلى خسائر الجاذبية، وخسائر التوجيه، ومقاومة الغلاف الجوي .

لنفترض الحالة المبسطة لمركبة ذات كتلة ثابتة تتسارع عموديًا بقوة دفع ثابتة لكل وحدة كتلة a في مجال جاذبية قوته g . التسارع الفعلي للمركبة هو a - g ، وهي تستخدم دلتا-v بمعدل a لكل وحدة زمنية.

خلال فترة زمنية t، يكون التغير في سرعة المركبة الفضائية ( a - g ) t ، بينما يكون التغير في السرعة (Δv) عند t . ويُحسب فقدان الجاذبية بالفرق بين هذين الرقمين، وهو gt . وكنسبة من التغير في السرعة (Δv)، يكون فقدان الجاذبية g / a .

يمكن تحقيق زيادة السرعة المطلوبة مع فقدان ضئيل للجاذبية عن طريق دفع كبير جدًا خلال فترة زمنية قصيرة جدًا. من ناحية أخرى، إذا كانت قيمة a أكبر بقليل من g ، فإن فقدان الجاذبية يمثل نسبة كبيرة من دلتا-v. يمكن وصف فقدان الجاذبية بأنه دلتا-v إضافية مطلوبة بسبب عدم القدرة على استهلاك دلتا-v المطلوبة بالكامل في لحظة واحدة.

يمكن تفسير هذا التأثير بطريقتين متكافئتين:

• الطاقة النوعية المكتسبة لكل وحدة دلتا-v تساوي السرعة، لذلك يتم تحقيق أقصى قدر من الكفاءة عندما يتم استهلاك دلتا-v عندما تكون المركبة بالفعل ذات سرعة عالية، وذلك بسبب تأثير أوبرث .
• تنخفض الكفاءة بشكل كبير مع ازدياد الوقت الذي يقضيه المحرك في مقاومة الجاذبية. لذلك، يُنصح بتقليل مدة الاحتراق.

تنطبق هذه التأثيرات عند الصعود إلى مدار ذي طاقة مدارية نوعية أعلى ، كما هو الحال أثناء الإطلاق إلى مدار أرضي منخفض (LEO) أو من مدار أرضي منخفض إلى مدار هروب . هذه حسابات لأسوأ الحالات - عمليًا، يكون فقدان الجاذبية أثناء الإطلاق والصعود أقل من القيمة القصوى لـ gt لأن مسار الإطلاق لا يبقى عموديًا وكتلة المركبة ليست ثابتة، وذلك بسبب استهلاك الوقود وعمليات الإطلاق .

الدفع كمية متجهة ، ويؤثر اتجاه الدفع بشكل كبير على مقدار فقدان الجاذبية. على سبيل المثال، يؤدي فقدان الجاذبية على صاروخ كتلته m إلى تقليل دفع مقداره 3 mg موجه لأعلى إلى تسارع مقداره 2g . ومع ذلك، يمكن توجيه نفس الدفع البالغ 3 mg بزاوية بحيث يكون له مركبة رأسية مقدارها 1 mg ، يتم إلغاؤها تمامًا بفعل الجاذبية، ومركبة أفقية مقدارها mg×${\displaystyle {\sqrt {3^{2}-1^{2}}}}$= 2.8 ملغ (حسب نظرية فيثاغورس )، مما يحقق تسارعًا أفقيًا قدره 2.8 غ .

مع اقتراب المركبة الفضائية من السرعات المدارية، يمكن تقليل قوة الدفع العمودية لأن قوة الطرد المركزي (في الإطار المرجعي الدوار حول مركز الأرض) تعاكس جزءًا كبيرًا من قوة الجاذبية المؤثرة على الصاروخ، مما يسمح باستخدام جزء أكبر من قوة الدفع للتسارع. وبالتالي، يمكن وصف فقدان الجاذبية بأنه تكامل قوة الجاذبية (بغض النظر عن اتجاه الصاروخ) مطروحًا منه قوة الطرد المركزي. وبناءً على هذا المنظور، عندما تصل المركبة الفضائية إلى مدارها، يستمر فقدان الجاذبية، لكن قوة الطرد المركزي تعاكسه تمامًا. ونظرًا لأن الصاروخ يمتلك قوة طرد مركزي ضئيلة جدًا عند الإطلاق، فإن صافي فقدان الجاذبية لكل وحدة زمنية يكون كبيرًا عند الإقلاع.

إن تقليل فقدان الجاذبية ليس الهدف الوحيد لإطلاق مركبة فضائية، بل الهدف هو تحقيق مزيج الموقع والسرعة اللازم للمدار المطلوب. فعلى سبيل المثال، تتمثل طريقة زيادة التسارع في الدفع عموديًا نحو الأسفل؛ إلا أن الدفع عموديًا نحو الأسفل ليس خيارًا عمليًا لصاروخ يهدف إلى الوصول إلى المدار.

• ميزانية دلتا-في
• تأثير أوبرث

• تيرنر، مارتن جيه إل (2004)، دفع الصواريخ والمركبات الفضائية: المبادئ والتطبيق والتطورات الجديدة ، سبرينغر، رقم ISBN 978-3-540-22190-6.

• النظرية العامة للمسار الأمثل لرحلة الصاروخ في وسط مقاوم