تتميز معظم تصميمات محركات الصواريخ السائلة بإمكانية التحكم في قوة الدفع. يسمح بعضها بالتحكم في نسبة خليط الوقود (نسبة خلط المؤكسد والوقود). ويمكن إيقاف تشغيل بعضها، ثم إعادة تشغيلها باستخدام نظام إشعال مناسب أو وقود ذاتي الاشتعال.
تتيح الأنظمة السائلة دافعًا نوعيًا أعلى من محركات الصواريخ الصلبة والهجينة، ويمكنها توفير كفاءة عالية جدًا في استخدام الخزانات.
يمكن عادةً إعادة استخدام محرك الصاروخ السائل لعدة رحلات، كما هو الحال في مكوك الفضاء وسلسلة صواريخ فالكون 9 ، على الرغم من أن إعادة استخدام محركات الصواريخ الصلبة قد تم إثباتها بشكل فعال خلال برنامج المكوك.
يمكن التحكم في تدفق الوقود إلى غرفة الاحتراق، مما يسمح بالتحكم في قوة الدفع طوال الرحلة. وهذا يُمكّن من تصحيح الأخطاء في الوقت الفعلي أثناء الرحلة، بالإضافة إلى تحسين الكفاءة. [ 3 ]
تتيح إمكانيات الإيقاف وإعادة التشغيل إمكانية إجراء دورات احتراق متعددة طوال الرحلة. [ 4 ]
في حالة الطوارئ، يمكن إيقاف تشغيل الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل بطريقة محكمة، مما يوفر مستوى إضافيًا من الأمان وقدرة على إجهاض المهمة. [ 4 ]
تعتبر الصواريخ السائلة ثنائية الوقود بسيطة في المفهوم، ولكن بسبب درجات الحرارة العالية والأجزاء المتحركة عالية السرعة، فهي معقدة للغاية من الناحية العملية.
قد يرتبط استخدام المواد الدافعة السائلة أيضاً بعدد من المشكلات:
لأن الوقود يشكل نسبة كبيرة جداً من كتلة المركبة، فإن مركز الكتلة يتحول بشكل كبير إلى الخلف عند استخدام الوقود؛ وعادة ما يفقد المرء السيطرة على المركبة إذا اقترب مركز كتلتها كثيراً من مركز السحب/الضغط.
عند تشغيلها داخل الغلاف الجوي، يجب أن يضمن ضغط خزانات الوقود ذات الجدران الرقيقة للغاية عادةً ضغطًا موجبًا في جميع الأوقات لتجنب الانهيار الكارثي للخزان.
تتعرض المواد الدافعة السائلة لظاهرة التموج ، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى فقدان السيطرة على المركبة. ويمكن التحكم في هذه الظاهرة باستخدام حواجز التموج في الخزانات، بالإضافة إلى قوانين تحكم دقيقة في نظام التوجيه .
قد تعاني هذه الصواريخ من تذبذب البوجو حيث تتعرض لدورات تسارع غير متوقعة.
غالباً ما تتطلب الوقود السائل محركات كبح في بيئة انعدام الجاذبية أو أثناء مراحل التشغيل لتجنب سحب الغاز إلى المحركات عند بدء التشغيل. كما أنها عرضة للدوامات داخل الخزان، خاصةً قرب نهاية الاحتراق، مما قد يؤدي أيضاً إلى سحب الغاز إلى المحرك أو المضخة.
يمكن أن تتسرب المواد الدافعة السائلة، وخاصة الهيدروجين ، مما قد يؤدي إلى تكوين خليط متفجر.
تعتبر المضخات التوربينية لضخ المواد الدافعة السائلة معقدة التصميم، ويمكن أن تعاني من أعطال خطيرة، مثل زيادة السرعة إذا كانت تعمل جافة أو إطلاق شظايا بسرعة عالية إذا دخلت جزيئات معدنية من عملية التصنيع إلى المضخة.
تعمل المواد الدافعة المبردة ، مثل الأكسجين السائل، على تجميد بخار الماء الجوي وتحويله إلى جليد. قد يؤدي ذلك إلى تلف أو انسداد الأختام والصمامات، مما قد يتسبب في تسربات وأعطال أخرى. غالبًا ما يتطلب تجنب هذه المشكلة إجراءات تبريد مطولة لمحاولة إزالة أكبر قدر ممكن من البخار من النظام. كما يمكن أن يتشكل الجليد على السطح الخارجي للخزان، ثم يسقط لاحقًا ويلحق الضرر بالمركبة. قد يتسبب العزل الرغوي الخارجي في مشاكل، كما يتضح من كارثة مكوك الفضاء كولومبيا . أما المواد الدافعة غير المبردة فلا تسبب مثل هذه المشاكل.
تتطلب الصواريخ السائلة غير القابلة للتخزين تحضيراً كبيراً قبل الإطلاق مباشرة. وهذا يجعلها أقل عملية من الصواريخ الصلبة بالنسبة لمعظم أنظمة الأسلحة.
مبدأ التشغيل
تحتوي محركات الصواريخ السائلة على خزانات وأنابيب لتخزين ونقل الوقود، ونظام حقن، وغرفة احتراق واحدة أو أكثر مع فوهات مرتبطة بها .
تتميز أنواع الوقود السائل النموذجية بكثافة مشابهة لكثافة الماء، تتراوح بين 0.7 و1.4 غ/سم³ ( 0.025 إلى 0.051 رطل/بوصة مكعبة) . ويُستثنى من ذلك الهيدروجين السائل ، الذي يتميز بكثافة أقل بكثير، مع أنه لا يتطلب سوى ضغط معتدل نسبيًا لمنع تبخره . تسمح كثافة الوقود السائل وانخفاض ضغطه باستخدام خزانات خفيفة الوزن: حوالي 1% من حجم خزانات الوقود الكثيف، وحوالي 10% للهيدروجين السائل. ويعود ازدياد كتلة الخزان إلى انخفاض كثافة الهيدروجين السائل وكتلة العزل اللازمة.
