كيف يعمل صاروخ الدفع الصلب

تتضمن صواريخ الدفع الصلب جميع صواريخ الألعاب النارية الأقدم ، ومع ذلك ، يوجد الآن أنواع وقود وتصاميم ووظائف أكثر تقدمًا تعمل بالوقود الصلب.

دافع صلب اخترعت الصواريخ قبل الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل. بدأ النوع الدافع الصلب بمساهمات من العلماء Zasiadko و Constantinov و كونغريفي. الآن في حالة متقدمة ، لا تزال صواريخ الدفع الصلب تستخدم على نطاق واسع اليوم ، بما في ذلك محركات التعزيز الثنائي Space Shuttle ومراحل الداعم لسلسلة Delta.

مساحة السطح هي مقدار المادة الدافعة التي تتعرض لهيب الاحتراق الداخلي ، الموجودة في علاقة مباشرة مع الدفع. ستزيد الزيادة في مساحة السطح من قوة الدفع ولكنها ستقلل من وقت الاحتراق نظرًا لاستهلاك الوقود الدافع بمعدل متسارع. عادةً ما يكون الاتجاه الأمثل ثابتًا ، والذي يمكن تحقيقه من خلال الحفاظ على مساحة سطح ثابتة طوال عملية الاحتراق.

تتضمن أمثلة تصميمات الحبوب ذات المساحة الثابتة ما يلي: الحرق النهائي ، الحرق الداخلي ، والحرق الخارجي ، وحرق النجمة الداخلية.

يتم استخدام أشكال مختلفة لتحسين علاقات دفع الحبوب نظرًا لأن بعض الصواريخ قد تتطلب استخدام في البداية عنصر الدفع العالي للإقلاع بينما سيكون الاتجاه السفلي كافيًا للدفع التراجعي بعد الإطلاق المتطلبات. غالبًا ما تحتوي الأنماط المعقدة للحبوب الأساسية ، في التحكم في مساحة السطح المكشوفة لوقود الصاروخ ، على أجزاء مطلية ببلاستيك غير قابل للاشتعال (مثل خلات السليلوز). يمنع هذا الغطاء نيران الاحتراق الداخلي من إشعال هذا الجزء من الوقود ، ولا يتم إشعاله إلا في وقت لاحق عندما يصل الحرق إلى الوقود مباشرة.

عند تصميم الدافع المحدد لحبوب الوقود الدافعة للصاروخ ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار لأنه يمكن أن يكون فشل الاختراق (انفجار) ، وصاروخ الدفع الأمثل المُنتج بنجاح.

• بمجرد إشعال صاروخ صلب ، سيستهلك الوقود بالكامل ، دون أي خيار للإغلاق أو تعديل الدفع. استخدم صاروخ ساتيرن الخامس قمرًا ما يقرب من 8 ملايين رطل من الدفعات التي لم تكن ممكنة مع استخدام الوقود الدافع الصلب ، الأمر الذي يتطلب دافعًا سائلًا دافعًا عاليًا ومحددًا.
• إن الخطر الذي ينطوي عليه الوقود المسبق للصواريخ أحادية البروبيلين ، أي النيتروجلسرين في بعض الأحيان ، هو أحد المكونات.

ميزة واحدة هي سهولة تخزين الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب. بعض هذه الصواريخ هي صواريخ صغيرة مثل Honest John و Nike Hercules. البعض الآخر صواريخ باليستية كبيرة مثل بولاريس ، الرقيب ، وطارد. قد تقدم الوقود الدافع السائل أداء أفضل ، ولكن الصعوبات في تخزين الدفع ومعالجة السوائل بالقرب من الصفر المطلق (0 درجة كلفن) حد من استخدامها غير قادر على تلبية المطالب الصارمة التي يتطلبها الجيش من قوته النارية.

تم وضع النظريات الصاروخية التي تعمل بالوقود السائل بواسطة تسيولكوزكي في كتابه "البحث عن الفضاء بين الكواكب بواسطة وسائل الأجهزة التفاعلية" ، الذي نشر عام 1896. تم تحقيق فكرته بعد 27 عامًا عندما أطلق روبرت جودارد أول صاروخ يعمل بالوقود السائل.

الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل دفعت الروس والأمريكيين في عمق الفضاء مع صواريخ Energiya SL-17 و Saturn V القوية. لقد مكنت قدرات الدفع العالية لهذه الصواريخ أول رحلاتنا إلى الفضاء. أصبحت "الخطوة العملاقة للبشرية" التي وقعت في 21 يوليو 1969 ، عندما صعد أرمسترونغ على سطح القمر ، ممكنة بفضل 8 ملايين رطل من صاروخ زحل الخامس.

اثنين من الدبابات المعدنية عقد الوقود ومؤكسد على التوالي. نظرًا لخصائص هذين السائلين ، يتم تحميلهما عادة في صهاريجهما قبل الإطلاق مباشرة. الخزانات المنفصلة ضرورية ، لأن العديد من أنواع الوقود السائل تحترق عند ملامستها. على مجموعة إطلاق تسلسل فتح صمامين ، مما يسمح للسائل بالتدفق أسفل الأنابيب العمل. إذا كانت هذه الصمامات فتحت ببساطة السماح لتدفق الوقود السائل إلى غرفة الاحتراق ، قد يحدث معدل دفع ضعيف وغير مستقر ، لذلك إما أن يكون هناك تغذية غاز مضغوطة أو تغذية توربينية مستخدم.

