logo

logo

logo

logo

logo

الصاروخ

صاروخ

Rocket - Fusée

الصاروخ

 

كان الصينيون أول من قام بإطلاق صاروخ Rocket عام 1232 باستخدام البارود الأسود وقوداً، تلاهم العرب والمغول الذين استخدموا الصواريخ في معاركهم، ثم انتقل استخدام الصواريخ وتطويرها إلى أوربا ابتداءً من منتصف القرن الرابع عشر، ولكن دون الاهتمام بمدى الصاروخ ودقته. وفي عام 1847 تم تطوير الصاروخ المستقر دورانياً spin stabilized. وفي عام 1942 تم إطلاق الصاروخ الألماني V-2 الذي يستخدم الوقود السائل (أكسجين سائل وكحول) وبلغ مداه نحو 190 كم. وفي عام 1957 تم إطلاق أول قمر صناعي سوفييتي (سبوتنيك) باستخدام محرك دفع صاروخي. ونجد الآن طيفاً واسعاً من الصواريخ التي تستخدم الوقود الصلب أو الوقود السائل أو كليهما لمختلف الاستخدامات العسكرية وغزو الفضاء.

الصاروخ بشكل عام منظومة معقدة تتألف من المركبات الرئيسة التالية:

الشكل (1)

ـ محرك دافع والوقود الدافع.

ـ نظام التحكم والتوجيه

ـ الهيكل وآليات فصل المراحل

ـ الحمل المفيد

ـ نظام التغذية الكهربائية

ـ جنيحات الاستقرار

ـ معادلة حركة الصاروخ

يقوم محرك الدفع بتوليد قوة الدفع اللازمة لإجبار الصاروخ على التسارع، وإيصاله إلى سرعته النهائية المطلوبة قبل انتهاء عمل المحرك الدافع، وذلك عن طريق إجبار غازات احتراق الوقود والمؤكسد على الخروج بسرعة كبيرة من مؤخرة الصاروخ مما يجعله ينطلق ويتسارع بالاتجاه المعاكس وفق مبدأ الفعل ورد الفعل (الشكل ـ 1).

لنفرض أن كتلة الصاروخ في لحظة t تساوي m، وأن سرعته بالنسبة إلى الأرض هي v، ولنفرض أنه في لحظة تالية  t+Δt خرج من مؤخرة الصاروخ كمية الغازات (Δ m) بسرعة Uex بالنسبة إلى الصاروخ، أي إن سرعة الغازات المنطلقة بالنسبة للأرض تساوي v - Uex، ونتيجة لذلك تزداد سرعة الصاروخ لتصبح v +Δv وتنقص كتلته لتغدو m - Δm.

تبلغ كمية الحركة الابتدائية للصاروخ في اللحظة t المقدار Pi = m.v أما كمية حركته النهائية في اللحظة t +Δt فتساوي 

وإذا أهملنا الحد Δm. Δv نظراً لصغره، تكون كمية الحركة قد تغيرت بما يساوي:

واستناداً إلى قانون نيوتن في التحريك، الذي يربط بين تغير كمية الحركة وقوة الدفع الناتجة Fext نكتب:

أو

وإذا جعلنا DΔt صغيرة جداً أمكننا إبدال DΔm و DΔv بـ dm و dv وتتحول العلاقة أعلاه إلى المعادلة التفاضلية:

وتعرف هذه العلاقة بمعادلة الصاروخ rocket equation وهي تربط بين قوة الدفع وتغير سرعة الصاروخ وكتلته.

معادلة حركة الصاروخ في حقل الثقالة الأرضية

إذا فرضنا أن الصاروخ ينطلق من سطح الأرض حيث التسارع الأرضي g، وإذا أهملنا تغير قيمة g مع الارتفاع ، وأن معدل احتراق الوقود ثابت (وهذا محقق في صواريخ الوقود السائل)، وأن mi هي كتلة الصاروخ الابتدائية (بما فيها الوقود) و mf كتلة الصاروخ بعد احتراق الوقود، فإننا نجد انطلاقاً من معادلة الصاروخ:

حيث تمثل a تسارع الصاروخ (m/s2).