لحقن الوقود في غرفة الاحتراق، يجب أن يكون ضغط الوقود عند الحاقنات أعلى من ضغط الغرفة. ويتحقق ذلك عادةً باستخدام مضخة. تستخدم المضخات المناسبة عادةً مضخات توربينية طاردة مركزية نظرًا لقدرتها العالية وخفة وزنها، على الرغم من استخدام المضخات الترددية في السابق. تتميز المضخات التوربينية بخفة وزنها وأدائها الممتاز، حيث يقل وزنها على الأرض عن 1% من قوة الدفع. في الواقع، وصلت نسب الدفع إلى الوزن الإجمالية ، بما في ذلك المضخة التوربينية، إلى 155:1 مع محرك صاروخ SpaceX Merlin 1D ، وإلى 180:1 مع النسخة المخصصة للفراغ. [ 5 ] بدلاً من المضخة، تستخدم بعض التصاميم خزانًا لغاز خامل عالي الضغط، مثل الهيليوم، لضغط الوقود. غالبًا ما توفر هذه الصواريخ دلتا-في أقل لأن كتلة خزان الضغط تقلل من الأداء. في بعض التصاميم المخصصة للاستخدام على ارتفاعات عالية أو في الفراغ، قد تكون كتلة الخزان مقبولة.
غالبًا ما تُضخ المواد الدافعة السائلة إلى غرفة الاحتراق باستخدام مضخة توربينية طاردة مركزية خفيفة الوزن . وقد استخدمت بعض شركات الطيران والفضاء مؤخرًا مضخات كهربائية تعمل بالبطاريات. في المحركات الصغيرة والبسيطة، يُستخدم أحيانًا غاز خامل مُخزّن في خزان تحت ضغط عالٍ بدلًا من المضخات لدفع المواد الدافعة إلى غرفة الاحتراق. قد تتميز هذه المحركات بنسبة كتلة أعلى، ولكنها عادةً ما تكون أكثر موثوقية، ولذلك تُستخدم على نطاق واسع في الأقمار الصناعية للحفاظ على مداراتها. [ 1 ]
المواد الدافعة
جُرِّبت آلاف التركيبات من الوقود والمؤكسدات على مر السنين. ومن أكثرها شيوعًا وعمليةً ما يلي:
يُعدّ مزيج الأكسجين والهيدروجين من أكثر أنواع الوقود كفاءة ، إلا أنه يعاني من انخفاض درجات الحرارة اللازمة لتخزين الهيدروجين السائل (حوالي 20 كلفن أو -253.2 درجة مئوية أو -423.7 درجة فهرنهايت ) وانخفاض كثافة الوقود بشكل كبير ( 70 كجم/م³ أو 4.4 رطل/ قدم مكعب ، مقارنةً بـ RP-1 الذي تبلغ كثافته 820 كجم/م³ أو 51 رطل/ قدم مكعب )، مما يستلزم خزانات كبيرة الحجم، يجب أن تكون خفيفة الوزن وعازلة للحرارة. وقد أدّى استخدام عزل رغوي خفيف الوزن في الخزان الخارجي لمكوك الفضاء إلى تدمير مكوك الفضاء كولومبيا ، حيث انفصلت قطعة منه، مما أدى إلى تلف جناحه وتفككه عند دخوله الغلاف الجوي .
يتمتع الميثان السائل/الغاز الطبيعي المسال (LNG) بعدة مزايا مقارنةً بالهيدروجين السائل (LH₂ ) . فأداؤه (أقصى دافع نوعي ) أقل من أداء الهيدروجين السائل، ولكنه أعلى من أداء الكيروسين (RP1) والوقود الصلب. كما أن كثافته العالية، على غرار أنواع الوقود الهيدروكربوني الأخرى، توفر نسب دفع إلى حجم أعلى من الهيدروجين السائل ، على الرغم من أن كثافته ليست عالية ككثافة الكيروسين. [ 7 ] وهذا ما يجعله جذابًا بشكل خاص لأنظمة الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام، لأن كثافته العالية تسمح باستخدام محركات وخزانات وقود وأنظمة مصاحبة أصغر حجمًا. [ 6 ] كما أن احتراق الغاز الطبيعي المسال ينتج عنه كمية أقل من السخام (تكوّن كربون أقل أو معدوم) مقارنةً بالهيدروجين، مما يسهل إعادة استخدامه. ويحترق كل من الغاز الطبيعي المسال والهيدروجين بدرجة حرارة أقل من الهيدروجين السائل، لذا لا يتسببان في تشوه الهياكل الداخلية للمحرك بنفس القدر. وهذا يعني أن المحركات التي تعمل بالغاز الطبيعي المسال يمكن إعادة استخدامها مرات أكثر من تلك التي تعمل بالهيدروجين أو الهيدروجين السائل . على عكس المحركات التي تعمل بالهيدروجين السائل ، يمكن تصميم كل من محركات RP1 ومحركات الغاز الطبيعي المسال بعمود مشترك مزود بتوربين واحد ومضختين توربينيتين، واحدة للأكسجين السائل والأخرى للغاز الطبيعي المسال/RP1. [ 7 ] في الفضاء، لا يحتاج الغاز الطبيعي المسال إلى سخانات للحفاظ على حالته السائلة، على عكس RP1. [ 8 ] يتميز الغاز الطبيعي المسال بانخفاض تكلفته وتوافره بكميات كبيرة. كما يمكن تخزينه لفترات أطول، وهو أقل قابلية للاشتعال من الهيدروجين السائل . [ 6 ]