إن أبسط الاثنين ، تغذية الغاز المضغوط ، يضيف خزان غاز عالي الضغط إلى نظام الدفع. يتم الاحتفاظ بالغاز ، وهو غاز غير نشط ، خامل ، وخفيف (مثل الهليوم) ، تحت ضغط شديد ، بواسطة صمام / منظم.

الحل الثاني ، والمفضل غالباً ، لمشكلة نقل الوقود هو مضخة توربينية. المضخة التوربينية هي نفس المضخة العادية في الوظيفة وتتجاوز نظامًا مضغوطًا بالغاز عن طريق امتصاص المواد الدافعة وتسريعها في غرفة الاحتراق.

يتم خلط المؤكسد والوقود وإشعالهما داخل غرفة الاحتراق ويتم إنشاء قوة الدفع.

لسوء الحظ ، فإن النقطة الأخيرة تجعل صواريخ الدفع بالوقود السائل معقدة ومعقدة. يحتوي المحرك الحقيقي السائل ذو الـ bipropellant على آلاف من وصلات الأنابيب التي تحمل سوائل تبريد أو تغذية أو تشحيم مختلفة. أيضًا ، تتألف الأجزاء الفرعية المختلفة مثل المضخة التوربينية أو الجهة المنظمة من دائرة منفصلة من الأنابيب والأسلاك وصمامات التحكم ومقاييس الحرارة وقوائم الدعم. بالنظر إلى الأجزاء الكثيرة ، تكون فرصة فشل وظيفة متكاملة واحدة كبيرة.

كما ذكر من قبل ، الأكسجين السائل هو المؤكسد الأكثر استخدامًا ، لكن له أيضًا عيوبه. لتحقيق الحالة السائلة لهذا العنصر ، يجب أن تكون درجة حرارة -183 درجة مئوية تم الحصول عليها - الظروف التي يتبخر فيها الأكسجين بسهولة ، وفقدان كمية كبيرة من المؤكسد فقط أثناء التحميل. حمض النيتريك ، مؤكسد قوي آخر ، يحتوي على 76 ٪ من الأكسجين ، وهو في حالته السائلة في STP ، ويحتوي على نسبة عالية جاذبية معينةadvantagesall مزايا كبيرة. والنقطة الأخيرة هي مقياس مشابه للكثافة ، حيث يرتفع إلى أعلى بحيث يؤدي أداء دافع الوقود. لكن حمض النتريك خطير في التعامل (الخليط بالماء ينتج حمض قوي) وينتج منتجات ضارة في الاحتراق مع الوقود ، وبالتالي فإن استخدامه محدود.

تم تطوير الألعاب النارية في القرن الثاني قبل الميلاد على يد الصينيين القدماء ، وهي أقدم أشكال الصواريخ والأكثر بساطة. كان للألعاب النارية في الأصل أغراض دينية ، لكن تم تكييفها لاحقًا للاستخدام العسكري خلال العصور الوسطى في شكل "أسهم ملتهبة".

خلال القرنين العاشر والثالث عشر ، جلب المغول والعرب المكون الرئيسي لهذه الصواريخ المبكرة إلى الغرب: البارود. على الرغم من أن المدفع والمسدس أصبحا من أهم التطورات التي حدثت في المقدمة الشرقية من البارود ، إلا أن الصواريخ أسفرت أيضًا عن ذلك. كانت هذه الصواريخ عبارة عن ألعاب نارية موسعة دفعت ، إلى جانب القوس الطويل أو المدفع ، عبوات البارود المتفجر.

خلال أواخر الحروب الإمبريالية في أواخر القرن الثامن عشر ، طور العقيد كونغريفي صواريخه الشهيرة ، والتي تصل مسافاتها إلى أربعة أميال. يسجل "وهج الصواريخ الأحمر" (النشيد الأمريكي) استخدام حرب الصواريخ ، في شكلها المبكر من الإستراتيجية العسكرية ، خلال المعركة الملهمة فورت ماكهنري.

يضيء المصهر (خيوط القطن المطلية بالبارود) عن طريق مباراة أو "فاسق" (عصا خشبية ذات طرف أحمر متوهج يشبه الفحم). يحترق هذا المصهر بسرعة في قلب الصاروخ حيث يشعل جدران البارود الموجودة في اللب الداخلي. كما ذكر من قبل واحدة من المواد الكيميائية في البارود نترات البوتاسيوم ، المكون الأكثر أهمية. يحتوي التركيب الجزيئي لهذه المادة الكيميائية ، KNO3 ، على ثلاث ذرات من الأكسجين (O3) ، ذرة واحدة من النيتروجين (N) ، وذرة واحدة من البوتاسيوم (K). توفر ذرات الأكسجين الثلاثة المحتجزة في هذا الجزيء "الهواء" الذي يستخدمه الصمامات والصاروخ في حرق المكونين الآخرين ، الكربون والكبريت. وبالتالي فإن نترات البوتاسيوم تعمل على أكسدة التفاعل الكيميائي عن طريق إطلاق الأكسجين بسهولة. هذا التفاعل ليس تلقائيًا ، ويجب أن يبدأ بالتسخين مثل التطابق أو "الشرير".