صاروخ ذو وقود صلب والمكوك الفضائي

يُقلع مكوك الفضاء بواسطة صاروخين بالوقود الصلب يلقيهما في المحيط ويكمل رحلته بالوقود السائل المخزون في الخزان العملاق المتصل به .

الصاروخ ذو الوقود الصلب هو نوع من الصواريخ مزود بالوقود الصلب المكون من مادة مؤكسد ومادة مختزلة . بعكس الصاروخ ذو الوقود السائل (أنظر محرك صاروخي) والذي يحتوي على خزانات منفصلة لتلك المواد ويتم ضخها سويا في غرفة الاحتراق عند الاقلاع وأثناء الطيران . كما توجد صواريخ تعمل بالوقودين الصلب والسائل . وأول صواريخ تعمل بالوقود الصلب كانت تستعمل البارود حيث استعمله الصينيون والعرب في حروبهم في القرن الثالث عشر .
وقد عُرفت الصواريخ الأولى بأنها كانت صواريخا ذات وقود صلب وظل استخدامها وقتا طويلا . ورغم تفوق الصواريخ الحديثة التي تعمل بالوقود السائل ، إلا أن للصواريخ ذات الوقود الصلب تطبيقات خاصة تناسبها .

التقنية

صاروخ ذو وقود صلب والمكوك الفضائي 300px-SolidRocketMotor.svg

يتكون المحرك البسيط للصاروخ ذي الوقود الصلب من هيكل الصاروخ ، والمنفث De Laval nozzle ، وشحنة الوقود الصلب وبادئ الاشتعال .
ويحترق الوقود الصلب طبقا لعملية اشتعال محسوبة وينشأ عنها غازات العادم . ويصمم المنفث بحيث يحافظ على ضغط معين للغاز الساخن في غرفة الاشتعال ويسمح في نفس الوقت بخروجه من المنفث بحيث يتولد الدفع .
فعندما يشتعل الوقود فلا يمكن اطفاءه في المحركات البسيطة ، ذلك لأنه يحتوي على جميع المركبات اللازمة للاشتعال (مثل عود الكبريت). وتوجد انواع حديثة من تلك الصواريخ ذات الوقود الصلب يمكن وقف الاشتعال فيها وأعادة إشعالها وذلك بواسطة تصميم خاص للمنفث ، أو عن طريق تجهيزات لقاعدة الإقلاع . كما توجد محركات صاروخية مترددة ، تشتعل على قطاعات حينما يُرغب في ذلك .
وتحتوي التصميمات الحديثة على منفث (وهناك من يسميه خرطوشة) للتوجيه والتحكم أثناء الطيران ، كما تحتوي على وسائل للاسترجاع لعودة الاستعمال مثل المظلات ، أو أجهزة لتفجير الصاروخ ذاتيا ، أو أجهزة مساعدة مثل محركات لضبط الاتجاه و تفادي العوائق أو لضبط الارتفاع وكذلك مواد أخرى تعمل بالتحكم الحراري.
المنفث (دي لافال De Laval)

منفث لافال ،و يبين السهم اتجاه خروج الغاز الساخن .

منفث دي لافال يسمي باسم مخترعه السويدي كارل جوستاف دي لافال عام 1878 وكان أصلا يستعمل في التوربينات البخارية . وهو منفث قمعي الشكل يضيق في الوسط وينفرج من الطرف الآخر حيث يخرج الغاز . هذا التصميم يزيد من سرعة اندفاع الغاز فوق سرعة الصوت من دون حدوث تقطع في الكثافة او الدفع . وتبلغ سرعة اندفاع الغاز خارج غرفة الاحتراق أقصاها عند أضيق مقطع للمنفث .
وتستخدم منفث لافال منذ اختراع الصاروخ الألماني (فاو-2) V2 في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي ولايزال يستخدم في الصواريخ الحديثة .

منحنيات منفث لافال : يبين تزايد سرعة الغاز الخارج (v) من المنفث ، انخفاض درجة حرارته (T) وانخفاض ضغطه (p)، في اتجاه اندفاعه . كما يزداد عدد ماخ (M) من تحت سرعة الصوت إلى سرعة الصوت عند عنق المنفث ، ثم بسرعة فوق سرعة الصوت بعد المنفث .

لتعيين دفع الغاز من منفث لافال يحتاض عدة افتراضات:

اعتبار أل الغاز غاز مثالي (عدم وجود احتكاك )
- اعتبار أن اندفاع الغاز يتم بدون تبادل حراري مع الوسط المحيط (أن تكون الانتروبية ثابتة ) ،
- اعتبار أن اندفاع الغاز ثابت طوال فترة اشتعال الوقود ،
- أن يكون اندفاع الغاز موازيا لمحور المنفث ،
- اعتبار أن الغاز قابل للضغط حتي عند السرعات العالية .