الأكسجين السائل (LOX) والكحول ( الإيثانول ، C2H5OH ) - الصواريخ السائلة المبكرة، مثل الصاروخ الألماني ( الحرب العالمية الثانية ) A4، المعروف أيضًا باسم V-2 ، وريدستون
الأكسجين السائل (LOX) والبنزين – أول صاروخ يعمل بالوقود السائل من تصميم روبرت جودارد
الأكسجين السائل (LOX) وأول أكسيد الكربون (CO) – مقترحان لمركبة قفز المريخ (بدفعة نوعية تبلغ حوالي 250 ثانية)، وذلك بشكل أساسي لأن أول أكسيد الكربون والأكسجين يمكن إنتاجهما بسهولة عن طريق التحليل الكهربائي للزركونيا من الغلاف الجوي للمريخ دون الحاجة إلى استخدام أي من موارد المياه المريخية للحصول على الهيدروجين. [ 9 ]
حمض النيتريك (HNO₃ ) والكيروسين – نماذج أولية لطائرات مقاتلة صاروخية سوفيتية من طراز BI-1 و MiG I-270، و Scud - A ، المعروف أيضًا باسم SS-1 SRBM
حمض النيتريك الأحمر المدخن المثبط (I RFNA ، HNO 3 + N 2 O 4 ) وثنائي ميثيل الهيدرازين غير المتماثل ( UDMH ، (CH 3 ) 2 N 2 H 2 ) – صاروخ سكود السوفيتي -C، المعروف أيضًا باسم SS-1 -c,-d,-e
بالنسبة للصواريخ الباليستية العابرة للقارات القابلة للتخزين ومعظم المركبات الفضائية، بما في ذلك المركبات المأهولة ومجسات الكواكب والأقمار الصناعية، يُعد تخزين الوقود المبرد لفترات طويلة غير عملي بسبب التبخر، مما يؤدي إلى فقدان الوقود، ما لم يتم توفير التبريد باستمرار أو التخزين تحت ضغط شديد، وكلاهما غير عملي لمثل هذه التطبيقات. ولهذا السبب، تُستخدم عادةً مخاليط من الهيدرازين أو مشتقاته مع أكاسيد النيتروجين في هذه التطبيقات، إلا أنها سامة ومسرطنة . ونتيجة لذلك، ولتحسين سهولة التعامل معها، تخطط بعض المركبات المأهولة، مثل دريم تشيسر وسبيس شيب تو، لاستخدام صواريخ هجينة بمزيج من الوقود والمؤكسدات غير السامة.
حاقنات الوقود
حاقن وقود محرك صاروخي من طراز روكيتداين إف-1
يُحدد تصميم نظام الحقن في الصواريخ السائلة نسبة الأداء النظري للفوهة التي يُمكن تحقيقها. ويؤدي ضعف أداء نظام الحقن إلى خروج وقود غير محترق من المحرك، مما يُقلل من كفاءته.
بالإضافة إلى ذلك، تعتبر الحاقنات عادةً عنصراً أساسياً في تقليل الأحمال الحرارية على الفوهة؛ فمن خلال زيادة نسبة الوقود حول حافة الحجرة، فإن ذلك يؤدي إلى انخفاض درجات الحرارة على جدران الفوهة بشكل كبير.
أنواع الحاقنات
قد تكون الحاقنات بسيطةً كعدد من الثقوب الصغيرة المرتبة بأنماط دقيقة يمر عبرها الوقود والمؤكسد. وتتحدد سرعة التدفق بالجذر التربيعي لانخفاض الضغط عبر الحاقنات، وشكل الثقب، وتفاصيل أخرى ككثافة الوقود الدافع.
كانت الحاقنات الأولى المستخدمة في محرك V-2 تُنتج تيارات متوازية من الوقود والمؤكسد، والتي تحترق بعد ذلك في غرفة الاحتراق. وقد أدى ذلك إلى كفاءة منخفضة للغاية.
تتكون حاقنات الوقود الحديثة تقليديًا من عدد من الثقوب الصغيرة التي توجه نفاثات الوقود والمؤكسد بحيث تصطدم في نقطة في الفضاء على مسافة قصيرة من صفيحة الحاقن. يساعد هذا على تفتيت التدفق إلى قطرات صغيرة تحترق بسهولة أكبر.
يُتيح حاقن الإبرة تحكمًا دقيقًا في خليط الوقود والمؤكسد ضمن نطاق واسع من معدلات التدفق. وقد استُخدم حاقن الإبرة في محركات مركبة أبولو القمرية ( نظام دفع الهبوط ) ومحرك كيستريل ، ويُستخدم حاليًا في محرك ميرلين على صواريخ فالكون 9 وفالكون هيفي .
يستخدم محرك RS-25 المصمم لمكوك الفضاء نظامًا من الأعمدة المخددة، والتي تستخدم الهيدروجين الساخن من الموقد المسبق لتبخير الأكسجين السائل المتدفق عبر مركز الأعمدة [ 10 ] وهذا يحسن معدل واستقرار عملية الاحتراق؛ كانت المحركات السابقة مثل F-1 المستخدمة في برنامج أبولو تعاني من مشاكل كبيرة في التذبذبات التي أدت إلى تدمير المحركات، لكن هذه لم تكن مشكلة في RS-25 بسبب تفاصيل التصميم هذه.
