محرك الكتلة

يُعدّ دافع الكتلة أو المنجنيق الكهرومغناطيسي طريقةً مقترحةً لإطلاق المركبات الفضائية دون استخدام الصواريخ، حيث يستخدم محركًا خطيًا لتسريع الحمولات ودفعها إلى سرعات عالية. تستخدم دافعات الكتلة الحالية والمقترحة ملفات سلكية مُشغّلة بالكهرباء لتكوين مغناطيسات كهربائية ، مع العلم أنه تم اقتراح دافع كتلة دوّار أيضًا. ^{[ 1 ]} يعمل الإطلاق المتتابع لصف من المغناطيسات الكهربائية على تسريع الحمولة على طول مسار محدد.

على الرغم من أن أي جهاز يُستخدم لدفع حمولة باليستية يُعتبر تقنيًا دافعًا للكتلة، إلا أن دافع الكتلة في هذا السياق هو في الأساس مدفع ملف لولبي يُسرّع مغناطيسيًا حزمة تتكون من حامل قابل للمغنطة يحتوي على حمولة. بمجرد تسريع الحمولة، ينفصل الجزءان، ويُبطأ الحامل ويُعاد تدويره لحمولة أخرى. بدلاً من ذلك، قد يعتمد دافع الكتلة على محركات الحث الخطي المستخدمة في نظام الإطلاق الكهرومغناطيسي للطائرات (EMALS) على متن حاملة الطائرات يو إس إس جيرالد آر فورد  .

يمكن استخدام محركات الدفع الكتلي لدفع المركبات الفضائية بثلاث طرق مختلفة: محرك دفع كتلي أرضي كبير يمكنه إطلاق المركبة الفضائية بعيدًا عن الأرض أو القمر أو أي جرم سماوي آخر. محرك دفع كتلي صغير يمكنه العمل كمحرك صاروخي على متن المركبة الفضائية، حيث يقذف قطعًا من المواد إلى الفضاء لدفع نفسه. وهناك طريقة أخرى تتمثل في وجود منشأة ضخمة على قمر أو كويكب تُرسل قذائف لمساعدة مركبة فضائية بعيدة.

يمكن استخدام دافعات الكتلة المصغرة كأسلحة بطريقة مشابهة للأسلحة النارية التقليدية أو المدافع التي تعمل بالاحتراق الكيميائي . كما أن هناك إمكانية لاستخدام أسلحة هجينة تجمع بين مدافع الملفات ومدافع السكك الحديدية ، مثل مدافع السكك الحديدية الحلزونية . ^{[ 2 ]}

لا تحتاج قاذفات الكتلة إلى تلامس مادي بين أجزائها المتحركة لأنها توجه مقذوفاتها عن طريق الرفع المغناطيسي الديناميكي، مما يسمح بإعادة استخدامها بشكل كبير في حالة استخدام مفاتيح الطاقة الإلكترونية، وعمر تشغيلي يصل  - نظريًا  - إلى ملايين عمليات الإطلاق. وبينما تميل التكاليف الحدية إلى الانخفاض تبعًا لذلك، فإن تكاليف التطوير والبناء الأولية تعتمد بشكل كبير على الأداء، وخاصة الكتلة والتسارع والسرعة المقصودة للمقذوفات. على سبيل المثال، بينما بنى جيرارد أونيل أول قاذفة كتلة له في الفترة 1976-1977 بميزانية قدرها 2000 دولار، وهو نموذج اختبار قصير يطلق مقذوفًا بسرعة 40  م/ث وتسارع 33 جم ، ^{[ 3 ]} كان لنموذجه التالي تسارع أكبر بعشرة أضعاف ^{[ 4 ]} بعد زيادة مماثلة في التمويل، وبعد بضع سنوات، قدر باحثون في جامعة تكساس أن قاذفة كتلة تطلق مقذوفًا وزنه 10 كيلوغرامات بسرعة 6000  م/ث ستكلف 47 مليون دولار. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

بالنسبة لكمية معينة من الطاقة المستخدمة، تتحرك الأجسام الأثقل بسرعات أقل نسبيًا. يمكن قذف الأجسام الخفيفة بسرعة 20  كم/ث أو أكثر. وتتمثل القيود عمومًا في تكلفة تخزين الطاقة القادرة على التفريغ بسرعة كافية، وتكلفة تحويل الطاقة، والتي قد تتم باستخدام أشباه الموصلات أو مفاتيح الطور الغازي (التي لا تزال تُستخدم غالبًا في تطبيقات الطاقة النبضية القصوى). ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} ومع ذلك، يمكن تخزين الطاقة حثيًا في ملفات فائقة التوصيل.  يمكن لمُحرك كتلة بطول 1 كم مصنوع من ملفات فائقة التوصيل تسريع  مركبة وزنها 20 كجم إلى 10.5  كم/ث بكفاءة تحويل تبلغ 80%، وتسارع متوسط ​​قدره 5600 جم. ^{[ 10 ]}

