حلوى الصواريخ

حلوى الصواريخ ، أو حلوى آر ، هي نوع من وقود الصواريخ النموذجية ، مصنوعة من نوع من السكر كوقود، وتحتوي على مؤكسد . يمكن تقسيم هذا الوقود إلى ثلاث مجموعات من المكونات: الوقود، والمؤكسد، والمواد المضافة (اختيارية). في الماضي، كان السكروز هو الأكثر شيوعًا كوقود. أما التركيبات الحديثة، فتستخدم السوربيتول غالبًا لسهولة إنتاجه. المؤكسد الأكثر شيوعًا هو نترات البوتاسيوم (KNO₃ ₎ ، وهو مركب شائع في مزيلات جذوع الأشجار . يمكن أن تكون المواد المضافة موادًا مختلفة، وتعمل إما كمحفزات أو لتحسين مظهر الإطلاق أو الطيران. عادةً ما تُحضّر تركيبة وقود السكر التقليدية بنسبة 65:35 (13:7) من المؤكسد إلى الوقود. ^{[ 1 ]} قد تختلف هذه النسبة من نوع وقود لآخر بناءً على معدل الاحتراق والتوقيت والاستخدام.

توجد طرق عديدة لتحضير وقود صاروخي قائم على السكر. لا تتطلب عملية الضغط الجاف تسخينًا، بل طحن المكونات ثم تعبئتها في المحرك. مع ذلك، لا يُنصح بهذه الطريقة للتجارب الجادة، لأن الضغط الجاف ينتج عنه وقود أقل تشبعًا، وقد يكون خطيرًا إذا تساقط من الصاروخ. أما التسخين الجاف فلا يُذيب نترات البوتاسيوم (KNO₃) فعليًا _، بل يُذيب السكر فتُعلق حبيبات نترات البوتاسيوم _فيه . في المقابل، تتضمن طريقة الإذابة والتسخين إذابة كلا العنصرين في الماء ثم مزجهما معًا عن طريق تبخير الماء، ما يُنتج مزيجًا أفضل. ^{[ ٢ ]}

تكون قوة الدفع والاندفاع الكلية التي يوفرها وقود الصواريخ النموذجية المركبة الأخرى أقل بشكل عام لنفس كمية الوقود، لكن وقود الصواريخ المصنوع من الحلوى أرخص بكثير.

في الولايات المتحدة، يُسمح بتصنيع محركات الصواريخ الصغيرة، لكن يُحظر نقلها دون تصريح استخدام متفجرات منخفضة الطاقة. ^{[ 3 ] [ 4 ]} ونظرًا لأنها تُصنّف ضمن محركات الهواة ، فإنها تُطلق عادةً في عمليات إطلاق بحثية معتمدة من جمعية طرابلس للصواريخ، والتي تتطلب من المستخدمين الحصول على شهادة المستوى الثاني عالية الطاقة من الجمعية . مع ذلك، طالما أن كتلة المحرك لا تتجاوز 125 غرامًا، يُمكن إطلاقه دون الحاجة إلى تصريح طيران من إدارة الطيران الفيدرالية. ^{[ 5 ]}

يمكن تقسيم مكونات حلوى الصواريخ إلى ثلاث مجموعات رئيسية: الوقود ، والمؤكسدات ، والمواد المضافة. الوقود هو المادة التي تحترق، مطلقةً غازات تتمدد بسرعة عند خروجها من الفوهة، مما يوفر قوة الدفع. يوفر المؤكسد الأكسجين اللازم لعملية الاحتراق. أما المواد المضافة، فقد تكون عوامل محفزة لتسريع الاحتراق أو زيادة كفاءته. مع ذلك، تُستخدم بعض المواد المضافة لأغراض جمالية، كإضافة شرارات وألسنة لهب عند الإطلاق، أو دخان لتسهيل تتبع الصاروخ في الجو.

