الصاروخ

[
الصاروخ هو جسم طائر يعمل على مبدأ الاندفاع عن طريق رد الفعل لانفجارات تتم في غرفة الاحتراق كما هو مبين في الأسفل وهو مبدئ غير مرتبط بمحيط الصاروخ أي أن الصاروخ أو الدفع الصاروخي يعمل أيضا في الفضاء الخالي من الهواء مثلا (مثلا حين لا يحتاج احتراق الوقود للهواء). وهو يتميز عن القذيفة في أن مرحلة التسارع لدى الصاروخ أطول.
ويختلف حجم الصاروخ من صواريخ الألعاب النارية مرورا بالصواريخ العسكرية إلى الصواريخ العملاقة كصاروخ زحل 5 أي Saturn V الذي استعمل في استكشاف القمر خلال مشروع أبولو.

نبذة تاريخية
تعود بداية الصواريخ إلى أوائل القرن الثالث عشر الميلادي ، حيث استخدمها العرب في صد الصليبيين ونجد أول وصف تفصيلي للصواريخ بواسطة العالم العربي حسن الرماح، و في الحروب الصليبية انتقلت الصواريخ إلى أوروبا. و مع قيام الحربين العالميتين أظهر الألمان اهتماماً بالصواريخ ، فطوروا صواريخ عدة منها صاروخ في-2 الذي أطلقت ألمانيا منه أكثر من ألف صاروخ على لندن أو بجوارها قتلوا ألف شخص .

وبعد انتهاء الحرب تصارع كل من الاتحاد السوفيتي و الولايات المتحدة إلى استقطاب العلماء الألمان الذين عملوا في مشروعات تطوير الصواريخ النازية.

[الأسس العلمية
في أي نظام ما يساوي مضروب التسارع في الكتلة أي ( مضروب تغير السرعة في الكتلة) قوة الدفع الناتجة. فإذا حددنا النظام كما هو مبين في الصورة عند احتراق الوقود في المحرك الصاروخي بكثافة ودرجة حرارة عالية فإن جزيئات الغاز الناتجة عن الاحتراق تتحرك بسرعة شديدة وضغط عال متجهة إلى خارج الصاروخ ، و على ذلك يتحرك الصاروخ في الاتجاه المعاكس لخروج الغاز طبقا قانون نيوتن الثالث الخاص برد الفعل ، بحيث يكون مضروب وزنه في سرعته يساوي مضروب وزن الغاز في سرعته ولكن في الاتجاه العكسي (طبقا لقانون انحفاظ كمية الحركة). بالنسبة للصاروخ فوزنه متغير بسبب استهلاكه المستمر لما يحمله من وقود ، و يجب أخذ ذلك في الاعتبار عند حساب المعادلة المذكورة أعلاه. إلى جانب الميكانيكا التي تصف حركة الصواريخ و القوى المؤثرة عليها فإن للديناميكا الحرارية و الكيمياء دورين هامين في تطوير وقود الصواريخ خاصة وفي مجال الدفع الصاروخي.


V2تعود بداية الصواريخ إلى أوائل القرن الثالث عشر الميلادي، حيث استخدمها العرب في صد الصليبيين ونجد أول وصف تفصيلي للصواريخ بواسطة العالم العربي حسن الرماح، وفي الحروب الصليبية انتقلت تقنية الصواريخ إلى أوروبا. و مع قيام الحربين العالميتين اهتم الألمان اهتماماً بالصواريخ ، وتحت اشراف عالم الصواريخ الألماني فرنر فون براون قاموا بتكوير وتصنيع صواريخ عدة منها صاروخ فاو-1 (V1) و فاو-2 (V2) الذان أطلقتهم ألمانيا بأعداد كبيرة على لندن و جوارها فقتلوا ما يزيد عن 6000 شخص .

[عدل] حساب دفع الصاروخ
يحرق المحرك الصاروخي جزءا صغيرا من الوقود الذي يحمله كل ثانية ، بحيث يندفع الغاز المحترق الساخن خارج الصاروخ بسرعة عالية جدا . وهذا يعني أن لا بد ان تكون نسبة الدفع إلى وزن الصاروخ كبيرة حتي يستطيع الصاروخ الإقلاع . وتبلغ هذه النسبة للصوارخ من 1:70 إلى 1:100 ، في حين تصل تلك النسبة إلى 1:10 فقط بالنسبة لمحرك الطائرة النفاثة.

وتعطينا المعادلة التالية دفع الصاروخ:

[1]
حيث:

معدل تدفق الوقود (كيلوجرام /ثانية )
سرعة خروج الغاز المحترق (متر / ثانية)
وعادة ما تكون سرعة خروج الغاز المحترق ve ثابتة في الفراغ . إلا أن السرعة الحقيقية للغاز تقل في وجود الضغط الجوي خصوصا على مستوي سطح الأرض. أما في الفضاء فتصبح سرعة اندفاع الغاز مساوية للسرعة الفعلية .

[عدل] نسبة الدفع إلى الوزن
تعتبر نسبة الدفع إلى الوزن للصاروخ مقياس لعجلة الصاروخ (تسارعه) معبرا عنها بعجلة الجاذبية الأرضية g. و نسبة الدفع إلى الوزن F/Wg هي قيمة مطلقة تعطي عجلة الصاروخ بالنسبة إلى g0 ، في حالة أقلاع الصاروخ في الفراغ من دون تأثير للجاذبية .

