استكشاف تكنولوجيا الفضاء

:: فحص بعض تفصيلات الصاروخ ::

لنتفحص الآن بعض تفصيلات الصاروخ ، وقبل المضي في ذلك ، يجدر بنا أن نلفت النظر إلى أن الصاروخ هو مجرد وسيلة نقل ، ينقل ما يسمى " بالحمل النافع " ( أي مركبة فضاء أو قمر صناعي أو مجس فضاء ) من سطح الأرض إلى نقطة انطلاقه إلى مقصده . وعلى ذلك فوصف الصاروخ الوارد في هذا الجزء ينحصر في وسيلة النقل التي يتم التخلص منها في الفضاء عند وصول الحمل النافع إلى نقطة بدء رحلته الفضائية . أما تفصيلا " الحمل النافع " فسنتناولها في الحلقات التالية.

والصواريخ أنواع متعددة وفقاً للوقود المستخدم لتوليد الغازات الخارجة التي توّلد بخروجها قوة الدفع ، ومنها الوقود السائل والوقود الصلب والوقود النووي وصواريخ الدفع الأيوني . والنوعان المستخدمان بوجه عام هما صواريخ الوقود السائل وصواريخ الوقود الصلب . أما النوعان الآخران . فلا يزالان في مراحل التطوير.




ويتركب صاروخ الوقود السائل عموماً من الأجزاء التالية بدءاً من المقدمة ( أي القمة وهو قائم على منصة الإطلاق ) إلى جزء المؤخرة:

1 – المقدمة المخروطية ، وهي " الحمل النافع " الذي ينطلق إلى مقصده في الفضاء . وهي تكون " كبسولة " مركبة فضاء تحمل أفراداً من البشر ، أو قمراً صناعياً مزوداً بالأجهزة اللازمة لقيامه بأداء مهمته في الفضاء . أو مجسّاً فضائياً يحمل الأجهزة العلمية لإرسال المعلومات عن الفضاء الخارجي.

2 – وحدة أجهزة توجيه الصاروخ وتنظيم طيرانه.

3 – مستودعات الوقود والمؤكسد ، وهذا القسم هو أضخم أجزاء الصاروخ . وقد يكون الوقود في صورة كيروسين نقي أو كحول أو أنيلين أو هيدروجين سائل . ونحن نعلم أن الوقود لايحترق إلا في وجود الأكسجين أو عامل مؤكسد ، وآلات الاحتراق الأرضية تستمد الأكسجين اللازم لاحتراق الوقود من الهواء ، أما الصواريخ فيجب أن تحمل الأكسجين أو العامل المؤكسد معها . ويسمى الوقود والمؤكسد معاً " مُسيّر " .

4 – محرك الصاروخ ومعه أجهزة مساعدة تشمل مضخات وطوربينات والدفة وما إلى ذلك . وينقسم محرك الصاروخ إلى جزأين أساسيين ، أحدهما غرفة الاحتراق التي يختلط فيها الوقود والمؤكسد ويحدث الاحتراق ، والجزء الآخر هو فتحة العادم التي تصمم بحيث تندفع غازات العادم منها بأعلى سرعة ممكنة.

وتعمل المضخات على ضخ الوقود والمؤكسد إلى غرفة الاحتراق ، ويتم الإشعال بطرق مختلفة ، إما كهربائياً وإما حرارياً . وبعض المسيّرات تحترق بمجرد تلامس الوقود والمؤكسد.

ويتم توجيه الصاروخ بإحدى طريقتين . تستخدم في الطريقة الأولى دفة يمكن ضبطها لتعترض تيار العادم ، وهي مصنوعة من الجرافيت لكي تتحمل الحرارة الشديدة التي تحملها هذه الغازات ، وهي محمولة على مفصلات يمكن التحكم فيها بإشارات لاسلكية ترسل من محطة المتابعة الأرضية . أما الطريقة الأخرى فهي تركيب المحرك نفسه على مفصلات بحيث يمكن ضبط وضعه بالإشارات اللاسلكية فيعمل عمل الدفة.

وصاروخ الوقود الصلب شبيه بصاروخ الوقود السائل في الجزأين العلويين ، ولكن مستودع الوقود هنا مستودع واحد يحتوي على كل من الوقود والمؤكسد ، كما أنه هو أيضاً غرفة الاحتراق . ويُصنع من الصلب المتين ، ويحتوي على مطّاط مُخلّق ( مُركب صناعياً ) ، يُعجن معه أثناء عملية الصنع مادة غنية بالأكسجين . وهذا الوقود يملأ المستودع تماماً مع وجود فتحة أسطوانية في محوره تمتد من أعلاه إلى أسفله . ويحدث الاشتعال في هذه الفتحة بإحدى طرق الاشتعال الحرارية ويمتد الاحتراق من الداخل الى الخارج . وهكذا يصبح مستودع الوقود هو أيضاً غرفة الاحتراق ، وتخرج غازات العادم من فتحة في قاع المستودع . ويتم توجيه الصاروخ بواسطة دفة يضبط مكانها في مسار تيار العادم كما في صاروخ الوقود السائل ، أو بدفع غاز خامل في فتحة العادم تحت ضغط مرتفع ، فيعمل على تغيير اتجاه تيار العادم.

