كتب spacecraft thrust

المتطلبات

معلومات إضافية: سرعة الإفلات

يجب إطلاق الأقمار الاصطناعية للمدار وفي حال وصولها يجب أن تأخذ مكانها في المدار الاسمي. للمرة الأولى في المدار المرغوب فهي تحتاج غالباً شكل من أشكال التحكم لذلك فهي تصحح الحدود المتعلقة بالأرض والشمس ومن بعض الفوائد المحتملة للأجسام الفلكية فهي أيضا عرضة لجذب الأجسام الفلكية من الغلاف الجوي الرقيق لذا لكي تبقى في المدار لفترة زمنية طويلة فبعض أشكال الدفع قد تكون ضرورية من حين لأخر لإنجاز تصحيحات صغيرة في محطة المناورات المدارية فالعديد من الأقمار الاصطناعية تحتاج للتحرك من مدار إلى آخر ومن حين إلى آخر وهذا أيضا يتطلب دفع حياة القمر الاصطناعي مفيدة بشكل كبير فهي تستنفذ قدرتها لتصحيح مدارها. المركبة الفضائية مصممة للسفر المتواصل وهي في حاجة أيضاً لطرائق الدفع فهي بحاجة لمغادرة الغلاف الجوي للأرض كما هو الحال في الأقمار الاصطناعية وحال وصولها هناك فهي بحاجة لمغادرة المدار والتحرك حوله للسفر بين الكواكب. يجب على المركبة الفضائية استخدام محركاتها لمغادرة مدار الأرض وبمجرد حدوث ذلك يجب عليها ان تذهب بطريقة ما إلى وجهتها. فالمركبة الفضائية من بين الكواكب الحالية تفعل هذا مع سلسلة من التعديلات ذات المدى القصير. ومن بين هذه التعديلات تسقط المركبة الفضائية ببساطة وبحرية على طول مسارها أكثر الوقود كفاءة تعني الانتقال من مدار دائري واحد إلى آخر مع نقل مدارهما وهو أنه تبدأ المركبة الفضائية في مدار دائري تقريبا حول الشمس فترة قصيرة من قوة الدفع في اتجاه الحركة تسرع أو تتباطأ في مركبة فضائية في مدار بيضاوي الشكل حول الشمس والتي تكون عرضية لمدارها السابق وأيضا إلى جهتها وتندرج المركبة الفضائية بحرية على طول هذا المدار البيضاوي الشكل حتى تصل إلى وجهتها وفترة أخرى قصيرة من التوجه حيث تسرع أو تتباطأ لتطابق المدار من جهتها وهناك طرق خاصة مثل تخفيض السرعة بالكبح أو الإلتقاط الجوي تستخدم في بعض الأحيان لضبط المدار النهائي.

بعض طرق دفع المركبات الفضائية مثل الأشرعة الشمسية توفر زخما منخفضا جدا ولكن لا ينضب. إن استخدام المركبة لأحد هذه الأساليب سيجعلها تتبع مسارا آخر نوعا ما، إما ستدفع باستمرار ضد اتجاه الحركة من أجل تقليل المسافة التي تفصلها عن الشمس أو تدفع باستمرار في نفس اتجاه الحركة لزيادة المسافة التي تفصلها عن الشمس. هذا المفهوم اختبر بشكل ناجح من قبل اليابانيين IKAROS. الشراع الشمسي للمراكب الفضائية

تحتاج السفن الفضائية التي تُستخدَم في السفر بين النجوم أيضاً إلى أساليب معينة لإطلاقها ولم يتم حتى الآن بناء مثل هذه السفن ولكن تمت دراسة العديد من التصاميم وحيث أن المسافات بين النجوم هائلة فإننا نحتاج لسرعات عالية لإرسال سفينة فضائية باتجاه ما في فترة زمنية معقولة نسبياً ويعتبر الحصول على سرعات كهذه عند إطلاق تلك السفن وإنقاصها عند الهبوط تحدٍ كبير لمصممي السفن الفضائية.

الفاعلية

في الفضاء، الهدف من نظام الدفع هو تغيير سرعة المركبة الفضائية. ولأن هذا يعد أكثر صعوبة على المركبات الفضائية الأكبر حجماً، قام المصممون بمناقشة زخم الحركة أو كمية الحركة، mv، بشكل عام. وتسمى كمية التغير في كمية الحركة بالدفع. إذاً فالهدف من نظام الدفع في الفضاء هو تكوين الدفع.

عند إطلاق مركبة الفضاء من الأرض، يجب على نظام الدفع أن يتغلب على أعلى تأثير للجاذبية لينتج بذلك صافي التسارع الإيجابي. في مسار الفلك، أي زيادة في الدفع، حتى لو كانت طفيفة، سينتج عنها تغير في ذلك المسار.

