المحرك الصاروخي الفائق من سبيس إكس
يوشك نظام الدفع الثوري الجديد هذا على تغيير عمليات الإطلاق الفضائية
بقلم: أندرو ماي
يصنع مصنع سبيس إكس
محرك رابتور واحداً يومياً
بغض النظر عن حجمها الهائل، ستحطم صواريخ ستارشيب الأرقام القياسية بطريقة أخرى: فستكون أول نظام إطلاق فضائي يمكن إعادة استخدامه بالكامل في العالم. وهذا على عكس التصاميم السابقة مثل مكوك الفضاء التابع لوكالة ناسا وصاروخ فالكون ناين Falcon 9 من شركة سبيس إكس نفسها، الذي يمكن إعادة استخدامه جزئياً فقط. إن هذا الهدف المتمثل في إمكانية إعادة الاستخدام الكاملة هو ما حفّز التصميم الجديد كلياً لمحرك رابتور. يعمل المحرك بالميثان، وهو خيار غير معتاد لوقود الصواريخ، لكنه يقلل من تراكم السخام داخل المحرك ويلغي الحاجة إلى إجراء تعديلات كبيرة بين الرحلات الفضائية. فالميزة الأخرى المبتكرة حقاً في صواريخ رابتور هي استخدامها ”للاحتراق المرحلي كامل التدفق“ Full-flow staged combustion (FFSC)، وهو تصميم محرك فعال بشكل خاص جرّبه لأول مرة المهندسون الروس في ستينات القرن العشرين دون تحقيق نجاح. لم يتمكن محرك FFSC من الإقلاع فعلياً عن الأرض إلا بعد تصنيع سبيس إكس لكل من صاروخي ستارشيب ورابتور. يتمتع هذا التصميم أيضاً بميزة خلق بيئة أقل تطرفاً داخل أنابيب المحرك.
يستخدم ستارشيب في الواقع نوعين مختلفين من محركات رابتور – أحدهما مصمم لتقديم أفضل أداء عند مستوى سطح البحر والآخر مُحسّن للاستخدام في خواء الفضاء. فجميع المحركات الـ 33 الموجودة في معزز سوبر هيفي هي من النوع الذي يعمل عند مستوى سطح البحر، في حين تستخدم المرحلة العليا مزيجاً من 3 محركات من مستوى سطح البحر و3 أنواع مختلفة من المحركات الخوائية. منذ تصميمه الأولي، خضع تصميم رابتور لسيل مستمر من التحسينات، وهو الآن في جيله الثالث. تمثّل الاتجاهان الأبرز في تقليل الوزن، الذي انخفض من 2,000 كغم في رابتور 1 إلى 1,400 كغم في رابتور 3، وزيادة الدفع، الذي ارتفع من 1.8 إلى 2.6 ميغانيوتن.
ستارشيب لشركة سبيس إكس
عندما يتحدث إيلون ماسك Elon Musk، مؤسس شركة سبيس إكس، عن صواريخ ستارشيب، كثيراً ما يركز على الهدف النهائي المتمثل باستخدامها لنقل البشر إلى المريخ. هذه الرؤية البعيدة المدى هي التي فرضت بعض خصائص ستارشيب الأكثر ابتكاراً، مثل القدرة على التزود بالوقود في الفضاء. كما أثرت على اختيار الميثان كوقود، لأنه مادة كيميائية يمكن تصنيعها على المريخ من المياه الجوفية وثاني أكسيد الكربون الموجود في غلافه الجوي. على المدى القريب، يرجّح أن تشهد ستارشيب خدمة أقل دراماتيكية باعتبارها المنتج الرئيسي لشركة سبيس إكس.
الميثان كوقود للصواريخ
كان خيار الوقود الشائع تاريخياً هو آر بي وان RP-1، وهو وقود معتمد على الكيروسين Kerosene، وهو ما استُخدم في المرحلة الأولى العملاقة من صاروخ ساتورن فايف Saturn V لوكالة ناسا، وكذلك صاروخ فالكون ناين Falcon 9 من سبيس إكس. يستخدم البعض الآخر، مثل المحركات الرئيسية لمكوك الفضاء، الهيدروجين السائل، وهو أنظف وأكثر كفاءة، لكنه أكثر تكلفة وأصعب في التعامل معه لأنه يجب تخزينه في صورة سائلة عند درجات حرارة منخفضة جداً. في السنوات الأخيرة، ظهر الميثان كحل وسط بين هذين الاثنين، كونه أنظف من آر بي وان لكنه أرخص وأسهل في التعامل معه من الهيدروجين السائل.
أول صاروخ يعمل بوقود الميثان يصل إلى مدار الأرض.
داخل صاروخ رابتور
فيما يلي عرض مبسط لكيفية عمل هذا المحرك المعقد
1 دخول الأكسجين السائل Liquid Oxygen In
يحتاج الميثان إلى عامل مؤكسد لكي يحترق – في هذه الحالة يُستخدم الأكسجين النقي الذي يخزّن في صورة سائلة.
2 دخول الوقود Fuel In
هنا يدخل وقود الميثان - المخزّن في صورة سائلة أيضاً – إلى المحرك.
3 مضخة الأكسجين التوربينية Oxygen Turbopump
قبل دمجه مع الوقود، يُرفع الأكسجين إلى ضغط مرتفع هنا.
4 مضخة الوقود التوربينية Fuel Turbopump
يرفع الوقود أيضاً إلى ضغط عالٍ في مضخة توربينية منفصلة.
5 حارق قَبْلي Preburner
تحرق كميات صغيرة من الوقود والأكسجين بشكل منفصل لإنتاج الطاقة اللازمة لتشغيل المضخات التوربينية.
6 الاحتراق الرئيسي Main Combustion
قلب المحرك هو غرفة الاحتراق الرئيسية، حيث يُدمج الميثان بالأكسجين عند ضغوط ودرجات حرارة عالية.
7 فوهة العادم Exhaust Nozzle
تطرد غازات العادم الساخنة بسرعات عالية من هذه الفوهة المصممة خصيصاً لتوليد قوة دفع الصاروخ.
8 أنابيب التبريد Cooling Pipes
يوزّع الوقود الدافع البارد غير المحترق عبر هذه الأنابيب لوقاية الفوهة من السخونة الزائدة.
قوة محرك سبيس إكس
المواصفات التقنية
اسم فئة المحرك ميرلين Merlin
تاريخ الإنتاج 2006
قوة الدفع 981 كيلو نيوتن
الاستخدام الأساسي المحرك الرئيسي
المواصفات التقنية
اسم فئة المحرك كيستريل Kestrel
تاريخ الإنتاج 2006
قوة الدفع 28 كيلو نيوتن
الاستخدام الأساسي محرك المرحلة العليا
المواصفات التقنية
اسم فئة المحرك دراكو Draco
تاريخ الإنتاج 2010
قوة الدفع 400 نيوتن
الاستخدام الأساسي دافع المركبة الفضائية
المواصفات التقنية
اسم فئة المحرك سوبردراكو SuperDraco
تاريخ الإنتاج 2012
قوة الدفع 71 كيلو نيوتن
الاستخدام الأساسي محرك إطلاق الهروب
المواصفات التقنية
اسم فئة المحرك رابتور Raptor
تاريخ الإنتاج 2016
قوة الدفع 2.6 ميغانيوتن
الاستخدام الأساسي المحرك الرئيسي