تتطلب أنظمة الدفع الكتلية الأرضية لدفع المركبات إلى المدار، مثل مفهوم ستارترام ، استثمارات رأسمالية ضخمة. ^{[ 11 ]} وتجعل جاذبية الأرض القوية نسبيًا وغلافها الجوي الكثيف نسبيًا تطبيق حل عملي أمرًا صعبًا. كما أن معظم مواقع الإطلاق المحتملة، إن لم تكن جميعها، ستدفع المركبات الفضائية عبر مسارات جوية مكتظة. ونظرًا للاضطرابات الهائلة التي ستسببها عمليات الإطلاق هذه، ستكون هناك حاجة إلى تدابير صارمة لمراقبة الحركة الجوية لضمان سلامة الطائرات الأخرى العاملة في المنطقة.

تستخدم معظم تصميمات محركات الكتلة المتطورة ملفات فائقة التوصيل لتحقيق كفاءة طاقة معقولة (غالبًا من 50% إلى أكثر من 90%، حسب التصميم). ^{[ 12 ]} قد تتضمن المعدات دلوًا فائق التوصيل أو ملفًا من الألومنيوم كحمولة. يمكن لملفات محرك الكتلة أن تحث تيارات دوامية في ملف الألومنيوم الخاص بالحمولة، ثم تؤثر على المجال المغناطيسي الناتج. يتكون محرك الكتلة من قسمين. في قسم التسارع الأقصى، تُباعد الملفات على مسافات ثابتة، ويتم مزامنة تيارات الملفات مع الدلو. في هذا القسم، يزداد التسارع مع ازدياد السرعة، حتى الحد الأقصى الذي يتحمله الدلو. بعد ذلك، تبدأ منطقة التسارع الثابت. في هذه المنطقة، تُباعد الملفات على مسافات متزايدة لإعطاء مقدار ثابت من زيادة السرعة لكل وحدة زمنية.

استناداً إلى هذا النمط، تضمن أحد المقترحات الرئيسية لاستخدام محركات الكتلة نقل مواد سطح القمر إلى مساكن فضائية لمعالجتها باستخدام الطاقة الشمسية . ^{[ 13 ]} وقد أظهر معهد دراسات الفضاء أن هذا التطبيق عملي إلى حد معقول.

في بعض التصاميم، تُحمل الحمولة في دلو ثم تُطلق، ما يسمح بإبطاء الدلو وإعادة استخدامه. أما الدلو القابل للاستخدام لمرة واحدة، فيتيح التسارع على طول المسار بأكمله. وبدلاً من ذلك، إذا شُيّد مسار على طول محيط القمر (أو أي جرم سماوي آخر لا يمتلك غلافًا جويًا كبيرًا)، فلن يكون تسارع الدلو القابل لإعادة الاستخدام محدودًا بطول المسار . مع ذلك، يتطلب هذا النظام تصميمًا هندسيًا لتحمل قوى طرد مركزي كبيرة إذا كان الهدف منه تسريع الركاب و/أو البضائع إلى سرعات عالية جدًا. 

يمكن للمركبة الفضائية أن تحمل محركًا كتليًا كمحركها الرئيسي. وباستخدام مصدر مناسب للطاقة الكهربائية (ربما مفاعل نووي )، تستطيع المركبة الفضائية استخدام هذا المحرك لتسريع جزيئات المادة من أي نوع تقريبًا، مما يدفعها في الاتجاه المعاكس. وعلى أصغر نطاق لكتلة التفاعل، يُطلق على هذا النوع من المحركات اسم محرك الأيونات .

لا توجد حدود نظرية مطلقة معروفة لحجم المحركات الخطية أو تسارعها أو طاقة فوهتها. ومع ذلك، توجد قيود هندسية عملية، مثل نسبة القدرة إلى الكتلة، وتبديد الحرارة المهدرة ، والطاقة المُدخلة التي يمكن توفيرها ومعالجتها. من الأفضل ألا تكون سرعة العادم منخفضة جدًا ولا مرتفعة جدًا. ^{[ 19 ]}

