السباق إلى النجوم الوضع الحالي لتكنولوجيا الصواريخ

[يوسف بن تاشفين]

من بين تقنيات الدفع الفضائي المختلفة ، كانت محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل أول من أدخل تطبيقات هندسة الطيران نظرًا لأدائها العالي وموثوقيتها وقدرتها الجيدة على التكيف مع المهام. لطالما كان لديهم مركز مهيمن ، حيث عززوا الاختبارات الأولى من عام 1926 فصاعدًا ، بالإضافة إلى ولادة وتطوير الصواريخ الباليستية (1944-1970) والصواريخ الحاملة (1957 حتى الآن) ، والتي فتحت حقبة رحلات الفضاء البشرية ودعمها التطوير القوي للأنشطة ذات الصلة.

نظام الدفع الرئيسي ، ونظام الدفع الإضافي لمركبات الإطلاق (باستثناء مركبات الإطلاق الصلبة الصغيرة) ، والمكوكات الفضائية ، والطائرات الفضائية (مثل مكوك الفضاء) ، والمركبات الفضائية ، والأقمار الصناعية ، والمحطات الفضائية ، ومسبارات الفضاء السحيق وغيرها من الوسائل ، تستخدم حاليًا صاروخ الوقود السائل.

بناءً على احتياجات التطبيقات المختلفة ، طورت محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل أنواعًا مختلفة ومئات من المنتجات المهندسة بمستويات مختلفة من طرق الدفع والوقود ودورة الطاقة.

من بينها ، الأداء والمستوى التقني للمحركات المستخدمة في نظام الدفع الرئيسي للأرض والمراحل العليا لمركبة الإطلاق (المشار إليها باسم المحرك الرئيسي) يحددان بشكل مباشر فعالية مركبة الإطلاق ويؤثران على قدرة البلد ومستواه للوصول إلى الفضاء واستكشافه واستخدامه وتطويره، لذلك تعتبر هذه الأنظمة حجر الزاوية في تطوير الفضاء الجوي ، فضلاً عن كونها ضمانًا استراتيجيًا مهمًا للأمن القومي ووضع القوة العظمى.

في الوقت نفسه ، يكون المحرك الرئيسي معقدًا وصعبًا تقنيًا ، مع دورة تطوير طويلة وتكاليف عالية إنه ينتمي إلى الصناعة الأساسية الاستراتيجية الوطنية وهو تعبير مركز عن القاعدة الصناعية للبلاد ، والمستوى العلمي والتكنولوجي والقوة الوطنية الشاملة.

في عالم اليوم ، فقط عدد قليل من البلدان مثل الولايات المتحدة الأمريكية وجمهورية الصين الشعبية وروسيا وفرنسا واليابان قادرة على تطوير المحرك الرئيسي لمركبة الإطلاق بشكل مستقل وإنشاء مقياس صناعي.

تشمل متطلبات مركبة الإطلاق للمحرك الرئيسي الدفع العالي والدافع المحدد ونسبة الدفع إلى الوزن والموثوقية والتكلفة المنخفضة و تجعل هذه المؤشرات المحرك يعمل بمعايير فيزيائية تستنفد الأداء المحدود للمواد وتحقق خصائص التشغيل للإفراج عالي المستوى وتحويل الطاقة في مساحة هيكلية صغيرة.

هذه المعلمات الخاصة بظروف التشغيل العالية للغاية وأوقات بدء التشغيل القصيرة للغاية (أقل من 3 ثوانٍ بشكل عام) لا تتوافق مع جميع الآلات الديناميكية الحرارية الأخرى،
نظرًا لخصائص التشغيل المذكورة أعلاه ، جنبًا إلى جنب مع الملامح البيئية والمهمة ، أصبحت المحركات معقدة بشكل متزايد ، ويتمتع محرك الصاروخ الرئيسي الذي يعمل بالوقود السائل بخصائص تقنية فريدة ، بما في ذلك الخصائص التالية:

1) آلية عملية العمل معقدة ويصعب التنبؤ بها والتحكم فيها بشكل فعال ؛

2) مشاكل مثل تذبذب صدمة النظام أثناء انتقال المحرك ، والاقتران متعدد المجالات للمكونات (مثل عدم استقرار الاحتراق ، والاهتزاز الناجم عن التدفق ، وما إلى ذلك) ، والاهتزاز المتزامن الفرعي للدوار المرن ، تسببت في فشل المحرك عدة مرات في تاريخ الطيران الفضائي ، ويستغرق الأمر الكثير من الوقت والمال لحل مشكلات مثل الاحتراق غير المستقر عالي التردد ، والاهتزاز شبه المتزامن لمحركات الهيدروجين والأكسجين الأخرى.

ومع ذلك ، لم يتم توضيح الآلية بالكامل بعد ، ولم تنضج طريقة محاكاة المشروع بعد ، مما أدى إلى اعتماد كبير على الاختبار وصعوبات في استكشاف الأخطاء وإصلاحها والتحسين.

بالنسبة للمحركات عالية الدفع ، على وجه الخصوص ، فإن القضايا المتعلقة بتأثيرات الحجم ، مثل استقرار الاحتراق ، وتوازن القوة المحورية للمضخة التوربينية ، واستقرار الدوار ، ستصبح ذات أهمية متزايدة إذا أريد تحقيق مسافات فلكية خطيرة.

