محرك صاروخي يعمل بالوقود المبرد

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 10 صور
الموسوعة الحرة
محرك فولكان الخاص بصاروخ أريان 5

محرك الصاروخ المبرد هو محرك صاروخي يستخدم وقودًا ومؤكسدًا مبردين ؛ أي أن كلاً من الوقود والمؤكسد عبارة عن غازات تم تسييلها وتخزينها في درجات حرارة منخفضة للغاية . [ 1 ] وقد تم تشغيل هذه المحركات عالية الكفاءة لأول مرة على متن صاروخ أطلس سنتور الأمريكي، وكانت أحد العوامل الرئيسية لنجاح وكالة ناسا في الوصول إلى القمر بواسطة صاروخ ساتورن 5. [ 1 ]

لا تزال محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود المبرد مستخدمة حتى اليوم في المراحل العليا والمعززات عالية الأداء . وتتعدد المراحل العليا، بينما تشمل المعززات صاروخ أريان 6 التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، وصاروخ GSLV التابع لمنظمة أبحاث الفضاء الهندية ، وصاروخ LVM3 التابع لمنظمة أبحاث الفضاء الهندية ، وصاروخ H-II التابع لوكالة استكشاف الفضاء اليابانية، ونظام الإطلاق الفضائي التابع لوكالة ناسا . وتُعد الولايات المتحدة وروسيا والهند واليابان وفرنسا والصين الدول الوحيدة التي تمتلك محركات صواريخ مبردة عاملة.

المواد الدافعة المبردة

يُعد محرك RL10 مثالاً مبكراً على محركات الصواريخ المبردة.

تحتاج محركات الصواريخ إلى معدلات تدفق عالية لكل من المؤكسد والوقود لتوليد قوة دفع فعالة. الأكسجين، وهو أبسط المؤكسدات وأكثرها شيوعًا، يوجد في الحالة الغازية عند درجة الحرارة والضغط القياسيين ، وكذلك الهيدروجين، وهو أبسط أنواع الوقود. مع أنه من الممكن تخزين المواد الدافعة كغازات مضغوطة، إلا أن ذلك يتطلب خزانات كبيرة وثقيلة، مما يجعل الوصول إلى مدارات فضائية أمرًا صعبًا إن لم يكن مستحيلاً. من ناحية أخرى، إذا تم تبريد المواد الدافعة بدرجة كافية، فإنها توجد في الحالة السائلة بكثافة أعلى وضغط أقل، مما يبسط عملية التخزين. تختلف درجات الحرارة المنخفضة جدًا هذه باختلاف المادة الدافعة، حيث يوجد الأكسجين السائل عند درجة حرارة أقل من -183 درجة مئوية (-297.4 درجة فهرنهايت؛ 90.1 كلفن) ، والهيدروجين السائل عند درجة حرارة أقل من -253 درجة مئوية (-423.4 درجة فهرنهايت؛ 20.1 كلفن) . وبما أن واحدًا أو أكثر من المواد الدافعة يكون في الحالة السائلة، فإن جميع محركات الصواريخ المبردة هي، بحكم تعريفها، محركات صواريخ تعمل بالوقود السائل . [ 2 ]      

جُرِّبت تركيبات مختلفة من الوقود والمؤكسد المبرد، لكن تركيبة وقود الهيدروجين السائل ( LH2 ) ومؤكسد الأكسجين السائل ( LOX ) تُعدّ من أكثر التركيبات استخدامًا. [ 1 ] [ 3 ] يتوفر كلا المكونين بسهولة وبتكلفة زهيدة، وعند احتراقهما يُنتجان أحد أعلى معدلات إطلاق المحتوى الحراري في الاحتراق ، [ 4 ] مما يُنتج دافعًا نوعيًا يصل إلى 450  ثانية عند سرعة عادم فعالة تبلغ 4.4 كيلومتر في الثانية (2.7 ميل/ثانية؛ ماخ 13) .  

