The Chemical Rocket Era: Laying the Foundation for Space Exploration

وقد بدأ الضوء الفضائي بإطلاق الطاقة الكيميائية تحت المراقبة، حيث قام قراصنة مثل كونستانتين تسيولكوفسكي وروبرت غودارد وفيرنهر فون براون بتحويل المفاهيم النظرية إلى معدات عاملة، حيث أدى وجود خليط من الصواريخ الكيميائية وقود الأوكسيدي في غرفة الاحتراق إلى توليد غاز عالي الضغط وشديد الحرارة يتسع من خلال مشغل متحرك مكثف.

وظهرت فئتان رئيسيان: ]المركبات الفضائية " FLT:0 "[ " السائلة " ]FLT:1][ و، وهي مركبات مجهزة بمركبة فضائية مجهزة بالصواريخ " SBLT " ، وهي عبارة عن مركبات مجهزة بالصواريخ ذات الدفع الثابت بالنسبة للأرض، وهي تستخدم في عمليات نقل وقود فضائية مجهزة.

إن نجاح " أبولو " ، وبرنامج المكوك الفضائي، ومحركات الإطلاق الحديثة مثل فالكون 9 وأريان 6 كلها يتوقف على الصواريخ الكيميائية، ومع ذلك فهم المهندسون أن فيزياء الاحتراق تفرض حدوداً صعبة على ما يمكن للمحركات الكيميائية أن تحققه في الفضاء العميق.

الحدود الصلبة للضغط

وعلى الرغم من قوتها، فإن الصواريخ الكيميائية محدودة أساساً بكثافة الطاقة في ردود الفعل الكيميائية، إذ أن سرعة العادم القصوى مقيدة بدرجات حرارة اللهب والوزن الجزيئي لمنتجات الاحتراق، ولا يمكن أن تصل عوامل التدفق السائلة المشتركة بين الهيدروجين/الأوكسجين، أو RP-1/oxygen، أو الوقود الفلوري - إلى حد أقصى.

ويدفع هذا الصاروخ إلى اعتماد نهج كتلة الكتلة : يجب أن يكون جزء كبير من الكتلة الأولية للمركبات مدفوعاً، وتظهر معادلة الصواريخ التيسيلكوفسكي أن حتى الزيادات الصغيرة في الكتلة الحمولة تتطلب زيادات هائلة في الكتلة الدافعة.

كما تفرض قيود هندسية عملية حدوداً، إذ أن المحركات المستخدمة في المرحلة العليا من " زحل " في عام 1960 (FLT:0) (J-2() قد حققت حافزاً محدداً على الفراغ قدره 421 ثانية، بينما تبلغ أهداف السحب الجماعي الحديثة () 0.RL-10 (المستخدمة في مراحل التحميلات العليا) 450 ثانية.

Propulsion: Breaking the Chemical Ceiling

وبحلول الخمسينات، اعترف الباحثون بأن الدفع الكهربائي يمكن أن يتجاوز الحد الأقصى للطاقة الكيميائية، وبدلا من الاعتماد على الغاز الساخن، يستخدم المدافع الكهربائية الطاقة الكهربائية للتعجيل بفئات الوقود إلى مستويات أعلى بكثير من السرعة - تتراوح بين 20 و 50 كيلومترا/كتار مقارنة بحوالي 3 إلى 5 كيلومترات/كتار للصواريخ الكيميائية، ورغم أن الدافع البسيط (مليلوتونات إلى نيوتن)، فإن الدافع الكهربي المحدد يمكن أن يتجاوز 000 3 ثانية.

وتنقسم نظم الدفع الكهربائي عموما إلى ثلاث فئات هي: الطاقة الكهربائية الحرارية (الرياح والقوقانق)، والكهرباء (مدافعي الحركة)، والكهرباء (اليونيون وقاذفات الهالونات)، والأهم من ذلك هو الأجهزة الكهربائية التي تعمل بالتسارع المباشر للجسيمات المحملة في ميدان كهربائي.

كيف يعمل (إيون ثراسرز)

إن محركات الأيون هي فئة من أجهزة الدفع الكهروستاني، ويحقن غاز نبيل )أغلبه أزينون( في غرفة مؤينة تقصف بالكهرباء من ممر حار، وتقطع الإلكترونات الكهربية من الذرات، وتخلق البلازما من الأيونيات المحملة بالإيجابية، وتنتج عن ذلك شحنات عالية وتتسارع من خلال سلسلة من المحركات.

والمزية الرئيسية هي سرعة العادم الهائلة، فعلى سبيل المثال، فإن بعثة ناسا NSTAR] التي تستخدم في هي بمثابة مقياس للضغط الحاد في الفضاء 1 قد حققت ضخاً محدداً يبلغ نحو 100 3 ثانية، لأن الدافع يتناسب مع ناتج التدفق الجماعي والتدفق الكثيف المستمر.

القاعة: بديل عملي

أجهزة الدفع بالهضات (HETs) هي تكنولوجيا ذات صلة وثيقة تستخدم حقل مغناطيسي لحرق الإلكترونات، مما ينشئ منطقة ذات كفاءة عالية في التأيين دون الحاجة إلى شبكات متعددة السرعة.

