The next Frontier in Propulsion: Hybrid Rocket Engines

وقد اعتمد استكشاف الفضاء على نوعين رئيسيين من قاذفات الصواريخ: محركات الوقود الصلب ومحركات الوقود السائل، وكل منهما يقدم مبادلات متميزة في الأداء والسلامة والتكلفة، غير أن باحثين من الفئة الثالثة - محرك الصواريخ الهجين - بدأوا يظهرون بهدوء كمنطقة متوسطة ملحة، وذلك بدمج وقود صلب مع أكسيد سائل أو غازي (أو أحيانا العكس)، وعود محركات الدفع المربحة في العالم

كيف يعمل فريق "روكيت" الهجين

وفي صاروخ هجين نموذجي، تكون مادة متينة مثل المطاط مثل مادة البوليبوتاديين المحتوي على الهيدروكسيل أو الشمع الموازي داخل غرفة الاحتراق، وهي مادة مصفوفة من مواد الصواريخ الصلبة أو الغازية (أوكسيد النيتروز المشترك أو الأكسجين أو برودين الهيدروجين) مثبتة في شكل مركب، تتدفق على سطحي.

ونظراً لأن الأوكسيديزر يمكن التحكم به بدقة عن طريق الصمامات، يمكن أن يُغلق المحرك، بل ويُعاد تشغيله في قدرات الطيران التي تكون صعبة للغاية أو مستحيلة مع الصواريخ الصلبة، وفي الوقت نفسه، فإن حبوب الوقود الصلب غير مجهزة إلى أن تتعرض للأوكسيدر، مما يجعل الصواريخ الهجينة أكثر أماناً بكثير في تصنيعها ونقلها ومعالجتها من نظم السوائب ذات الدفع الثنائي السائل.

أهم الملاءمات في مجال الانطلاق التقليدي

تعزيز التعقب والمراقبة

والقدرة على تغيير الاتجاه في الوقت الحقيقي هي مغيرة لعب للعديد من موجزات البعثات، ويمكن تعديل تدفق الأوكسيديد السائل لتحقيق ظروف دقيقة للزراعة، مما يتيح الهبوط الناعم على سطح الكوكب، ومناورات الادراج المداري، ومسارات الزراعة التكييفية، وعلى النقيض من ذلك، تحترق السيارات الصلبة بمعدل ثابت بمجرد أن تهتز، ولا توفر قدرة على القذف.

السلامة المتجانسة والحد من التعقيد

ويحمل محرك الصواريخ الهجينة وقوده كبديل ثابت وغير مفجّر، ولا يختلط الوقود والأكسدة إلا بعد الاحتراق، ويزيل خطر تسرب الوقود الكارثي أو التفجيرات العرضية أثناء عمليات التخزين وعمليات ما قبل الإطلاق، كما أن المحركات الهجينة تتطلب أيضاً أقل من قطع الحركة العالية الضغط مقارنة بالمحركات السائلة، وتبسيط التجمع والصيانة.

التكلفة - الأثر والقابلية للصنع

ويمكن إلقاء حبوب الوقود الصلب باستخدام تقنيات المعالجة المباشرة للبوليمرات، ويستخدم العديد من النظم الهجينة أكاسيد قابلة للخزن وغير مسببة للسرطان، مما يقلل من الحاجة إلى هياكل أساسية مسببة للبكاء ومعدات مناولة شديدة التخصص، ويجعل انخفاض تكاليف المواد والتصنيع نظما مهجورة جذابة لمركبات الإطلاق الصغيرة وصواريخ السبر، حيث تضيق قيود الميزانية بشكل خاص.

Environmental Friendliness

Many hybrid propellant combinations produce clean exhaust products, often consisting mainly of water, carbon dioxide, and nitrogen. For example, a common hybrid using HTPB fuel with nitrous oxide yields nearly nontoxic exhaust. This contrasts sharply with the chlorine-based exhaust from many solid boosters (which contributes to ozone depletion) or the toxic hypergolic propellants used in some liquid systems.

التجارة والتحديات الهندسية

وعلى الرغم من وعدهم، فإن محركات الصواريخ الهجينة ليست بدون قيود، ومن العقبات التقنية الرئيسية انخفاض معدل الانحدار نسبيا - السرعة التي يحرق بها حبة الوقود الصلب - تزيد أحبوب الوقود الهجينة التقليدية مثل حروق سداسي البروم ثنائي الفينيل ببطء، مما يحد من نسبة الدافع إلى الوزن ويحتاج إلى مناطق سطحية كبيرة لتحقيق الهدف المنشود، وقد عالج الباحثون ذلك بإدراج نماذج مضافات حرقة من طبقة الوقود.

وثمة تحد آخر هو التحول في نسبة المخلوطات بسبب الحرق، حيث إن الحبوب الوقودية تتراجع، وتغيرات الهندسة، وتغيير نسبة الوقود إلى الأوكسيدر، وربما الحد من الحفز المحدد أو كفاءة الاحتراق، ويلزم تصميم الحبوب بعناية ومراقبة نظم التغذية للحفاظ على الأداء الأمثل طوال فترة الحرق، وبالإضافة إلى ذلك، فإن المحركات الهجينة عادة ما تكون لديها دوافع محددة أقل من المحركات السائلة العالية الأداء (مثل LV/H2).

