المحركات الصاروخية Rocket Engines
لطالما نتسائل في حياتنا وفي مجتمعنا الهندسي والعلمي عن المحركات التي تحمل المركبات الفضائية إلى الفضاء الخارجي، والتي توجه البعثات الاستكشافية خلال الفضاء لاستكشاف الكواكب وكذلك التي تحمل الأقمار الصناعية إلى مداراتها، بالإضافة إلى الصواريخ الحربية بمختلف أنواعها.
سنتعرف بالتفصيل في هذا المقال عن المحركات الصاروخية وأنواعها وآلية عمل كل منها.
ماهو المحرك الصاروخي(Rocket Engines) ؟ ومن أول صانع له؟
يُعد المحرك الصاروخي من أقوى المحركات التي تم صنعها وتطويرها على يد البشر، وذلك لضخامة قوة الدفع التي يعطيها (Thrust) بالمقارنة مع المحركات الأخرى (التوربينية Jet engines) و يعمل على الوقود السائل وفي بعض الأنواع على الوقود الصلب.
وهو عبارة عن جهاز يحول الوقود السائل (الطاقة الكيميائية) أو الصلب إلى طاقة حرارية ناتجة عن إنفجار هذا الوقود في غرف الإحتراق و يترافق هذا الإنفجار بدايةً بضغط ودرجة حرارة عالية وطاقة حركية بسرعة دون صوتية (Subsonic) للبلازما وغازات الإحتراق ، ومن بعد عبور خانق فوهة Delaval Nozzle دي لافال بضغط ودرجة حرارة أخفض ولكن بطاقة حركية ضخمة بسرعة تفوق سرعة الصوت (Ultrasonic).
يعود تاريخ صناعة وفكرة الصواريخ إلى الحضارة الصينية القديمة حيث كانوا يستخدمون الوقود الصلب (كبريت وخلائط أخرى) ويضعونه في مجسم من القصب فعند انفجار هذا الوقود يتولد قوة دفع لا بأس بها.
ثم انتقل إلى الهند ومن بعدها إلى أوروبا حيث بدأت صناعة ودراسة هذا النوع من الصواريخ من قبل العلماء الألمان والبريطانيين ومنها إلى العديد من الدول الأوروبية وقاموا تدريجياً بتطوير ها وتبني مبدأ عملها ولكن بأستخدام البخار كغاز للدفع ومنهم المخترع السويدي Gustaff de laval.
ولكن الفضل الأكبر في صناعة الصواريخ العصرية يعود إلى العالم Robert Goddard لإنه أول من استخدم فوهة Nozzle دي لافال في صواريخ الوقود وهذا ما أدى إلى ارتفاع مردود الدفع الخاص بها من 5% إلى 64%
الصورة لفوهة Nozzle دي لافال توضح مقدار درجة الحرارة والضغط وسرعة الغازات والبلازما قبل وبعد الخنق.
أقسام المحرك الصاروخي ذو الوقود السائل
يتكون المحرك الصاروخي بشكل عام من أقسام أساسية مرتبطة ببعضها البعض وأقسام ثانوية ملحقة بالمحرك ولكنها بقدر الأهمية التي تتمتع بها الأساسية.
سنتناول فقط الأقسام الأساسية كون الأقسام الثانوية عددها كبير جداً ومتشابكة.
. غرفة الإحتراق(Combustion chamber) : تتم فيها عملية إنفجار خليط الوقود والمؤكسد (الأكسجين) وينتج عنه درجة حرارة عالية وضغط كبير وكذلك طاقة حركية بسرعة دون صوتية للغازات والبلازما.
. صحن الحقن (Injector Plate) : يتوضع في الجزء العلوي من غرفة الإحتراق ويتم فيه خلط الموكسد (الأكسجين) مع الوقود ليتشكل الخليط وكذلك تتم فيه عملية حقن الخليط في غرفة الإحتراق.
. محفّز الشرار (Sparks Igniter ) : يتوضع في أعلى جانب غرفة الإحتراق ويعد الجزء الأهم فيها لإنه المحرض على إنفجار مزيج الوقود والموكسد(الأكسجين السائل).
. الفوهة(Nozzle) : وهي عبارة مجسم مدروس فيزيائياً وهندسياً ورياضياً يشبه شكل مجسم الساعات الرملية ولكن بتصميم يضمن تنظيم بارامترات الغازات و البلازما وتم تصميم شكله الحالي على يد المخترع السويدي دي لافال ويظهر شكلها في الرسم التخطيطي في الأعلى والذي يميزه هو التخصّر Throat في البداية وكبر حجم الناشر diffuser مقابل حجم البوق Nozzle.
. مضخات الوقود والمؤكسد(الاكسجين السائل) Mixture Pumps :
تعد من أهم الأجزاء في المحرك كونها الأجهزة التي تنقل وسيطي التشغيل من الخزانات إلى غرفة الإحتراق، ويمكن التحكم بقدرة المحرك من خلال التحكم بقدرتها على الضخ.
آلية عمل المحرك الصاروخي ذو الوقود السائل
Working Mechanism of Liquid Fuel Rocket Engines
إن مبدأ عمل المحركات الصاروخية واي محرك دفع نفّاث هو وفقاً لقانون نيوتن الثالث الذي ينص على أن لكل فعل(تأثير قوة) رد فعل (تأثير قوة مشابه) يساويه بالقيمة ويعاكسه بالإتجاه وتِبعاً لهذا القانون يعمل المحرك الصاروخي حيث يقاوم بقوة دفعه Thrust قوة ثقل الصاروخ Wight و قوة مقاومة الهواء Air resistance.
