صاروخ

الصاروخ (من الإيطالية : rocchetto ، حرفيًا "بكرة/بكرة" ، وسُمي بهذا الاسم بسبب شكله) ^{[nb 1] [1]} هو مركبة تستخدم الدفع النفاث للتسارع دون استخدام أي هواء محيط . ينتج محرك الصاروخ قوة دفع عن طريق رد فعل على العادم المنبعث بسرعة عالية. ^[2] تعمل محركات الصواريخ بالكامل من الوقود المحمول داخل المركبة؛ وبالتالي يمكن للصاروخ أن يطير في فراغ الفضاء. تعمل الصواريخ بكفاءة أكبر في الفراغ وتتعرض لفقدان قوة الدفع بسبب الضغط المعاكس للغلاف الجوي.  

تتمتع الصواريخ متعددة المراحل بالقدرة على الوصول إلى سرعة الهروب من الأرض وبالتالي يمكنها تحقيق ارتفاع أقصى غير محدود. وبالمقارنة مع محركات التنفس الهوائي ، فإن الصواريخ خفيفة الوزن وقوية وقادرة على توليد تسارعات كبيرة . وللتحكم في رحلتها، تعتمد الصواريخ على الزخم ، والأجنحة ، ومحركات رد الفعل المساعدة ، والدفع المحوري ، وعجلات الزخم ، وانحراف تيار العادم ، وتدفق الوقود، والدوران ، أو الجاذبية .

يعود تاريخ الصواريخ للاستخدامات العسكرية والترفيهية إلى الصين في القرن الثالث عشر على الأقل . ^[3] لم يحدث استخدام علمي وكوكبي وصناعي كبير حتى القرن العشرين، عندما كانت الصواريخ هي التكنولوجيا الممكنة لعصر الفضاء ، بما في ذلك وضع القدم على القمر . تُستخدم الصواريخ الآن في الألعاب النارية والصواريخ والأسلحة الأخرى ومقاعد القذف ومركبات الإطلاق للأقمار الصناعية والرحلات الفضائية البشرية واستكشاف الفضاء .

الصواريخ الكيميائية هي النوع الأكثر شيوعًا من الصواريخ عالية الطاقة، وعادةً ما تخلق عادمًا عالي السرعة عن طريق احتراق الوقود مع مؤكسد . يمكن أن يكون الدافع المخزن غازًا مضغوطًا بسيطًا أو وقودًا سائلًا واحدًا يتفكك في وجود محفز ( وقود أحادي )، أو سائلين يتفاعلان تلقائيًا عند التلامس ( الوقود فائق الاشتعال )، أو سائلين يجب إشعالهما للتفاعل (مثل الكيروسين (RP1) والأكسجين السائل، المستخدم في معظم الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل )، أو مزيج صلب من الوقود مع مؤكسد ( وقود صلب )، أو وقود صلب مع مؤكسد سائل أو غازي ( نظام دافع هجين ). تخزن الصواريخ الكيميائية كمية كبيرة من الطاقة في شكل يسهل إطلاقه، ويمكن أن تكون خطيرة للغاية. ومع ذلك، فإن التصميم والاختبار والبناء والاستخدام الدقيق يقلل من المخاطر. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في الصين، تطورت الصواريخ التي تعمل بالبارود في الصين في العصور الوسطى تحت حكم أسرة سونغ بحلول القرن الثالث عشر. كما طوروا أيضًا شكلًا مبكرًا من قاذفات الصواريخ المتعددة خلال هذا الوقت. تبنى المغول تكنولوجيا الصواريخ الصينية وانتشر الاختراع عبر غزوات المغول إلى الشرق الأوسط وأوروبا في منتصف القرن الثالث عشر. ^[4] وفقًا لجوزيف نيدهام، استخدمت بحرية سونغ الصواريخ في مناورة عسكرية يرجع تاريخها إلى عام 1245. تم ذكر الدفع الصاروخي بالاحتراق الداخلي في إشارة إلى عام 1264، حيث سجل أن "الجرذ الأرضي"، وهو نوع من الألعاب النارية ، قد أخاف الإمبراطورة الأم غونغشينغ في وليمة أقيمت على شرفها من قبل ابنها الإمبراطور ليزونغ . ^[5] بعد ذلك، تم تضمين الصواريخ في الأطروحة العسكرية Huolongjing ، والمعروفة أيضًا باسم دليل Fire Drake، التي كتبها ضابط المدفعية الصيني جياو يو في منتصف القرن الرابع عشر. يذكر هذا النص أول صاروخ متعدد المراحل معروف ، وهو "تنين النار الصادر من الماء" (Huo long chu shui)، والذي يُعتقد أنه تم استخدامه من قبل البحرية الصينية. ^[6]

استُخدمت الصواريخ في العصور الوسطى وأوائل العصر الحديث عسكريًا كأسلحة حارقة في الحصارات . بين عامي 1270 و1280، كتب حسن الرماح كتاب الفروسية والمناصب الحربية ، والذي تضمن 107 وصفات للبارود، 22 منها للصواريخ. ^{[7] [8]} في أوروبا، ذكر روجر بيكون الألعاب النارية المصنوعة في أجزاء مختلفة من العالم في Opus Majus لعام 1267. بين عامي 1280 و1300، أعطى Liber Ignium تعليمات لبناء أجهزة تشبه الألعاب النارية بناءً على روايات مستعملة. ^{[9] وصف} كونراد كايزر الصواريخ في أطروحته العسكرية Bellifortis حوالي عام 1405. ^{[10] ابتكر} جيوفاني فونتانا ، وهو مهندس بادواني في عام 1420، شخصيات حيوانية مدفوعة بالصواريخ. ^{[11] [12]}

يأتي اسم "صاروخ" من الكلمة الإيطالية rocchetta ، والتي تعني "بكرة" أو "مغزل صغير"، وقد أُطلق عليها هذا الاسم بسبب التشابه في الشكل مع البكرة أو البكرة المستخدمة لحمل الخيط من عجلة الغزل. تبنى ليونهارد فرونسبرجر وكونراد هاس المصطلح الإيطالي في اللغة الألمانية في منتصف القرن السادس عشر؛ وظهرت كلمة "صاروخ" باللغة الإنجليزية في أوائل القرن السابع عشر. ^[1] طُبع كتاب Artis Magnae Artilleriae pars prima ، وهو عمل مهم من العصر الحديث المبكر عن المدفعية الصاروخية ، لكازيمير سيمينوفيتش ، لأول مرة في أمستردام عام 1650.

كانت الصواريخ الميسورية أول صواريخ ناجحة ذات غلاف حديدي، تم تطويرها في أواخر القرن الثامن عشر في مملكة ميسور (جزء من الهند الحالية) تحت حكم حيدر علي . ^[13]

كان صاروخ كونغريف سلاحًا بريطانيًا صممه وطوره السير ويليام كونغريف في عام 1804. كان هذا الصاروخ مبنيًا بشكل مباشر على الصواريخ الميسورية، واستخدم البارود المضغوط وتم نشره في الحروب النابليونية . كانت صواريخ كونغريف هي التي كان يشير إليها فرانسيس سكوت كي ، عندما كتب عن "وهج الصواريخ الأحمر" أثناء احتجازه أسيرًا على متن سفينة بريطانية كانت تحاصر حصن ماك هنري في عام 1814. ^[14] معًا، زادت الابتكارات الميسورية والبريطانية من المدى الفعال للصواريخ العسكرية من 100 إلى 2000 ياردة (91 إلى 1829 مترًا).

يرجع أول علاج رياضي لديناميكيات الدفع الصاروخي إلى ويليام مور (1813). في عام 1814، نشر كونغريف كتابًا ناقش فيه استخدام أجهزة إطلاق الصواريخ المتعددة. ^{[15] [16]} في عام 1815، قام ألكسندر دميترييفيتش زاسيادكو ببناء منصات إطلاق الصواريخ، والتي سمحت بإطلاق الصواريخ في وابل (6 صواريخ في المرة الواحدة)، وأجهزة وضع المدافع. في عام 1844، زاد ويليام هيل بشكل كبير من دقة المدفعية الصاروخية. قام إدوارد مونييه بوكسر بتحسين صاروخ كونغريف بشكل أكبر في عام 1865.

اقترح ويليام ليتش لأول مرة مفهوم استخدام الصواريخ لتمكين رحلات الفضاء البشرية في عام 1861. وقد قدم ليتش وصف رحلة الصواريخ الفضائية لأول مرة في مقالته عام 1861 "رحلة عبر الفضاء"، والتي نُشرت لاحقًا في كتابه مجد الله في السماء (1862). ^{[17] تصور} كونستانتين تسيولكوفسكي لاحقًا (في عام 1903) هذه الفكرة أيضًا، وطور على نطاق واسع مجموعة من النظريات التي وفرت الأساس لتطوير رحلات الفضاء اللاحقة.

صمم سلاح الطيران الملكي البريطاني صاروخًا موجهًا أثناء الحرب العالمية الأولى . صرح أرشيبالد لو "... في عام 1917، صممت الأعمال التجريبية صاروخًا موجهًا كهربائيًا... أجريت تجارب الصواريخ بموجب براءات اختراعي الخاصة بمساعدة القائد بروك ." ^[18] تم رفع براءة اختراع "التحسينات في الصواريخ" في يوليو 1918 ولكن لم يتم نشرها حتى فبراير 1923 لأسباب أمنية. يمكن أن تكون أدوات التحكم في الإطلاق والتوجيه سلكية أو لاسلكية. خرج تدفق الدفع والتوجيه للصاروخ من غطاء الانحراف عند الأنف.