المواد المضافة

تُضاف مواد مضافة عادةً إلى وقود الصواريخ لتعديل خصائص احتراقه. يمكن استخدام هذه المواد لزيادة أو تقليل معدل احتراق الوقود، كما تُستخدم بعضها لتغيير لون اللهب أو الدخان الناتج. ويمكن استخدامها أيضًا لتعديل خاصية فيزيائية معينة للوقود نفسه، مثل الملدنات أو المواد الفعالة سطحيًا لتسهيل عملية صبّ التركيبة. توجد أنواع عديدة من المواد المضافة التجريبية، وما ذُكر هنا هو الأكثر شيوعًا.

وُجد أن أكاسيد المعادن تزيد من معدل احتراق وقود السكر. وقد وُجد أن هذه الإضافات تعمل بأفضل شكل عند نسب تتراوح بين 1 و5 بالمئة. ^{[ 6 ]} وتُعد أكاسيد الحديد الأكثر استخدامًا. ويُستخدم أكسيد الحديد الأحمر بكثرة لسهولة الحصول عليه نسبيًا مقارنةً بالأصفر والبني والأسود . ويُظهر أكسيد الحديد البني خصائص تسريع احتراق غير عادية تحت الضغط .

يُستخدم الكربون ، بأشكاله المختلفة كالفحم النباتي ، والكربون الأسود ، والجرافيت ، وغيرها، كوقود في تركيبات السكر، بل ويُستخدم أحيانًا. لكن في أغلب الأحيان، تُستخدم كمية صغيرة منه كمادة معتمة، مما يُنتج أثرًا دخانيًا مرئيًا. ويعمل الكربون كمشتت حراري، إذ يُبقي جزءًا من حرارة الاحتراق في المادة الدافعة بدلًا من انتقالها بسرعة إلى غلاف المحرك.

إذا استُخدمت وقود معدني كالألومنيوم أو المغنيسيوم في تركيبات السكر، فإن وجود آثار للأحماض في المؤكسد يُشكل خطراً. تتفاعل المواد الحمضية بسهولة مع المعدن، مُنتجةً الهيدروجين والحرارة، وهو مزيج خطير. يُساعد إضافة قواعد ضعيفة على معادلة هذه المواد الحمضية، مما يُقلل من خطورتها بشكل كبير.

يُضاف معدن التيتانيوم على شكل رقائق أو إسفنج (بحجم حوالي 20 مش) إلى تركيبات السكر بنسب تتراوح من 5 إلى 10% لإنتاج لهب متوهج ودخان عند إشعاله. ^{[ 7 ]}

تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي لتقليل لزوجة انصهار المواد الدافعة السكرية. على سبيل المثال، يساعد البروبيلين جليكول على تقليل لزوجة انصهار المواد الدافعة القائمة على السكروز. ^{[ 6 ]}

توجد عدة طرق مختلفة لتحضير وقود الصواريخ المصنوع من السكر. تشمل هذه الطرق الضغط الجاف، والتسخين الجاف، والإذابة والتسخين . وتتضمن الطريقتان الأخيرتان تسخين الوقود.

في عملية الضغط الجاف، يُطحن السكر ونترات البوتاسيوم كلٌ على حدة بأقصى درجة نعومة ممكنة، ثم يُخلطان في مطحنة كروية أو جهاز تقليب لضمان تجانس المكونات. بعد ذلك، يُضغط هذا الخليط داخل أنبوب المحرك، على غرار طريقة تعبئة البارود الأسود في بندقية ذاتية التعبئة. مع ذلك، نادرًا ما تُستخدم هذه الطريقة في التجارب الجادة، ويجب مراعاة اعتبارات السلامة بدقة قبل اعتمادها.

