إطلاق زلاجة صاروخية

يُعدّ إطلاق المركبة الفضائية بواسطة منصة إطلاق ، والمعروف أيضًا باسم الإطلاق الأرضي المساعد ، أو الإطلاق بواسطة المنجنيق المساعد ، أو الإطلاق من منحدر جوي ، طريقةً مقترحةً لإطلاق المركبات الفضائية . في هذه الطريقة، تُدعَم المركبة الفضائية بواسطة سكة حديدية أو مسار مغناطيسي معلق يتجه شرقًا على جانب جبل، بينما تُستخدم قوة خارجية لتسريعها إلى سرعة محددة. يُقلل استخدام هذه القوة الخارجية للتسارع الأولي من كمية الوقود اللازمة للمركبة للوصول إلى المدار، مما يسمح لها بحمل حمولة أكبر ويُقلل من تكلفة الوصول إلى المدار. عندما تصل السرعة المُضافة إلى المركبة بواسطة المُسرِّع الأرضي إلى مستوى كافٍ، يُصبح من الممكن إطلاق المركبة الفضائية القابلة لإعادة الاستخدام في مرحلة واحدة إلى المدار .

في مجال أبحاث السرعات فوق الصوتية بشكل عام، اختبرت المسارات في قاعدة هولومان الجوية ، اعتبارًا من عام 2011، زلاجات صاروخية صغيرة تتحرك بسرعة تصل إلى6453  ميلاً في الساعة ( 2885 متراً في الثانية ؛ ماخ 8.5). ^{[ 1 ]} 

من شأن منصة الإطلاق الجوية أن تجعل المرحلة الأولى من الصاروخ، وهي الأغلى ثمناً، قابلة لإعادة الاستخدام بالكامل، إذ تُعاد المنصة إلى نقطة انطلاقها للتزود بالوقود، ويمكن إعادة استخدامها في غضون ساعات قليلة بعد الإطلاق. تُكلّف مركبات الإطلاق الحالية آلاف الدولارات لكل كيلوغرام من الوزن الجاف ، وذلك تبعاً لأدائها ؛ ويهدف إطلاق المنصة إلى تقليل متطلبات الأداء واسترداد نفقات المعدات على مدى عمليات إطلاق متكررة. غالباً ما تستخدم تصاميم منصات الإطلاق الجبلية ذات القضبان المائلة محركات نفاثة أو صواريخ لتسريع المركبة الفضائية المثبتة عليها. وتُعدّ الطرق الكهرومغناطيسية (مثل Bantam وMaglifter و StarTram وإطلاق البرغي ذي الخطوة المتغيرة ^{[ 2 ]} ) من التقنيات الأخرى التي يجري بحثها لتسريع الصاروخ قبل الإطلاق، وهي قابلة للتطوير لتشمل كتلاً وسرعات أكبر من الإطلاق الجوي . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

تستخدم الصواريخ التي تحمل وقودها الخاص الجزء الأكبر من هذا الوقود في بداية رحلتها لتسريع معظمه، كما هو منصوص عليه في معادلة الصاروخ . على سبيل المثال، استهلك مكوك الفضاء أكثر من ثلث وقوده للوصول إلى سرعة 1600 كيلومتر في الساعة (1000 ميل في الساعة) . ^{[ 5 ]} لو تم توفير هذه الطاقة دون استخدام الوقود الذي يحمله الصاروخ (حتى الآن، أو على الإطلاق)، لانخفضت حاجته للوقود بشكل كبير، ولأصبحت حمولته نسبة أكبر من كتلة الإطلاق، مما يزيد من كفاءته.  

