تقييم حدود الصواريخ الكيميائية باستخدام معادلة الصواريخ للبعثات المقبلة

أين:

• desv is the total change in velocity the rocket can achieve (in meters per second).
• v_e] هو سرعة العادم الفعالة للمروحي، والمتصلة مباشرة بالدفع المحدد (I₎ ) للمحرك.
• m_]0 هو الكتلة الإجمالية الأولية للصاروخ (بما في ذلك الوقود والهيكل والحمولة).
• m_]f] هو الكتلة النهائية بعد حرق جميع الوقود (أي الكتلة الجافة).

The natural logarithm of the mass ratio (m₀/m_f]]]) makes the relationship exponential. To double the ilv, the mass ratio must be squared. To triple the v, it must be cubed. This has profound consequences: the more velity

فعلى سبيل المثال، يحقق صاروخ يبلغ معدله الإجمالي ١٠ )أي ٩٠ في المائة من الوقود الدفعي( وسرعة استنفاد العادم تبلغ ٣ كيلومترات/سائقة، درجة حرارة تبلغ ٣ كيلومترات تقريبا، × ١ كيلومترات مربعة/عشرة كيلومترات، وهذا يكفي لاستعمال المدار الأرضي من السطح )حوالي ٩,٣ كيلومترات/مجموع الخسائر المدرجة، ولكن مع وجود قدر أكبر من الجاذبية والخسائر في المدارات( يلزم زيادة طولها من المدار المنخفض الى ما يتراوح بين كيلومترين.

لماذا نعرض مسائل الحياة

(أ) سرعة الـ _e هي أهم البارامترات الوحيدة لمحرك الصواريخ، ويحدّدها محتوى الطاقة من الدافع وتصميم الألغاز، أما بالنسبة للصواريخ الكيميائية، فإن الحد الأساسي يأتي من الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود والأكسدة، وأحدث تفاعلات الاحتراق مثل الهيدروجين الحقيقي

ولا يمكن أن يتجاوز رد الفعل الكيميائي عدة كهرباء لكل جزيء من الطاقة، ذلك الحد الأقصى من العادم في حوالي 5 كيلومترات/كثيراً، مهما كان مدى غرابة المروحة، وللزيادة ضد _e، يجب أن يتحول المهندسون إلى مصادر أخرى للطاقة: الطاقة الحرارية النووية، والكهربائية، بل وحتى الدمج.

The Limits Chemical Rockets Place on Future Missions

(د) معادلة الصواريخ تكشف عن الواقع الوحشي للدفع الكيميائي لبعثات الفضاء العميق، والنظر في مهمة بسيطة من مرحلتين إلى المريخ، ومن مدار أرضي منخفض، تحتاج المركبة الفضائية إلى نحو 3.6 كيلومتراً/ساعة لنقلها إلى المريخ، إضافة إلى 0.7 كيلومتراً/كثير آخر إلى إدخال مدار المريخ (إذا لم يكن مركباً) وربما 0.5 كيلومتراً/مبلغ مركباً ممتداً إلى 5 كيلومتراً).

أما بالنسبة للبعثات التي تتجاوز المريخ، فإن المشكلات تستلزم بعثة إلى قمر جوبيتر يوروبا حفرة تبلغ مساحتها حوالي 6 كيلومترات/مسافات من مدار الأرض (بما في ذلك التقاطها) وتتطلب نسبة كبيرة من الـ (^{) (6/4-4)} ) تبلغ مساحتها 3.9, أو 74 في المائة من القاذورات التي تبلغ مسدّاومة مماثلة، فإن نفس المنطق يحتجز فيما بين كلم.