في عام 1920، نشر البروفيسور روبرت جودارد من جامعة كلارك تحسينات مقترحة لتكنولوجيا الصواريخ في طريقة الوصول إلى ارتفاعات قصوى . ^[19] في عام 1923، نشر هيرمان أوبيرث (1894-1989) Die Rakete zu den Planetenräumen ( الصاروخ في الفضاء الكوكبي ). نشأت الصواريخ الحديثة في عام 1926 عندما قام جودارد بربط فوهة تفوق سرعة الصوت ( دي لافال ) بغرفة احتراق عالية الضغط . تحول هذه الفوهات الغاز الساخن من غرفة الاحتراق إلى نفاثة غاز أكثر برودة وأسرع من الصوت وموجهة للغاية، مما يزيد من الدفع ويرفع كفاءة المحرك من 2٪ إلى 64٪. ^[19] أدى استخدامه للوقود السائل بدلاً من البارود إلى خفض الوزن بشكل كبير وزيادة فعالية الصواريخ.

في عام 1921، بدأ مختبر البحث والتطوير السوفييتي Gas Dynamics Laboratory في تطوير صواريخ تعمل بالوقود الصلب ، مما أدى إلى الإطلاق الأول في عام 1928، والذي طار لمسافة تقارب 1300 متر. ^[20] تم استخدام هذه الصواريخ في عام 1931 لأول استخدام ناجح للصواريخ في العالم للإقلاع بمساعدة الطائرات النفاثة ^[21] وأصبحت النماذج الأولية لقاذفة صواريخ كاتيوشا ، ^[22] والتي تم استخدامها خلال الحرب العالمية الثانية .

في عام 1929، صدر فيلم الخيال العلمي الألماني " امرأة في القمر " للمخرج فريتز لانغ . وقد عرض الفيلم استخدام صاروخ متعدد المراحل ، كما كان رائدًا لمفهوم منصة إطلاق الصواريخ (صاروخ يقف منتصبًا مقابل مبنى شاهق قبل الإطلاق بعد أن يتم وضعه ببطء في مكانه) وساعة العد التنازلي لإطلاق الصاروخ . ^{[23] [24] يذكر الناقد السينمائي} لصحيفة الغارديان ستيفن أرمسترونج أن لانغ "خلق صناعة الصواريخ". ^[23] استوحى لانغ إلهامه من كتاب " الصاروخ في الفضاء بين الكواكب " الصادر عام 1923 للكاتب هيرمان أوبيرث، والذي أصبح المستشار العلمي للفيلم وشخصية مهمة لاحقًا في الفريق الذي طور صاروخ V-2. ^[25] كان يُعتقد أن الفيلم واقعي للغاية لدرجة أن النازيين حظروه عندما وصلوا إلى السلطة خوفًا من أن يكشف أسرارًا حول صواريخ V-2. ^[26]

في عام 1943 بدأ إنتاج صاروخ V-2 في ألمانيا. وقد صممه مركز أبحاث الجيش في بينيمونده وكان فيرنر فون براون مديرًا فنيًا. ^[27] أصبح V-2 أول جسم اصطناعي يسافر إلى الفضاء عن طريق عبور خط كارمان مع الإطلاق الرأسي لـ MW 18014 في 20 يونيو 1944. ^[28] يقول دوج ميلارد، مؤرخ الفضاء وأمين تكنولوجيا الفضاء في متحف العلوم بلندن ، حيث يتم عرض صاروخ V-2 في قاعة العرض الرئيسية: "كان صاروخ V-2 قفزة نوعية للتغيير التكنولوجي. لقد وصلنا إلى القمر باستخدام تقنية V-2 ولكن هذه كانت تقنية تم تطويرها بموارد هائلة، بما في ذلك بعض الموارد القاتمة بشكل خاص. كان برنامج V-2 مكلفًا للغاية من حيث الأرواح، حيث استخدم النازيون العمال المستعبدين لتصنيع هذه الصواريخ". ^[29] بالتوازي مع برنامج الصواريخ الموجهة الألماني ، استُخدمت الصواريخ أيضًا في الطائرات ، إما للمساعدة في الإقلاع الأفقي ( RATO )، أو الإقلاع العمودي ( Bachem Ba 349 "Natter") أو لتشغيلها ( Me 163 ، انظر قائمة الصواريخ الموجهة لألمانيا في الحرب العالمية الثانية ). كانت برامج الصواريخ الخاصة بالحلفاء أقل تقنية، حيث اعتمدت في الغالب على الصواريخ غير الموجهة مثل صاروخ كاتيوشا السوفييتي في دور المدفعية، وقذيفة البازوكا الأمريكية المضادة للدبابات . استخدمت هذه الصواريخ الدوافع الكيميائية الصلبة.

أسر الأمريكيون عددًا كبيرًا من علماء الصواريخ الألمان ، بما في ذلك فيرنر فون براون، في عام 1945، وأحضروهم إلى الولايات المتحدة كجزء من عملية مشبك الورق . بعد الحرب العالمية الثانية، استخدم العلماء الصواريخ لدراسة الظروف المرتفعة، من خلال القياس عن بعد لدرجة حرارة وضغط الغلاف الجوي، واكتشاف الأشعة الكونية ، وتقنيات أخرى؛ لاحظ أيضًا بيل إكس-1 ، أول مركبة مأهولة تكسر حاجز الصوت (1947). بشكل مستقل، استمر البحث في برنامج الفضاء السوفيتي تحت قيادة كبير المصممين سيرجي كوروليف (1907-1966).

خلال الحرب الباردة، أصبحت الصواريخ ذات أهمية عسكرية بالغة مع تطوير الصواريخ الباليستية العابرة للقارات الحديثة . وشهدت الستينيات تطورًا سريعًا لتكنولوجيا الصواريخ، وخاصة في الاتحاد السوفيتي ( فوستوك ، وسويوز ، وبروتون ) وفي الولايات المتحدة (على سبيل المثال، إكس -15 ). وبدأ استخدام الصواريخ لاستكشاف الفضاء . وبلغت البرامج الأمريكية المأهولة ( مشروع ميركوري ، ومشروع جيميني ، وبرنامج أبولو لاحقًا ) ذروتها في عام 1969 مع أول هبوط مأهول على القمر - باستخدام المعدات التي أطلقها صاروخ ساتورن الخامس .

تكوينات السيارة

غالبًا ما يتم بناء المركبات الصاروخية على شكل "صاروخ" طويل نحيف ينطلق عموديًا، ولكن هناك في الواقع العديد من أنواع الصواريخ المختلفة بما في ذلك: ^[30]

• نماذج صغيرة مثل صواريخ البالون أو الصواريخ المائية أو الصواريخ السماوية أو الصواريخ الصلبة الصغيرة التي يمكن شراؤها من متجر الهوايات
• الصواريخ
• الصواريخ الفضائية مثل صاروخ ساتورن الخامس العملاق المستخدم في برنامج أبولو
• سيارات صاروخية
• دراجة صاروخية ^[31]
• الطائرات التي تعمل بالصواريخ (بما في ذلك الإقلاع بمساعدة الصواريخ للطائرات التقليدية – RATO )
• زلاجات صاروخية
• قطارات صاروخية
• طوربيدات صاروخية ^{[32] [33]}
• حزم نفاثة تعمل بالصواريخ ^[34]
• أنظمة الهروب السريع مثل مقاعد القذف وأنظمة الهروب عند الإطلاق
• مسبارات الفضاء

يمكن أن يكون تصميم الصاروخ بسيطًا مثل أنبوب من الورق المقوى مملوء بمسحوق أسود ، ولكن صنع صاروخ أو قذيفة فعّالة ودقيقة يتطلب التغلب على عدد من المشاكل الصعبة. تشمل الصعوبات الرئيسية تبريد غرفة الاحتراق، وضخ الوقود (في حالة الوقود السائل)، والتحكم في اتجاه الحركة وتصحيحه. ^[35]

تتكون الصواريخ من مادة دافعة ومكان لوضع المادة الدافعة (مثل خزان المادة الدافعة ) وفوهة . وقد تحتوي أيضًا على محرك صاروخي واحد أو أكثر وجهاز (أجهزة) تثبيت اتجاهي (مثل الزعانف أو محركات الفيرنييه أو محاور المحرك لتوجيه الدفع أو الجيروسكوبات ) وهيكل (عادةً أحادي الهيكل ) لربط هذه المكونات معًا. تحتوي الصواريخ المخصصة للاستخدام الجوي عالي السرعة أيضًا على غطاء هوائي ديناميكي مثل مخروط الأنف ، والذي يحمل عادةً الحمولة. ^[36]

بالإضافة إلى هذه المكونات، يمكن أن تحتوي الصواريخ على أي عدد من المكونات الأخرى، مثل الأجنحة ( طائرات الصواريخ )، والمظلات ، والعجلات ( سيارات الصواريخ )، وحتى، بمعنى ما، شخص ( حزام الصواريخ ). غالبًا ما تمتلك المركبات أنظمة ملاحة وأنظمة توجيه تستخدم عادةً أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية وأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي .

