You are currently viewing دفع المركبات للكواكب والغلاف الجوي

دفع المركبات للكواكب والغلاف الجوي

آليات الإطلاق

تجربة ناجع لفكرة المركبة الخفيفة، نوع من أنواع الدفع باشعة ٫ات طاقة،

الدفع العالي أمر ذا أهمية لإطلاق الأرض ويجب أن تكون قوة الدفع أقوى من الوزن وتعطي العديد من طرق الدفع المذكورة اعلاه نسبة الدفع / الوزن أقل بكثير من 1 إذ لا يستطيع استخدامها، وتستخدم جميع المركبات الفضائية محركات صورايخ كيميائية ( الإندفاع الثنائي أو العمل بالوقود الصلب) للدفع فمصادر الطاقة الاخرى كالنووي المقترحة والمختبرة على أنها أمانه قد تقلت اعتباراتها السياسية والبيئية لاستخدامها حتى الآن،

الميزة الواحدة في اطلاق المركبة الفضائية هي توفر البنية التحتية في الأرض لمساعدتها تشمل آليات الإطلاق الفضائي المفترض لغير الصواريخ المبني على الأرض:

  • مصعد الفضاء ( حبل ثابت بالنسبة للأرض إلى المدار )،
  • حلقة الإطلاق ( حلقة مغلقة دورية سريعة جدا بطول 80 كم )،
  • نافورة الفضاء (مبنى طويل جدا عقد بتيار من الكتل أطلقت من القاعدة )،
  • الحلقة المدارية (حلقة حول الأرض مع مكابح تتدلى خارج المحامل )،
  • خطاف سمائي بسرعة مفرطة ( حبل مداري يدور بسرعة )،
  • منجنيق كهرومغناطيسي ( بندقية كهربائية)،
  • مزلقة إطلاق صواريخ،
  • بندقية الفضاء ( مشروع HARP مسرع رام ) (بندقية تعمل بالطاقة الكيميائية )،
  • صواريخ دفع تعمل بالطاقة الإشعاعية وطائرات تعمل بالطاقة من الأرض عن طريق الإشعاع،
  • منصات عالية الإرتفاع لمساعدة المرحلة الأولى،
  • المنطاد المداري،

المحركات التي تتنفس الهواء

أظهرت الدراسات أن المحركات المألوفة التي تتنفس الهواء مثل المحرك النفاث بالوقود (رامجيت) أو المحرك النفاث العنفي (توربوجيت) تكون ثقيلة جدا (لديها نسبة دفع على وزن منخفضة جدا) بحيث أنها لن تعطي أي تحسن ملحوظ في الأداء حين يتم تركيبها على مركبة الإطلاق، مع ذلك، يمكن أن تطلق مراكب الإطلاق من الهواء من مراكب حمل منفصلة (مثلا: بي-29، صاروخ بيغاسوس ووايت نايت) تستعمل هذه المنظومة في الدفع من الممكن استعمال محركات نفاثة مركبة على سكة إطلاق،

من ناحية أخرى تم اقتراح محركات خفيفة الوزن أو سريعة جدا لاستغلال الهواء خلال الصعود،

  • سابري: محرك توربو نفاث خفيف الوزن مزود بوقود من الهايدروجين مع مبرد مسبقا

أتريكس: محرك توربو نفاث خفيف الوزن مزود بوقود من الهايدروجين مع مبرد مسبقا

  • محرك دورة الهواء السائل: محرك نفاث مزود بوقود من الهايدروجين يقوم بتسييل الهواء (يجعله سائل) قبل حرقه في محرك الصاروخ،
  • النفاثة الحفص-صدمية: محركات نفاثة تستعمل إحراق فوق الصوت،

مركبات الإطلاق الصاروخي العادية تحلق عمودي “تقريبا” قبل أن تعتدل أو تستوي أفقيا على ارتفاع يصل إلى بضع عشرات من الكيلوميترات قبل الإحراق الجوانب للدوران هذا الصعود العمودي الأولي يستهلك الوقود لكنه الأمثل حيث أنه يقلل مقاومة الهواء بشكل كبير،

تحرق المحركات الهوائية أو المحركات النفاثة الوقود بكفاءة عالية جدا وهذا يسمح بمسار انطلاق أكثر استواء بكثير المركبات تحلق عادة بشكل تماسي تقريبا مع سطح الأرض حتى تغادر الغلاف الجوي ثم تقوم بحرق صاروخ لتقريب فارق السرعة الأخير -دلتا في- من السرعة المدارية،