وترتب على هذه القيود آثار مباشرة بالنسبة لتصميم البعثات:

• Payload mass is heavily penalized.] Every kilogram of scientific instruments, shielding, or crew accommodations requires many kilograms of propellant to accelerate it.
• Multiple heavy launches are needed] to assemble large spacecraft in tropical, as the Saturn V or Space Launch System (SLS) cannot lift fully fueled interplanetary vehicles from Earth.
• Travel times become very long] if v is minimized. The Classal Hohmann transfer to Mars takes about 260 days; for Jupiter it is over 2.5 years. Faster transfers demand more v, further increasing propellant needs.

والمشكلة الأساسية هي أن الصواريخ الكيميائية وصلت إلى حد أقصى للأداء العملي، وأن بإمكان المهندسين أن يُحدِّدوا ضغط غرفة الاحتراق، ونسب التوسع في الأزياء، ومخاليط الوقود الدافع، ولكن الحد الأقصى النظري للديفي في كل مرحلة لا يزال دون 10 كيلومترات/مسافات، وبالنسبة لمعظم البعثات التي يقطنها طاقم خارج القمر، فإن ذلك غير كاف دون اللجوء إلى مراحل ثقيلة متعددة أو إعادة الإمداد بالوقود المداري.

مقارنة المواد الكيميائية بنظم التبريد البديلة

ونظراً لأن معادلة الصواريخ تبين أن متطلبات السحب المتواضعة تحفز النمو الجماعي الهائل مع الدفع الكيميائي، فإن العديد من الباحثين يدعون إلى تطوير تكنولوجيات الدفع المتقدمة، وتمتد البدائل إلى عدة فئات، كل منها مع مبادلاته بين الدافع والكفاءة والعملية.

التكاثر الحراري النووي

أما الصواريخ الحرارية النووية فتستخدم مفاعلاً نووياً لتسخين محرك (هيدروجين ثابت) إلى درجة حرارة عالية، ثم تستنفده من خلال زهرة، ولا يقتصر مصدر الطاقة على السندات الكيميائية، بحيث تصل الدافع المحدد إلى 800-900 ثانية، ويتحول إلى محركات متحركة متعددة الأطراف، إلا أن نسبة التعبئة الجماعية تتراوح بين 8 و9 كيلومترات/ساعة 1970 قد تكون أكبر.

Propulsion (Ion and Hall Thrusters)

وتستعمل نظم الدفع الكهربائي حقول كهربائية لتسريع الأنفاق أو البلازما إلى سرعة العادم العالية جدا (10-50 كيلومتراً/كثيراً) ويمكن أن تتجاوز الدافع المحدد 000 3 ثانية، وتتفادى المبادلات ذات الدفع المنخفض جداً، مما يعني أن الصواريخ ذات السعة المنخفضة من المدار الأرضي، وعلى سبيل المثال، استخدمت مركبات الفجر الجاهزة في الأوعية الصاروخية في الوصول إلى مرحلتين الصاروخيتين العاليتين.

Solar Sails

ويستخدم الأشرعة الشمسية زخم الصور من الشمس لإنتاج الدفع - لا حاجة إلى الدفع، وفي حين أن التسارع ضئيل، فإنه مستمر، وعلى مدى أشهر وسنين، يمكن للبحر أن يحقق سرعة عالية، وتحتاج بعثة آيكاروس اليابانية وجمعية الكوكب إلى أن تكون قادرة على إحداث تغيير في النظام الشمسي، ولكن الأبحار الشمسية هي الأكثر فعالية في البعثات.

الوقود والمفاهيم المتقدمة

ولا يزال نشر الوقود هدفا طويل الأجل، وإذا أمكن بناء مفاعل للدمج يحقق نسب عالية من الطاقة إلى الكتلة، فإن دوافع محددة تبلغ 000 10 ثانية أو أكثر قد تكون ممكنة، مما سيحول السفر بين الكواكب، مما يجعل البعثات إلى الكواكب الخارجية روتينية.() وقد درست وكالة الفضاء الأوروبية محركات الدفع الثابت في المستقبل، ولكن من المرجح أن تكون هذه المركبات هي المحرك الدافع الدافعي.