اخترع فالنتين غلوشكو حاقن الوقود المركزي في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، وقد استُخدم على نطاق واسع في المحركات الروسية. تُطبَّق حركة دورانية على السائل (وأحيانًا يُخلط نوعان من الوقود)، ثم يُطرد عبر فتحة صغيرة، حيث يُشكِّل طبقة مخروطية الشكل تتفتت بسرعة. استخدم أول محرك سائل من تصميم غودارد حاقنًا واحدًا يعمل بالاصطدام. أجرى علماء ألمان خلال الحرب العالمية الثانية تجارب على حاقنات تعمل بالاصطدام على صفائح مسطحة، وقد استُخدمت بنجاح في صاروخ فاسرفال .
استقرار الاحتراق
لتجنب عدم الاستقرار ، مثل التذبذب البطيء نسبيًا، يجب تصميم المحرك بحيث يكون انخفاض الضغط عبر البخاخات كافيًا لجعل تدفق الوقود مستقلًا إلى حد كبير عن ضغط غرفة الاحتراق. ويتحقق هذا الانخفاض عادةً باستخدام ما لا يقل عن 20% من ضغط غرفة الاحتراق عبر البخاخات.
مع ذلك، وخاصة في المحركات الكبيرة، يسهل حدوث تذبذب احتراق عالي السرعة، وهذه الظاهرة غير مفهومة تمامًا. تميل هذه التذبذبات إلى إحداث اضطراب في الطبقة الحدية للغازات داخل المحرك، مما قد يؤدي إلى تعطل نظام التبريد بسرعة، وبالتالي تدمير المحرك. هذا النوع من التذبذبات أكثر شيوعًا في المحركات الكبيرة، وقد أعاق تطوير صاروخ ساتورن 5 ، ولكن تم التغلب عليه في النهاية.
تستخدم بعض غرف الاحتراق، مثل تلك الموجودة في محرك RS-25 ، رنانات هيلمهولتز كآليات تخميد لمنع ترددات الرنين المحددة من النمو.
ولتجنب هذه المشكلات، ركز تصميم حاقن RS-25 بشكل كبير على تبخير الوقود الدافع قبل حقنه في غرفة الاحتراق. ورغم استخدام العديد من الميزات الأخرى لضمان عدم حدوث أي اضطرابات، فقد أظهرت الأبحاث اللاحقة أن هذه الميزات الإضافية غير ضرورية، وأن احتراق الطور الغازي يعمل بكفاءة عالية.
غالباً ما تتضمن اختبارات الاستقرار استخدام متفجرات صغيرة. تُفجّر هذه المتفجرات داخل الحجرة أثناء التشغيل، مما يُحدث اضطراباً مفاجئاً. ومن خلال فحص منحنى الضغط داخل الحجرة لتحديد سرعة تلاشي آثار هذا الاضطراب، يُمكن تقدير مستوى الاستقرار وإعادة تصميم خصائص الحجرة عند الحاجة.
دورات المحرك
بالنسبة للصواريخ التي تعمل بالوقود السائل، تُستخدم أربع طرق مختلفة لتزويد عملية حقن الوقود في الحجرة بالطاقة بشكل شائع. [ 11 ]
يجب ضخ الوقود والمؤكسد إلى غرفة الاحتراق في مواجهة ضغط الغازات الساخنة المحترقة، وتُحدَّد قدرة المحرك بمعدل ضخ الوقود إلى غرفة الاحتراق. للاستخدام في الغلاف الجوي أو على متن صواريخ الإطلاق، يُفضَّل استخدام دورات محركات ذات ضغط عالٍ، وبالتالي قدرة عالية، لتقليل مقاومة الجاذبية . أما للاستخدام في المدارات، فعادةً ما تكون دورات المحركات ذات القدرة المنخفضة كافية.
تُضخ المواد الدافعة من خزانات مضغوطة (ثقيلة نسبيًا). تعني الخزانات الثقيلة أن الضغط المنخفض نسبيًا هو الأمثل، مما يحد من قوة المحرك، ولكن يتم حرق كل الوقود، مما يسمح بكفاءة عالية. غالبًا ما يُستخدم الهيليوم كمادة ضاغطة نظرًا لقلة تفاعله وانخفاض كثافته. من الأمثلة على ذلك: AJ-10 ، المستخدم في نظام مناولة المواد (OMS) لمكوك الفضاء، ونظام الدفع الفضائي (SPS) لأبولو ، والمرحلة الثانية من صاروخ دلتا 2 .
تُحرق نسبة ضئيلة من الوقود في غرفة احتراق أولية لتشغيل مضخة توربينية، ثم تُصرّف عبر فوهة منفصلة، أو أسفل الفوهة الرئيسية. ينتج عن ذلك انخفاض في الكفاءة لأن العادم لا يُساهم إلا بنسبة ضئيلة أو معدومة في قوة الدفع، ولكن يمكن أن تكون توربينات المضخة كبيرة جدًا، مما يسمح باستخدام محركات عالية القدرة. من الأمثلة على ذلك: محركا F -1 و J-2 في صاروخ ساتورن 5 ، ومحرك RS-68 في صاروخ دلتا 4 ، ومحرك HM7B في صاروخ أريان 5 ، ومحرك ميرلين في صاروخ فالكون 9 .
يسحب هذا النظام الغازات الساخنة من غرفة الاحتراق الرئيسية لمحرك الصاروخ، ويوجهها عبر توربينات مضخة المحرك لضخ الوقود، ثم يُعاد تدويرها. ولأن الوقود لا يمر بالكامل عبر غرفة الاحتراق الرئيسية، يُعتبر هذا النظام دورة مفتوحة. ومن الأمثلة على ذلك محركا J-2S و BE-3 .