الوصول والإقلاع على سطح الكوكب

نسخة تجريبية لنظام أكياس الهواء لمركبة باثفايندر المتجهة للمريخ

حين توشك المركبة على الدخول إلى مدار الكوكب الذي ستنزل اليه أو إلى وجهتها المحددة عندما يحين وقت الإقلاع يجب تعديل مقدار سرعتها ويمكن فعل ذلك من خلال جميع الطرق المذكورة أعلاه (مما توفر قوة كافية من الدفع) لكن يوجد بعض الطرق التي تستفيد من الغلاف الجوي أو المسطحات،

  • كابح الدفع الهوائي يسمح للمركبة الفضائية الحدّ من نقطة ارتفاع المدار الأهليلجيي البيضاوي بواسطة فرش المتكررة مع الغلاف الجوي عند نقطة منخفضة للمدار ويمكن أن يتم تخزين كمية هائله من الوقود حيث أنها تأخذ نسبه قليله من الديلتا-في للدخول للمدار البيضاوي مقارنة بالمدار الدائري وبما أن الكبح يعمل به على عدة مدارات فإن التدفئة ثانويه نسبيا والدرع الواقي للحرارة غير مطلوب وتم العمل به في عدة بعثات إلى المريخ وتم إستخدامه في عدة مهمات إلى المريخ مثل مهمة مسح المريخ العالمية ومارس اوديسي ومسبار نارس ريكونيسيانس ومهمة فينيوس ماجلان،
  • اللاقط الهوائي يُعتبر أكثر من مناور هجومي، يقوم بالتحويل من المسار الإطنابي إلى مسار إهليجي في مدار واحد هذا يتطلب أوقية حرارية والمزيد من الملاحة الدقيقة في حال لابد أن تكون كاملة في عبور واحد خلال الجو والفرملة الطيرانية الغير متساوية لاتُوجد مشاهدة ممكنة للجو إذا كان الهدف للبقاء في مدار إذن على الأقل دفعة مناورة زائدة مطلوبة بعد اللاقط الهوائي في حالة آخرى النقطة الأقل للمدار الناتج ستبقى في الجو نتيجة إعادة الدخول النهائي،

اللاقط الهوائي لم يسبق له حتى الآن المحاولة لمهمة كوكبية لكن إعادة الإدخال تجاوز منطقة ستة ومنطقة سبعة في عودة القمر حيث مناورة اللاقط الهوائي منذ عودتهم حولوا المسار الإطنابي إلى مسار إهليجي في هذه المهمات منذ كان هناك لامحاولة لإحياء الحضيض القمري بعد الاقط الهوائي فالمدار الناتج متقاطع مع الجو وإعادة الإدخال ظهرت في الحضيض القمري المجاور،

  • الباليوت هو أداة كبح بسحب الهواء
  • المظلات حيث يمكن أن يهبط مسبار على كوكب أو قمر عبر الغلاف الجوي عادةً بعد تنقية الغلاف الجوي بإستخدام درع واقي من الحرارة
  • الوسائد الهوائية من الممكن أن تخفف الهبوط النهائة،
  • الكابح أو التوقف ببساطة من تحطيم الهدف، عادةً يتم عن طريق الصدفة ومع ذلك فإن من الممكن القيام بذلك عن قصد مع التحقيق المتوقع من البقاء على قيد الحياة (انظر، على سبيل المثال، الفضاء السحيق 2) في هذه الحالة الإستقصاء المتين والنهج منخفض السرعات هي المطلوبة،

الطرق الإفتراضي

هي مجموعة متنوعة من تقنيات الدفع الإفتراضية تم النظر إليها ودراستها والتي تتطلب مبادئ جديدة كليا في الفيزياء حتى تتحق وقد لا تكون موجودة حتى الآن مثل هذه الطرق تتسم بالمضاربة وتشمل،

  • محرك قطري ،
  • محرك النقز والتحيز ،
  • محرك الانفصال،
  • محرك ألكوبيير ( شكل من أشكال محرك الاعوجاج)،
  • الشراع التفاضلي،
  • الثقوب الدودية، ممكن من الناحية النظرية لكن من ناحية الممارسة العملية غير قابل للتحقق مع التكنولوجيا الحالية
  • تأثير وودوارد،
  • محرك بدون رد فعل، يكسر قانون “حفظ الزخم” من المستحيل نظريا،
  • محرك إم/ يحاول الإلتفاف على قانون الحفاظ على الزخم قد يكون من المستحيل نظريا،
  • صاروخ فوتون
  • محرك الفضاء العالي، محرك يستند على نظرية هايم،
  • مكرونيوتن دافع كهرومغناطيسي، يدعي إمكانية الحصول على الدافع بالطاقة الكهرومغناطيسية عن طريق فقدان الزخم الخطي،