توجد سرعة عادم مثالية محدودة ودافع نوعي محدد، يعتمدان على المهمة ، لأي دافع مقيد بكمية محدودة من طاقة المركبة الفضائية. يتناسب الدفع والزخم الناتجين عن العادم، لكل وحدة كتلة منبعثة، طرديًا مع سرعته ( الزخم = mv)، ومع ذلك، فإن الطاقة الحركية ومتطلبات الطاقة المدخلة تتناسب طرديًا مع مربع السرعة ( الطاقة الحركية = + ½ mv² ) ^. إن انخفاض سرعة العادم بشكل مفرط سيزيد من كتلة الوقود اللازمة وفقًا لمعادلة الصاروخ ، مع هدر جزء كبير من الطاقة في تسريع الوقود غير المستخدم بعد. لسرعة العادم العالية فوائد وعيوب، فهي تزيد من كفاءة استخدام الوقود (زخم أكبر لكل وحدة كتلة من الوقود المنبعث) ولكنها تقلل من الدفع ومعدل تسارع المركبة الفضائية الحالي إذا كانت الطاقة المدخلة المتاحة ثابتة (زخم أقل لكل وحدة طاقة مُعطاة للوقود). ^{[ 19 ]}

تُعدّ طرق الدفع الكهربائي، مثل محركات الدفع الكتلي، أنظمةً لا تستمد طاقتها من الوقود نفسه. (يختلف هذا عن الصواريخ الكيميائية حيث تتغير كفاءة الدفع بتغير نسبة سرعة العادم إلى سرعة المركبة في تلك اللحظة، ولكن عادةً ما يكون الوصول إلى أقصى دافع نوعي ممكن هدفًا تصميميًا عند اقترانه بأقصى طاقة مُنطلقة من تفاعل الوقود). على الرغم من أن الدافع النوعي للمحرك الكهربائي نفسه قد يصل، اختياريًا، إلى مستوى يندمج فيه محركات الدفع الكتلي مع مُسرّعات الجسيمات ذات سرعة عادم تُقارب سرعة الضوء للجسيمات الدقيقة، إلا أن محاولة استخدام سرعة عادم فائقة لتسريع مركبة فضائية أبطأ بكثير قد تُنتج قوة دفع منخفضة غير مثالية عندما تكون الطاقة المُتاحة من مُفاعل المركبة الفضائية أو مصدر الطاقة محدودة (وهو تشبيه مُبسط لتزويد صف من الأضواء الكاشفة بالطاقة على متن المركبة، حيث تُعدّ الفوتونات مثالًا على نسبة زخم إلى طاقة منخفضة للغاية). ^{[ 19 ]}

على سبيل المثال، إذا كانت الطاقة المحدودة المُزوَّدة لمحرك المركبة الفضائية هي العامل المحدد الرئيسي لحجم الحمولة التي يمكن لمركبة فضائية افتراضية نقلها (كما لو كانت التكلفة الاقتصادية للوقود ضئيلة نتيجة استخدام تربة أو جليد من خارج الأرض)، فإن سرعة العادم المثالية ستكون حوالي 62.75% من إجمالي دلتا v للمهمة عند التشغيل بدفع نوعي ثابت، إلا أنه يمكن تحقيق تحسين أكبر من خلال تغيير سرعة العادم خلال مسار المهمة (كما هو ممكن مع بعض أنواع الدوافع، بما في ذلك دوافع الكتلة وصواريخ البلازما المغناطيسية ذات الدفع النوعي المتغير ). ^{[ 19 ]}

بما أن محرك الكتلة يمكنه استخدام أي نوع من الكتلة ككتلة رد فعل لتحريك المركبة الفضائية، فإن محرك الكتلة أو أي شكل مختلف منه يبدو مثالياً لمركبات الفضاء السحيق التي تجمع كتلة رد الفعل من الموارد الموجودة.

من عيوب دافع الكتلة المحتملة قدرته على إرسال كتلة تفاعل صلبة تتحرك بسرعات نسبية عالية بشكل خطير إلى مدارات ومسارات مرور مفيدة. وللتغلب على هذه المشكلة، تعتمد معظم الخطط على قذف غبار دقيق . وكبديل، يمكن استخدام الأكسجين السائل ككتلة تفاعل، والذي يتحلل عند إطلاقه إلى حالته الجزيئية. كما يُعد دفع كتلة التفاعل إلى سرعة الإفلات من جاذبية الشمس وسيلة أخرى لضمان عدم تحولها إلى خطر.

يمكن استخدام محرك دفع كتلي على مركبة فضائية لعكس الكتل من محرك دفع كتلي ثابت. يساهم كل تباطؤ وتسارع للكتلة في زيادة زخم المركبة الفضائية. لا تحتاج المركبة الفضائية الخفيفة والسريعة إلى حمل كتلة رد فعل ، ولا تحتاج إلى الكثير من الكهرباء باستثناء الكمية اللازمة لتعويض الفاقد في الإلكترونيات، بينما يمكن تشغيل منشأة الدعم الثابتة بواسطة محطات طاقة أكبر بكثير من المركبة الفضائية عند الحاجة. يمكن اعتبار هذا شكلاً من أشكال الدفع الشعاعي (نظير ماكروسكوبي لمحرك شراعي مغناطيسي مدفوع بشعاع جسيمات ). يمكن لنظام مماثل أيضًا توصيل كريات الوقود إلى مركبة فضائية لتشغيل نظام دفع آخر. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

ويمكن إيجاد استخدام نظري آخر لهذا المفهوم للدفع في نوافير الفضاء ، وهو نظام يقوم فيه تيار مستمر من الكريات في مسار دائري بحمل هيكل طويل.