تستخدم محركات الصواريخ مبدأ الدفع النفاث . ^[2] تأتي محركات الصواريخ التي تعمل على تشغيل الصواريخ في مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأنواع المختلفة؛ يمكن العثور على قائمة شاملة في المقال الرئيسي، محرك الصاروخ . معظم الصواريخ الحالية هي صواريخ تعمل بالطاقة الكيميائية (عادةً محركات احتراق داخلي ، ^[37] لكن بعضها يستخدم وقودًا أحاديًا متحللًا ) ينبعث منه غاز عادم ساخن . يمكن لمحرك الصاروخ استخدام الوقود الغازي أو الوقود الصلب أو الوقود السائل أو مزيج هجين من كل من الوقود الصلب والسائل . تستخدم بعض الصواريخ الحرارة أو الضغط الذي يتم توفيره من مصدر آخر غير التفاعل الكيميائي للوقود (الوقود)، مثل الصواريخ البخارية أو الصواريخ الحرارية الشمسية أو محركات الصواريخ الحرارية النووية أو الصواريخ المضغوطة البسيطة مثل صاروخ الماء أو الدافعات الغازية الباردة . مع الوقود الاحتراقي يبدأ تفاعل كيميائي بين الوقود والمؤكسد في غرفة الاحتراق ، وتتسارع الغازات الساخنة الناتجة عن ذلك من فوهة محرك الصاروخ (أو الفوهات ) عند الطرف المواجه للخلف من الصاروخ. يمارس تسارع هذه الغازات عبر المحرك قوة ("دفع") على غرفة الاحتراق والفوهة، مما يدفع المركبة (وفقًا لقانون نيوتن الثالث ). يحدث هذا في الواقع لأن القوة (ضغط الوقت والمساحة) على جدار غرفة الاحتراق غير متوازنة بواسطة فتحة الفوهة؛ وهذا ليس هو الحال في أي اتجاه آخر. كما يولد شكل الفوهة قوة عن طريق توجيه غاز العادم على طول محور الصاروخ. ^[2]

الوقود الصاروخي هو كتلة يتم تخزينها، عادةً في شكل خزان أو غلاف للوقود ، قبل استخدامها ككتلة دافعة يتم إخراجها من محرك صاروخي في شكل نفاثة سائلة لإنتاج الدفع . ^[2] بالنسبة للصواريخ الكيميائية، غالبًا ما يكون الوقود عبارة عن وقود مثل الهيدروجين السائل أو الكيروسين المحروق مع مؤكسد مثل الأكسجين السائل أو حمض النيتريك لإنتاج كميات كبيرة من الغاز الساخن جدًا. يتم الاحتفاظ بالمؤكسد منفصلًا ومختلطًا في غرفة الاحتراق، أو يأتي مخلوطًا مسبقًا، كما هو الحال مع الصواريخ الصلبة.

في بعض الأحيان لا يحترق الوقود ولكنه لا يزال يخضع لتفاعل كيميائي، ويمكن أن يكون "وقودًا أحاديًا" مثل الهيدرازين أو أكسيد النيتروز أو بيروكسيد الهيدروجين الذي يمكن تحلله تحفيزيًا إلى غاز ساخن.

وبدلاً من ذلك، يمكن استخدام دافع خامل يمكن تسخينه خارجيًا، كما هو الحال في الصواريخ البخارية أو الصواريخ الحرارية الشمسية أو الصواريخ الحرارية النووية . ^[2]

بالنسبة للصواريخ الأصغر حجمًا والمنخفضة الأداء مثل محركات التحكم في الاتجاه حيث يكون الأداء العالي أقل ضرورة، يتم استخدام سائل مضغوط كوقود يهرب ببساطة من المركبة الفضائية من خلال فوهة دفع. ^[2]

اختلف أول صاروخ يعمل بالوقود السائل ، والذي بناه روبرت جودارد ، بشكل كبير عن الصواريخ الحديثة. كان محرك الصاروخ في الأعلى وخزان الوقود في أسفل الصاروخ، ^[38] استنادًا إلى اعتقاد جودارد بأن الصاروخ سيحقق الاستقرار من خلال "التعليق" من المحرك مثل البندول أثناء الطيران. ^[39] ومع ذلك، انحرف الصاروخ عن مساره وتحطم على بعد 184 قدمًا (56 مترًا) من موقع الإطلاق ، ^[40] مما يشير إلى أن الصاروخ لم يكن أكثر استقرارًا من الصاروخ الذي كان محرك الصاروخ في القاعدة. ^[41]

يجب استخدام الصواريخ أو غيرها من أجهزة التفاعل المماثلة التي تحمل الوقود الخاص بها عندما لا توجد مادة أخرى (الأرض أو الماء أو الهواء) أو قوة ( الجاذبية أو المغناطيسية أو الضوء ) يمكن للمركبة استخدامها بشكل مفيد للدفع، كما هو الحال في الفضاء. في هذه الظروف، من الضروري حمل كل الوقود المراد استخدامه.

ومع ذلك، فهي مفيدة أيضًا في مواقف أخرى:

تستخدم بعض الأسلحة العسكرية الصواريخ لدفع الرؤوس الحربية إلى أهدافها. يُشار إلى الصاروخ وحمولته معًا عمومًا باسم صاروخ عندما يكون للسلاح نظام توجيه (لا تستخدم جميع الصواريخ محركات صاروخية، يستخدم بعضها محركات أخرى مثل الطائرات النفاثة ) أو كصاروخ إذا كان غير موجه. تستخدم الصواريخ المضادة للدبابات والمضادة للطائرات محركات الصواريخ للتعامل مع الأهداف بسرعة عالية على مدى عدة أميال، بينما يمكن استخدام الصواريخ الباليستية العابرة للقارات لتوصيل رؤوس حربية نووية متعددة من آلاف الأميال، وتحاول الصواريخ المضادة للصواريخ الباليستية إيقافها. تم اختبار الصواريخ أيضًا للاستطلاع ، مثل صاروخ بينج بونج ، الذي تم إطلاقه لمراقبة أهداف العدو، ومع ذلك، لم تدخل صواريخ الاستطلاع أبدًا في الاستخدام الواسع النطاق في الجيش.

تُستخدم الصواريخ الصوتية عادةً لحمل الأجهزة التي تأخذ قراءات من ارتفاع يتراوح بين 50 كيلومترًا (31 ميلًا) إلى 1500 كيلومتر (930 ميلًا) فوق سطح الأرض. ^[42] تم الحصول على الصور الأولى للأرض من الفضاء من صاروخ V -2 في عام 1946 ( الرحلة رقم 13 ). ^[43]

تُستخدم محركات الصواريخ أيضًا لدفع زلاجات الصواريخ على طول سكة حديدية بسرعة عالية للغاية. الرقم القياسي العالمي لهذه السرعة هو 8.5 ماخ. ^[44]

تُطلق الصواريخ الأكبر حجمًا عادةً من منصة إطلاق توفر دعمًا ثابتًا حتى ثوانٍ قليلة بعد الاشتعال. ونظرًا لسرعتها العالية في العادم - 2500 إلى 4500 متر/ثانية (9000 إلى 16200 كم/ساعة؛ 5600 إلى 10100 ميل/ساعة) - تكون الصواريخ مفيدة بشكل خاص عندما تكون هناك حاجة إلى سرعات عالية جدًا، مثل السرعة المدارية عند حوالي 7800 متر/ثانية (28000 كم/ساعة؛ 17000 ميل/ساعة). تصبح المركبات الفضائية التي يتم توصيلها إلى مسارات مدارية أقمارًا صناعية ، والتي تُستخدم للعديد من الأغراض التجارية. والواقع أن الصواريخ تظل الطريقة الوحيدة لإطلاق المركبات الفضائية إلى المدار وما بعده. ^[45] كما تُستخدم أيضًا لتسريع المركبات الفضائية بسرعة عندما تغير مداراتها أو تخرج من المدار للهبوط . أيضًا، يمكن استخدام الصاروخ لتخفيف هبوط المظلة الصلب مباشرة قبل الهبوط (انظر الصاروخ الرجعي ).

كانت الصواريخ تستخدم لدفع خط إلى سفينة منكوبة حتى يمكن استخدام عوامة الإنقاذ لإنقاذ من كانوا على متنها. كما تستخدم الصواريخ لإطلاق الصواريخ التحذيرية الطارئة .

تحتوي بعض الصواريخ المأهولة، ولا سيما ساتورن 5 ^[46] وسويوز ، ^{[47] على} أنظمة هروب من الإطلاق . هذا صاروخ صغير، وعادة ما يكون صلبًا، وقادرًا على سحب الكبسولة المأهولة بعيدًا عن المركبة الرئيسية نحو الأمان في أي لحظة. تم تشغيل هذه الأنواع من الأنظمة عدة مرات، سواء في الاختبار أو أثناء الطيران، وتم تشغيلها بشكل صحيح في كل مرة.