ويبدو للوهلة الأولى أن الوقود الصلب يفوق السائل في بعض المزايا ، فمستودعه أسهل في الصنع وأرخص ثمناً من مستودعي الوقود السائل ، كما أنه بسيط لايحتاج إلى صيانة كالوقود السائل الذي يحتاج إلى مضخات وأجهزة تحكم معقدة قد يعطل بعضها أو يفسد أثناء الإعداد للإطلاق ، ولكن له عيوباً تجعل صاروخ الوقود السائل أفضل منه في أحيان كثيرة ، فمستودع الوقود الصلب لابد أن يكون متيناً وبالتالي ثقيل الوزن ، وهكذا تقل النسبة الكتلية فتحد من سرعة الانطلاق . أما مستودعات الوقود السائل فتصنع من صلب رقيق خفيف الوزن ، حيث إنها لاتتعرض لدرجات حرارة عالية . وهناك عيب آخر وهو استحالة التحكم في احتراق الوقود الصلب ، فإذا بدأ الاشتعال فلابد من أن يستمر الوقود في الاحتراق حتى ينفذ كلية . أما الوقود السائل فيمكن التحكم في احتراقه عن طريق مضخات الوقود والمؤكسد بل يمكن إيقاف الاحتراق تماماً . ونظراً لهذين العيبين ، فإن الوقود السائل يحتل المقام الأعظم من الأهمية في وسائل النقل الفضائية . ومع هذا فيجمع بعض هذه الوسائل بين هذين النوعين من الوقود.

:: فحص بعض تفصيلات الصاروخ ::

في الجزء الماضي كنا قد تعرفنا على بعض تفصيلات الصاروخ الفضائي واستعرضنا خلالها بعض نوعين من الأنواع الأربعة المستخدمة في اطلاق الصواريخ.

أنواع أخرى من الوقود:

ننتقل الآن الى النوعين اللذين لم يعم استخدامهما في الوقت الحاضر .

1 - محرك " الصاروخ النووي " : مفاعل نووي يولّد كميّات حرارة هائلة . وفوق هذا المفاعل مستودع يملأ بالهيدروجين السائل ، ومزوّد بالطبع بمضخات وأجهزة تحكم . وعندما يعمل المفاعل وترتفع درجة الحرارة يسمح للهيدروجين بالتدفق حوله وخلاله ، فتعمل الحرارة على تبخيره وتسخين الغاز إلى درجة حرارة عالية فيرتفع ضغطه . ثم يسمح له بالخروج من الفتحة لتوليد رد الفعل الذي يدفع الصاروخ الى الأعلى . ويلاحظ هنا أن الهيدروجين لايشتعل. والمتوقع أن قدرة هذا الصاروخ ستصل حوالي مثلي قدرة صاروخ الوقود الكيميائي المساوي له في الحجم.

ولا ينتظر أن يطلق الصاروخ النووي من الأرض خشية حدوث تلوث إشعاعي ،هذا بالإضافة إلى احتمال اتحاد الهيدروجين المنبثق منه كيميائياً مع أكسجين الهواء الجوي وحدوث انفجار مروع . وعلى ذلك فالاستخدام الوحيد المتوقع لهذا النوع هو في الفضاء الخالي من الأكسجين ، فيرفعه صاروخ كيميائي إلى ارتفاع عال ثم يبدأ عمل المفاعل ليكمل الصاروخ رحلته إلى أعماق الفضاء السحيقة .







2 - أما " صاروخ الدفع الأيوني " :فيحتوي على جهاز لتحويل ذرات أو جزيئات متعادِلة إلى أيونات ، ومعجـِّـل كهربائي لتعجيل هذه الأيونات . وعندما تكتسب هذه الأيونات سرعة عالية يسمح لها بالخروج من فتحة العادم ، فتكسب الصاروخ الدفع المطلوب . ولكي يكون الدفع الأيوني عالي الفعالية يجب أن تكون الأيونات المستخدمة ثقيلة . ولقد وجد أن الأيونات التي تصلح لهذا الغرض هي أيونات السيزيوم والزئبق . ولقد تم اختبار كل من المحركين النووي والأيوني في المعمل . وبالإضافة إلى ذلك تجري دراسة محرّك الاندماج النووي والبلازما.


ولكي يفي الصاروخ بالغرض الذي صمم من أجله بأن يضع مركبة الفضاء في مدار حول الأرض أو ينقلها إلى خارج الجاذبية الأرضية ، يلزم أن تصل سرعة الصاروخ إلى قيمة محددة تبعاً للمدار المراد وضع الصاروخ فيه ، وتسمى السرعة حينئذٍ " السرعة الدورانية " . أما إذا أُريد إخراج مركبة الفضاء بعيداً عن نطاق الجاذبية الأرضية ، فيجب أن تصل سرعة الصاروخ إلى قيمة أعلى تسمى " سرعة الإفلات " .