يُستخدم الوقود المبرد (الهيدروجين أو الميثان) لتبريد جدران غرفة الاحتراق والفوهة. تعمل الحرارة الممتصة على تبخير الوقود وتمديده، والذي يُستخدم بعد ذلك لتشغيل المضخات التوربينية قبل دخوله غرفة الاحتراق، مما يسمح بكفاءة عالية، أو يُصرّف إلى الخارج، مما يسمح بمضخات توربينية ذات قدرة أعلى. يُقيّد محدودية الحرارة المتاحة لتبخير الوقود قدرة المحرك. أمثلة على ذلك: RL10 للمرحلتين الثانية من صاروخ أطلس 5 ودلتا 4 (دورة مغلقة)، و LE-5 لصاروخ H-II (دورة تصريف).
يُحرق مزيج غني بالوقود أو المؤكسد في غرفة احتراق أولية، ثم يُشغل مضخات توربينية، ويُضخ هذا العادم عالي الضغط مباشرةً إلى غرفة الاحتراق الرئيسية حيث يحترق ما تبقى من الوقود أو المؤكسد، مما يسمح بضغوط عالية وكفاءة فائقة. أمثلة: SSME ، RD-191 ، LE-7 .
تُحرق مخاليط غنية بالوقود والمؤكسد في غرف احتراق مسبقة منفصلة، وتُشغل هذه المخاليط مضخات التوربينات. بعد ذلك، يُوجّه العادمان عاليي الضغط، أحدهما غني بالأكسجين والآخر غني بالوقود، مباشرةً إلى غرفة الاحتراق الرئيسية حيث يمتزجان ويحترقان، مما يسمح بضغوط عالية جدًا وكفاءة عالية. مثال: صاروخ رابتور من شركة سبيس إكس .
المفاضلات في دورة المحرك
يُعد اختيار دورة المحرك إحدى الخطوات الأولى في تصميم محرك الصاروخ. وينتج عن هذا الاختيار عدد من المفاضلات، منها ما يلي:
مقارنة المفاضلات بين دورات المحركات الشائعة
نوع الدورة
مولد غاز
دورة التوسيع
الاحتراق المرحلي
التغذية بالضغط
المزايا
بسيط؛ كتلة جافة منخفضة؛ يسمح باستخدام مضخات توربينية عالية الطاقة لتوفير قوة دفع عالية
دافع نوعي عالٍ؛ تعقيد منخفض نسبيًا
دافع نوعي عالٍ؛ ضغوط عالية في غرفة الاحتراق تسمح بقوة دفع عالية
بسيط؛ لا يحتوي على مضخات توربينية؛ كتلة جافة منخفضة؛ نبضة نوعية عالية
العيوب
انخفاض النبضة النوعية
يجب استخدام وقود مبرد؛ إذ أن انتقال الحرارة إلى الوقود يحد من الطاقة المتاحة للتوربين وبالتالي قوة دفع المحرك.
زيادة كبيرة في التعقيد، وبالتالي زيادة في الكتلة (وخاصة في حالة التدفق الكامل).
يحد ضغط الخزان من ضغط غرفة الاحتراق وقوة الدفع؛ الخزانات الثقيلة ومعدات الضغط المرتبطة بها
تبريد
تُصمَّم الحاقنات عادةً بحيث تُشكِّل طبقة غنية بالوقود على جدار غرفة الاحتراق. يُخفِّض هذا من درجة الحرارة هناك، وفي اتجاه مجرى الهواء وصولاً إلى عنق الاحتراق وحتى داخل الفوهة، مما يسمح بتشغيل غرفة الاحتراق بضغط أعلى، وهو ما يُتيح استخدام فوهة ذات نسبة تمدد أعلى، وبالتالي الحصول على ضغط ابتدائي أعلى وأداء أفضل للنظام. [ 12 ] غالبًا ما يستخدم محرك الصاروخ السائل التبريد التجديدي ، الذي يستخدم الوقود أو، في حالات أقل شيوعًا، المؤكسد لتبريد غرفة الاحتراق والفوهة.
اشتعال
يمكن إشعال المحرك بطرق عديدة، ولكن ربما يكون الأمر أكثر أهمية مع الوقود السائل مقارنةً بالصواريخ الأخرى، إذ يتطلب مصدر إشعال ثابتًا وكافيًا؛ فتأخير الإشعال (ولو كان ضئيلاً في بعض الحالات لبضع عشرات من المللي ثوانٍ) قد يتسبب في زيادة الضغط داخل حجرة الاحتراق نتيجةً لزيادة كمية الوقود. بل إن بدء التشغيل المفاجئ قد يؤدي إلى انفجار المحرك.
بشكل عام، تحاول أنظمة الإشعال تطبيق اللهب عبر سطح الحاقن، مع تدفق كتلي يبلغ حوالي 1٪ من التدفق الكتلي الكامل للغرفة.
تُستخدم أجهزة التعشيق الآمنة أحيانًا لضمان وجود مصدر اشتعال قبل فتح الصمامات الرئيسية؛ إلا أن موثوقية هذه الأجهزة قد تكون في بعض الحالات أقل من موثوقية نظام الإشعال. لذا، يعتمد الأمر على ما إذا كان النظام يجب أن يعمل بأمان في حالة التعطل، أو ما إذا كان نجاح المهمة ككل أكثر أهمية. نادرًا ما تُستخدم أجهزة التعشيق في المراحل العلوية غير المأهولة حيث يؤدي تعطلها إلى فشل المهمة، ولكنها موجودة في محرك RS-25 لإيقاف تشغيل المحركات قبل إطلاق مكوك الفضاء. إضافةً إلى ذلك، يُعد اكتشاف نجاح اشتعال جهاز الإشعال أمرًا صعبًا للغاية، إذ تستخدم بعض الأنظمة أسلاكًا رفيعة تقطعها النيران، كما استُخدمت مستشعرات الضغط أيضًا في بعض الحالات.