وإذا فرضنا vi سرعة الصاروخ الابتدائية و mi كتلة الصاروخ والوقود الابتدائية، و vf و mf السرعة والكتلة النهائية للصاروخ، أمكننا بمكاملة طرفي العلاقة أعلاه كتابة ما يأتي:

وذلك بافتراض tb زمن احتراق كامل الوقود.

وعند انطلاق الصاروخ من الأرض تكون سرعته الابتدائية vi معدومة. وتبلغ سرعة الصاروخ عند انتهاء زمن الدفع tb القيمة:

ويجب أن نذكر هنا أن مقاومة الهواء لحركة الصاروخ لم تراع في المعادلة السابقة، لأن سرعة الصاروخ في طبقات الهواء الكثيفة تكون صغيرة، وتزداد قيمتها بتناقص كثافة الهواء. علماً أن مقاومة الهواء R تعطى بالعلاقة:

حيث:

CD ثابت يتعلق بشكل الصاروخ.

كثافة الهواء في النقطة التي يكون فيها الصاروخ وتتعلق بالارتفاع عن سطح الأرض.

A مساحة المقطع العرضي للصاروخ.

v سرعة الصاروخ.

وإذا أخذنا مقاومة الهواء بعين الاعتبار فإن معادلة تسارع الصاروخ تأخذ الشكل المعقد التالي:

والتي يجري حلها عادة بشكل عددي.

معادلة حركة الصاروخ في الفضاء الخارجي

تنعدم مقاومة الهواء في الفضاء الخارجي وتصبح الجاذبية الأرضية g صغيرة ولذلك تأخذ معادلة الصاروخ الشكل المبسط الآتي:

الصاروخ متعدد المراحل

نلاحظ من العلاقة السابقة أن سرعة الصاروخ تتعلق بكل من الكتلة الابتدائية mi والنهائية mf. ولزيادة السرعة النهائية يتم اللجوء إلى استخدام الصواريخ متعددة المراحل حيث تقوم المرحلة الأولى بدفع كامل الصاروخ الذي يتألف من عدة مراحل، وعند انتهاء عمل المرحلة الأولى يتم فصلها والتخلص من كتلتها، ويقوم محرك المرحلة الثانية بدفع كتلة المراحل اللاحقة فقط وهكذا.

تصنيف المحركات الصاروخية

ـ محركات الوقود الصلب:

تستخدم في المحركات التي تعمل على الوقود الدافع الصلب propellant حشوة دافعة صلبة. تتركب في الأنواع الحديثة منها، من مزيج من أحد أنواع الوقود المركب (بولي فينيل PVC، بولي يوريتان PU، بولي بوتادين HTPB) ومن مؤكسد، غالباً ما يكون بركلورات الأمونيوم الذي يطلق عند احتراقه الأوكسجين اللازم لحرق الوقود. وهناك بعض المضافات التي تستخدم عند تصنيع الحشوة لتحسين أداء الاحتراق.

يتألف المحرك الدافع الصلب من المركبات الرئيسة التالية كما هو واضح في الشكل (2):

الشكل (2)

 

ـ غلاف المحرك motor case الذي يحتوي على الحشوة الدافعة ويلعب دور حجرة الاحتراق، ويتميز بمقاومة ميكانيكية عالية تتحمل ضغط الاحتراق الذي قد يصل إلى 150ضغط جوي ولمدة طويلة نسبياً قد تصل إلى مئات الثواني.

ـ الحشوة الدافعة grain وهي إما أن تتوضع بشكل حر داخل غلاف المحرك free grain أو أن تكون ملتصقة به bonded grain.

ـ المشعّل igniter الذي يقوم بتوليد كمية من الغازات تعمل بدورها على إشعال الحشوة الدافعة.