فطبقاً لقواعد علم الميكانيكا : إذا تحرك جسم بسرعة منتظمة تحت تأثير قوة تجذبه نحو نقطة ثابتة ، كقوّة الجاذبية الأرضية التي تجذب مركبة الفضاء ( أو القمر الصناعي ) نحو مركز الأرض ، فإن الجسم ( وهو في حالتنا هنا القمر الصناعي ) يتحرك في مسار دائري حول مركز الأرض ،أو في مسار على شكل قطع ناقص حول إحدى بؤرتيه .

فالجسم المتحرك في مسار دائري ( أو منحنى عموما ) تؤثر فيه قوة الجذب نحو المركز المعروفة " بالقوة المركزية الجاذبة " ، وينشأ عن هذه الحركة رد فعل مساو ومضاد للقوة المركزية الجاذبة ، يعمل على دفع الجسم إلى الخارج ، ويسمى " القوة المركزية الطاردة " . وهذه هي القوة التي تعمل في المقلاع . فالمقلاع كما نعلم وسيلة لرمي الحجر إلى مسافة بعيدة ، وهو حبل يثبّت الحجر في أحد طرفيه ويمسك الرامي بالطرف الآخر ويديره بسرعة عالية ، وإذا حرر الرامي الطرف الممسك به أثناء دوران الحجر فإنه يندفع بقوة شديدة إلى مسافة بعيدة . ففي أثناء دوران الحجر والرامي ممسك بطرف الحبل يؤثر الرامي بقوة تجذب الحبل والحجر نحوه ، ويعمل الدوران على نشأة قوة مركزية طاردة ، وعندما يحرر الرامي الطرف الممسك به تنعدم القوة الجاذبة ، وفي هذه اللحظة يقع الحجر تحت تأثير القوة المركزية الطاردة وحدها فتدفعه إلى الخارج . وهكذا يظل القمر الصناعي دائراً في مسار متزن ما لم تتغير سرعته.

ويتوقف ارتفاع المدار فوق سطح الأرض على سرعة الدوران . فكلما زادت هذه السرعة قرب المدار من سطح الأرض . وفيما يلي أمثلة لسرعات دورانية ، وارتفاعات المدارات المقابلة لها فوق سطح الأرض

السرعة بالكيلو متر = البعد عن الأرض بالكيلو متر :

950 27 = 160
650 26 = 800
050 15 = 16000
070 11 = 880 35
620 3 = 382000

الرقمان الأخيران هما سرعة دوران القمر الطبيعي حول الأرض وبُعده عنها . وقد أوردناه هنا من أجل المقارنة .

أما سرعات الافلات من مدار معين إلى خارج نطاق الجاذبية الأرضية فتساوي سرعة الدوران في ذلك المدار مضروبة في الجذر التربيعي للرقم 2 أي 1.414 .

ولكل كوكب من الكواكب السرعات الدورانية وسرعات الإفلات الخاصة به . فهذه السرعات تتوقف على مجال جاذبية الكوكب.

وفي الواقع لايوجد صاروخ منفرد يمكنه الوصول إلى سرعة دورانية ناهيك عن سرعة الإفلات . فسرعة الصاروخ كما رأينا من قبل تتوقف على النسبة الكتلية ، وهناك حدود لهذه النسبة الكتلية تفرضها تكنولوجيا الصواريخ . ومع هذ فيمكن الوصول إلى السرعات الدورانية وسرعات الدورانية وسرعات الإفلات على مراحل ، أي باستخدام مجموعة صواريخ متعددة المراحل يركب كل منها فوق الآخر . فإذا استخدمنا صاروخين وكان أحدهما ( الأصغر ) ضمن الحمل النافع للآخر ، سُميت المجموعة صاروخاً ثنائي المرحلة .

فعندما ينفد وقود المرحلة الأولى تبدأ المرحلة الثانية في العمل . ويلاحظ أن الصاروخ يكون قد اكتسب سرعة معينة قبل بدء المرحلة الثانية ، وبذلك فإن هذه المرحلة تضيف سرعة أخرى إلىالسرعة التي حققتها المرحلة الأولى .

وإذا كانت النسبتان الكتليتان للمرحلتين متساويتين ، فإن السرعة في نهاية المرحلة الثانية تساوي ضعف السرعة في نهاية المرحلة الأولى . ويمكن زيادة عدد المراحل وفقاً للغرض المحدد للصاروخ.

إن الصاروخ ، كما سبق أن ذكرنا ، ليس إلا وسيلة لنقل مركبة الفضاء إلى نقطة انطلاقها نحو هدفها . وقد يكون هذا الهدف هو أن تكون المركبة قمراً صناعياً يدور حول الأرض في مدار محدد ، أو تمضي في الفضاء لتهبط على القمر أو تقترب من أحد الكواكب أو حتى ترتطم به . وفي جميع الحالات يقوم العلماء مسبقاً بحساب مسار المركبة و وضع خرائط تفصيلية للمسار وجداول بالبيانات اللازمة لحفظ المركبة في مسارها المخطط لها ، كالسرعة والاتجاه وما إلى ذلك عند المواقع المختلفة ، ومواقيت مرور المركبة بهذه المواقع .