يطلق على معدل التغير في السرعة التسارع فيما يطلق على معدل التغير في الدفع القوة. وللوصول للسرعة المعطاة فيمكن للمرء تقديم تسارع صغير ينتهي بعد فتره زمنية طويله أو يمكنه تقديم تسارع كبير تنتهي بعد فتره زمنية قصيرة. وبنفس الطريقة يستطيع المرء تحقيق الدفع المعطى مع قوة كبيرة تنتهي بفترة قصيرة أو قوة صغيرة تنتهي بعد فترة طويلة. وينتج من هذا التسارع مناورة في الفضاء وطريقة الدفع التي تنتج تسارعات دقيقة ولكنها تستمر لفترة زمنية طويلة تستطيع إنتاج نفس الدقة كما في طريقة الدفع والتي تنتج تسارعات كبيره لمدة قصيرة فعندما يتم الإطلاق من الكوكب لا تستطيع التسارعات الدقيقة التغلب على قوة جاذبية الكوكب وبالتالي لا يمكن استخدمها.

سطح الأرض يقع عميقا إلى حد ما في بئر الجاذبية. سرعة الإنفلات التي تحتاجها للخروج منها هي 11.2كيلومتر في الثانية. ولقد، تطور البشر في مجال الجاذبية ذات الـ ون-جيي لكل متر واحد في الثانية تربيع، فإن نظام الدفع المثالي سيكون من النوع الذي يمنح تسارعاً مستمراً لـ ون-جيي (أن جسم الإنسان قادر على تحمل تسارعات أكبر في فترات قصيرة). الركاب في الصاروخ أو السفينة الفضائية، ذات نظام دفع مثل الذي ذكر، لن يضرهم أثار السقوط الحر، مثل الغثيان، ضعف العضلات، قلة في حاسة الطعم، أو تسرب الكالسيوم من عظامهم.

قانون المحافظة على الزخم يعني: تغيير زخم السفينة الفضائية باستخدام منهج الدفع، يجب أن تغير زخم شيء أخر في نفس الوقت.قليل من التصميمات تستخدم أشياء مثل النطاق الكهربائي أو ضغط الضوء لتغيير زخم السفينة الفضائية، ولكن في مساحة خالية يجب على الصاروخ أن يأتي ببعض الكتلة لتتسارع بعيدا من أجل دفع نفسه إلى الأمام. هذه الكتلة تسمى الكتلة التفاعلية.

ليعمل الصاروخ يحتاج إلى شيئان، وهما بالترتيب: كتلة ردة الفعل والطاقة. يتأهب الدافع ويقوم بإطلاق جسيم من كتلة ردة الفعل m في سرعة v لتعطي mv. لكن هذه الجسيمات تتضمن الطاقة الناشطة أو الحركية mv²/2 والتي من المفترض أن تأتي من مكان ما. في حالة الصلب والسائل أو هجين الصاروخ، يتم حرق الوقود لتوفير الطاقة، ويُسمح لمنتجات التفاعل بالتدفق في الخلف لتوفير رد الفعل المتكتل. أما دافع الأيون فيستخدم الكهرباء لتسريع الأيونات من الخلف. هنا بعض المصادر الأخرى لتوفير الطاقة الكهربائية (لعل منها؛ الكسوف أو المفاعل النووي)، في حين أن الأيونات توفر كتلة رد الفعل

عند مناقشة فعالية نظام قوة الدفع غالباً المصممين يركزون بفاعلية على ردة فعل الكتلة يجب أن يتم التفاعل الجماهيري جنبا إلى جنب مع الصواريخ ويستهلك عند استخدامها يجب القيام برّدة فعل الكتلة جنبا إلى جنب مع الصواريخ ويستهلك بشكل نهائي عند استخدامها وهناك طريقة واحدة لقياس كمية الاندفاع التي يمكن الحصول عليها من مقدار ثابت من ردة فعل الكتلة هوا الدافع محددة لكل وحدة وزن على الأرض (المعين عادة من قبل) وكل وحدة لهذه القيمة هي الثواني لأن الوزن على الأرض من ردة فعل الكتلة غالباً ما تكون غير هامة عند مناقشة المركبات في الفضاء ويمكن أيضا أن يتم مناقشة دفعة محددة من حيث الدافع لكل وحدة من الكتلة وهذا شكل بديل من دفعة محددة يستخدم نفس وحدات السرعة (على سبيل المثال م / ث) وفي واقع الأمر هو مساو لسرعة العادم الفعالة للمحرك (المسمى عادة) مشوش وتسمى في بعض الأحيان على حد سواء القيم دفعة محددة القيمتين تختلف بمعامل. G_n وتسارع المعيار بسبب الجاذبية 9.80665 م / ث² (I_spg_n=v).