هناك طريقة أخرى أكثر شيوعًا وأمانًا لتحضير وقود صاروخي قائم على السكر، وهي التسخين الجاف. في البداية، يُطحن نترات البوتاسيوم إلى مسحوق ناعم، ثم يُخلط جيدًا مع مسحوق السكر ويُسخّن. لا تُذيب هذه الطريقة نترات البوتاسيوم فعليًا، لأن درجة انصهار KNO₃ _هي 323 درجة مئوية (613 درجة فهرنهايت) ، ولكنها تُذيب السكر وتُغطي حبيبات KNO₃ _{بالسكر المذاب. استخدم ريك ماشيك، من مشروع} "Sugar Shot to Space" ، طريقة بديلة لهذه الطريقة، حيث لم يطحن نترات البوتاسيوم إلى مسحوق، مما ينتج عنه لزوجة منخفضة كافية لجعل المحلول قابلاً للصب عند استخدام السوربيتول كوقود لصبّ الحبيبات. يجب إجراء عملية الصهر باستخدام موزع حرارة لتجنب تكوين بؤر ساخنة قابلة للاشتعال الذاتي.  

يدعو جيمس ياون إلى استخدام طريقة الإذابة والتسخين. ^{[ 9 ]} تعمل هذه الطريقة على إذابة وتسخين مادة الدفع، مما يؤدي فعليًا إلى إذابة مكونيها ودمجهما. أولًا، يُوضع نترات البوتاسيوم (KNO3) _والسكر في قدر. ثم يُضاف الماء بكمية كافية لإذابة كليهما تمامًا. بعد ذلك، يُسخّن المزيج حتى يغلي ويتبخر الماء. يمر المزيج بعدة مراحل: أولًا الغليان، ثم الفقاعات والفرقعة، ثم يصبح قوامه ناعمًا وكريميًا. هناك العديد من المزايا لإذابة السكر ونترات البوتاسيوم _{في الماء} قبل التسخين. ^{[ 2 ]} إحدى هذه المزايا هي عدم الحاجة إلى طحن نترات البوتاسيوم _والسكر جيدًا، لأنهما يذوبان تمامًا في النهاية. كما يمكن تحضيره في درجة حرارة أقل ويتطلب تقليبًا أقل. هذه الطريقة في التحضير تجعل مادة الدفع الناتجة مقاومة للتكرمل في القدر، مما يتيح وقتًا أطول لتعبئتها في المحركات. من السلبيات المحتملة أن المادة الدافعة الناتجة تكون أكثر كثافة (أكثر لزوجة). لا يمكن سكب الخليط، بل يتطلب وضعه في قالب، ولن يكون سائلاً أبداً مثل طريقة التسخين الجاف.

يبلغ متوسط ​​الدفع النوعي ( Isp ₎ للوقود الصاروخي المصنوع من السكر ما بين 114 و130 ثانية. قارن ذلك بمتوسط ​​الدفع النوعي لوقود _APCP ( الوقود المركب من بيركلورات الأمونيوم )، والذي يتراوح بين 180 و260 ثانية. أما الوقود المصنوع من السوربيتول ونترات البوتاسيوم (KNO₃ ₎ بنسبة 35:65، فيبلغ متوسط ​​الدفع النوعي له _ما بين 110 و125 ثانية. مع ذلك، سُجّلت دفعات نوعية تصل إلى 128 ثانية في صواريخ السوربيتول ونترات البوتاسيوم المُضاف إليها مواد أخرى _. ^{[ 7 ]}

تتميز وقود الصواريخ المصنوع من الزيليتول ونترات البوتاسيوم _بقدرته على توليد دافع نوعي يصل إلى 100 ثانية تقريبًا، ويبلغ معدل احتراقه غير المقيد حوالي 1.3  ملم/ثانية. أما الوقود المصنوع من الدكستروز ونترات البوتاسيوم، _فيبلغ دافعه النوعي ₁₃₇ ثانية. ^{[ 10 ]} وبشكل عام، تقترب خصائص أداء صواريخ السكر من خصائص وقود الصواريخ الاحترافي.

يُعرف حلوى الصواريخ أحيانًا باسم "حلوى الكراميل"، وهو مصطلح شاع استخدامه بواسطة برتراند ر. برينلي ، في كتابه عن هواة الصواريخ ، دليل الصواريخ للهواة ، الذي نُشر عام 1960. وقد استُخدم هذا الوقود في بعض صواريخ الهواة التي وصفها هومر هيكام في مذكراته الأكثر مبيعًا بعنوان Rocket Boys .