تم العثور على تقييم لوكالة ناسا في مارك ج ميليس في مقالة “تقييم التقدم العلمي للدفع المحتمل” (2005) وهو يقدم نظرة عامة على البحوث في وكالة ناسا في مشروع “فتوحات جديدة في فيزياء الدفع”،

جدول الطرق

وهنا ملخص لبعض التكنولوجيات الأكثر رواج وتطور، ويتبعها أساليب فكرية متزايدة وهناك أربعة أساليب

أولاً سرعة العادم الفعال وهو السرعة المعادلة التي يترك بها الإندفاع المركبة وهذه ليست بالضرورة أهم خاصية لأسلوب الدفع ولكن يكون الدفع واستهلاك الطاقة وعوامل أخرى أهم الخصائص ولكن،

  • إذا كانت الدلتا-v أكبر بكثير من عادم السرعة فمن الضروري جدا وجود كميات كبيرة من الوقود
  • إذا كان عادم السرعة أكبر بكثير من الدلتا-v فهي بحاجة لطاقة أكثر نسبيا أما إذا كانت الطاقة محدودة كما هو الحال مع الطاقة الشمسية فهذا يعني أن الرحلة ستستغرق نسبيًا وقتا أطول،

الثانية والثالثة هي كميات نموذجيه من الدفع وحرق الوقت النموذجي للطريقة خارج الجاذبية كميات صغيرة محتملة لتطبيق الدفع على مدى فترة طويلة وسوف يعطي نفس تأثير الكميات الكبيرة اعتبارا من الدفع خلال فترة قصيرة (لا تنطبق هذه النتيجة عندما يتأثر كائن بشكل كبير من الجاذبية)

الرابع هو الحد الأقصى دلتا الخامس هذه التقنية يمكن أن تعطي بالنسبة للصواريخ مثل أنظمة أجهزة االدفع هي وظيفة جزء من الشامل وسرعة العادم، الجزء الشامل للصواريخ مثل الأنظمة هي عادة محدودة بنظام الوزن والدفع ووزن الصهاريج ولنظام تحقيق هذا الحد ونموذجية الحمولة النافعة تحتاج إلى أن تكون نسبة مئوية ضئيلة من المركبة وبالتالي فإن الحد العملي على بعض الأنظمة يمكن أن يكون أقل من ذلك بكثير،

طرق الدفع
الطريقةسرعة الفع الفعالة(كم/ث)!الدفع(ن)!فترة الأنطلاقأقصى دلتا خمسةمستوى الأستعداد التقني
صاروخ وقود صلب<~ 2،5<~ 107دقائق~ 79:برهنة طيرانية
صاروخ متليندقائق> 39:برهنة طيرانية
صاروخ دفع أحادي1 – 3

0،1 – 100

ميليثانية -دقائق~ 39:برهنة طيرانية
صاروخ وقود سائل<~ 4،4<~ 107دقائق~ 99:برهنة طيرانية
دافع أيوني الكسترستاتيكي15 – 210
أشهر/سنوات> 1009:برهنة طيرانية
دافع هيت8–50
أشهر/سنوات> 1009:برهنة طيرانية
صاروخ دفع مقاوم2–610−2–10دقائق?8:مؤهلة للطيران
صاروخ أركدجت4–1610−2–10دقائق?8:مؤهلة للطيران
دفع مجال ابعاث كهربائي (FEEP)100
–13010−6

–10−3

أشهر/سنوات?8:مؤهلة للطيران
دافع بلازمة نابضة (PPT)~ 20~ 0،1من 2000 وحتى 10000 ساعة?7:عرض نموذج في الفضاء
صاروخ دفع ثنائي التشغيل1 – 4،70،1 – 107ميليثانية -دقائق~ 3 – 97:عرض نموذج في الفضاء
أشرعة شمسية299792:Light
ريح شمسية
9/km2 at 1 وحدة فلكية
230/km2 at 0،2AU
10−10/km2 at 4 سنة ضوئية
غير محدد> 409:برهنة تجربة طيران في ضغط جو خفيف
6:تطبيق فضائي
5:برهنة في تشريع خفيف
صاروخ ثلاثي الدفع2،5–5،3