بيئة الحمل معقدة وقاسية ، والقوة الهيكلية وقضايا الإجهاد / مهمة الإجهاد ، مثل حمل التشغيل الشديد ، بما في ذلك السرعة العالية والضغط وتدفق الحرارة ودرجة الحرارة والصدمة الحرارية أثناء بدء التشغيل ، إلخ..
تتطلب نسبة الدفع إلى الوزن العالية للمحرك بنية خفيفة ، وتسبب بيئة الحمل المعقدة والصلبة مشاكل كبيرة مثل انخفاض الهامش مما يؤدي إلى عدم اليقين الشديد ومخاطر وضع الفشل في قوة المحرك ودورة حياة التعب / الإجهاد.

فيما يتعلق بمعالجة المكونات ، تكون بعض تقنيات الإنتاج الخاصة صعبة (مثل التشكيل أو المعالجة الدقيقة على نطاق واسع ، والإزالة الفعالة للمواد التي يصعب معالجتها ، واللحام الخاص وإعداد الطلاء ، وما إلى ذلك)، علاوة على ذلك ، من الصعب اختبار وتقييم تأثير العملية على أداء المواد الإنشائية.

فيما يتعلق بالتجميع العام والتفتيش ، من الصعب توصيل المكونات بدقة ، وضمان اتساق التجميع نفسه واكتشاف حالة التجميع (العناصر الزائدة عن الحاجة ، والأخطاء ، والإجهاد ، وما إلى ذلك).

من حيث الاستخدام والصيانة ، هناك عدد قليل من واجهات المحرك ، كما أن البيئة والظروف محدودة ، مما يجعل من الصعب اكتشاف ومعالجة وتقييم الموقف ثم الإصلاح والصيانة بسرعة.

نشأ المحرك الرئيسي للصواريخ التي تعمل بالوقود السائل من استخدام الصواريخ الاستراتيجية ، وتم تطويره على نطاق واسع تحت قيادة أنظمة النقل الفضائي القائمة على مركبات الإطلاق.

لقد طور سباق التسلح بين الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد السوفياتي - الذي بدأ الصراع من أجل سباق الفضاء ، ولم يكن بالتأكيد "إرادة الرجل للمعرفة البحتة" - سلسلة من الصواريخ الباليستية ، وأدت مركبات إطلاقها المشتقة إلى الظهور لصواريخ الهبوط على سطح القمر ، في مثل هذا السياق ، تم تطوير المحرك الرئيسي للصواريخ التي تعمل بالوقود السائل بطريقة شاملة ، مع عدد كبير من أنواع البحث والإنتاج والكميات ، والأداء المنخفض وعدم التركيز على التكلفة.

كانت المواد الدافعة سامة وقابلة للتخزين بشكل أساسي ، وهي كيروسين الأكسجين السائل والأكسجين السائل المخصب فيما بعد والهيدروجين السائل و اعتمدت الطريقة بشكل أساسية على دورة مولد الغاز ثم طورت فيما بعد دورة احتراق إضافية عالية الأداء ودورة تمدد.

نشأت محركات الوقود التقليدية النموذجية في الولايات المتحدة الأمريكية (تيتان) ، وتشمل محركات الأكسجين السائل والهيدروجين السائل والكيروسين بدورة التمدد مثل ثور ودلتا وزحل.

المحركات التقليدية التي تعمل بالوقود التي طورها الاتحاد السوفياتي تشمل محرك كوزموس و اشتملت عمليات الاحتراق التكميلية المخصبة بالأكسجين على البروتون ، وتضمنت الكيروسين الأكسجين السائل كمحطة سويوز.

طورت فرنسا محرك الفايكنج و أنشأت الصين محرك YF-20/24 لدعم تطوير سلسلة CZ-2/3/4 من مركبات الإطلاق التقليدية، من عام 1972 إلى عام 1993 تم تطوير محركات عالية الأداء للفضاء المدني.

تم تطوير الصاروخ الحامل بشكل مستقل عن تأثير الصواريخ الباليستية و الخصائص النموذجية هي حقيقة جعل كيروسين الأكسجين السائل والهيدروجين السائل للأكسجين السائل غير سامين ؛ وحقيقة إظهار الأداء العالي فيما يتعلق بدورة الاحتراق والتمدد الإضافية لإنتاج قوة دفع أساسية عالية.

أمثلة طائرات الفضاء المدنية هي المحرك الرئيسي لمكوك الفضاء الأمريكية (SSME) ؛ و Energia السوفياتية السابقة و Zenit ؛ أريان وفولكاين الأوروبيان ؛ اليابانية LE-5 و Rich Afterburn و YF-75 الصينية.

من عام 1994 إلى عام 2009 ، تم تطوير محركات موجهة بالصواريخ ذات موثوقية عالية وتكلفة منخفضة و يشهد السوق الدولي لمحركات الإطلاق ازدهارًا ، لكن فعالية التكلفة والسلامة للمكوك الفضائي لم تفِ بالتوقعات: الموثوقية العالية والتكلفة المنخفضة والصواريخ المعيارية التي لمرة واحدة أصبحت محور التطوير.

أصبح تطوير المحركات على أساس الموثوقية العالية والتكلفة المنخفضة والتشكيل المعياري لنظام الدفع عاملاً مهمًا و يتم تنفيذ تطوير المحرك وتحسينه في مختلف البلدان بناءً على هذا المبدأ.