عندما يدخل الغاز المنفث تكون سرعته تحت سرعة الصوت. وعندما ينحصر الغاز عند عنق المنفث ترتفع سرعته حيث يكون مقطع المنفث عند حده الأدنى مما يجعل سرعة الغاز ترتفع إلى نخو سرعة الصوت . وبعدما يعبر الغاز العنق تبدأ مساحة المنفث في الازدياد مما يعمل على تمدد الغاز ويكتسب الغاز متواصلا سرعات فوق سرعة الصوت .
ويمكن حساب سرعة الغاز المندفع باستخدام المعادلة الآتية: ^[1]^[2]^[3]

$صاروخ ذو وقود صلب والمكوك الفضائي 7cfc8d726613be693b94f69352a4ee55$

V_eTRMkc_pc_vP_eP

حيث:
= سرعة الغاز عند نهاية المنفث ، متر/ثاتية m/s
= درجة الحرارة المطلقة للغاز عند مدخل العنق كلفن،
= ثابت الغازات = 8314.5 (جول/كيلو مول.كلفن [ J/kmol·K])
= الوزن الجزيئي للغاز كيلوجرام/كيلو مول kg/kmol
= c_p / c_v = معامل تمدد الغاز عند ثبات الانتروبية ،
= الحرارة النوعية للغاز عند ثبات الضغط ،
= الحرارة النوعية للغاز عند ثبات الحجم ،
= الضغط عند مخرج المنفث , باسكال
= ضغط الغاز عند دخوله المنفث باسكال .

وتبلغ سرعات اندفاع الغاز V_e من المنفث لأنواع مختلفة من المحركات كالآتي :

2.1 إلى 3.2 كيلومتر / ثانية (أي 4700 إلى 7200 ميل/ساعة ) للصاروخ ذو الوقود الصلب .

وبمقارنته بمحرك الصاروخ ذو الوقود السائل :

2.9 إلى 4.5 كيلومتر / ثانية (أي 6500 إلى 10100 ميل/ساعة ) وقود سائل ، ثنائي المركبات .

ولنتذكر أن سرعة اندفاع الغاز خارجا من المنفث V_e قد حصلنا عليها بافتراض أن الغاز غازا مثاليا ً ، ولهذا تسمى تلك السرعة سرعة الغاز المثالي الخارج .

الميزات

لا يحتوي الصاروخ ذو الوقود الصلب غعاى أجزاء متحركة ، بغض النظر عن إمكانية التحكم في مساره عن طريق منفثات Nozzles متحركة . وكذلك لا يحتوي على طلمبات أو توصيلات أنبوبية مما يجعله نسبيا خفيف الوزن . ويعبأ فيه الوقود الصلب ويخزن لحين الاستعمال مما يسهل مثلا استخدامه في الارصاد الجوية . ومن الناحية العسكرية فيتم تخزينه في آبار منتصبا بأعداد كبيرة ، أو حمله على العربات الثقيلة والانتقال به .
والوقود الصلب يتيح سهولة التعامل ، فهو لا يتسرب وبالتالى فلا ضرر منه على العاملين أو على البيئة . وعن طريق تشكيل الوقود الصلب يمكن معرفة خصائص اشتعاله وتطور الدفع له خلال الطيران ، كما يمكن التحكم في فترة الطيران . وأحيانا يفوق دفع الصاروخ ذو الوقود الصلب دفع الصاروخ ذو الوقود السائل . كما يساعد الوقود الصلب على توازن الصاروخ بصفة عامة اثناء الطيران .

المساوئ

بسبب احتواء صاروخ الوقود الصلب على الوقود دائما فهو يشكل بعض الخطورة ، وهو أثقل في الوزن عن صاروخ الوقود السائل المساوي له في القدرة ، حيث يمكن نقل الصاروخ ذو الوقود السائل قبل تعبئته بالوقود .
وتندفع الغازات من صاروخ الوقود الصلب أقل سرعة عنها بالمقارنة بسرعة أندفاع العاز من الصاروخ ذي الوقود السائل . وبما أن دفع الصاروخ هو حاصل ضرب كتلة الوقود المستهلكة في الثانية في سرعة الغاز المندفع ، لا بد من استهلاك كمية أكبر من الوقود في الثانية لكي يبلغ دفع أعلى . وهذا يحتم فترة للدفع أقصر . كما لا يمكن التحكم في مقدار الدفع أثناء الطيران .
يشكل صاروخ الوقود السائل بطوله غرفة الاحتراق ، و ينتج احتراق الوقود ضغطا عاليا داخل الصاروخ ، مما يحتم استخدام الحديد الصلب لبناء جدران الصاروخ . وبما أنه على الجدران أن تتحمل ضغوطا أعلى كلما زاد حجم الصاروخ ، فيـُضطر لبناء الجدران أكثر سمكا وبالتالى أكثر وزنا . وبذلك يرتفع وزن الصاروخ بالنسبة لوزن حمولته ، بعكس صاروخ الوقود السائل الذي تزداد حمولته بكبر الصاروخ ذاته . ولذلك يكون الحد الأقصى لوزن الصاروخ ذي الوقود الصلب أقل منها بالمقارنة بالأنواع الأخرى من الصواريخ.
وتعتبر صواريخ الوقود الصلب أضر للبيئة عن الأنواع الأخرى ، حيث تتولد عند الاشعال وبحسب الوقود المستخدم غازات مثل الكلور ، و كلوريدالهيدروجين ، ومركبات الكبريت وغيرها من الغازات الضارة .