تشمل طرق الإشعال الألعاب النارية ، والكهرباء (الشرارة أو السلك الساخن)، والكيميائية. تتميز المواد الدافعة فائقة الاشتعال بقدرتها على الاشتعال الذاتي، بكفاءة عالية، وبأقل احتمالية لحدوث صعوبات في بدء التشغيل. في أربعينيات القرن العشرين، بدأ الروس بتشغيل المحركات باستخدام هذه المواد، ثم التحول إلى الوقود الأساسي بعد الاشتعال. وقد استُخدمت هذه التقنية أيضًا في محرك الصاروخ الأمريكي F-1 ضمن برنامج أبولو .
الاشتعال باستخدام عامل اشتعال ذاتي : يشتعل ثلاثي إيثيل الألومنيوم عند ملامسته للهواء، كما يشتعل و/أو يتحلل عند ملامسته للماء، وأي مؤكسد آخر - وهو من المواد القليلة التي تتمتع بقدرة اشتعال ذاتي كافية للاشتعال عند ملامستها للأكسجين السائل المبرد . تبلغ حرارة احتراقه ، ΔcH ° ، -5105.70 ± 2.90 كيلوجول/مول (-1220.29 ± 0.69 كيلوكالوري/مول) . سهولة اشتعاله تجعله مرغوبًا بشكل خاص كمشعل لمحركات الصواريخ . يمكن استخدامه مع ثلاثي إيثيل البوران لإنتاج ثلاثي إيثيل الألومنيوم-ثلاثي إيثيل البوران، المعروف اختصارًا بـ TEA-TEB.
تاريخ
روسيا والاتحاد السوفيتي
الصاروخ 09 (يسار) و10 (GIRD-09 وGIRD-X). متحف علوم الفضاء وتكنولوجيا الصواريخ؛ سانت بطرسبرغ.
ظهرت فكرة الصاروخ الذي يعمل بالوقود السائل، كما هو مفهوم في السياق الحديث، لأول مرة عام ١٩٠٣ في كتاب " استكشاف الكون بمركبات صاروخية الدفع" [ ١٣ ] للعالم الروسي المتخصص في الصواريخ، كونستانتين تسيولكوفسكي . إن حجم إسهاماته في علم الفضاء مذهل، بما في ذلك معادلة تسيولكوفسكي للصواريخ ، والصواريخ متعددة المراحل، واستخدام الأكسجين والهيدروجين السائلين في صواريخ الوقود السائل. [ ١٤ ] وقد أثر تسيولكوفسكي على علماء الصواريخ اللاحقين في جميع أنحاء أوروبا، مثل فيرنر فون براون . عثرت فرق البحث السوفيتية في بينيمونده على ترجمة ألمانية لكتاب من تأليف تسيولكوفسكي، "كانت كل صفحة تقريبًا... مزينة بتعليقات وملاحظات فون براون". [ 15 ] درس كل من فالنتين غلوشكو، المصمم السوفيتي البارز لمحركات الصواريخ، وسيرغي كوروليف، مصمم الصواريخ، أعمال تسيولكوفسكي في شبابهما [ 16 ] وسعى كلاهما إلى تحويل نظريات تسيولكوفسكي إلى واقع. [ 17 ]
في الفترة من عام 1929 إلى عام 1930 ، أجرى غلوشكو أبحاثًا في مجال الصواريخ في مختبر ديناميكا الغازات (GDL) في لينينغراد ، حيث تم إنشاء قسم بحثي جديد لدراسة محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل والكهربائي . وقد أسفر ذلك عن ابتكار محركات ORM (اختصارًا لـ "محرك الصاروخ التجريبي" باللغة الروسية) من ORM-1 إلى ORM-52 . [ 18 ] أُجري ما مجموعه 100 اختبار عملي على صواريخ تعمل بالوقود السائل باستخدام أنواع مختلفة من الوقود، منخفضة وعالية الغليان، وتم تحقيق قوة دفع تصل إلى 300 كجم. [ 19 ] [ 18 ]
خلال هذه الفترة في موسكو ، كان فريدريك تساندر ، العالم والمخترع، يصمم ويبني محركات صواريخ تعمل بالوقود السائل، وتحديدًا بالهواء المضغوط والبنزين. وقد بحث تساندر في أنواع الوقود عالية الطاقة، بما في ذلك مساحيق المعادن الممزوجة بالبنزين. في سبتمبر 1931، أسس تساندر " مجموعة دراسة الحركة التفاعلية " في موسكو، [ 20 ] والمعروفة اختصارًا باسم "GIRD". [ 21 ] في مايو 1932، خلف سيرغي كوروليف تساندر في رئاسة المجموعة. في 17 أغسطس 1933، أطلق ميخائيل تيخونرافوف أول صاروخ سوفيتي يعمل بالوقود السائل (GIRD-9)، والذي يعمل بالأكسجين السائل والبنزين الهلامي. وقد وصل إلى ارتفاع 400 متر (1300 قدم) . [ 22 ] في يناير 1933، بدأ تساندر بتطوير صاروخ GIRD-X. كان هذا التصميم يستخدم الأكسجين السائل والبنزين كوقود، وكان من أوائل المحركات التي تُبرّد بالأكسجين السائل الذي يتدفق حول الجدار الداخلي لغرفة الاحتراق قبل دخوله إليها. وقد دفعت مشاكل الاحتراق الكامل أثناء الاختبارات إلى استبدال البنزين بالكحول الأقل طاقة. بلغ طول الصاروخ النهائي 2.2 متر (7.2 قدم) وقطره 140 مليمترًا (5.5 بوصة) ، وكتلته 30 كيلوغرامًا (66 رطلًا) ، وكان من المتوقع أن يحمل حمولة وزنها كيلوغرامان (4.4 رطل) إلى ارتفاع 5.5 كيلومترات (3.4 ميل) . [ 23 ] أُطلق صاروخ GIRD X في 25 نوفمبر 1933، ووصل إلى ارتفاع 80 مترًا. [ 24 ]