كانت هذه هي الحال عندما نجح نظام ضمان السلامة (التسمية السوفيتية) في سحب الكبسولة L3 أثناء ثلاث من عمليات الإطلاق الفاشلة الأربع للصاروخ القمري السوفيتي، المركبات N1 3L و5L و7L. في جميع الحالات الثلاث، تم إنقاذ الكبسولة، على الرغم من عدم وجود طاقم، من الدمار. فقط الصواريخ N1 الثلاثة المذكورة أعلاه كانت بها أنظمة ضمان سلامة عاملة. كانت المركبة المتميزة، 6L ، بها مراحل علوية وهمية وبالتالي لا يوجد بها نظام هروب مما يمنح المعزز N1 معدل نجاح 100٪ للخروج من الإطلاق الفاشل. ^{[48] [49] [50] [51]}

حدثت عملية هروب ناجحة لكبسولة مأهولة عندما انفجرت مركبة سويوز تي-10 ، في مهمة إلى محطة الفضاء ساليوت 7 ، على المنصة. ^[52]

تُستخدم مقاعد القذف التي تعمل بالصواريخ الصلبة في العديد من الطائرات العسكرية لدفع الطاقم بعيدًا عن المركبة إلى بر الأمان عند فقدان التحكم في الطيران. ^[53]

الصاروخ النموذجي هو صاروخ صغير مصمم للوصول إلى ارتفاعات منخفضة (على سبيل المثال، 100–500 متر (330–1,640 قدمًا) لنموذج يزن 30 جرامًا (1.1 أونصة)) ويمكن استعادته من خلال مجموعة متنوعة من الوسائل.

وفقًا لقانون السلامة الخاص بالرابطة الوطنية الأمريكية لصناعة الصواريخ (nar)، ^[54] فإن الصواريخ النموذجية مصنوعة من الورق والخشب والبلاستيك ومواد خفيفة الوزن أخرى. كما يوفر القانون إرشادات لاستخدام المحرك واختيار موقع الإطلاق وطرق الإطلاق ووضع منصة الإطلاق وتصميم نظام الاسترداد ونشره والمزيد. منذ أوائل الستينيات، تم توفير نسخة من قانون سلامة الصواريخ النموذجية مع معظم مجموعات ومحركات الصواريخ النموذجية. وعلى الرغم من ارتباطها المتأصل بالمواد والأشياء شديدة الاشتعال ذات الطرف المدبب الذي يسافر بسرعات عالية، فقد أثبتت صناعة الصواريخ النموذجية تاريخيًا ^{[55] [56] أنها هواية} آمنة للغاية ويُنسب إليها الفضل كمصدر مهم للإلهام للأطفال الذين يصبحون في النهاية علماء ومهندسين . ^[57]

يقوم الهواة ببناء وإطلاق مجموعة متنوعة من نماذج الصواريخ. تنتج العديد من الشركات مجموعات وأجزاء الصواريخ النموذجية ولكن نظرًا لبساطتها المتأصلة، يُعرف بعض الهواة بصنع الصواريخ من أي شيء تقريبًا. تُستخدم الصواريخ أيضًا في بعض أنواع الألعاب النارية الاستهلاكية والاحترافية . الصاروخ المائي هو نوع من الصواريخ النموذجية التي تستخدم الماء ككتلة تفاعلية. عادةً ما يكون وعاء الضغط (محرك الصاروخ) عبارة عن زجاجة مشروب غازي بلاستيكية مستعملة. يتم دفع الماء للخارج بواسطة غاز مضغوط، عادةً هواء مضغوط. إنه مثال على قانون نيوتن الثالث للحركة.

يمكن أن يتراوح نطاق الصواريخ للهواة من صاروخ صغير يتم إطلاقه في الفناء الخلفي الخاص بالشخص إلى صاروخ يصل إلى الفضاء. ^[58] تنقسم الصواريخ للهواة إلى ثلاث فئات وفقًا للدفع الكلي للمحرك : طاقة منخفضة ومتوسطة وطاقة عالية .

تُستخدم صواريخ بيروكسيد الهيدروجين لتشغيل حزم الطائرات النفاثة ، ^[59] كما تم استخدامها لتشغيل السيارات ، وتحمل سيارة الصاروخ الرقم القياسي في سباقات السرعة على الإطلاق (وإن كان غير رسمي) . ^[60]

صاروخ Corpulent Stump هو أقوى صاروخ غير تجاري تم إطلاقه على الإطلاق بمحرك Aerotech في المملكة المتحدة. ^{[61] [62] [63]}

عادة ما يتم إطلاق الرحلات الفضائية المدارية ، أو إلى الفضاء بين الكواكب ، من موقع ثابت على الأرض، ولكن من الممكن أيضًا أن يتم ذلك من طائرة أو سفينة.

تتضمن تقنيات إطلاق الصواريخ المجموعة الكاملة من الأنظمة اللازمة لإطلاق مركبة بنجاح، وليس فقط المركبة نفسها، بل وأيضًا أنظمة التحكم في الإطلاق، ومركز التحكم في المهمة ، ومنصة الإطلاق ، والمحطات الأرضية ، ومحطات التتبع اللازمة لإطلاق ناجح أو استرداد أو كليهما. غالبًا ما يشار إلى هذه الأنظمة مجتمعة باسم " الجزء الأرضي ".

تنطلق المركبات المدارية عادة بشكل عمودي، ثم تبدأ في الانحناء تدريجيًا، وعادةً ما تتبع مسارًا يعتمد على الجاذبية .

بمجرد أن تصل المركبة إلى أعلى الغلاف الجوي، تقوم بعد ذلك بتوجيه نفاثة الصاروخ، بحيث تكون في الغالب أفقية ولكن إلى الأسفل إلى حد ما، مما يسمح للمركبة باكتساب الارتفاع ثم الحفاظ عليه مع زيادة السرعة الأفقية. ومع زيادة السرعة، ستصبح المركبة أفقية أكثر فأكثر حتى تتوقف المحرك عند السرعة المدارية.

إن كل المركبات الحالية تتخلص من أجهزتها أثناء طريقها إلى المدار. ورغم اقتراح مركبات يمكنها الوصول إلى المدار دون الحاجة إلى الانطلاق، إلا أنه لم يتم تصنيع أي منها على الإطلاق، وإذا تم تشغيلها بالصواريخ فقط، فإن متطلبات الوقود المتزايدة بشكل كبير لمثل هذه المركبة من شأنها أن تجعل حمولتها المفيدة ضئيلة أو غير موجودة. إن أغلب مركبات الإطلاق الحالية والتاريخية "تستهلك" أجهزتها التي تم التخلص منها، وعادة ما يتم ذلك عن طريق السماح لها بالاصطدام بالمحيط، ولكن بعضها استعاد وأعاد استخدام الأجهزة التي تم التخلص منها، إما بالمظلات أو عن طريق الهبوط الدافع.

عند إطلاق مركبة فضائية إلى المدار، "" dogleg " هو انعطاف موجه يعمل بالطاقة أثناء مرحلة الصعود يتسبب في انحراف مسار طيران الصاروخ عن المسار "المستقيم". يعد dogleg ضروريًا إذا كان السمت المطلوب للإطلاق، للوصول إلى الميل المداري المطلوب، سيأخذ مسارًا أرضيًا فوق الأرض (أو فوق منطقة مأهولة بالسكان، على سبيل المثال، عادةً ما تطلق روسيا فوق الأرض، ولكن فوق مناطق غير مأهولة بالسكان)، أو إذا كان الصاروخ يحاول الوصول إلى مستوى مداري لا يصل إلى خط عرض موقع الإطلاق. Doglegs غير مرغوب فيه بسبب الوقود الإضافي المطلوب على متن المركبة، مما يتسبب في حمولة أثقل، وانخفاض أداء المركبة. ^{[64] [65]}

يولد عادم الصواريخ كمية كبيرة من الطاقة الصوتية. وعندما يصطدم العادم الأسرع من الصوت بالهواء المحيط، تتشكل موجات صدمة . وتعتمد شدة الصوت من هذه الموجات الصدمية على حجم الصاروخ وكذلك سرعة العادم. وقد تؤدي شدة صوت الصواريخ الكبيرة عالية الأداء إلى القتل على مسافة قريبة. ^[66]

ولّد مكوك الفضاء 180 ديسيبل من الضوضاء حول قاعدته. ^[67] لمكافحة هذا، طورت وكالة ناسا نظامًا لقمع الصوت يمكنه تدفق الماء بمعدلات تصل إلى 900000 جالون في الدقيقة (57 مترًا ^مكعبًا / ثانية) على منصة الإطلاق. يقلل الماء مستوى الضوضاء من 180 ديسيبل إلى 142 ديسيبل (متطلب التصميم هو 145 ديسيبل). ^[68] بدون نظام قمع الصوت، ستنعكس الموجات الصوتية عن منصة الإطلاق باتجاه الصاروخ، مما يؤدي إلى اهتزاز الحمولة الحساسة والطاقم. يمكن أن تكون هذه الموجات الصوتية شديدة لدرجة إتلاف الصاروخ أو تدميره.