الصاروخ ذو سرعة عادم عالية لديه القدرة على تحقيق نفس الدفعة بردة فعل أقل عموماً الطاقة اللازمة لهذا الدفع تتناسب مع سرعة العادم ولذا فإن المحركات ذات الكفاءة تحتاج لطاقة أكثر بكثير وتكون عادةً ذات كفاءة أقل في استخدام الطاقة وتكون هذه مشكله إذا كان المحرك يستخدم لمد مقدار كبير من الدفع. لتوليد المقدار الكبير من الدفع خلال ثانية يجب استخدام مقدار كبير من الطاقة خلال ثانية لذلك فإن المحركات ذات كفاءة الدفع العالية تحتاج مقدار ضخم من الطاقة قي الثانية لانتاج دفع عالي ونتيجة لذلك فإن معظم تلك المحركات تصمم لتزويد مقدار اقل من الدفع بسبب عدم توفر مقدار عالي من الطاقة.

الطرق

ويمكن تصنيف أساليب الدفع استنادا ًعلى وسائل تسريع كتلة رد الفعل هناك أيضا بعض الطرق الخاصة للإطلاق الوصول للكواكب والهبوط.

المحركات المرتدة الإرتكاسية

المحرك المرتد الارتكاسي هو محرك يُزود بالدفع عبر طرد الكتلة المرتدة وفقاً لقانون نيوتن الثالث للحركة وقانون الحركة هذا هو المقوله الأكثر شيوعاً لكل قوة فعل قوة فعل مرتدة مساوية لها في المقدار ومعاكسه لها في الاتجاه وتتضمن الأمثلة كلا من المحركات الأنبوبية ومحركات الصواريخ والكثير من الاختلافات النادرة مثل محرك إيون والناقل الدفعي للكتلة ومحركات تأثير هول المحركات الأنبوبية بالفعل تُستخدم لدفع في الفضاء نظراً لعدم وجود الهواء، غير أن بعض المركبات الفضائية لديها هذه الأنواع من المحركات لتساعدها في الهبوط والإقلاع.

دلتا الخامس والاندفاع الذاتي

قد ينتج إرهاق كامل الاندفاع صالح للاستعمال في مركبة فضائية من خلال المحركات في خط مستقيم في مساحة فارغة تغير السرعة الصافية للمركبة وأطلق على هذا العدد مصطلح دلتا الخامس ().

إذا كانت السرعة العادمة ثابتة فيمكن حساب كامل مجموع دلتا الخامس للمركبة () باستخدام معادلة الصاروخ التي يكون فيها M هو كتلة الدافع و P كتلة الحمولة ( مشتملة تركيب الصاروخ ) و هو سرعة عادم الصاروخ وهي تعرف بمعادلة تشياكوفسكي الصاروخي: ولأسباب تاريخية وكما نُوقش أعلاه V_e أحيانًا تكتب: حيث أن I_sp تعني النبضة/الدفعة المحددة لـ الصاروخ وتقاس بالثواني أما g_o فهي تسارع الجاذبية عند مستوى سطح البحر. ولـتكون مهمة دلتا الخامس عالية يجب أن تكون غالبية كتلة مركبة الفضاء من كتلة رد الفعل بما أن الصاروخ يجب أن يحمل جميع ردود فعل الكتلة غالبية رد فعل الكتلة المستهلك في البداية يخرج نحو رد فعل جماعي بدلًا من حمولة إذا كان لدى الصاروخ حمولة من الكتلة P، فـ مركبة الفضاح تحتاج طريق ، ومحرك الصاروخ يكون لديه سرعة العادم v_e، والكتلة M من رد فعلها والذي يتحاج إلى حساب استخدام معادلة وصيغة الصاروخ على النحو: :