في عام 1933، اندمج معهد أبحاث الصواريخ الألماني (GDL) ومعهد أبحاث الصواريخ الألماني (GIRD) ليشكلا معهد الأبحاث العلمية التفاعلية (RNII). في هذا المعهد، واصل غوشكو تطوير محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل، من طراز ОРМ-53 إلى ОРМ-102، حيث كان محرك ORM-65 يُستخدم لتشغيل الطائرة الصاروخية RP-318 . [ 18 ] في عام 1938، حلّ ليونيد دوشكين محل غوشكو، واستمر في تطوير محركات ORM، بما في ذلك محرك الطائرة الاعتراضية الصاروخية، بيريزنياك-إيساييف BI-1 . [ 25 ] في معهد الأبحاث العلمية التفاعلية، عمل تيخونرافوف على تطوير محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل (الأكسجين/الكحول). [ 26 ] في نهاية المطاف، لم تحظَ محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل بأولوية كبيرة في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين في معهد الأبحاث العلمية التفاعلية، إلا أن الأبحاث التي أُجريت في هذا المجال كانت مثمرة وذات أهمية بالغة لإنجازات برنامج الصواريخ السوفيتي اللاحقة. [ 27 ]
كتب البيروفي بيدرو بوليت ، الذي أجرى تجارب على الصواريخ طوال حياته في بيرو ، رسالةً إلى صحيفة "إل كوميرسيو" في ليما عام 1927، زاعمًا أنه أجرى تجارب على محرك صاروخي يعمل بالوقود السائل أثناء دراسته في باريس قبل ثلاثة عقود. [ 28 ] [ 29 ] وقد أعطى مؤرخو التجارب الصاروخية المبكرة، ومن بينهم ماكس فالير وويلي لي وجون د. كلارك ، درجات متفاوتة من المصداقية لتقرير بوليت. أشاد فالير بتصميم بوليت للصاروخ الذي يعمل بالوقود السائل في منشور "دي راكيت" الصادر عن جمعية "فيرين فور راومشيفارت "، قائلًا إن المحرك يتمتع "بقوة مذهلة" وأن خططه ضرورية لتطوير الصواريخ في المستقبل. [ 30 ] وصف هيرمان أوبرث بوليه بأنه رائد في علم الصواريخ عام 1965. [ 31 ] كما وصفه فيرنر فون براون بأنه "رائد محرك الدفع بالوقود السائل"، وصرح بأن "بوليه ساعد الإنسان على الوصول إلى القمر ". [ 28 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] لاحقًا، تواصلت ألمانيا النازية مع بوليه ، ودعته للانضمام إلى الجمعية الفلكية للمساعدة في تطوير تكنولوجيا الصواريخ، إلا أنه رفض المساعدة بعد أن اكتشف أن المشروع مُعدٌّ للتسليح، ولم يُفصح قط عن تركيبة وقوده. [ 32 ] [ 31 ] ووفقًا للمخرج والباحث ألفارو ميخيا، حاول فريدريك آي. أوردواي الثالث لاحقًا التشكيك في اكتشافات بوليه في سياق الحرب الباردة ، وفي محاولة لتغيير الصورة العامة لفون براون بعيدًا عن تاريخه مع ألمانيا النازية. [ 36 ]
الولايات المتحدة
روبرت إتش. جودارد ، وهو يرتدي ملابس ثقيلة تقيه من برد طقس نيو إنجلاند في 16 مارس 1926، يحمل إطار إطلاق اختراعه الأكثر شهرة - أول صاروخ يعمل بالوقود السائل.
أُجريت أول رحلة تجريبية لصاروخ يعمل بالوقود السائل في 16 مارس 1926 في أوبورن، ماساتشوستس ، عندما أطلق البروفيسور الأمريكي الدكتور روبرت هـ. جودارد مركبةً باستخدام الأكسجين السائل والبنزين كوقود. [ 37 ] ارتفع الصاروخ، الذي أُطلق عليه اسم "نيل"، 41 قدمًا فقط خلال رحلة استغرقت 2.5 ثانية وانتهت في حقل كرنب، لكنها كانت بمثابة برهان هام على إمكانية استخدام الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل. اقترح جودارد استخدام الوقود السائل قبل ذلك بنحو خمسة عشر عامًا، وبدأ تجاربه الجادة عليه في عام 1921. ونشر الألماني الروماني هيرمان أوبرث كتابًا في عام 1923 يقترح فيه استخدام الوقود السائل. [ 38 ]
ألمانيا
في ألمانيا، انبهر المهندسون والعلماء بتقنية الدفع السائل، فقاموا ببنائها واختبارها في أواخر عشرينيات القرن الماضي ضمن برنامج أوبل راك ، أول برنامج صاروخي في العالم، في روسلسهايم. ووفقًا لرواية ماكس فالير [ 39 ] ، أطلق فريدريش فيلهلم ساندر ، مصمم صواريخ أوبل راك، صاروخين يعملان بالوقود السائل في محطة أوبل رينبان في روسلسهايم يومي 10 و12 أبريل 1929. كان هذان الصاروخان أول صاروخين أوروبيين يعملان بالوقود السائل في التاريخ، وثاني صاروخ في العالم بعد صاروخ غودارد. يصف فالير في كتابه "رحلة الصاروخ" حجم الصاروخين بقطر 21 سم وطول 74 سم، ووزن 7 كجم فارغًا و16 كجم مع الوقود. بلغت قوة الدفع القصوى