تكون الضوضاء أكثر شدة بشكل عام عندما يكون الصاروخ قريبًا من الأرض، حيث تشع الضوضاء الصادرة عن المحركات بعيدًا عن النفاثة، كما تنعكس عن الأرض. يمكن تقليل هذه الضوضاء إلى حد ما من خلال خنادق اللهب ذات الأسقف، وحقن المياه حول النفاثة وحرف النفاثة بزاوية. ^[66]

بالنسبة للصواريخ المأهولة، يتم استخدام طرق مختلفة لتقليل شدة الصوت بالنسبة للركاب، وعادةً ما يساعد وضع رواد الفضاء بعيدًا عن محركات الصواريخ بشكل كبير. بالنسبة للركاب وأفراد الطاقم، عندما تصبح المركبة أسرع من الصوت، ينقطع الصوت لأن الموجات الصوتية لم تعد قادرة على مواكبة المركبة. ^[66]

إن تأثير احتراق الوقود في محرك الصاروخ هو زيادة الطاقة الداخلية للغازات الناتجة، وذلك باستخدام الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود. ^{[ بحاجة لمصدر ]} ومع زيادة الطاقة الداخلية، يزداد الضغط، ويتم استخدام فوهة لتحويل هذه الطاقة إلى طاقة حركية موجهة. وهذا ينتج عنه قوة دفع ضد البيئة المحيطة التي يتم إطلاق هذه الغازات إليها. ^{[ بحاجة لمصدر ]} إن الاتجاه المثالي لحركة العادم هو في الاتجاه الذي يسبب قوة الدفع. في الطرف العلوي من غرفة الاحتراق، لا يمكن للسائل الغازي الساخن النشط التحرك للأمام، وبالتالي، فإنه يدفع لأعلى ضد الجزء العلوي من غرفة احتراق محرك الصاروخ . ومع اقتراب غازات الاحتراق من مخرج غرفة الاحتراق، تزداد سرعتها. إن تأثير الجزء المتقارب من فوهة محرك الصاروخ على السائل عالي الضغط لغازات الاحتراق، هو التسبب في تسارع الغازات إلى سرعة عالية. كلما زادت سرعة الغازات، انخفض ضغط الغاز ( مبدأ برنولي أو الحفاظ على الطاقة ) المؤثر على ذلك الجزء من غرفة الاحتراق. في المحرك المصمم بشكل صحيح، سيصل التدفق إلى ماخ 1 عند حلق الفوهة. عند هذه النقطة تزداد سرعة التدفق. خلف حلق الفوهة، يسمح جزء التمدد على شكل جرس من المحرك للغازات المتمددة بالدفع ضد ذلك الجزء من محرك الصاروخ. وبالتالي، فإن جزء الجرس من الفوهة يعطي دفعًا إضافيًا. وبعبارة بسيطة، لكل فعل رد فعل مساوٍ ومعاكس، وفقًا لقانون نيوتن الثالث مع النتيجة أن الغازات الخارجة تنتج رد فعل قوة على الصاروخ مما يجعلها تتسارع الصاروخ. ^{[69] [nb 2]}

في غرفة مغلقة، تكون الضغوط متساوية في كل اتجاه ولا يحدث أي تسارع. إذا تم توفير فتحة في أسفل الغرفة، فإن الضغط لم يعد يؤثر على القسم المفقود. تسمح هذه الفتحة للعادم بالهروب. تعطي الضغوط المتبقية قوة دفع ناتجة على الجانب المقابل للفتحة، وهذه الضغوط هي التي تدفع الصاروخ إلى الأمام.

شكل الفوهة مهم. لنفترض وجود بالون مدفوع بالهواء يخرج من فوهة مدببة. في مثل هذه الحالة، يكون الجمع بين ضغط الهواء والاحتكاك اللزج بحيث لا تدفع الفوهة البالون بل يتم سحبها بواسطة البالون. ^[71] إن استخدام فوهة متقاربة/متباعدة يعطي قوة أكبر لأن العادم يضغط عليها أيضًا أثناء تمدده للخارج، مما يضاعف القوة الإجمالية تقريبًا. إذا تمت إضافة غاز الدفع باستمرار إلى الغرفة، فيمكن الحفاظ على هذه الضغوط طالما بقي الوقود. لاحظ أنه في حالة محركات الدفع السائل، يجب أن تحافظ المضخات التي تحرك الوقود إلى غرفة الاحتراق على ضغط أكبر من غرفة الاحتراق - عادة في حدود 100 ضغط جوي. ^[2]

كأثر جانبي، تعمل هذه الضغوط على الصاروخ أيضًا على العادم في الاتجاه المعاكس وتسرع هذا العادم إلى سرعات عالية جدًا (وفقًا لقانون نيوتن الثالث ). ^[2] من مبدأ الحفاظ على الزخم، تحدد سرعة عادم الصاروخ مقدار الزيادة في الزخم التي يتم إنشاؤها لكمية معينة من الوقود. وهذا ما يسمى بالدفع النوعي للصاروخ . ^[2] نظرًا لأنه يمكن اعتبار الصاروخ والوقود والعادم أثناء الطيران، دون أي اضطرابات خارجية، نظامًا مغلقًا، فإن الزخم الكلي يكون دائمًا ثابتًا. لذلك، كلما زادت السرعة الصافية للعادم في اتجاه واحد، زادت سرعة الصاروخ التي يمكن أن يحققها في الاتجاه المعاكس. هذا صحيح بشكل خاص لأن كتلة جسم الصاروخ عادة ما تكون أقل بكثير من كتلة العادم الكلية النهائية.

الدراسة العامة للقوى المؤثرة على الصواريخ هي جزء من مجال الباليستيات . تتم دراسة المركبات الفضائية بشكل أكبر في المجال الفرعي لديناميكيات الفضاء .

تتأثر الصواريخ الطائرة بشكل أساسي بما يلي: ^[72]

• الدفع من المحرك(المحركات)
• الجاذبية من الأجرام السماوية
• اسحب إذا كنت تتحرك في الغلاف الجوي
• الرفع ؛ عادة ما يكون التأثير صغيرًا نسبيًا باستثناء الطائرات التي تعمل بالصواريخ

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون القصور الذاتي والقوة الطاردة المركزية كبيرتين بسبب مسار الصاروخ حول مركز الجسم السماوي؛ عندما يتم تحقيق سرعات عالية بما فيه الكفاية في الاتجاه والارتفاع الصحيحين، يتم الحصول على مدار مستقر أو سرعة إفلات .

هذه القوى، مع وجود ذيل استقرار (الذيل ) ، سوف تتسبب بطبيعة الحال، ما لم يتم بذل جهود تحكم متعمدة، في أن تتبع المركبة مسارًا مكافئًا تقريبًا يسمى دوران الجاذبية ، وغالبًا ما يتم استخدام هذا المسار على الأقل خلال الجزء الأول من الإطلاق. (هذا صحيح حتى إذا تم تثبيت محرك الصاروخ عند الأنف.) وبالتالي يمكن للمركبات الحفاظ على زاوية هجوم منخفضة أو حتى صفرية، مما يقلل من الضغط العرضي على مركبة الإطلاق ، مما يسمح بمركبة إطلاق أضعف، وبالتالي أخف وزناً. ^{[73] [74]}

السحب هو قوة معاكسة لاتجاه حركة الصاروخ بالنسبة لأي هواء يتحرك خلاله. وهذا يؤدي إلى إبطاء سرعة المركبة وينتج أحمالاً هيكلية. يتم حساب قوى التباطؤ للصواريخ سريعة الحركة باستخدام معادلة السحب .

يمكن تقليل السحب عن طريق مخروط أنف ديناميكي هوائي وباستخدام شكل ذو معامل باليستي مرتفع (شكل الصاروخ "الكلاسيكي" - طويل ورفيع)، وبإبقاء زاوية هجوم الصاروخ منخفضة قدر الإمكان.

أثناء الإطلاق، ومع زيادة سرعة المركبة، وتقلص الغلاف الجوي، توجد نقطة أقصى مقاومة هوائية تسمى max Q. وهذا يحدد الحد الأدنى للقوة الهوائية للمركبة، حيث يجب على الصاروخ تجنب الانحناء تحت هذه القوى. ^[75]

يمكن لمحرك صاروخي نموذجي التعامل مع جزء كبير من كتلته في الوقود كل ثانية، مع خروج الوقود من الفوهة بسرعة عدة كيلومترات في الثانية. وهذا يعني أن نسبة الدفع إلى الوزن لمحرك الصاروخ، وغالبًا المركبة بأكملها، يمكن أن تكون عالية جدًا، وفي الحالات القصوى أكثر من 100. وهذا يقارن بمحركات الدفع النفاث الأخرى التي يمكن أن تتجاوز 5 لبعض المحركات الأفضل ^[76] . ^[77]

الدفع الصافي للصاروخ هو

أين

سرعة العادم الفعالة هي تقريبًا السرعة التي يخرج بها العادم من المركبة، وفي فراغ الفضاء، غالبًا ما تكون سرعة العادم الفعالة مساوية لمتوسط ​​سرعة العادم الفعلية على طول محور الدفع. ومع ذلك، تسمح سرعة العادم الفعالة بخسائر مختلفة، وبشكل ملحوظ، يتم تقليلها عند التشغيل في الغلاف الجوي. ${\displaystyle v_{e}}$

غالبًا ما يتم تغيير معدل تدفق الوقود عبر محرك الصاروخ عمدًا أثناء الرحلة، لتوفير طريقة للتحكم في الدفع وبالتالي سرعة المركبة الجوية. على سبيل المثال، يسمح هذا بتقليل الخسائر الديناميكية الهوائية ^[75] ويمكن أن يحد من زيادة قوى الجاذبية بسبب انخفاض حمل الوقود.

يُعرَّف الدفع بأنه قوة تؤثر على جسم بمرور الوقت، والتي في غياب القوى المعاكسة (الجاذبية والسحب الديناميكي الهوائي)، تغير زخم الجسم (تكامل الكتلة والسرعة). وعلى هذا النحو، فهو أفضل مؤشر لفئة الأداء (كتلة الحمولة وقدرة السرعة النهائية) للصاروخ، وليس قوة الدفع أو الكتلة أو "القوة" للإقلاع. الدفع الكلي للصاروخ (المرحلة) الذي يحرق الوقود هو: ^{[2] : 27}

عندما يكون هناك دفع ثابت، يكون الأمر ببساطة كما يلي:

إن الدفعة الكلية للصاروخ متعدد المراحل هي مجموع نبضات المراحل الفردية.