تُجري البحرية الأمريكية حاليًا أبحاثًا مكثفة على قاذفات قذائف كهرومغناطيسية صغيرة إلى متوسطة الحجم وعالية التسارع ^{[ 24 ]} لاستخدامها كأسلحة أرضية أو بحرية (غالبًا ما تكون مدافع كهرومغناطيسية، ولكن في بعض الحالات مدافع ملف لولبي ). وعلى نطاق أوسع من الأسلحة التي هي قيد النشر حاليًا، والتي يُقترح استخدامها أحيانًا في التوقعات المستقبلية بعيدة المدى، يمكن نظريًا استخدام محرك خطي عالي السرعة، يُعرف باسم "محرك الكتلة"، كمدفعية عابرة للقارات (أو، إذا تم بناؤه على سطح القمر أو في مدار حوله، يمكن استخدامه لمهاجمة موقع على سطح الأرض ). ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} ونظرًا لأن محرك الكتلة سيكون موجودًا في منطقة جاذبية أعلى من الأهداف النظرية، فإنه سيتمتع بميزة كبيرة في الطاقة من حيث الهجوم المضاد.

يظهر أحد أوائل الأوصاف الهندسية لـ"المدفع الكهربائي" في الملحق التقني لرواية الخيال العلمي "من الصفر إلى الثمانين" الصادرة عام ١٩٣٧، من تأليف "أكاد بسودومان" ^{[ ٢٨ ]} ، وهو اسم مستعار لعالم الفيزياء ورائد الأعمال الكهربائية إدوين فيتش نورثروب من جامعة برينستون . وقد بنى الدكتور نورثروب نماذج أولية لمدافع ملفية تعمل بمولدات كهربائية ثلاثية الأطوار بتردد كيلوهرتز، ويحتوي الكتاب على صور لبعض هذه النماذج. ويصف الكتاب رحلة خيالية حول القمر بواسطة مركبة تتسع لشخصين، أُطلقت بواسطة مدفع نورثروب الكهربائي.

تم بناء نماذج أولية لاحقة من محركات الدفع الكتلي منذ عام 1976 ( محرك الدفع الكتلي 1 )، وقد قام معهد الدراسات الفضائية الأمريكي ببناء بعضها لإثبات خصائصها وجدواها العملية. وترتبط بهذا البحث والتطوير العسكري للمدافع الكهرومغناطيسية ، وكذلك قطارات الرفع المغناطيسي .

أجرت شركة SpinLaunch ، التي تأسست عام 2014، الاختبار الأولي لمسرع الاختبار الخاص بها في أكتوبر 2021. ^{[ 29 ]}

• المدفع الملفوف – مدفعية تستخدم ملفات لدفع قذيفة كهرومغناطيسيًا 
• نظام إطلاق الطائرات الكهرومغناطيسي – نظام إطلاق طائرات تم تطويره لصالح البحرية الأمريكية 
• المنجنيق الكهرومغناطيسي – نظام إطلاق الطائرات 
• مدفع كهرومغناطيسي حلزوني – مدفع كهرومغناطيسي متعدد اللفات يقلل التيار بمعامل يساوي عدد اللفات 
• حلقة الإطلاق – نظام مقترح لإطلاق الأجسام إلى المدار 
• مسدس يعمل بالغاز الخفيف
• مدفع بلازما
• مدفع كهرومغناطيسي – قاذفة مقذوفات كهرومغناطيسية 
• مسرع الصدمة – قاذفة مقذوفات تستخدم احتراق الوقود والهواء فوق الصوتي خارج المحرك 
• نافورة فضائية – برج شاهق الارتفاع مصمم لإطلاق المركبات الفضائية عبر كريات في أنابيب مفرغة من الهواء 
• دفع المركبات الفضائية

• مقدمة جيرارد ك. أونيل عن محركات الكتلة والتقرير النهائي الكبير لـ NASA/SSI MD2
• الأسلحة الكهرومغناطيسية ( مؤرشفة بتاريخ 16 مايو 2008، على موقع Wayback Machine) - صفحة تصف الأبحاث المتعلقة بالمحركات الخطية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
• إطلاق المواد القمرية كهرومغناطيسياً
• شيغا، ديفيد (3 أكتوبر 2006). "حلقة إطلاق ضخمة لإطلاق الأقمار الصناعية إلى المدار" . مجلة نيو ساينتست .