Ion Thrusters in Real Missions

وكان أول استخدام ناجح لمدفع إيون للدفع الأولي هو Deep Space 1] (1998-2001) الذي تحقق من التكنولوجيا اللازمة للرحلة المشتركة بين الكواكب.

وفيما وراء مدار الأرض، تستخدم بعثة BepiColombo] (ESA/JAXA) أربعة مدافع إيون لرحلتها إلى الزئبق، توفر التفاصيل اللازمة للتدليس في المدار حول الكوكب الداخلي.

Propulsion: Heat from the Atom

وبالنسبة للبعثات التي تحتاج إلى دفعة أعلى من النظم الكهربائية وإلى كفاءة أعلى من المواد الكيميائية، فإن الدفع النووي يوفر أرضا متوسطة، ويوجد هيكلان رئيسيان هما: الطاقة الحرارية النووية والكهرباء النووية.

الصواريخ الحرارية النووية

يمكن أن تسخن الصواريخ الحرارية النووية محركاً (هيدروجين سائلاً من الناحية التقليدية) عن طريق مروره بقاعدة مفاعل نووي تصل درجات الحرارة إلى 500 2 إلى 000 3 ك. وتتوسع الهيدروجين من خلال محركات متحركة تنتج دفعة محددة تبلغ نحو 850 إلى 000 1 ثانية - مضاعفة تقريباً لأفضل محركات كيميائية.

[البرنامج الوطني للتجديد هو مرشح رئيسي للبعثات المأهولة في المستقبل إلى المريخ لأنه يمكن أن يقلل من فترات العبور بين الكواكب (وبالتالي التعرض للإشعاع) ومجموع محرك الدفع الأدنى (البرنامج الحراري) الذي يمكن أن يقطع الرحلة إلى المريخ من 8 إلى 9 أشهر (كيميائية) إلى 4 إلى 5 أشهر، والتحديات الرئيسية هي حماية المفاعلات، وسلامة الإطلاق (التخطيط لفشل الإطلاق) والتصور العام للمواد النووية في الفضاء.

:: إنتاج الكهرباء النووية

وفي مجال الدفع الكهربائي النووي، يولد المفاعل الكهرباء )عن طريق كهرباء حرائق أو تحويل توربيني( إلى محركات كهربائية تعمل بالطاقة - أيون أو محركات الهالونات، وينتج عن هذا التفكيك توليد الطاقة من الدافع، مما يتيح اندفاعا محددا جدا )٠٠٠ ٢-٥ دولار( مع توجيه معتدل، ويصبح النظام جذابا بوجه خاص بالنسبة لبعثات الشحن إلى المريخ أو للاستكشاف في الفضاء العميق حيث تصبح الطاقة الشمسية ضعيفة )أرضية(

وقد أظهر مشروع " ناسا " Kilopower] مفاعلات صغيرة للافتتاح مناسبة للفضاء، تنتج ما يصل إلى 10 كيلوواط من الطاقة الكهربائية بحجم محدد يبلغ حوالي 100 كيلوغرام لكل كيلوواط. وبالنسبة لمركبة شحن تابعة للمحطة، سيلزم إنشاء مفاعل في نطاق يتراوح بين 1 و10 ميغاواط، مما يتطلب تقدما كبيرا في أجهزة إطفاء خفيفة وتحويل الطاقة الكهربائية.

"السايلز" "الضوء"

وعلى عكس أي دفع يطرد الكتلة، تعتمد الأشرعة الشمسية على نقل الأشعة من الصور ] - الأشعة الفوقية الكبيرة، التي تتجاوز طولها 10 كيلومترات، وهي كمية من التكاثر الكيميائي غير المستقرة التي يمكن أن تصل إلى 10 كيلومترات مربعة.

(أ) [وكالة اليابان لاستكشاف الفضاء الجوي] نجحت في نشر IKAROS] أبحرت في عام 2010، مما يدل على ضبط الموقف وتسريع نحو فينوس. ] IKAROS استخدمت مقياساً طوله 20 متراً مع خلايا زراعية ذات سعة قصيرة من الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الكهربائية().

وتشمل تحديات التصميم النشر البحري (تطوير مادة فوق الثرثار في الفضاء بشكل موثوق به)، وتدهور المواد من الإشعاع فوق البنفسجي والميكروميوستير، ومراقبة المواقف (يجب أن يكون الإبحار موجهاً نحو الشمس إلى الرصيف) وبالنسبة للتطبيقات المشتركة بين النجوم، يلزم أن يكون الإبحار على بعد كيلومتر في مقياس ويمكن أن يستخدم أشعة الليزر في قوة الدفع المضافة.

المفاهيم الناشئة والمتقدمة

ويواصل الباحثون دفع حدود الدفع بمفاهيم تهدف إلى تحقيق أداء أعلى، وتقلّص أوقات العبور، والوصول إلى وجهات أبعد.

Plasma Thrusters

Magnetoplasmadynamic (MPD)).