من 45 إلى 50 كيلو باسكال، مع زمن احتراق إجمالي قدره 132 ثانية. تشير هذه الخصائص إلى استخدام ضخ الغاز المضغوط. كان الهدف الرئيسي من هذه الاختبارات هو تطوير نظام الدفع الصاروخي السائل لطائرة من طراز Gebrüder-Müller-Griessheim [ 40 ] قيد الإنشاء لرحلة مُخطط لها عبر القناة الإنجليزية. كما يؤكد مؤرخ رحلات الفضاء فرانك إتش. وينتر ، أمين المتحف الوطني للطيران والفضاء في واشنطن العاصمة، أن مجموعة أوبل كانت تعمل، بالإضافة إلى صواريخها التي تعمل بالوقود الصلب والمستخدمة لتحطيم الأرقام القياسية للسرعة البرية وأولى رحلات الطائرات الصاروخية المأهولة في العالم باستخدام طائرة أوبل RAK.1 ، على صواريخ تعمل بالوقود السائل. [ 41 ] وبحلول مايو 1929، أنتج المحرك قوة دفع تبلغ 200 كيلوغرام (440 رطلاً) "لأكثر من خمس عشرة دقيقة، وفي يوليو 1929، تمكن المتعاونون في مشروع أوبل RAK من تحقيق مراحل تشغيل لأكثر من ثلاثين دقيقة بقوة دفع تبلغ 300 كيلوغرام (660 رطلاً) في مصانع أوبل في روسلسهايم"، وذلك وفقًا لرواية ماكس فالير. أنهى الكساد الكبير أنشطة شركة أوبل راك. بعد عمله مع الجيش الألماني في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، أُلقي القبض على ساندر من قبل الجستابو عام ١٩٣٥، عندما مُنعت هندسة الصواريخ الخاصة في ألمانيا. حُكم عليه بالسجن خمس سنوات بتهمة الخيانة العظمى، وأُجبر على بيع شركته، وتوفي عام ١٩٣٨. [ ٤٢ ] صادر الجيش الألماني، مكتب تسليح الجيش (Heereswaffenamt)، أعمال ماكس فالير (عن طريق آرثر رودولف وهيلاندت )، الذي توفي أثناء إجراء تجارب عام ١٩٣٠، وفريدريش ساندر على صواريخ الوقود السائل، ودمجها في أنشطة الجنرال والتر دورنبرغر في أوائل ومنتصف ثلاثينيات القرن العشرين في حقل بالقرب من برلين. [ ٤٣ ] كان ماكس فالير أحد مؤسسي مجموعة بحثية للهواة، تُعرف باسم VfR.، الذين عملوا على الصواريخ السائلة في أوائل الثلاثينيات من القرن العشرين، وأصبح العديد من أعضائها فيما بعد روادًا مهمين في تكنولوجيا الصواريخ، بمن فيهم فيرنر فون براون . شغل فون براون منصب رئيس محطة الأبحاث العسكرية التي صممت سلاح الصاروخ V-2 للنازيين.
بعد الحرب العالمية الثانية، أخذت الحكومة الأمريكية والجيش الأمريكيان على محمل الجد فكرة استخدام الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل كأسلحة، وبدآ بتمويل الأبحاث المتعلقة بها. وحذا الاتحاد السوفيتي حذوهما، ومن هنا بدأت سباق الفضاء .
١ ٢ فيتزجيرالد، مايكل (٢٠١٨). أسلحة هتلر السرية للدمار الشامل: خطة النازيين للنصر النهائي . ص. الفصل ٣. كان بوليت رائدًا في مجال الصواريخ، وليس من المستغرب أن النازيين كانوا حريصين على تجنيده للمساعدة في جهودهم. دعته الجمعية الألمانية للملاحة الفضائية إلى ألمانيا للانضمام إلى فريق من الباحثين في مجال دفع الصواريخ، وقد أبدى اهتمامًا مبدئيًا، لكن عندما اكتشف أن النية هي بناء سلاح يُستخدم لأغراض عسكرية، رفض الدعوة. وفي عام ١٩٦٥، وصفه أوبرث بأنه أحد الرواد الحقيقيين لعلم الصواريخ.
^ فون براون ، فيرنر. أوردواي الثالث، فريدريك الأول (1968). تاريخ مونديال رواد الفضاء . باريس: لاروس / باريس - ماتش. ص 51 – 52.
↑ فيتزجيرالد، مايكل (2018). أسلحة هتلر السرية للدمار الشامل: خطة النازيين للنصر النهائي . ص. الفصل 3. حتى أن فيرنر فون براون وصف بوليت بأنه "أحد آباء علم الطيران" و"رائد محرك الدفع بالوقود السائل". وأعلن أنه "بفضل جهوده، ساعد بوليت الإنسان على الوصول إلى القمر".
↑ هاردينغ، روبرت سي. (2012). سياسة الفضاء في البلدان النامية: البحث عن الأمن والتنمية على الحدود النهائية . روتليدج . ص 156. ISBN9781136257902تحتل بيرو مكانة خاصة بين الدول الرائدة في مجال تطوير محركات الصواريخ في أمريكا اللاتينية ، لأنها كانت موطنًا لبيدرو بوليت، مخترع أول محرك صاروخي يعمل بالوقود السائل في العالم عام 1895، وأول نظام دفع صاروخي حديث عام 1900. ... ووفقًا لفيرنر فون براون، "يُعتبر بوليت رائدًا في مجال محركات الدفع بالوقود السائل... وبفضل جهوده، ساعد بوليت الإنسان على الوصول إلى القمر". ثم أسس بوليت الرابطة الوطنية للطيران في بيرو، والتي كانت نواة القوات الجوية البيروفية.
