كيف يولّد الصاروخ قوة الدفع، حتى في الفضاء؟
يحرق الصاروخ الوقود ويقذف الغاز الساخن من فوهته بسرعة كبيرة. دفع هذا الغاز إلى الخلف يدفع الصاروخ إلى الأمام (قانون نيوتن الثالث). ويحمل الصاروخ المؤكسد معه، لذا لا يحتاج إلى الهواء ويعمل في الفراغ.
أسئلة الطلاب وإجاباتها
إجابات موثّقة بالمصادر عن أسئلة طرحها الطلاب على SI Helper ولم يكن الموقع يتناولها بعد، حسب الموضوع: هندسة الطيران والميكانيكا المدارية والفيزياء والعلوم العامة.
عندما لا يستطيع SI Helper الإجابة عن سؤال من هذا الموقع، يُحفظ السؤال دون الكشف عن الهوية. وكل أسبوع نبحث فيه ونضيف هنا إجابة موثّقة بالمصادر. اسأل SI Helper
هندسة الطيران والفضاء ودفع الصواريخ
ما الدفع النوعي، ولماذا يُقاس بالثواني؟
الدفع النوعي (Isp) هو قوة الدفع مقسومة على وزن الوقود المستهلك في كل ثانية: Isp = F/(ṁg₀). النيوتن مقسوم على نيوتن لكل ثانية يعطي ثواني. وهو ليس زمن احتراق. كلما ارتفع Isp قلّ الوقود اللازم للدفع نفسه.
ما الفرق بين صواريخ الوقود السائل والصلب والهجين؟
السائل: يوضع الوقود والمؤكسد في خزانين منفصلين ويُضخّان إلى غرفة الاحتراق، ويعطي Isp أعلى ويمكن التحكم في قوته. الصلب: يُخلط الوقود والمؤكسد مسبقًا في كتلة صلبة تحترق من سطحها، وهو بسيط وجاهز عند الطلب. الهجين: وقود صلب مع مؤكسد سائل أو غازي، فيمكن التحكم فيه وإطفاؤه وإعادة تشغيله.
ماذا تخبرنا معادلة الصاروخ؟
معادلة تسيولكوفسكي، Δv = Vₑ ln(m₀/m_f)، تحدد مقدار ما يستطيع الصاروخ تغييره من سرعته. وتعتمد فقط على سرعة العادم وعلى نسبة الوقود من الكتلة الابتدائية. وبسبب اللوغاريتم، مضاعفة الوقود لا تضاعف Δv.
كيف تُسرّع فوهة الصاروخ غازات العادم؟
تضيق الفوهة حتى عنق تبلغ فيه سرعة التدفق سرعة الصوت، ثم تتسع ليواصل الغاز التمدد والتسارع. نسبة مساحة أكبر بين المخرج والعنق تعطي عادمًا أسرع، لكن الفوهة المصممة للفراغ تفرط في التمدد عند مستوى سطح البحر وتفقد جزءًا من الدفع.
لماذا تُبنى الصواريخ على مراحل؟
الخزانات الفارغة والمحركات وزن ميت. التخلص من كل مرحلة عند نفاد وقودها يجعل المرحلة التالية تبدأ بنسبة كتلة أفضل، فيبلغ الصاروخ Δv أكبر مما تبلغه مرحلة واحدة كبيرة.
لماذا يُحفظ الهيدروجين والأكسجين السائلان باردين جدًا؟
هما غازان في درجة حرارة الغرفة. ولتخزينهما سائلين بكثافة، تحفظ ناسا الأكسجين عند نحو −297 °F (−183 °C) والهيدروجين عند نحو −423 °F (−253 °C). الفائدة: محركات الهيدروجين والأكسجين لها أعلى Isp كيميائي. الثمن: تسرّب الحرارة يجعلهما يتبخران، لذا تحتاج الخزانات إلى عزل كبير.
كيف تعمل الدوافع الأيونية ودوافع هول، ولماذا دفعها ضعيف جدًا؟
تستخدم الطاقة الكهربائية لقذف الوقود بسرعة عالية جدًا، فتعطي Isp مرتفعًا جدًا. لكن الدفع محدود بالقدرة (F = 2ηP/Vₑ): كلما زادت سرعة العادم قلّ الدفع للقدرة نفسها. لذا تناسب المهام الطويلة الصبورة، لا الإطلاق.
ما نسبة الدفع إلى الوزن التي يحتاجها الصاروخ للإقلاع؟
أكثر من 1. عند 1 تمامًا يحوم الصاروخ في مكانه فقط. والزيادة فوق 1 تحدد تسارعه الابتدائي: a₀ = F/m − g.
هل يمكن إعادة استخدام محركات الصواريخ؟
نعم. تذكر ناسا أن محركات RS-25 طارت في 135 مهمة لمكوك الفضاء، مع أكثر من 3000 تشغيل. واليوم تدفع أربعة محركات RS-25 المرحلة المركزية لصاروخ SLS. إعادة استخدام معدات مجرّبة توفّر بناء محركات جديدة لكل رحلة.
ما الفرق بين محرك الصاروخ والمحرك النفاث؟
المحرك النفاث يتنفس الهواء: يأخذ منه الأكسجين ويستخدم الهواء نفسه غازًا عاملًا. أما الصاروخ فيحمل كل وقوده بما فيه المؤكسد، لذا يعمل في الفضاء حيث لا يعمل النفاث. النفاثات فعّالة لأنها تحرّك هواءً كثيرًا قليلًا؛ والصواريخ تعتمد على عادم سريع جدًا.
كيف أدرس دفع الصواريخ، وما المهن التي تستخدمه؟
ابنِ الأساس أولًا: التفاضل والتكامل والفيزياء والكيمياء والديناميكا الحرارية وميكانيكا الموائع وانتقال الحرارة، ثم مقرر في الدفع. مسارنا المجاني لأربع سنوات يسير بهذا الترتيب، ومقرر MIT المجاني 16.512 يتناول بعمق الصواريخ الصلبة والسائلة والهجينة. وأعمال الدفع جزء من مهن هندسة الطيران والفضاء.