ويمكن أيضا أن تنشأ حالات عدم الاستقرار في المحركات الهجينة، ويمكن أن تقترن الطلقات في غرفة الاحتراق بتراجع الوقود وحقن الأوكسيديات، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط أو الحرق الحاد، ويجري تطوير نظم مراقبة نشطة، وتصميمات حقن متقدمة، وتقنيات للتقليل من هذه القضايا.

آخر المنجزات والبحوث الجارية

وقد أحرز تقدم كبير في العقدين الماضيين، لا سيما في تطوير الوقود العالي الارتداد، وقد أظهرت الوقود المسبب للبارافين الذي طورته NASA وجامعة ستانفورد معدلات حروق تصل إلى أربع مرات في كمية الوقود التقليدي للمركبات الصغيرة والمتوسطة، مما مكّن الشركات الخاصة مثل شركة روكت لابشند الجديدة من استكشاف خيارات الدفع قبل

وفي قطاع الدفاع، قامت القوات الجوية الأمريكية وداربا بتمويل البحوث في المحركات الهجينة للقذائف التكتيكية والطائرات بدون طيار، حيث تتسم القاذورات والسلامة بأهمية بالغة، وقد قامت وكالات الفضاء الأوروبية، بما فيها وكالة الفضاء الأوروبية، باختبار مراحل ركلة الهجينة وبدائل الوقود الأخضر، كما أن استخدام الصناعة المضافة للتصنيع (3D زياً موحداً) في برامج الهندسة المعقدة التي تحسن الخلط بين الكائنات الأرضية.

نظم وبعثات هجينة بارزة

وقد أظهرت عدة برامج تاريخية ونشطة وجود هجائن هجينة في الطيران:

  • SpaceShipOne and SpaceShipTwo] (Scaled Composites / Virginia Galactic): تستخدم هذه المركبات دون المدارية وقوداً متحركاً مشتعلاً من HTPB بأكسيد النيتروز، ويوفر النظام السيطرة على الخنق من أجل توصيلة سلسة وآمنة ويمكن وقفها فوراً في حالة الطوارئ.
  • TERRA] (جامعة واشنطن): صاروخ هجين بنّاء طالباً وصل إلى ارتفاع 100 كيلومتر، وفاز بالمسابقة الهندسية للروكيت في عام 2019.
  • Sounding rockets ] (NASA's Wallops Flight Facility): Hybrid test flights have been used to study high-altitude atmospheric phenomena and test new fuel formulations.
  • Proposed lunar landers]: Several concept studies have evaluated hybrid motors for their throtling capacity and safe handling, which are essential for crewed landings on the Moon or Mars.

For a detailed overview of hybrid rocket history, the ]Rocketry Association of the United States] maintains an excellent database of flight-proven hybrids.

التطبيقات المحتملة في العقد القادم

مركبات الإطلاق القابلة للاستعمال

وقد تؤدي قدرات القذف والإعادة إلى الظهور إلى جعل المحركات الهجينة مرشحة قوية للمرحلتين الأولى والثانية القابلة لإعادة الاستخدام، ويمكن للمرحلة الأولى المهجينة أن تؤدي حرقاً متحكماً في العودة ثم تهبط إلى الهبوط العمودي، على غرار الفالكون 9 للفوسكس، ولكن دون تعقيد وخطر الميثان السائل المبرد أو الكيروسين.

السياحة دون المدارية والسفر من نقطة إلى نقطة

وقد أثبت نجاح نظام فيرجن المجر أن المحركات الهجينة للمركبات التي تنقل الركاب قد نجحت في تجارب الطيران دون المداري، إذ أن عدة محركات بدءية تقوم بتطوير طائرات فضائية تعمل بالطاقة الهجينة للسفر فوق الصوتي من نقطة إلى نقطة، حيث سيلزم وقفها وإعادة تشغيلها من أجل إجراء تعديلات على المسارات الجوية.

استخدام الموارد في الفضاء العميق وفي الموقع

وبالنسبة للبعثات الفضائية العميقة، يمكن الجمع بين المحركات الهجينة والأوكسيدات غير المسببة للتوتر، التي تُخزن منذ فترة طويلة، وذلك لتمكين الحرق المتعدد على مر السنين، ويمكن صنع الوقود الصلب من الموارد الموجودة في الموقع (مثلاً، تجهيز مادة سداسي البروم ثنائي الفينيل) من الغلاف الجوي المحلي أو من الجليد المائي، بينما يمكن إنتاج مادة الأوكسجين المختلط من الغلاف الجوي أو الماء.

ساتل وشركة Orbital Maneuvering

ويجري تصميم نظم الدفع الهجينة للسواتل الصغيرة ومركبات النقل المداري، وقدرتها على إعادة التشغيل تسمح بإدخال تعديلات متعددة على المدارات، بينما يمكن تعبئة الوقود الصلب في الحبوب المدمجة، مما يوفر الحجم مقارنة بالدبابات السائلة المنفصلة.

خاتمة

وتشغل محركات الصواريخ الهجينة مكانا فريدا في مشهد الدفع - مما يؤدي إلى مزيج قوي من السلامة والتحكم والكفاءة في التكاليف، وفي حين أنه من غير المحتمل أن تحل محل المحركات السائلة ذات الأداء العالي والمعززة للمراحل التي تفصل بين الصواريخ، فإن هذه المنظومات تثبت أنها مثالية للتطبيقات التي تُحدث فيها آثاراً وتحولات وقودية، وهي تُستخدم في إطارها أجهزة الدفع الاصطدامة.