و بالنسبة للمعادلة التي تقول بأن قيمة الدالة أصغر بكثير من قيمة الدالة V_e" هي تقريبا معادلة خطية، والشيء اليسير من كتلة التفاعل النووي تكون متطلبة. و بالتالي فإن قيمة الدالة - إذا كانت متساوية مع قيمة الدالة V_e" - في حاجة في أن يصبح لديها تقريبا ضعف كمية زيت الوقود الموجودة لدى الحمولة الإجمالية للمركبة الفضائية ولدى هيكلها مجتمعين مع بعضيهما ( و التي تتضمن المحركات، صهاريج الوقود، ونحو ذلك ). و بالإضافة إلى هذا، فإن النمو والازدياد "أسّي" (معبر عنه بالأس)، حيث أن معدلات السرعة أعلى بكثير من سرعة الحركة المستهلكة والتي تستوجب كميات هائلة من كتلة زيت الوقود حتى يتم تزويد السفينة الفضائية وما تحمله من أدوات ومواد، وتزويد كتلة المادة الهيكلية أيضا . و على سبيل المثال - بالنسبة للمهمة الفضائية - فإنه من اللازم أن تكون نتائج أو ظواهر الجاذبية الأرضية وأية آثار للسحب الجوي قد تأثرت بشكل كبير من جراء استخدام زيت الوقود عند وقت الانطلاق من الكوكب أو الهبوط إليه. و من المنطق يتم ربط هذه الآثار وربط الآثار الأخرى برحلة الفضاء الهامة للدالة . فمثلا : انطلاق البعثة الفضائية نحو مدار الأرض الأول يستوجب حوالي 9.3–10 km/s من قيمة الدالة . و رحلات الفضاء هذه للدالة قد تم إجراء عملية التكامل لها رقميا على جهاز حاسوب. و بالإمكان فقط أن يستفاد بشكل ملحوظ من بعض هذه التأثيرات (مثل تأثير أوبيرث) و ذلك عن طريق محركات قوة الضغط العالية مثل الصواريخ، بمعنى أن المحركات تستطيع أن تصدر قوة جاذبية دافعة (حيث أن قوة الضغط الهائلة لكل وحدة كتلة للمادة، متساوية مع قيمة الدالة لكل وحدة زمن).

استخدامات الطاقة والكفاءة الدفعية

بالنسبة لجميع محركات طاقة ردة الفعل (مثل الصواريخ والمشغلات الأيونية) يجب أن تخوض في عملية تسريع الكتلة التفاعلية، فيضيع قدرا من الطاقة عندها، وحتى لو افترضنا أن نسبة كفاءة المحرك تبلغ 100%، فجزء من الطاقة يذهب في تسريع تفريغ المحرك بما يصل إلى

ولا تعد هذه الطاقة مهدرة حيث أن جزءا منها يكون طاقة حركية للمركبات، كما يضيع قدرا منها في حركة التفريغ المتبقية.

هذه الطاقة ليست بالضرورة مهدرة غالباً يتحول بعضها كطاقة حركية للمركبة والباقي يُهدر في الحركة المتبقية للعادم.

عند مقارنة كلاً من معادلة الصاروخ ( التي تُظهر مقدار الطاقة التي تصل إلى الآلة الأخيرة) والمعادلة السابقة ( التي تُظهر إجمالي الطاقة اللازمة ) فإنه حتى إن بلغت كفاءة المركبة 100% حتماً لن تصل كل الطاقة المزودة إلى المركبة البعض منها بل غالباً معظمها يؤول بها المطاف لتصبح طاقة حركية للعادم.المقدار الفعلي يعتمد على تصميم المركبة، وطبيعة المهمة إلا أنه توجد بعض العوامل الثابتة المفيدة كالتالي:

الثانية والثالثة هي كميات نموذجيه من الدفع وحرق الوقت النموذجي للطريقة خارج الجاذبية كميات صغيرة محتملة لتطبيق الدفع على مدى فترة طويلة وسوف يعطي نفس تأثير الكميات الكبيرة اعتبارا من الدفع خلال فترة قصيرة (لا تنطبق هذه النتيجة عندما يتأثر كائن بشكل كبير من الجاذبية)

الرابع هو الحد الأقصى دلتا الخامس هذه التقنية يمكن أن تعطي (بدون التدريج) بالنسبة للصواريخ مثل أنظمة أجهزة االدفع هي وظيفة جزء من الشامل وسرعة العادم، الجزء الشامل للصواريخ مثل الأنظمة هي عادة محدودة بنظام الوزن والدفع ووزن الصهاريج ولنظام تحقيق هذا الحد ونموذجية الحمولة النافعة قد تحتاج إلى أن تكون نسبة مئوية ضئيلة من المركبة وبالتالي فإن الحد العملي على بعض الأنظمة يمكن أن يكون أقل من ذلك بكثير.

الاختبار

تختبر أنظمة دفع المركبة الفضائية أولاً بشكل ثابت على سطح الأرض داخل نطاق الغلاف الجوي، ولكن العديد من الأنظمة تتطلب فجوة فارغة للاختبار بشكل تام، وتختبر الصواريخ عادةً على مرفق اختبار محرك الصواريخ بشكل جيد وبعيداً عن الإسكان والمباني الأخرى لأسباب أمنية، وتعتبر محركات أيون أقل خطراً وتتطلب القليل من السلامة وعادةً الفجوة الفارغة الكبيرة هي المتطلبة فقط.

ويمكن إيجاد أشهر موقع اختبار ثابت في مرافق اختبار الصواريخ الأرضية، وبعض الأنظمة لا يمكن اختبارها على الأرض