وقد كان يمكن أن يُختبر في الوقت نفسه، في حين أنَّ من الممكن أن يُعدِّل في أثناء بعثة ما، مُعدَّل في إطار شركة أسترا روكيت، مُنَعَةً للتدفئة في الترددات الشعاعية، بحيث تُحدث خلايا خامية وأجهزة مغناطيسية، وذلك من أجل تسريع وتيرة السفر.

Electrodynamic Tethers

E-E-E-E-F-F-S-F-F-S-F-S-F-F-S-A-F-S-F-F-S-A-F-F-F-F-S-(A)

Laser and Beamed Energy Propulsion

وبالنسبة لبعثات السلائف المشتركة بين النجوم، فإن مفاهيم مثل Breakthrough Starshot] تقترح استخدام الليزر الأرضية لضغط شعاع خفيف إلى 20 في المائة من سرعة الضوء، وهذا يتطلب مجموعة تدريجية من الليزرات الخافتة ومواد بحرية قادرة على البقاء على ارتفاع الإشعاعات الشديدة - مثل المرآة النجمية الواعدة " .

وبالنسبة للاستخدام بين الكواكب، يمكن أن تدفع الطاقة المُبَوَّلة " بالعجلات " إلى السرعة العالية باستخدام الموجات الدقيقة أو طاقة الليزر، Pennywise ] (جامعة كاليفورنيا) تقترح إبحاراً رقيقاً يستوعب الضوء الليزري والحرارات التي تُدفع إلى درجة حرارة عالية، مما يؤدي إلى دفعة محددة تصل إلى 000 1 ثانية.

الوقود ومكافحة التخصيب

ويمكن أن يُسجّل الدفع بالوقود الطاقة من ردود فعل الاندماج النووي إلى محرك حراري أو ينتج مباشرة دفعة، كما أن مشاريع مثل دحر الوقود الحشري [مختبر الفيزياء البرنسية] تهدف إلى تطوير محركات صمامات تستخدم وقود الديوتروم - 3 لإنتاج 1-10 ميغاواط من الدافع.

إن انتشار مضادات الارتحال، وإن كان نظرياً فقط، يوفر أعلى كثافة ممكنة في الطاقة، ويحوّل كل شيء إلى الطاقة، كما أن جراماً من الارتداد المضاد للصدمات الحرارية، يتفاعل مع المواد العادية، ويُطلق نحو 90 تيراجولاً، أي ما يعادل سلاح نووي صغير، أما بالنسبة للدفع، فإن الطاقة يمكن أن تُدرِّب مباشرة عن طريق منتجات الإبطال (الخام، أشعة غاما).

بناء المستقبل: نظم التنفيذ المتكاملة

إن تطور تداول المركبات الفضائية يعكس طموح البشرية المتزايد في استكشافه، إذ أن الصواريخ الكيميائية فتحت الباب للمدار والقمر؛ والدفع الكهربائي يتيح الآن زيارات موسعة للآليات والمذنبات والكوكب الخارجية، ويمكن للأبحار الحرارية النووية والشمسية أن تقطع فترات السفر إلى المريخ وما بعده، وتتطلب كل خطوة مزيجاً من الدافع والكفاءة والتعقيد والتكلفة.

كما أن المركبة الفضائية الحديثة تبين بالفعل هذا النهج الهجين، بينما تستخدم مركبات الأطقم الزائرة الدفع الكيميائي للمرور العابر.

(ب) فهم مجموعة أدوات الدفع يساعد المهندسين على تصميم البعثات التي تزيد إلى أقصى حد من عائد العلوم في حدود الميزانيات العامة والمؤقتة المتاحة، والدفع الجاري نحو زيادة الحفز المحدد والعمر التشغيلي الأطول من الوكالات الحكومية (وكالة الفضاء الأوروبية، ووكالة الفضاء اليابانية) والشركات الخاصة، وبما أن هذه التكنولوجيات ناضجة، فإن رحلات الشحن الروتينية إلى القمر، وتجميع البعثات إلى المريخ، والمستكشفين الآليين إلى الانتقال إلى حيز فضائي متداخل إلى واقع أقرب.

  • Chemical rockets]: essential for launch, high momentum, low efficiency (specific impulse:300-450 s).
  • Ion pushers]: high efficiency (3,000+ s), low momentum, excellent for deep-space and station-keeping.
  • Nu clear thermal]: معتدل (~50 kN), high efficiency (850-1,000 s), promising for Mars missions.
  • Solar sails]: no propellant, continuous low momentum, unlimited delta-v, interstellar potential.
  • Emerging electric concepts]: MPD, VASIMR, laser sails, electrodynamic tethers-aiming for higher performance.

إن تاريخ الدفع هو قصة تتغلب على الحدود المادية من خلال الإبداع، وكل فتحة تفكك وجهات جديدة، والجيل القادم من الحركات سيحمل البشرية أبعد مما يمكن أن يصل إليه أي صاروخ كيميائي وحده، وستظل التطلعات للاستكشاف قاهرة اليوم كما كانت في حقبة الصواريخ الرائدة، واستخدام الموارد، والدافع الحقيقي إلى الدفع هنا.