المكونات ودورات الاحتراق

تتكون المكونات الرئيسية لمحرك الصاروخ المبرد من غرفة الاحتراق ، والمُشعل الناري ، وحاقن الوقود، ومضخات التوربينات للوقود والمؤكسد ، وصمامات التبريد، والمنظمات، وخزانات الوقود، وفوهة محرك الصاروخ . وفيما يتعلق بتغذية غرفة الاحتراق بالوقود، فإن محركات الصواريخ المبردة تُغذى بالمضخات بشكل شبه حصري . وتعمل هذه المحركات وفق دورة مولد الغاز ، أو دورة الاحتراق المرحلي ، أو دورة التمدد . وتُستخدم محركات مولد الغاز عادةً في محركات الدفع نظرًا لانخفاض كفاءتها، بينما يمكن لمحركات الاحتراق المرحلي أن تؤدي كلا الدورين على حساب زيادة التعقيد، أما محركات التمدد فتُستخدم حصريًا في المراحل العليا نظرًا لانخفاض قوة دفعها.

محركات الصواريخ التي تعمل بالأكسجين السائل والهيدروجين السائل حسب البلد

محرك YF-77 الصيني المستخدم في طائرة المسيرة الطويلة 5
محرك YF-77 الصيني المستخدم في طائرة المسيرة الطويلة 5

حالياً، نجحت ست دول في تطوير ونشر محركات الصواريخ المبردة:

دولةمحركدورةيستخدمحالة
 الولايات المتحدةRL10موسّعالمرحلة العليانشيط
J-2مولد غازالمرحلة الأدنىمتقاعد
SSME (المعروف أيضًا باسم RS-25)الاحتراق المرحليمعززنشيط
RS-68مولد غازمعززمتقاعد
BE-3مخرج الاحتراقنيو شيباردنشيط
BE-7موسع مزدوجالقمر الأزرق (مركبة فضائية)نشيط
J-2Xمولد غازالمرحلة العلياالنمو
 روسياRD-0120الاحتراق المرحليمعززمتقاعد
KVD-1الاحتراق المرحليالمرحلة العليامتقاعد
RD-0146موسّعالمرحلة العلياالنمو
 فرنسافولكانمولد غازمعززنشيط
HM7Bمولد غازالمرحلة العليامتقاعد
فينشيموسّعالمرحلة العليانشيط
 الهندCE-7.5الاحتراق المرحليالمرحلة العليانشيط
CE-20مولد غازالمرحلة العليانشيط
 الصينYF-73مولد غازالمرحلة العليامتقاعد
YF-75مولد غازالمرحلة العليانشيط
YF-75Dدورة التوسيعالمرحلة العليانشيط
YF-77مولد غازمعززنشيط
 اليابانLE-7 / 7A [ 5 ]الاحتراق المرحليمعززنشيط
LE-5 / 5A / 5B [ 6 ]مخرج غاز مولد (LE-5) موسع (5A/5B)المرحلة العليانشيط
LE-9 [ 7 ]نزيف الموسعمعززنشيط

مقارنة محركات الصواريخ المبردة من المرحلة الأولى

نموذجSSME/RS-25LE-7ARD-0120فولكان 2RS-68YF-77
بلد المنشأ الولايات المتحدة اليابان الاتحاد السوفياتي فرنسا الولايات المتحدة الصين
دورةالاحتراق المرحليالاحتراق المرحليالاحتراق المرحليمولد غازمولد غازمولد غاز
طول4.24 متر3.7 متر4.55 متر3.00 متر5.20 متر2.6 متر
القطر1.63 متر1.82 متر2.42 متر1.76 متر2.43 متر1.5 متر
الوزن الجاف3177  كجم1832  كجم3,449  كجم1686  كجم6696  كجم1,054  كجم
مادة دافعةLOX / LH2LOX / LH2LOX / LH2LOX / LH2LOX / LH2LOX / LH2
ضغط الحجرة18.9 ميجا باسكال12.0 ميجا باسكال21.8 ميجا باسكال11.7 ميجا باسكال9.7 ميجا باسكال10.1 ميجا باسكال
Isp (vac.)453 ثانية440 ثانية454 ثانية433 ثانية409 ثانية428 ثانية
قوة الدفع (بالفراغ)2.278 مليون نيوتن1.098 مليون1.961 مليون نيوتن1.120 مليون نيوتن3.37 مليون نيوتن0.7 مليون نيوتن
الدفع (SL)1.817 مليون0.87 مليون نيوتن1.517 مليون نيوتن0.800 مليون نيوتن2.949 مليون نيوتن0.518 مليون نيوتن
يستخدم فينظام إطلاق مكوك الفضاءH-IIA H-IIBإنرجياأريان 5دلتا 4المسيرة الطويلة 5