أنا _أتنقل في فراغ من الصواريخ المختلفة

صاروخ	الدوافع	أنا س ، فراغ (ث)
محركات المكوك الفضائي السائلة	LOX / LH 2	453 [78]
محركات المكوك الفضائي الصلبة	أيه بي سي بي	268 [78]
مكوك الفضاء OMS	NTO / MMH	313 [78]
المرحلة الأولى من صاروخ ساتورن 5	لوكس / ار بي-1	304 [78]

كما يمكن أن نرى من معادلة الدفع، فإن السرعة الفعالة للعادم تتحكم في كمية الدفع الناتجة عن كمية معينة من الوقود المحروق في الثانية.

يُطلق على المقياس المكافئ، وهو الدفع الصافي لكل وحدة وزن من الوقود المنبعث، الدفع النوعي ، وهو أحد أهم الأرقام التي تصف أداء الصاروخ. ويُعرَّف بحيث يرتبط بسرعة العادم الفعالة بالمعادلة التالية: ${\displaystyle I_{sp}}$

أين:

وبالتالي، كلما زاد النبض النوعي، زاد الدفع الصافي وأداء المحرك. يتم تحديد ذلك عن طريق القياس أثناء اختبار المحرك. في الممارسة العملية، تتنوع سرعات العادم الفعالة للصواريخ ولكنها قد تكون عالية للغاية، ~4500 م/ث، أي حوالي 15 ضعف سرعة الصوت عند مستوى سطح البحر في الهواء. ${\displaystyle I_{sp}}$

سعة دلتا في الصاروخ هي التغير النظري الكلي في السرعة الذي يمكن للصاروخ تحقيقه دون أي تدخل خارجي (بدون مقاومة الهواء أو الجاذبية أو قوى أخرى).

عندما يكون ثابتًا، يمكن حساب دلتا v التي يمكن أن توفرها مركبة صاروخية من معادلة صاروخ تسيولكوفسكي : ^[81]${\displaystyle v_{e}}$

${\displaystyle \Delta v\ =v_{e}\ln {\frac {m_{0}}{m_{1}}}}$

أين:

عند الإطلاق من الأرض، يمكن أن تكون قيمة دلتا-في العملية لصاروخ واحد يحمل حمولات بضعة كيلومترات في الثانية. تحتوي بعض التصميمات النظرية على صواريخ بقيمة دلتا-في تتجاوز 9 كيلومترات في الثانية.

يمكن أيضًا حساب دلتا في المطلوبة لمناورة معينة؛ على سبيل المثال، دلتا في للانطلاق من سطح الأرض إلى مدار أرضي منخفض حوالي 9.7 كم/ثانية، مما يترك المركبة بسرعة جانبية تبلغ حوالي 7.8 كم/ثانية على ارتفاع حوالي 200 كم. في هذه المناورة، يتم فقدان حوالي 1.9 كم/ثانية في مقاومة الهواء ومقاومة الجاذبية واكتساب الارتفاع .

وتسمى النسبة أحيانًا بنسبة الكتلة . ${\displaystyle {\frac {m_{0}}{m_{1}}}}$

تتكون كتلة مركبة الإطلاق بأكملها تقريبًا من الوقود الدافع. ^[82] نسبة الكتلة هي، لأي "حرق"، النسبة بين الكتلة الأولية للصاروخ وكتلته النهائية. ^[83] مع تساوي كل شيء آخر، فإن نسبة الكتلة العالية مرغوبة للأداء الجيد، لأنها تشير إلى أن الصاروخ خفيف الوزن وبالتالي يعمل بشكل أفضل، لنفس الأسباب الأساسية التي تجعل الوزن المنخفض مرغوبًا في السيارات الرياضية.

تتمتع الصواريخ كمجموعة بأعلى نسبة دفع إلى وزن من أي نوع من المحركات؛ وهذا يساعد المركبات على تحقيق نسب كتلة عالية ، مما يحسن أداء الرحلات الجوية. وكلما زادت النسبة، قلّت الحاجة إلى حمل كتلة المحرك. وهذا يسمح بحمل المزيد من الوقود، مما يحسن بشكل كبير من دلتا في. بدلاً من ذلك، تحمل بعض الصواريخ مثل تلك المستخدمة في سيناريوهات الإنقاذ أو السباق القليل نسبيًا من الوقود والحمولة وبالتالي تحتاج فقط إلى هيكل خفيف الوزن وتحقق بدلاً من ذلك تسارعًا عاليًا. على سبيل المثال، يمكن لنظام الهروب في مركبة سويوز إنتاج 20  جرامًا . ^[47]

تعتمد نسب الكتلة القابلة للتحقيق بشكل كبير على العديد من العوامل مثل نوع الوقود، وتصميم المحرك الذي تستخدمه المركبة، وهوامش السلامة الهيكلية وتقنيات البناء.

يتم تحقيق أعلى نسب الكتلة بشكل عام باستخدام الصواريخ السائلة، وعادةً ما تُستخدم هذه الأنواع في مركبات الإطلاق المدارية ، وهو الموقف الذي يتطلب دلتا عالية. عادةً ما يكون للوقود السائل كثافة مماثلة لكثافة الماء (مع الاستثناءات البارزة للهيدروجين السائل والميثان السائل )، وهذه الأنواع قادرة على استخدام خزانات خفيفة الوزن ومنخفضة الضغط وعادةً ما تعمل بمضخات توربينية عالية الأداء لإجبار الوقود على الدخول إلى غرفة الاحتراق.

يمكن العثور على بعض كسور الكتلة الملحوظة في الجدول التالي (يتم تضمين بعض الطائرات لأغراض المقارنة):

عربة	كتلة الإقلاع	الكتلة النهائية	نسبة الكتلة	جزء الكتلة
أريان 5 (مركبة + حمولة)	746000 كجم [84] (~1645000 رطل)	2700 كجم + 16000 كجم [84] (~6000 رطل + ~35300 رطل)	39.9	0.975
تيتان 23G المرحلة الأولى	117,020 كجم (258,000 رطل)	4,760 كجم (10,500 رطل)	24.6	0.959
زحل الخامس	3,038,500 كجم [85] (~6,700,000 رطل)	13,300 كجم + 118,000 كجم [85] (~29,320 رطل + ~260,150 رطل)	23.1	0.957
مكوك الفضاء (المركبة + الحمولة)	2,040,000 كجم (~4,500,000 رطل)	104,000 كجم + 28,800 كجم (~230,000 رطل + ~63,500 رطل)	15.4	0.935
زحل 1 ب (المرحلة فقط)	448,648 كجم [86] (989,100 رطل)	41,594 كجم [86] (91,700 رطل)	10.7	0.907
فيرجن أتلانتيك جلوبال فلاير	10,024.39 كجم (22,100 رطل)	1,678.3 كجم (3,700 رطل)	6.0	0.83
V-2	13000 كجم (~28660 رطل) (12.8 طن)		3.85	0.74 [87]
إكس-15	15,420 كجم (34,000 رطل)	6,620 كجم (14,600 رطل)	2.3	0.57 [88]
كونكورد	~181,000 كجم (400,000 رطل [88] )		2	0.5 [88]
بوينج 747	~363,000 كجم (800,000 رطل [88] )		2	0.5 [88]

حتى الآن، لم يتم الوصول إلى السرعة المطلوبة (دلتا في) للوصول إلى المدار بواسطة أي صاروخ واحد لأن الوقود والخزان والهيكل والتوجيه والصمامات والمحركات وما إلى ذلك، تأخذ نسبة مئوية دنيا معينة من كتلة الإقلاع والتي تكون كبيرة جدًا بالنسبة للوقود الذي يحمله لتحقيق دلتا في التي تحمل حمولات معقولة. نظرًا لأن الوصول إلى المدار بمرحلة واحدة لم يكن ممكنًا حتى الآن، فإن الصواريخ المدارية تحتوي دائمًا على أكثر من مرحلة واحدة.

على سبيل المثال، تمكنت المرحلة الأولى من صاروخ ساتورن 5، التي تحمل وزن المراحل العليا، من تحقيق نسبة كتلة تبلغ نحو 10، وحققت نبضة نوعية تبلغ 263 ثانية. وهذا يعطي دلتا في حوالي 5.9 كم/ثانية بينما يلزم دلتا في حوالي 9.4 كم/ثانية للوصول إلى المدار مع مراعاة جميع الخسائر.

غالبًا ما يتم حل هذه المشكلة عن طريق التدريج - حيث يتخلص الصاروخ من الوزن الزائد (عادةً الخزان الفارغ والمحركات المرتبطة به) أثناء الإطلاق. يكون التدريج إما متسلسلًا حيث تضيء الصواريخ بعد سقوط المرحلة السابقة، أو متوازيًا ، حيث تحترق الصواريخ معًا ثم تنفصل عندما تحترق. ^[89]

إن السرعات القصوى التي يمكن تحقيقها باستخدام المراحل محدودة نظريًا بسرعة الضوء فقط. ومع ذلك، فإن الحمولة التي يمكن حملها تنخفض هندسيًا مع كل مرحلة إضافية مطلوبة، في حين أن دلتا في الإضافية لكل مرحلة هي ببساطة إضافية.