في الصواريخ الكيميائية، تزداد نسبة كتلة مركبة الإطلاق الممتلئة بالوقود إلى الحمولة التي يتم إيصالها إلى وجهتها بشكل كبير مع ازدياد قيمة دلتا-في المطلوبة للمهمة. ونتيجة لذلك، تتطلب المهمات التي تستلزم دلتا-في أعلى هياكل مركبات أكبر وأكثر تعقيدًا بشكل غير متناسب مع كتلة حمولة المهمة. وتشير التحليلات التجريبية إلى أن تكاليف الإطلاق والمهمة تتزايد أيضًا بشكل كبير مع ازدياد قيمة دلتا-في ^{[ 2 ]} ، مما يساهم في ارتفاع تكلفة المهمات التي تتجاوز مدار الأرض المنخفض، مثل مهمة إعادة عينات من المريخ ، والتي قُدّرت تكلفتها بحوالي 11 مليار دولار.

نظراً لعوامل منها الطبيعة الأسية لمعادلة الصاروخ وكفاءة الدفع الأعلى مقارنةً بإطلاق الصاروخ من وضع السكون، قدّرت دراسة أجرتها ناسا باستخدام تقنية ماجلفت أن إطلاق صاروخ ELV بسرعة 270 متر/ثانية (600 ميل/ساعة) من قمة جبلية على ارتفاع 3000 متر يمكن أن يزيد الحمولة إلى مدار أرضي منخفض بنسبة 80% مقارنةً بإطلاق الصاروخ نفسه من منصة إطلاق تقليدية . ^{[ 6 ]} تتوفر جبال بهذا الارتفاع داخل الولايات المتحدة الأمريكية لتسهيل العمليات اللوجستية، أو بالقرب من خط الاستواء للاستفادة بشكل أكبر من دوران الأرض . ومن بين الاحتمالات الأخرى، يمكن تقليل كتلة الإطلاق لصاروخ أحادي المرحلة إلى المدار (SSTO) بنسبة 35% باستخدام هذه التقنية، ما يقلل عدد المحركات إلى 4 بدلاً من 6 في إحدى الحالات المدروسة. ^{[ 6 ]}  

بكفاءة متوقعة تقارب 90%، سيبلغ استهلاك الطاقة الكهربائية لكل عملية إطلاق لصاروخ يزن 500 طن حوالي 30 جيجا جول (8300 كيلوواط ساعة) (حيث تبلغ تكلفة كل كيلوواط ساعة بضعة سنتات وفقًا لسعر الكهرباء الحالي في الولايات المتحدة)، وذلك بصرف النظر عن أي خسائر إضافية في تخزين الطاقة. يتميز هذا النظام بانخفاض تكاليفه الحدية، والتي تهيمن عليها تكاليف رأس المال الأولية ^{[ 4 ].} على الرغم من ثبات موقعه، فقد قُدِّر أنه يوفر زيادة صافية كبيرة في الحمولة لجزء كبير من زوايا الإطلاق المتغيرة التي تحتاجها الأقمار الصناعية المختلفة، مع مناورة الصاروخ خلال المرحلة المبكرة من الصعود بعد الإطلاق (كبديل لإضافة الدفع الكهربائي لتغيير ميل المدار لاحقًا ). قُدِّرت تكاليف مسار الرفع المغناطيسي بما يتراوح بين 10 و20 مليون دولار لكل ميل في دراسة عام 1994، والتي توقعت أن تبلغ تكاليف الصيانة السنوية للرفع المغناطيسي حوالي 1% من تكاليف رأس المال. ^{[ 6 ]} 

يساعد إطلاق الزلاجة الصاروخية المركبة على اكتساب السرعة والارتفاع، حيث تتضمن المقترحات عادةً منحدرًا ينحني لأعلى الجبل لتوجيه المركبات نحو السماء.

تتمثل الميزة الأساسية في تخفيف بعض متطلبات دلتا-في من الصاروخ إلى البنية التحتية الأرضية. ويمكن أن يكون هذا حلاً فعالاً من حيث التكلفة إذا تم استخدام البنية التحتية الأرضية بشكل متكرر، حيث يمكن أن تكون تكاليف تشغيلها أقل بكثير، وعادةً ما تتناسب تكلفتها الرأسمالية مع مربع أو مكعب دلتا-في المكتسبة بدلاً من أس دلتا-في ^{[ 2 ]} .