مقارنة محركات الصواريخ المبردة للمرحلة العليا

تحديد
RL10HM7BفينشيKVD-1CE-7.5CE-20YF-73YF-75YF-75DRD-0146ES-702ES-1001LE-5LE-5ALE-5B
بلد المنشأ الولايات المتحدة فرنسا فرنسا الاتحاد السوفياتي الهند الهند الصين الصين الصين روسيا اليابان اليابان اليابان اليابان اليابان
دورةموسّعمولد غازموسّعالاحتراق المرحليالاحتراق المرحليمولد غازمولد غازمولد غازموسّعموسّعمولد غازمولد غازمولد غازدورة نزيف الموسع (فوهة الموسع)دورة نزيف الموسع (موسع الحجرة)
قوة الدفع (بالفراغ)66.7  كيلو نيوتن (15000  رطل)62.7  كيلو نيوتن180  كيلو نيوتن69.6  كيلو نيوتن73  كيلو نيوتن186.36  كيلو نيوتن44.15  كيلو نيوتن83.585  كيلو نيوتن88.36  كيلو نيوتن98.1  كيلو نيوتن (22,054  رطل قوة)68.6  كيلو نيوتن (7.0 طن قوة) [ 8 ]98  كيلو نيوتن (10.0 طن قوة) [ 9 ]102.9  كيلو نيوتن (10.5 طن قوة)r121.5  kN (12.4 tf)137.2  كيلو نيوتن (14 طن قوة)
نسبة الخلط5.5:1 أو 5.88:15.05.85.055.05.26.05.26.05.555
نسبة الفوهة4083.11004080804040140130110
I sp (vac.)433444.2465462454442420438442.6463425 [ 10 ]425 [ 11 ]450452447
ضغط الحجرة: ميجا باسكال2.353.56.15.65.86.02.593.684.15.92.453.513.653.983.58
LH 2 TP rpm90,0004200065000125,0004100046,31050,0005100052000
LOX TP rpm1800016,68021,080160001700018000
الطول م1.731.82.2~4.22.142.141.442.82.22.682.692.79
الوزن الجاف بالكيلوغرام135165550282435558236245265242255.8259.4255248285

مراجع

  1. 1 2 3 بيلستين، روجر إي. (1995). مراحل إلى زحل: تاريخ تكنولوجي لمركبات إطلاق أبولو/ساتورن (NASA SP-4206) (سلسلة تاريخ ناسا) . مكتب تاريخ ناسا. الصفحات 89-91 . ISBN  0-7881-8186-6.
  2. ^ بيبلارز، أوسكار. ساتون، جورج هـ. (2009). عناصر الدفع الصاروخي . نيويورك: وايلي. ص. 597 . رقم ISBN  978-0-470-08024-5.
  3. ↑ تبلغ درجة حرارة تسييل الأكسجين 89 كلفن ، وعند هذه الدرجة تبلغ كثافته 1.14 كجم/لتر. أما الهيدروجين فتبلغ درجة حرارته 20 كلفن، أي أعلى بقليل من الصفر المطلق ، وتبلغ كثافته 0.07 كجم/لتر.
  4. ↑ بيسواس، س. (2000). منظورات كونية في فيزياء الفضاء . بروكسل: كلوير. ص 23. ISBN  0-7923-5813-9."... [LH2+LOX] لديه أعلى دافع نوعي تقريبًا."
  5. ^ "Le-7A｜エンジン｜H-Iiaロケット｜ロケット｜Jaxa 宇宙輸送技術部門" .
  6. ^ "Le-5B ｜エンジン｜H-Iiaロケット｜ロケット｜Jaxa 宇宙輸送技術部門" .
  7. ^ "Le-9｜エンジン｜H3ロケット｜ロケット｜Jaxa 宇宙輸送技術部門" .
  8. ↑ بدون فوهة 48.52 كيلو نيوتن (4.9 طن قوة)
  9. ↑ بدون فوهة 66.64 كيلو نيوتن (6.8 طن قوة)
  10. ↑ بدون فوهة 286.8
  11. ↑ بدون فوهة 291.6