0،1–107

دقائق~ 96:Prototype برهنة نموذج على الأرض
دفع بلازمي مغناطيسي ديناميكي(MPD)20–100100أسابيع?6:تجربة نموذج 1 في الفضاء
صاروخ حرارة نووية9

107دقائق

 

> ~ 206:برهنة نموذج على الأرض
دوافع كتلة0–~30104–108أشهر?6:تجربة نموذج 32أم جاي على الأرض
دافع ثيلرN/A1–1012دقائق~ 76:نموذج 31،7 في الفضاء in space
صاروخ مدمج هوائي5–60،1–107ثواني – دقائق> 7?6:تجربة نموذج على الأرض
محرك دوران هواء سائل4٫5103–107ثواني – دقائق?6:تجربة نموذج على الأرض
دافع استقراضي نابض (PIT)10

–80

20أشهر?5:برهنة عنصر في الفضاء
صاروخ نبض محدد متغير بالبلازمة الممغنطة (VASIMR)10–300

40–1,200

أيام – أشهر> 1005:برهنة عنصر 200 كو في الفضاء
دفع مكبر لمجال مغناطيسي نابض10–1300،1–1أيام – أشهر> 1005:برهنة عنصر في الفضاء
صاروخ حرارة شمسية7–121–100أسابيع> ~ 204:برهنة عنصر في المختبر
صاروخ راديو أيزوتوبي7–8
1،3–1،5أشهر?4:برهنة عنصر في المختبر
صاروخ كهراء نوويةVariableVariableمتغير?4:برهنة عنصر400 كو في المختبر
مشروع أوريون20–100109–1012عدة أيام~30–603:مبرهنة – أثبات فكرة 900كغ
مصعد الفضاءN/AN/Aغير محدد> 123:مبرهنة – أثبات فكرة
محرك انفعاليSABRE
30/4،50،1–107دقائق9٫43:مبرهنة – أثبات فكرة
أشرعة مغناطيسيةريح شمسية70/40طن
غير محدد?3:مبرهنة – أثبات فكرة
دافع مغنطيس داؤري مصغر200~1 N/kWأشهر?3:مبرهنة – أثبات فكرة
لايزر/أشعة طاقةVariableVariableمتغير?3:مبرهنة – أثبات فكرة 71 م
حلقة انطلاق/حلقة مداريةN/A~104دقائق>>11–302:تطبيق معادلة الفكرة التقنية
محرك نبض نووي (مشروع دايدالوس20–1,000109–1012سنوات~15,0002:تطبيق معادلة الفكرة التقنية
صاروخ ذو قلب غازي10–20103–106??2:تطبيق معادلة الفكرة التقنية
صاروخ ماء مالح نووي100103–107نصف ساعة?2:تطبيق معادلة الفكرة التقنية
شراع انشطاري????2:تطبيق معادلة الفكرة التقنية
صاروغ مشرذمات انشطارية15٬000???2:تطبيق معادلة الفكرة التقنية
صاروخ فوتوني نووي299٬79210−5–1سنوات – عقود?2:تطبيق معادلة الفكرة التقنية
صاروخ اندماجي100–1,000
???2:تطبيق معادلة الفكرة التقنية
دفع نووي بنبض حافز200–4,000?أيام – أسابع?2:تطبيق معادلة الفكرة التقنية
صاروخ مضاد للمادة10,000–100,000
???2:تطبيق معادلة الفكرة التقنية
رامجيت بوسارد2،2–20,000?غير محدد~30,0002:تطبيق معادلة الفكرة التقنية
الطريقةسرعة الدفع الفعالة(كم/ث)!الدفع(ن)!فترة الأنطلاقأقصى دلتا خمسةمستوى الأستعداد التقني

الاختبار

تختبر أنظمة دفع المركبة الفضائية أولا بشكل ثابت على سطح الأرض داخل نطاق الغلاف الجوي، ولكن العديد من الأنظمة تتطلب فجوة فارغة للاختبار بشكل تام، وتختبر الصواريخ على مرفق اختبار محرك الصواريخ بشكل جيد وبعيد عن الإسكان والمباني الأخرى لأسباب أمنية، وتعتبر محركات أيون أقل خطر وتتطلب القليل من السلامة وعادةً الفجوة الفارغة الكبيرة هي المتطلبة فقط،

ويمكن إيجاد أشهر موقع اختبار ثابت في مرافق اختبار الصواريخ الأرضية، وبعض الأنظمة لا يمكن اختبارها على الأرض بشكل كاف ويمكن استخدام اختبار إطلاق الصواريخ في موقع الإطلاق،

اترك رد