يبدأ عمل المحرك الصاروخي ببدء عمل مضخات(3) الوقود(1) والمؤكسد (2) وضخهما وسيطي التشغيل الذي يتحول إلى خليط عبر صحن الحقن ومنه إلى غرفة الإحتراق(4) وذلك بضغط مرتفع جداً.
يقوم جهاز محفز الشرار بالعمل على إصدار شرارات كهربائية مستمرة على طول فترة عمل المحرك.
تؤدي هذه الشرارات إلى حدوث إنفجار بالمزيج والذي يحث الوقود على الإنفجار أكثر هو الاكسجين أي نستنتج إن المحرك الصاروخي لا يعتمد على الاكسجين الموجود في الغلاف الجوي.
يترافق هذا الإنفجار بتشكل ضغط كبير ودرجة حرارة جداً مرتفعة للغازات والبلازما في بداية فوهة دي لافال مترافقة بسرعة دون صوتية لنواتج الإحتراق والبلازما.
في نقطة الخنق(5) في فوهة دي لافال يبدأ الإنخفاض السريع بدرجة الحرارة والضغط وترتفع سرعة الغازات و البلازما وتصل إلى سرعة الصوت.
بعد المرور بنقطة الخنق يستمر إنخفاض درجة حرارة وضغط الغازات و البلازما(6) وترتفع سرعة تدفقها لتفوق سرعة الصوت مولدةً بذلك قوة وسرعة دفع Thrust هائلة تتغلب على وزن الصاروخ وقوة مقاومة الهواء.
في المحركات الصاروخية الضخمة التي تجتاز الفضاء يوجد نظام تبريد لهذه المحركات وسيطه هو الوقود نفسه، إذ يمر الوقود على كامل جسم فوهة دي لافال ويمتص الحرارة من الجسم ليعود إلى صحن الحقن بدرجة حرارة عالية تحفّزه على الاشتعال بسرعة.
آلية عمل المحركات الصاروخية ذات الوقود الصلب
Working Mechanism of Solid Fuel Rockets
يتكون المحرك الصاروخي ذو الوقود الصلب بشكل عام من غرفة إحتراق أسطوانية الشكل(3) أو متعددة الأشكال، تكون ممتدة على كامل جسم الصاروخ تتم فيها عملية إنفجار الوقود الصلب تحوي في نهايتها على محفز شرارة كهربائية تقوم ببدء عملية الإنفجار.
تتصل غرفة الإحتراق بفوهة الصاروخ التي تبدأ بتخصر ثم تنتهي بالناشر.
يكون المقطع العرضي لشكل غرفة الإحتراق وشكل توزع الوقود بعدة اشكال تعطي كل منها قدرة محددة و بارامترات مختلفة مع مرور الزمن.
يكون الإحتراق من المركز بأتجاه الأطراف حتى الوصول إلى محيط الصاروخ الذي يتم عزله عن غرفة الإحتراق بطبقة حرارية عازلة.
تتوجه غازات الإحتراق والبلازما من كامل جسم الصاروخ بإتجاه التخصّر (المخنق) الذي يقوم بعملية تسريع الغازات والبلازما لسرعة الصوت ومنه للناشر والتي تصبح سرعتها فوق صوتية.
يتميز هذا النوع من الصواريخ بقلة تكاليف التصنيع الخاصة به مقارنةً مع الصواريخ التي تستخدم الوقود السائل.
ويستخدم هذا النوع في بعثات الفضاء التي تذهب لمرة واحدة دون رجوع (الأقمار الصناعية) أو تستخدم كمساعدة في انطلاق رحلات الفضاء بجانب المحركات الصاروخية ذات الوقود السائل.
يصعب جداً التحكم بقوة دفع ومسارات الصواريخ التي تستخدم هذا النوع من المحركات على عكس محركات الوقود السائل.
صورة توضع اشكال المقاطع العرضية لغرف الإحتراق وتوزع الوقود الصلب
والسؤال هنا هو :
ما الفرق بين المحرك الصاروخي والمحرك التوربيني ؟
كما ذكرنا سابقاً بأن المحركات الصاروخية لا تعتمد على الأكسجين والغازات الموجودة في الغلاف الجوي سواءً بعملية الدفع أو بعملية الإنفجار وهذا الذي يميزها عن المحركات التوربينية (Jet Engine) الذي تعتمد على الغلاف الجوي لتوفير عملية الإحتراق وكمائع في توليد عملية الدفع.
وبناءً على هذا نستنتج بأن المحركات التوربينية لا تعمل خارج الغلاف الجوي (الفضاء) على عكس المحركات الصاروخية التي يمكنها العمل في ظل غياب الغلاف الجوي في الفضاء لذلك هي الأكثر استخدام في وكالات الفضاء.
تصنيف المحركات الصاروخية
Classification of the Rockets Engines
حسب نوع الوقود
تصنف إلى محركات ذات وقود صلب و محركات ذات وقود سائل.
ومحركات هجينة تعتمد على النوعين.
حسب الحجم
يمكن تصنيفها لعدد كبير من الأحجام حسب الحاجة والاستخدام
(صغير جداً - صغير - متوسط - كبير - كبير جداً- ضخمة)
حسب الاستخدام
تقسم إلى
حربية، فضائية استكشافية، فضائية لمرة واحدة
قد تستخدم عدة محركات صاروخية متنوعة الأحجام في صاروخ واحد، وقد يستخدم محرك واحد ضخم في صاروخ واحد، وقد يستخدم عدة أنواع من المحركات الصاروخية في صاروخ واحد.
في النهاية نلاحظ إن المحركات الصاروخية لها قدرة كبيرة جداً على الدفع بسرعات ضخمة تفوق سرعة الصوت بعدد كبير من المراحل وقدرتها الهائلة على حمل أوزان ضخمة وقدرتها على تحمل قوى مقاومة كبيرة والتغلب عليها.
تعليقات
إرسال تعليق