تشمل مزايا أي نظام إطلاق يبدأ من ارتفاعات عالية تقليل مقاومة الجاذبية (تكلفة رفع الوقود في بئر الجاذبية). كما أن الهواء الأقل كثافة يقلل من مقاومة الهواء ويسمح بتصميمات هندسية أكثر كفاءة للمحركات. تتميز فوهات الصواريخ بأشكال مختلفة (نسب تمدد) لزيادة قوة الدفع إلى أقصى حد عند ضغوط هواء مختلفة. (على الرغم من أن محرك "إيروسبايك" التابع لناسا لطائرة لوكهيد مارتن X-33 صُمم لتغيير شكله الهندسي للحفاظ على كفاءته عند ضغوط مختلفة، إلا أن هذا المحرك أضاف وزنًا وتعقيدًا؛ وقد أُلغي تمويل مشروع X-33 في عام 2001؛ وستبقى فوائد أخرى من نظام المساعدة على الإطلاق قائمة حتى لو وصلت محركات "إيروسبايك" إلى مرحلة اختبار الطيران). ^{[ 7 ] [ 8 ]}

فعلى سبيل المثال، يكون الهواء أقل كثافة بنسبة 39% على ارتفاع 2500 متر. ويسمح التصميم الهندسي الأكثر كفاءة لعمود الدخان الصاروخي وانخفاض احتكاك الهواء للمحرك بأن يكون أكثر كفاءة بنسبة 5% لكل كمية من الوقود المحترق. ^{[ 9 ]}

من مزايا الإطلاق من ارتفاعات عالية أنه يُغني عن الحاجة إلى خفض قوة المحرك عند بلوغ الحد الأقصى لـ Q. فالصواريخ التي تُطلق في غلاف جوي كثيف قد تصل إلى سرعات عالية لدرجة أن مقاومة الهواء قد تُسبب أضرارًا هيكلية. ^{[ 10 ]} تُخفَّض قوة المحركات عند  بلوغ الحد الأقصى لـ Q، حتى يصل الصاروخ إلى ارتفاع كافٍ يسمح لها باستئناف العمل بكامل طاقتها. يُعد صاروخ أطلس 551 مثالًا على ذلك، إذ يصل إلى الحد الأقصى لـ  Q عند ارتفاع 30,000 قدم، ثم تُخفَّض قوة محركه إلى 60% لمدة 30 ثانية. ^{[ 11 ]} يُضيف هذا التسارع المُخفَّض إلى مقاومة الجاذبية التي يجب على الصاروخ التغلب عليها. إضافةً إلى ذلك، فإن محركات المركبات الفضائية التي تُعنى بالحد الأقصى لـ  Q أكثر تعقيدًا، إذ يجب خفض قوتها أثناء الإطلاق.

لا يحتاج الإطلاق من ارتفاعات عالية إلى خفض قوة الدفع إلى أقصى حد  (Q) لأنه يبدأ فوق الجزء الأكثر سمكًا من الغلاف الجوي للأرض.

كتبت ديبورا أ. غرانت وجيمس ل. راند في مقالهما "نظام الإطلاق بمساعدة البالون - بالون رفع ثقيل" ^{[ 12 ]} : "لقد ثبت منذ فترة أن الصاروخ الذي يُطلق من الأرض والقادر على الوصول إلى ارتفاع 20 كيلومترًا، سيتمكن من الوصول إلى ارتفاع يقارب 100 كيلومتر إذا أُطلق من ارتفاع 20 كيلومترًا". ويقترحان رفع الصواريخ الصغيرة فوق معظم طبقات الغلاف الجوي بواسطة البالون لتجنب المشاكل المذكورة أعلاه.