ـ النافث nozzle الذي تخرج عبره غازات الاحتراق، ويكون لهذا النافث شكل متقارب متباعد بحيث يسمح لغازات الاحتراق بالتمدد إلى سرعات فوق صوتية لتوليد الدفع اللازم.

يتم تحديد أداء الوقود الدافع من خلال دفعه النوعي (specific impulse) SI والذي يعرّف بأنه حاصل قسمة الدفع الكلي للمحرك   Fdt  مقسوماً على وزن الوقود الدافع وواحدته واحدة زمن أي الثانية. وتراوح قيمة هذا الثابت بين 200 للأنواع القديمة من الوقود الدافع و 260 بالنسبة للأنواع الحديثة.

وللحشوة الدافعة عادة ثقب داخلي على كامل طولها حيث يبدأ الاحتراق تمر عبره غازات الاحتراق الناتجة، وغالباً ما يكون لهذا الثقب شكل نجمي لتوفير سطح احتراق يؤمن مخطط الدفع المطلوب.

ـ محركات الوقود السائل:

الشكل (3) الشكل (4)

يستخدم في المحركات التي تعمل على الوقود السائل وقود ومؤكسد سائلان محفوظان في خزانين منفصلين داخل الصاروخ (الشكل ـ3).

إن أكثر أنواع الوقود السائل انتشاراً هو الكيروسين، وتستخدم بعض أنواع الصواريخ الحديثة وقوداً ذا طاقة أعلى مثل الهيدراسين والهدروجين السائل. أما المؤكسد فغالباً ما يستخدم حمض الآزوت أو الأكسجين السائل.

يُضخ كل من الوقود والمؤكسد بشكل منفصل ويرذذان في حجرة احتراق المحرك بعد تمريرهما في أقنية محيطة بالنافث؛ لتسخينهما من جهة ولتبريد جدار النافث من جهة ثانية. تنطلق غازات الاحتراق بدرجة حرارة عالية وضغط مرتفع وتخرج من مؤخرة الصاروخ عبر فوهة النافث. تستخدم محركات الوقود السائل عادة في الصواريخ الكبيرة.

ـ محركات الوقود الهجين:

يتميز هذا النوع من المحركات بأنه يجمع بين مميزات كل من محركات الوقود الصلب والوقود السائل، وفيه يتم استخدام حشوة من الوقود الصلب عالي الطاقة تكون مسكوبة في أسطوانة محرك الصاروخ، تجهز بفتحة داخلية يتم فيها ترذيذ المؤكسد السائل، حيث يحدث الاحتراق. ويتوقف احتراق الحشوة عند إيقاف ضخ المؤكسد السائل وترذيذه، كما يتم التحكم بالدفع عن طريق التحكم بمعدل تدفق المؤكسد (الشكل ـ 4).

ـ محركات الدفع النووي:

الشكل (5) الشكل (6)

يستخدم في هذا النوع من الصواريخ التفاعل النووي للحصول على الحرارة اللازمة لتسخين الوقود (هدروجين سائل) إلى درجات حرارة مرتفعة، مما يؤدي إلى ارتفاع ضغطه. ويمر بعد ذلك عبر نافث متقارب متباعد لتمديد غاز الهدروجين وتحويل طاقته الداخلية إلى طاقة حركية فينطلق الهدروجين من فتحة النافث بسرعات كبيرة جداً. يتم ضخ الهدروجين السائل بوساطة وسادة من غاز الهيليوم تحت ضغط مرتفع. ويجري التحكم بدرجة حرارة المفاعل عن طريق تحريك قضبان التحكم في المفاعل النووي (الشكل ـ 5).

ـ محركات الدفع الكهربائي:

في هذه المحركات يتأين الغاز نتيجة تسخينه إلى درجات حرارة عالية، ثم تمرر هذه الأيونات عبر شبكة يطبق عليها فرق كمون مرتفع مما يؤدي إلى تسارعها إلى سرعات كبيرة جداً مولدة الدفع اللازم. إذا تم استخدام وقود دافع من ذرات أحادية العنصر مثل السيزيوم أو الزئبق يكون المحرك عندئذ محرك دفع أيوني. أما إذا كانت الكتل المتسارعة جزيئات صغيرة جداً أو مجموعة جزيئات فيكون المحرك عندئذ محرك دفع كهركيميائي.