استُخدمت حلوى الصواريخ أيضًا في صاروخ هواة صغير وصفه المقدم تشارلز إم. باركين في مقال مطوّل نُشر في مجلة "إلكترونيكس إليستريتد" على عدة أعداد، بدءًا من يوليو 1958. شرح باركين كيفية تحضير خليط الوقود باستخدام مقلاة كهربائية كمصدر حرارة لعملية الصهر. أُعيد نشر هذا المقال في كتاب باركين، " دليل الصواريخ للهواة" ، الذي نُشر عام 1959. ساهم مقال باركين في زيادة شعبية حلوى الصواريخ كوقود بين مجموعات هواة الصواريخ بدءًا من أواخر الخمسينيات وأوائل الستينيات.

استُخدمت الصواريخ التي تعمل بالسكر كأسلحة حرب بدائية، كما هو الحال خلال الهجمات التي شنتها حماس على إسرائيل خلال الفترة 2000-2003. ^{[ 11 ]}

تم تشكيل برنامج "شوجر شوجر تو سبيس " (SS2S) بهدف "إطلاق صاروخ يعمل بوقود سكري إلى الفضاء" ^{[ 12 ]} أي ما يعادل ارتفاع 100 كيلومتر (62 ميلاً) . وكان من المتوقع أن يصل صاروخ "دبل شوجر شوجر" إلى ارتفاع 33 كيلومترًا (21 ميلاً) ، أي ثلث الارتفاع المستهدف. ^{[ 12 ]} وصل أول صاروخ "ميني شوجر شوجر "، وهو نموذج أولي لمحرك أحادي المرحلة ثنائي النبض من صاروخ "إكستريم شوجر شوجر" ، إلى ارتفاع 4 كيلومترات (2.5 ميل) قبل حدوث عطل كارثي في ​​المحرك؛ انقطع الاتصال بالصاروخ الثاني من طراز "ميني شوغر شوت" ​​على ارتفاع يقارب 6 كيلومترات (3.7 ميل) بسرعة تتجاوز سرعة الصوت (ماخ 1). في عام 2017، أطلق ريك ماشيك وكريس كوفاني من فريق SS2S بنجاح صاروخهما الذي يعمل بوقود نترات البوتاسيوم والسوربيتول بقطر 150 مم بسرعة تتجاوز 2.5 ماخ. وفي وقت لاحق من العام نفسه، أجرى ريك وإريك بيكنر من فريق SS2S أول اختبارين ناجحين لمحرك ثابت يعمل بوقود نترات البوتاسيوم والسوربيتول بقطر 300 مم، وهما أكبر محركات "السكر" على الإطلاق، وذلك في منشأة أصدقاء هواة الصواريخ (FAR)، مما أثبت إمكانية تصنيع محركات "السكر" الكبيرة. أما صاروخ "إكستريم شوغر شوت" ، المخطط له حاليًا كصاروخ تقليدي ثنائي المراحل، والذي يُتوقع أن يحقق هدف دخول الفضاء، فلم يكتمل بعد. ^{[ 12 ]}    

بسبب أدائها المنخفض نسبياً، لا تُستخدم صواريخ السكر عادةً في التنسيقات الاحترافية؛ ومع ذلك، فهي خيار شائع للهواة لأنها آمنة وسهلة الإنتاج نسبياً، حيث يتوفر كل من السكر ونترات البوتاسيوم بسهولة، كمنتجات غذائية ومزيل لجذوع الأشجار ، على التوالي.

• محرك صاروخي يعمل بالبارود الأسود
• جرعة سكر إلى الفضاء

• صفحة ويب خاصة بهواة الصواريخ باللغة الإسبانية، تعرض صواريخ السوربيتول (الحلوى) ومحركات الصواريخ.
• موقع ريتشارد ناكا الإلكتروني للتجارب الصاروخية .
• إعادة تبلور الصواريخ