من قانون نيوتن الثاني، فإن تسارع المركبة، ، هو ببساطة: ${\displaystyle أ}$

حيث m هي الكتلة اللحظية للمركبة و هي القوة الصافية المؤثرة على الصاروخ (معظمها قوة الدفع، ولكن مقاومة الهواء والقوى الأخرى يمكن أن تلعب دورًا). ${\displaystyle F_{n}}$

مع تناقص الوقود المتبقي، تصبح المركبات الصاروخية أخف وزنًا ويميل تسارعها إلى الزيادة حتى ينفد الوقود. وهذا يعني أن قدرًا كبيرًا من تغير السرعة يحدث نحو نهاية الاحتراق عندما تكون المركبة أخف وزنًا بكثير. ^[2] ومع ذلك، يمكن خنق الدفع لتعويض ذلك أو تغييره إذا لزم الأمر. تحدث أيضًا انقطاعات في التسارع عندما تحترق المراحل، وغالبًا ما تبدأ بتسارع أقل مع كل إطلاق مرحلة جديدة.

يمكن زيادة التسارع الأقصى بتصميم المركبة بكتلة مخفضة، وعادة ما يتحقق ذلك من خلال تقليل حمولة الوقود وخزان الوقود والهياكل المرتبطة به، ولكن من الواضح أن هذا يقلل من المدى ودلتا في ووقت الاحتراق. ومع ذلك، بالنسبة لبعض التطبيقات التي تستخدم فيها الصواريخ، فإن التسارع الأقصى المرتفع المطبق لفترة قصيرة فقط أمر مرغوب فيه للغاية.

تتكون الكتلة الدنيا للمركبة من محرك صاروخي مع الحد الأدنى من الوقود والهيكل لحملها. في هذه الحالة، تحد نسبة الدفع إلى الوزن ^{[nb 3]} لمحرك الصاروخ من الحد الأقصى للتسارع الذي يمكن تصميمه. اتضح أن محركات الصواريخ عمومًا تتمتع بنسب دفع إلى وزن ممتازة حقًا (137 لمحرك NK-33 ؛ ^[90] بعض الصواريخ الصلبة تزيد عن 1000 ^{[2] : 442} )، وتستخدم جميع المركبات عالية الجاذبية تقريبًا صواريخ أو استخدمتها.

إن التسارعات العالية التي تمتلكها الصواريخ بشكل طبيعي تعني أن المركبات الصاروخية غالبًا ما تكون قادرة على الإقلاع العمودي ، وفي بعض الحالات، مع التوجيه المناسب والتحكم في المحركات، يمكنها أيضًا الهبوط العمودي . ولإتمام هذه العمليات، من الضروري أن توفر محركات المركبة أكثر من تسارع الجاذبية المحلي .

إن كثافة الطاقة في الوقود الصاروخي النموذجي تعادل في الغالب ثلث كثافة الطاقة في الوقود الهيدروكربوني التقليدي؛ والجزء الأكبر من الكتلة يتكون من مؤكسد (وهو في الغالب غير مكلف نسبيًا). ومع ذلك، عند الإقلاع، يكون لدى الصاروخ قدر كبير من الطاقة في الوقود والمؤكسد المخزنين داخل المركبة. ومن المرغوب فيه بالطبع أن ينتهي المطاف بأكبر قدر ممكن من طاقة الوقود الدافع إلى شكل طاقة حركية أو كامنة لجسم الصاروخ.

تُفقد الطاقة من الوقود في مقاومة الهواء ومقاومة الجاذبية ، وتُستخدم في الصاروخ لاكتساب الارتفاع والسرعة. ومع ذلك، ينتهي المطاف بالكثير من الطاقة المفقودة في العادم. ^{[2] : 37–38}

في جهاز الدفع الكيميائي، كفاءة المحرك هي ببساطة نسبة الطاقة الحركية لغازات العادم والطاقة المتاحة من التفاعل الكيميائي: ^{[2] : 37–38}

كفاءة 100٪ داخل المحرك ( كفاءة المحرك ) تعني أن كل طاقة الحرارة لمنتجات الاحتراق يتم تحويلها إلى طاقة حركية للنفث. هذا غير ممكن، ولكن فوهات نسبة التمدد العالية شبه الأدياباتية التي يمكن استخدامها مع الصواريخ تقترب بشكل مدهش: عندما تتمدد الفوهة الغاز، يتم تبريد الغاز وتسريعه، ويمكن تحقيق كفاءة طاقة تصل إلى 70٪. معظم الباقي هو طاقة حرارية في العادم لا يتم استردادها. ^{[2] : 37-38} الكفاءة العالية هي نتيجة لحقيقة أن احتراق الصواريخ يمكن أن يتم في درجات حرارة عالية جدًا ويتم إطلاق الغاز أخيرًا في درجات حرارة أقل بكثير، وبالتالي إعطاء كفاءة كارنو جيدة . ${\displaystyle \eta _{c}=100\%}$

ومع ذلك، فإن كفاءة المحرك ليست القصة كاملة. فكما هو الحال مع المحركات النفاثة الأخرى ، ولكن بشكل خاص في الصواريخ نظرًا لسرعات العادم العالية والثابتة عادةً، تكون المركبات الصاروخية غير فعالة للغاية عند السرعات المنخفضة بغض النظر عن كفاءة المحرك. تكمن المشكلة في أنه عند السرعات المنخفضة، يحمل العادم كمية هائلة من الطاقة الحركية إلى الخلف. وتسمى هذه الظاهرة بالكفاءة الدافعة ( ). ^{[2] : 37–38}${\displaystyle \eta _{p}}$

ومع ذلك، مع ارتفاع السرعات، تنخفض سرعة العادم الناتجة، وترتفع الكفاءة الطاقية الكلية للمركبة، لتصل إلى ذروة تبلغ حوالي 100% من كفاءة المحرك عندما تسير المركبة بنفس السرعة التي ينبعث منها العادم. في هذه الحالة، من الناحية المثالية، سيتوقف العادم تمامًا في الفضاء خلف المركبة المتحركة، مما يقلل من الطاقة، ومن مبدأ الحفاظ على الطاقة، ستنتهي كل الطاقة في المركبة. ثم تنخفض الكفاءة مرة أخرى عند سرعات أعلى حيث ينتهي الأمر بالعادم بالسفر للأمام - متخلفًا خلف المركبة.

ومن خلال هذه المبادئ يمكن إثبات أن كفاءة الدفع لصاروخ يتحرك بسرعة تعادل سرعة العادم هي: ${\displaystyle \eta _{p}}$${\displaystyle u}$${\displaystyle c}$

وكفاءة الطاقة الإجمالية (اللحظية) هي: ${\displaystyle \eta }$

على سبيل المثال، من المعادلة، مع قيمة 0.7، فإن الصاروخ الذي يطير بسرعة 0.85 ماخ (وهي السرعة التي تطير بها معظم الطائرات) بسرعة عادم تبلغ 10 ماخ، سيكون له كفاءة طاقة إجمالية متوقعة بنسبة 5.9٪، في حين أن المحرك النفاث التقليدي الحديث الذي يتنفس الهواء يحقق كفاءة تقترب من 35٪. وبالتالي فإن الصاروخ يحتاج إلى حوالي 6 أضعاف الطاقة؛ وإذا أخذنا في الاعتبار أن الطاقة النوعية للوقود الصاروخي تبلغ حوالي ثلث طاقة الوقود الجوي التقليدي، فسوف نحتاج إلى حمل حوالي 18 ضعف كتلة الوقود لنفس الرحلة. وهذا هو السبب في أن الصواريخ نادرًا ما تُستخدم في الطيران العام. ${\displaystyle \eta _{c}}$

نظرًا لأن الطاقة تأتي في النهاية من الوقود، فإن هذه الاعتبارات تعني أن الصواريخ مفيدة بشكل أساسي عندما تكون هناك حاجة إلى سرعة عالية جدًا، مثل الصواريخ الباليستية العابرة للقارات أو الإطلاق المداري . على سبيل المثال، أطلقت مكوك الفضاء التابع لوكالة ناسا محركاتها لمدة 8.5 دقيقة تقريبًا، واستهلكت 1000 طن من الوقود الصلب (يحتوي على 16٪ من الألومنيوم) و 2000000 لتر إضافي من الوقود السائل (106261 كجم من وقود الهيدروجين السائل ) لرفع المركبة التي تزن 100000 كجم (بما في ذلك الحمولة 25000 كجم) إلى ارتفاع 111 كم وسرعة مدارية تبلغ 30000 كم / ساعة. عند هذا الارتفاع وهذه السرعة، كان للمركبة طاقة حركية تبلغ حوالي 3 تيراجول وطاقة كامنة تبلغ حوالي 200 جيجاجول. بالنظر إلى الطاقة الأولية البالغة 20 تيراجول، ^{[nb 4]} كانت كفاءة مكوك الفضاء في استخدام الطاقة حوالي 16% عند إطلاق المركبة المدارية.