لا تستخدم هذه الأنواع من المحركات إلا في الفضاء الخارجي بسبب صغر القوة الدافعة التي تولدها.

6ـ محركات الدفع الهيدروديناميكي المغنطيسي:

يتميز هذا النوع من المحركات ببساطته مقارنة بمحركات الدفع الكهربائي وبتوليد قوى دافعة أكبر بكثير. يتم توليد القوة الدافعة من خلال التأثير المتبادل للحقل المغنطيسي الذي يولده تيار كهربائي يمرر عبر الوقود الذي يأخذ شكل غاز وبين حقل مغنطيسي يولده مغنطيس (الشكل ـ 6).

توجيه الصاروخ

يهدف توجيه الصاروخ إلى المحافظة على مسار معين وإيصاله إلى نقطة محددة وبدقة مطلوبة، وهذا هو التحدي الرئيسي الذي يواجه تطوير صناعة الصواريخ.

ثمة طرق عدة لتوجيه الصواريخ أهمها:

ـ التوجيه العطالي inertial navigation : وهو يعتمد على حساسات عطالية (مدوارات[ر] (جيرسكوبات) وحساسات تسارع) يتم من خلالها تحديد الموقع الفعلي للصاروخ ومقارنته بالموقع الاسمي المطلوب. وعند وجود أي اختلاف تنطلق من نظام التحكم إشارات تصحيحية إما إلى جنيحات استقرار الصاروخ، أو إلى النافث الدافع أو إلى محركات دافعة جانبية صغيرة.

ـ التوجيه بالتبييت :homing ينطلق الصاروخ هنا على مساره بتوجيه عطالي، وقبل وصوله إلى الهدف يتم تفعيل نظام تبييت يتعرف على الهدف؛ إما عن طريق بصمته الحرارية التي تتحسسها كاميرا حرارية مركّبة على رأس الصاروخ، أو عن طريق بصمته الرادارية، أو بوساطة شعاع ليزري ينعكس على الهدف، أو بوساطة صورة تلفزيونية تلتقطها كاميرا مركّبة على رأس الصاروخ.

ـ التوجيه بالأقمار الصناعية(GPS): يخزّن هنا المسار الاسمي للصاروخ في ذاكرته، ويتم تحديد إحداثياته باستمرار عن طريق الاتصال بالأقمار الصناعية المخصصة لتحديد الموقع وذلك عبر نظام تحديد احداثيات يعرف باسم Global Positioning System ويرمز له اختصاراً GPS. ويولّد أي اختلاف بين القيم الاسمية والقيم الفعلية للمسار أمرا تصحيحياً.

معن العظمة

الموضوعات ذات الصلة:

 

الجيروسكوب.

 

مراجع للاستزادة:

 

- P.A.Tipler, Physics for Scientists and Engineers, 3rd edition,1991 ex­tended version (Worth Publishers).

- Rocket and Spacecraft Propulsion: Prin­ci­ples, Practice and New De­vel­opments (Springer-Verlag UK April 2000).


التصنيف : الكيمياء و الفيزياء
النوع : علوم
المجلد: المجلد الثاني عشر
رقم الصفحة ضمن المجلد : 7
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 773
الكل : 60404021
اليوم : 58957

التبرعم الحيواني

التبرعم الحيواني   التبرعم الحيواني طريقة تكاثر غير جنسية، تؤدي إلى تكوين متعضية مماثلة للكائن الأصل، أو إلى مستعمرة جديدة، انطلاقاً من مجموعة من الخلايا أو النسج المختلفة. ويمكن تمييز ثلاثة أنماط من التبرعم: تبرعم النمو، وتبرعم التكاثر، وتبرعم المقاومة.
المزيد »