يمكن لمسار انزلاقي يوفر مساعدة إطلاق بسرعة ماخ 2 أو أعلى أن يقلل من كمية الوقود اللازمة للوصول إلى المدار بنسبة 40% أو أكثر، مع المساعدة في التغلب على زيادة الوزن عند السعي إلى صنع مركبة إطلاق قابلة لإعادة الاستخدام بالكامل . وبزاوية 55 درجة عن الوضع الرأسي، يمكن لمسار مثبت على جبل شاهق أن يسمح لمركبة قابلة لإعادة الاستخدام ذات مرحلة واحدة بالوصول إلى المدار دون الحاجة إلى تقنية جديدة. ^{[ 13 ]}

• استخدم روبرت أ. هاينلاين منصة إطلاق مغناطيسية قمرية في روايته " القمر سيد قاسٍ " التي صدرت عام 1966. وقد تم بناء واحدة على الأرض بحلول نهاية الرواية.
• استخدم دين إنج نظامًا مشابهًا في روايته التي صدرت عام 1988 بعنوان " رافعو الأثقال الكبار" .
• تم إطلاق صاروخ فايربول إكس إل 5 على زلاجة من مستوى سطح البحر.
• يحتوي برج سيلفر على مزلقة لإطلاق الصواريخ، تُستخدم للمساعدة في إقلاع الطائرة الفضائية فائقة السرعة أمريكا .
• استخدمت النسخة السينمائية لعام 1951 من رواية " عندما تصطدم العوالم" زلاجة صاروخية لإطلاق السفينة، على الرغم من أن الكتاب لم يفعل ذلك.
• تحتوي لعبة Borderlands: The Pre-Sequel على زلاجة صاروخية في المشهد الافتتاحي.
• في رواية " إذن بالموت " المصورة، وهي قصة أصلية من قصص جيمس بوند من تأليف مايك جريل، يلعب صاروخ مدفوع بزلاجة دورًا حاسمًا في الحبكة.
• في فيلم Interstella 5555، تغادر فرقة Crescendolls الأرض باستخدام مزلقة صاروخية للمساعدة في الإقلاع.
• لعبة Ace Combat 5: The Unsung War هي لعبة فيديو تتضمن مهمة تتطلب الدفاع عن موقع إطلاق صواريخ من غارة جوية أثناء عملية الإطلاق.
• يُظهر مسلسل Mobile Suit Gundam: Char's Counterattack استخدام زلاجة صاروخية للمساعدة في إقلاع مكوك الفضاء المدني.
• يصور فيلم Tomorrowland لعام 2015 مزلقة إطلاق صواريخ عمودية تستخدم في "ميناء فضائي" مدني بينما يستكشف الشخصية الرئيسية المدينة التي تحمل الاسم نفسه.

1. موقع إلكتروني يناقش "المنحدرات العالية": http://www.g2mil.com/skyramp.htm
2. "نهج مدفع الغاز الخفيف لتحقيق "تسارع المرحلة الأولى" لنظام النقل الفضائي القابل لإعادة الاستخدام بدرجة عالية" 1997، إم. فرانك روز، آر. إم. جينكينز، إم. آر. براون، معهد طاقة الفضاء، جامعة أوبورن، ألاباما، 36849
3. رابط لمقترح شركة لوكهيد مارتن لمركبة إطلاق قابلة لإعادة الاستخدام تعتمد على زلاجة. http://www.astronautix.com/lvs/recstics.htm
4. فينيكس الأوروبية: مركبة اختبارية تمهد الطريق لإطلاق صواريخ قابلة لإعادة الاستخدام http://www.space.com/missionlaunches/europe_phoenix_020621.html
5. قاعدة هولومان الجوية: http://www.holloman.af.mil/photos/index.asp?galleryID=2718 مؤرشفة بتاريخ ١٢ مارس ٢٠٠٩ على موقع Wayback Machine
6. اقتراح ناسا بشأن أنبوب الإطلاق المغلق الطرف لتعزيز الصواريخ بالهواء المضغوط: https://ntrs.nasa.gov/citations/20010027422
7. يصف هذا الرابط كفاءة الصاروخ عند ضغوط هواء مختلفة ومحرك إيروسبايك: http://www.aerospaceweb.org/design/aerospike/compensation.shtml