صاروخ ثلاثي الوقود

الصاروخ ثلاثي الوقود هو صاروخ يستخدم ثلاثة أنواع من الوقود ، على عكس تصميمات الصواريخ ثنائية الوقود أو أحادية الوقود الأكثر شيوعًا ، والتي تستخدم نوعين أو نوعًا واحدًا من الوقود على التوالي. يمكن تصميم أنظمة الوقود الثلاثي لتحقيق دفع نوعي عالٍ ، وقد دُرست إمكانية استخدامها في تصميمات أحادية المرحلة للوصول إلى المدار . على الرغم من أن شركتي روكيتداين وإن بي أو إنيرغوماش قد اختبرتا محركات ثلاثية الوقود ، إلا أنه لم يتم إطلاق أي صاروخ ثلاثي الوقود حتى الآن.

يوجد نوعان مختلفان من الصواريخ ثلاثية الوقود. النوع الأول هو محرك صاروخي يمزج ثلاثة تيارات منفصلة من الوقود، ويحرقها جميعًا في آن واحد. أما النوع الثاني فهو صاروخ ثلاثي الوقود يستخدم مؤكسدًا واحدًا ووقودين ، ويحرق الوقودين بالتتابع أثناء الطيران.

غالبًا ما تتضمن أنظمة الوقود الثلاثي المتزامنة استخدام مادة معدنية مضافة عالية الكثافة الطاقية، مثل البريليوم أو الليثيوم ، مع أنظمة الوقود الثنائي الموجودة. في هذه المحركات، يوفر احتراق الوقود مع المؤكسد طاقة التنشيط اللازمة لتفاعل أكثر قوة بين المؤكسد والمعدن. في حين أن النمذجة النظرية لهذه الأنظمة تشير إلى ميزة على محركات الوقود الثنائي، إلا أن عدة عوامل تحد من تطبيقها العملي، بما في ذلك صعوبة حقن المعدن الصلب في غرفة الاحتراق ؛ وقيود نقل الحرارة والكتلة والزخم بين الأطوار ؛ وصعوبة تحقيق احتراق المعدن والحفاظ عليه. ^{[ 1 ]}

في ستينيات القرن العشرين، أجرت شركة روكيتداين اختبارًا لمحرك يعمل بمزيج من الليثيوم السائل والهيدروجين الغازي والفلور السائل، مما أدى إلى توليد دافع نوعي قدره 542 ثانية، وهو على الأرجح أعلى قيمة تم قياسها لمحرك صاروخي كيميائي. ^{[ 2 ]} على الرغم من ارتفاع الدافع النوعي، إلا أن الصعوبات التقنية لهذا المزيج وطبيعة المواد الدافعة الخطرة حالت دون مواصلة تطويره. ^{[ 3 ]}

في الصواريخ ثلاثية الوقود المتتابعة، يُستبدل الوقود أثناء الطيران، ما يسمح للمحرك بدمج قوة الدفع العالية لوقود كثيف كالكيروسين في بداية الطيران مع الدفع النوعي العالي لوقود أخف كالهيدروجين السائل (LH2) في مراحل لاحقة. والنتيجة هي محرك واحد يوفر بعض مزايا نظام المراحل .

على سبيل المثال، يمكن لحقن كمية صغيرة من الهيدروجين السائل في محرك يعمل بالكيروسين أن يُحسّن بشكل ملحوظ من الدفع النوعي دون التأثير على كثافة الوقود. وقد تم إثبات ذلك من خلال محرك RD-701 ، القادر نظريًا على تحقيق دفع نوعي يبلغ 415 ثانية في الفراغ (أعلى من محرك RS-68 الذي يعمل بالهيدروجين السائل والأكسجين السائل النقي )، بينما يحقق محرك يعمل بالكيروسين النقي بنسبة تمدد مماثلة 330-340 ثانية. ^{[ 4 ]}

على الرغم من أن الهيدروجين السائل يوفر أعلى دافع نوعي بين أنواع وقود الصواريخ المتاحة، إلا أنه يتطلب هياكل ضخمة لحمله نظرًا لكثافته المنخفضة. قد تكون هذه الهياكل ثقيلة الوزن، مما يُقلل من خفة وزن الوقود نفسه إلى حد ما، كما أنها تُؤدي إلى زيادة مقاومة الهواء في الغلاف الجوي. في المقابل، يتميز الكيروسين بدافع نوعي أقل، إلا أن كثافته العالية تُتيح استخدام هياكل أصغر حجمًا، مما يُقلل من كتلة المرحلة، ويُقلل أيضًا من فقدان الطاقة الناتج عن مقاومة الهواء . بالإضافة إلى ذلك، تُوفر المحركات التي تعمل بالكيروسين عمومًا قوة دفع أعلى ، وهو أمر بالغ الأهمية للإقلاع، حيث يُقلل من مقاومة الجاذبية . لذا، بشكل عام، توجد منطقة مثالية على ارتفاع معين يُصبح فيها نوع من الوقود أكثر جدوى من الآخر.