وهكذا فإن المحركات النفاثة، التي تتمتع بتوافق أفضل بين السرعة وسرعة العادم النفاث (مثل المحركات التوربينية المروحية ـ على الرغم من كونها أسوأ ) ـ تهيمن على الاستخدام الجوي بسرعات دون سرعة الصوت وفوق سرعة الصوت، في حين تعمل الصواريخ على أفضل وجه عند السرعات الأسرع من الصوت. ومن ناحية أخرى، تخدم الصواريخ في العديد من التطبيقات العسكرية قصيرة المدى ذات السرعات المنخفضة نسبيا حيث يتفوق انخفاض كفاءتها على قوة دفعها العالية للغاية وبالتالي تسارعها العالي. ${\displaystyle \eta _{c}}$

تتعلق إحدى السمات الدقيقة للصواريخ بالطاقة. فمرحلة الصاروخ، أثناء حمل حمولة معينة، قادرة على إعطاء دلتا-v معينة . وتعني هذه الدلتا-v أن السرعة تزيد (أو تنقص) بمقدار معين، بغض النظر عن السرعة الأولية. ومع ذلك، نظرًا لأن الطاقة الحركية هي قانون مربع للسرعة، فهذا يعني أنه كلما كانت سرعة الصاروخ أسرع قبل الاحتراق، زادت الطاقة المدارية التي يكتسبها أو يفقدها.

تُستخدم هذه الحقيقة في السفر بين الكواكب. وهذا يعني أن مقدار دلتا في اللازم للوصول إلى الكواكب الأخرى، بالإضافة إلى الوصول إلى سرعة الإفلات، يمكن أن يكون أقل بكثير إذا تم تطبيق دلتا في عندما يسافر الصاروخ بسرعات عالية، بالقرب من الأرض أو سطح كوكبي آخر؛ في حين أن الانتظار حتى يتباطأ الصاروخ عند الارتفاع يضاعف الجهد المطلوب لتحقيق المسار المطلوب.

هذا القسم يحتاج إلى التوسعة ، يمكنك المساعدة من خلال تقديم طلب تعديل وإضافة إليه . ( مايو 2016 )

تعتمد موثوقية الصواريخ، كما هو الحال بالنسبة لجميع الأنظمة الفيزيائية، على جودة التصميم الهندسي والبناء.

بسبب الطاقة الكيميائية الهائلة في وقود الصواريخ (طاقة أكبر بالوزن من المتفجرات، ولكن أقل من البنزين )، يمكن أن تكون عواقب الحوادث وخيمة. تواجه معظم البعثات الفضائية بعض المشاكل. ^[91] في عام 1986، في أعقاب كارثة مكوك الفضاء تشالنجر ، قدر الفيزيائي الأمريكي ريتشارد فاينمان ، الذي خدم في لجنة روجرز ، أن فرصة حدوث حالة غير آمنة لإطلاق المكوك كانت تقريبًا 1٪؛ ^[92] وفي الآونة الأخيرة تم حساب مخاطر الرحلة التاريخية للشخص الواحد في رحلات الفضاء المدارية بحوالي 2٪ ^[93] أو 4٪. ^[94]

في مايو 2003، أوضح مكتب رواد الفضاء موقفه بشأن الحاجة إلى تحسين سلامة الطاقم في مهام ناسا المأهولة المستقبلية، مشيرًا إلى "إجماعهم على أن خفض خطر حياة الإنسان أثناء الصعود بمقدار مرتبة واحدة، مقارنة بمكوك الفضاء ، أمر يمكن تحقيقه باستخدام التكنولوجيا الحالية ومتوافق مع تركيز ناسا على تحسين موثوقية الصواريخ بشكل مطرد". ^[95]

يمكن تقسيم تكاليف الصواريخ تقريبًا إلى تكاليف الوقود، وتكاليف الحصول على "الكتلة الجافة" للصاروخ و/أو إنتاجها، وتكاليف أي معدات ومرافق دعم مطلوبة. ^[96]

تتكون أغلب كتلة الإقلاع للصاروخ عادةً من الوقود الدافع. ومع ذلك، نادرًا ما يكون الوقود الدافع أكثر تكلفة من البنزين لكل كيلوغرام بأكثر من بضع مرات (اعتبارًا من عام 2009، كان البنزين حوالي 1 دولار للكيلوغرام [0.45 دولار للرطل] أو أقل)، وعلى الرغم من الحاجة إلى كميات كبيرة، لجميع الصواريخ باستثناء أرخصها على الإطلاق، فقد اتضح أن تكاليف الوقود الدافع عادة ما تكون صغيرة نسبيًا، وإن لم تكن مهملة تمامًا. ^[96] مع تكلفة الأكسجين السائل 0.15 دولارًا للكيلوغرام (0.068 دولارًا للرطل) والهيدروجين السائل 2.20 دولارًا للكيلوغرام (1.00 دولارًا للرطل)، كان لدى مكوك الفضاء في عام 2009 تكلفة وقود سائل تبلغ حوالي 1.4 مليون دولار لكل إطلاق تكلف 450 مليون دولار من النفقات الأخرى (مع كون 40٪ من كتلة الوقود الدافع المستخدمة من السوائل في خزان الوقود الخارجي ، و60٪ من المواد الصلبة في الصواريخ الصاروخية ذات الدفع الصاروخي ). ^{[97] [98] [99]}

على الرغم من أن الكتلة الجافة غير الدافعة للصاروخ غالبًا ما تكون بين 5-20٪ فقط من الكتلة الإجمالية، ^[100] إلا أن هذه التكلفة تهيمن. بالنسبة للأجهزة ذات الأداء المستخدم في مركبات الإطلاق المدارية ، فإن تكاليف تتراوح بين 2000 دولار و10000 دولار أمريكي + لكل كيلوغرام من الوزن الجاف شائعة، في المقام الأول من الهندسة والتصنيع والاختبار؛ تبلغ المواد الخام عادةً حوالي 2٪ من إجمالي التكلفة. ^{[101] [102]} بالنسبة لمعظم الصواريخ باستثناء تلك القابلة لإعادة الاستخدام (محركات المكوك)، لا تحتاج المحركات إلى العمل لأكثر من بضع دقائق، مما يبسط التصميم.

ترتبط متطلبات الأداء المتطرفة للصواريخ التي تصل إلى المدار بالتكلفة العالية، بما في ذلك مراقبة الجودة المكثفة لضمان الموثوقية على الرغم من عوامل الأمان المحدودة المسموح بها لأسباب الوزن. ^[102] يمكن للمكونات المنتجة بأعداد صغيرة إذا لم يتم تصنيعها بشكل فردي أن تمنع استهلاك البحث والتطوير وتكاليف المرافق على الإنتاج الضخم إلى الدرجة التي نراها في التصنيع الأكثر بساطة. ^[102] بين الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل، يمكن أن تتأثر التعقيدات بمدى خفة وزن الأجهزة، مثل المحركات التي تعمل بالضغط يمكن أن يكون عدد أجزائها أقل بمقدار مرتبتين من المحركات التي تعمل بالمضخة ولكنها تؤدي إلى زيادة الوزن عن طريق الحاجة إلى ضغط خزان أكبر، وغالبًا ما تستخدم في محركات المناورة الصغيرة نتيجة لذلك. ^[102]

لتغيير العوامل السابقة لمركبات الإطلاق المدارية، تضمنت الأساليب المقترحة الإنتاج الضخم للصواريخ البسيطة بكميات كبيرة أو على نطاق واسع، ^[96] أو تطوير صواريخ قابلة لإعادة الاستخدام ومخصصة للطيران بشكل متكرر للغاية لتوزيع نفقاتها الأولية على العديد من الحمولات، أو تقليل متطلبات أداء الصواريخ من خلال بناء نظام إطلاق فضائي غير صاروخي لجزء من السرعة إلى المدار (أو كلها ولكن مع استخدام معظم الأساليب لبعض الصواريخ).

تتزايد تكاليف معدات الدعم وتكاليف المدى ومنصات الإطلاق بشكل عام مع حجم الصاروخ، ولكنها تختلف بدرجة أقل مع معدل الإطلاق، وبالتالي يمكن اعتبارها تكلفة ثابتة تقريبًا. ^[96]

الصواريخ المستخدمة في تطبيقات أخرى غير الإطلاق إلى المدار (مثل الصواريخ العسكرية والإقلاع بمساعدة الصواريخ )، والتي عادة لا تحتاج إلى أداء مماثل، ويتم إنتاجها بكميات كبيرة في بعض الأحيان، تكون في كثير من الأحيان غير مكلفة نسبيًا.

منذ أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، ظهرت خيارات خاصة جديدة للحصول على خدمات الرحلات الفضائية، مما أدى إلى ضغوط سعرية كبيرة في السوق الحالية. ^{[103] [104] [105] [106]}

الهيئات الحاكمة

• مكتب النقل الفضائي التجاري التابع لإدارة الطيران الفيدرالية
• الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا)
• الرابطة الوطنية للصواريخ (الولايات المتحدة)
• جمعية طرابلس للصواريخ
• Asoc. Coheteria Experimental y Modelista de Argentina أرشفة 2020-10-27 في آلة Wayback.
• جمعية الصواريخ في المملكة المتحدة
• IMR – جمعية الصواريخ الألمانية/ النمساوية/ السويسرية
• الجمعية الكندية للصواريخ
• منظمة أبحاث الفضاء الهندية

مواقع المعلومات

• موسوعة أسترونوتيكا – الفهرس الأبجدي للصواريخ والقذائف
• تكنولوجيا الصواريخ والفضاء
• صفحة غونتر الفضائية – قوائم الصواريخ والقذائف الكاملة
• مقالات تقنية عن Rocketdyne
• حاسبة النسبية – تعلم معادلات الصواريخ لتسيولكوفسكي
• روبرت جودارد – رائد الفضاء الأمريكي أرشيف 2009-02-05 على موقع واي باك مشين