ولكن الصاروخ يقلع عادة من الأرض ويقع بذلك تحت تأثير الجاذبية الأرضية من جهة كما هو معرض للضغط الجوي من جهة أخرى . ولهذا فإن تعيين نسبة دفع الصاروخ إلى وزنه يستلزم أخذ الوزن الكلي للصاروخ على سطح الأرض في الحسبان . وهذا الوزن الكلي Wg يتكون من وزن الوقود ووزن الصاروخ تفسه . وتسمى هذه النسبة نسبة الدفع إلى الوزن على الأرض (Thrust-to-Earth-weight ratio ).

ونسبة الدفع إلى الوزن على الأرض للصاروخ تعطي عجلة الصاروخ كنسبة مقارنة لعجلة الجاذبية الأرضية g0.

لهذا نجد ان نسبة الدفع إلى الوزن لمحرك الصاروخ تكون أكبر بالنسبة إلى وزن المحرك نفسه عن النسبة إلى وزن الصاروخ كله كله . وفائدة تعيين نسبة الدفع إلى وزن المحرك انها تعطينا الحد الأقصى للعجلة (التسريع) التي يمكن أن يكتسبها صاروخ معين نظريا على أساس كمية وقود محدودة الوزن وتصميم للهيكل مناسب .

ولكي ينجح الإقلاع من على سطح الأرض لا بد أن تكون نسبة الدفع إلى الوزن أكبر من 1 (أي أكبر من g.). ويسهل الإقلاع كلما كانت تلك النسبة أكبر من g.

وهناك مسائل عديدة تؤثر على نسبة الدفع إلى الوزن وهي تتغير أثناء الإقلاع بحسب سرعة الصاروخ والارتفاع عن الأرض وكذلك تغير وزن الصاروخ بسبب استهلاك الوقود المستمر . وكذلك تؤثر العوامل الجوية على الإقلاع مثل درجة الحرارة ، والضغط وكثافة الهواء . وبحسب نوع المحرك ووزن الصاروخ يعتمد اقلاعة أيضا على الجاذبية الأرضية في مكان الإقلاع وكذلك الموقع بالنسبة إلى خط العرض الجغرافي .

[عدل] مثال حسابي
تبلع قوة دفع المحرك الصاروخي (RD-180) الروسي الصنع 3820 كيلو نيوتن (kN) عند سطح البحر ، ويبلغ وزنه 5307 كيلوجرام . وباعتبار أن عجلة الجاذبية الأرضية تبلغ 9.807 متر / ثانية /ثانية ، يمكن حساب نسبة الدفع إلى وزن المحرك عند مستوي البحر كالآتي:


حيث :
T دفع المحرك ،
W وزن المحرك .
و 1kN = 1000 N = 1000 kg.m/s²
أي أن نسبة دفع المحرك إلى وزنه تبلغ نحو 73 ، مع ملاحظة أن تلك النسبة تؤول إلى المحرك ذاته بدون أخذ وزن الوقود في الحسبان .

[عدل] الاستعمالات
تستعمل الصواريخ لأغراض متعددة منها:

التجسس و اثبات القدرة: أطلق السوفييت سبوتنيك 1 في الرابع من أكتوبر عام 1957م ، ومنذ ذلك اليوم كانت بداية سباق الفضاء بين الاتحاد السوفيتي و الولايات المتحدة، حيث أطلقت كلتا الدولتين أقماراً صناعية و سفن فضاء مأهولة و غير مأهولة على متن صواريخ ضخمة لاستكشاف الفضاء و دراسة خطط مستقبلية لبناء محطات فضائية مأهولة بالبشر . وكان هناك أبحاث سرية لتحقيق ذلك . و استـُخدمت الصواريخ لحمل أقمارا صناعية تستخدم بغرض التجسس، تحمل تلك الصواريخ مناظير و مستشعرات حرارية و أجهزة تصنت ذات قدرات هائلة قادرة على كشف مواقع المنشآت العسكرية و رصد تحركات القطع العسكرية على سطح الأرض، وكل ذلك يتم من خلال أقمار صناعية تحلق في مدارات خارج الغلاف الجوي للأرض ، ومازال هذا السباق مستمراً و تشارك فيه دول عديدة مثل الصين و فرنسا و اليابان و تايوان و إنجلترا، و لكن أصبح الهدف هو الأستفادة من الاستطلاع من الفضاء .
من الاستخدامات الأخرى للصواريخ حمل الأقمار الصناعية و سفن الفضاء إلى مداراتها حول الأرض.
الاستخدام العسكري : حيث تلعب الصواريخ دوراً هاماً في الحروب الحديثة ، فهي تهدد المدن ، وتعتبر من وسائل الضغط على العدو لاملاء سياسات الدولة ، وهيي أيضا العمود الفقرى للدفاع جوي . كما توجد صواريخ مضادة للدبابات ، و الموجهة نحو أهداف أرضية أو بحرية أو حتى فضائية.
وتصنف الصواريخ في هذا المجال كالآتي:صواريخ(أرض-أرض)مثل صواريخ سكود الروسية وأرض-جو مثل صواريخ سام الروسية و باتريوت الأمريكية صواريخ و(أرض-سطح) - وهذا النوع من الصواريخ ينطلق من محطات أرضية، هناك أيضاً صواريخ جو-جو مثل صواريخ سايد وايندر و(جو-سطح) و (جو-أرض) - وهذه الصواريخ تطلقها الطائرات ، وهناك صواريخ(سطح-أرض) مثل صواريخ كروز ويمكن أن يطلقها الأسطول البحري ، و أيضاً هناك صواريخ (سطح-جو)و(سطح-سطح)وهذه الصواريخ تطلقها السفن، وأيضاً تنطلق الصواريخ من الغواصات و إلى الغواصات ، و غالبا تحمل تلك الصواريخ التي تنطلق من الغواصات روءساً نووية