تستغل تصاميم الصواريخ التقليدية هذه الميزة الأمثل من خلال تقسيمها إلى مراحل. فعلى سبيل المثال، استخدمت صواريخ ساتورن 5 مرحلة سفلية تعمل بوقود RP-1 (الكيروسين) ومراحل علوية تعمل بالهيدروجين السائل. واستخدمت بعض التصاميم المبكرة لمكوك الفضاء تصاميم مماثلة، حيث استخدمت إحدى المراحل الكيروسين للوصول إلى طبقات الجو العليا، حيث تشتعل المرحلة العلوية التي تعمل بالهيدروجين السائل وتكمل مسارها. ويُشابه تصميم المكوك اللاحق إلى حد ما هذا التصميم، على الرغم من استخدامه صواريخ تعمل بالوقود الصلب لمراحله السفلية.

يمكن لصواريخ المرحلة الواحدة إلى المدار (SSTO) أن تحمل مجموعتين من المحركات، لكن هذا يعني أن المركبة الفضائية ستحمل إحدى المجموعتين "معطلة" خلال معظم الرحلة. قد يكون هذا مقبولاً مع المحركات الخفيفة، لكن تصميم SSTO يتطلب نسبة كتلة عالية جدًا ، وبالتالي فإن هامش الوزن الزائد ضئيل للغاية.

عند الإقلاع، يحرق المحرك عادةً كلا الوقودين، ويُغير الخليط تدريجيًا مع الارتفاع للحفاظ على انبعاثات العادم مضبوطة (وهي استراتيجية مشابهة في مفهومها لفوهة شمعة الإشعال ولكن باستخدام جرس عادي )، ثم يتحول كليًا إلى الهيدروجين السائل بمجرد احتراق الكيروسين. عند هذه النقطة، يصبح المحرك في الغالب محركًا يعمل بالهيدروجين السائل والأكسجين السائل فقط، مع وجود مضخة وقود إضافية .

تم استكشاف هذا المفهوم لأول مرة في الولايات المتحدة على يد روبرت سالكيلد، الذي نشر أول دراسة عنه في مجلة " الدفع المختلط لمكوك الفضاء" (Mixed-Mode Propulsion for the Space Shuttle , Astronautics & Aeronautics ) في أغسطس 1971. درس سالكيلد عددًا من التصاميم التي تستخدم هذه المحركات، سواءً الأرضية منها أو تلك التي تُطلق من طائرات نفاثة كبيرة . وخلص إلى أن محركات الوقود الثلاثي ستُحقق مكاسب تتجاوز 100% (أي أكثر من الضعف تقريبًا) في نسبة الحمولة ، وانخفاضًا في حجم الوقود بأكثر من 65%، ووزنًا جافًا يزيد عن 20%. وفي سلسلة تصاميم ثانية، دُرست إمكانية استبدال معززات الصواريخ الصلبة ( SRBs) في مكوك الفضاء بمعززات تعمل بالوقود الثلاثي ، وفي هذه الحالة، خفّض المحرك الوزن الإجمالي للتصاميم إلى النصف تقريبًا. كانت آخر دراسة كاملة له حول الطائرة الصاروخية المدارية التي استخدمت كلاً من الوقود الثلاثي (وفي بعض الإصدارات) فوهة سدادة، مما أدى إلى مركبة فضائية أكبر قليلاً من طائرة لوكهيد SR-71 ، قادرة على العمل من مدارج تقليدية. ^{[ 5 ]}

صُنعت محركات الوقود الثلاثي في ​​روسيا . طوّر كوسبرغ وغلوشكو عددًا من المحركات التجريبية عام 1988 لمركبة فضائية أحادية المرحلة إلى مدار أرضي تُدعى ماكس ، لكن تم إلغاء كل من المحركات والمركبة عام 1991 بسبب نقص التمويل. مع ذلك، لم يُبنَ محرك غلوشكو RD-701 ، ولم يُختبر خلال مرحلة التطوير سوى نسخة تجريبية مصغّرة. ^{[ 6 ]} ومع ذلك، ترى شركة إنيرغوماش أن المشاكل قابلة للحل تمامًا، وأن التصميم يُمثّل إحدى طرق خفض تكاليف الإطلاق بنحو عشرة أضعاف. ^{[ 4 ]}