الدفع الكهربائي للصواريخ والسفن الفضائية
==========================
بناء
نظام للدفع الكهربائي النفاث ويمكن مبدئيا القول بان اي نظام كهذا يمكن ان يتكون
من ثلاث اجزاء رئيسية هي :
مفاعل
نووي خفيف الوزن لتوليد الطاقة .
طريقة
كفوءة لتحويل الطاقة الحرارية الى طاقة كهربائية .
محرك
الدفع نفسه .
ان
الحاجة الى الجزأين الاول والثاني اعلاه في هذا النظام المقترح قد ادت الى دفع
كبير لحركة البحوث الاساسية والتطبيقية في مجالات المفاعلات النووية التي تعمل عند
درجات حرارة عالية والى طرق تحويل الطاقة المتولدة من هذا النوع من المفاعلات الى
طاقة كبيرة بشكل مباشر باستخدام اجهزة ثنائيات البلازما او مولدات MHD .
ان
الجزء الثالث وهو محرك الدفع نفسه سيكون موضع اهتمامنا هنا وكما سنلاحظ فان اساس
عمل هذا المحرك يعتمد على قاعدة واسعة من الحقائق النظرية بفيزياء البلازما اضافة
الى حركيات الحزم الجسمية والبصريات الالكترونية . ان هدفنا هنا سوف ينصب على
مناقشة هذا النوع من اجهزة الدفع على ضوء هذه الاسس عوضا عن تقديم صورة تفصيلية
للعدد المتزايد من التطورات الهندسية الخاصة بهذا الموضوع ولذلك فان المناقشة سوف
تأخذ الاتجاه العام المتعلق بالمحاولات الموجودة في الوقت الحاضر لمعالجة بعض
المشاكل الخاصة بفيزياء البلازما وحركيات الجسيمات اضافة الى كيفية توليد الحزم
الايونية . واعتمادا على الحقيقة القائلة بان اي مشروع (محرك الدفع الصاروخي
بالبلازما في هذه الحالة) يعتمد في نجاحه اساسا على استمرار العملية الاساسية في
ذلك المجال اضافة الى النتائج التي تسفر عنها هذه البحوث في معالجة مشاكل اخرى
خارج نطاق مشروع البحث .
يمكن
ان تتضح اهمية استغلال البلازما بهدف بناء محرك دفع صاروخي من خلال المعادلة :
والتي
تبين ان مقدار فعالية صرف الكتلة للحصول على سرعة الصاروخ يمكن انت تقاس مباشرة
بدلالة سرعة دفع الغازات الى الخلف وبعنى اخر فان تحقيق زيادة معينة في سرعة
الصاروخ يمكن ان يتحقق اكبر في استخدام الوقود كلما ازدادت سرعة خروج الغازات .
ان
معدل الخسارة في الكتلة في المحركات الصاروخية ذات الوقود الكيميائي الاعتيادي
يكون كبيرا في حين تكون سرعة اندفاع الغازات واطئة ولهذه المحركات دفعا عاليا طبعا
يكفي للتغلب على قوة الجاذبية لغرض ايصال الحمولة الى المدارات الارضية المطلوبة ,
ولكن ولهدف تحقيق العديد من المشاريع المستقبلية والتي سيبدأ انطلاقها من مدارات
حول الارض والى الفضاء الخارجي فان كمية الوقود الكيميائي اللازم لنقل حمولات ضخمة
ستكون كبيرة بشكل غير معقول. ان سرعة نفث الغازات في هذه المحركات ستكون بحدود لا
تتجاوز 4000 متر / ثانية والسبب في ذلك ناتج عن اقصى درجة حرارة
للتفاعلات الكيميائية واقل وزن جزيئي للوقود المستعمل .وان اختيار الهيدروجين
كوقود وباستخدام مفاعل نووي ينقل الحرارة الى الهيدروجين مباشرة يمكن ان يجعل هذه
السرعة تصل الى 8000 متر /ثانية ولكن لا يمكن زيادة السرعة عن ذلك بسبب عدم تحمل
المواد المستخدمة في بناء المحرك حرارات تزيد عن تلك التي تعطينا هذه السرعة .
ان
استخدام المحركات الصاروخية التقليدية سيكون مهما في الرحلات الفضائية القريبة من
الارض وذلك بسبب مقدار الدفع الكبير الذي تحققه في حين ستكون الرحلات ما بين
الكواكب والرحلات الفضائية البعيدة وبحمولات عالية مستحيلة التحقيق باستخدام
محركات تقليدية وبذلك يصبح استعمال اية محركات ذات دفع واطئ ولكن تستطيع العمل
لفترات طويلة وبسرعة نفث عالية جدا للغازات امرا محتوما لغرض تحقيق اهداف من هذا
النوع .
الدفع
الايوني
من
الواضح طبعا ان الممكن تعجيل الايونات الى اية سرعة عالية مطلوبة باستخدام
المجالات الكهروستاتيكية او الكهرومغناطيسية .
ان
مقدار السرعات النهائية التي يتم الوصول اليها مثل التعجيل ليس له علاقة بمقدار
التسخين الحراري . ان مقدار القدرة اللازمة لتعجيل جسيم تتناسب طرديا مع حاصل ضرب
الدفع والسرعة . ولما كان وزن المفاعلات النووية اللازمة لتوليد القدرة يتناسب
طرديا تقريبا مع القدرة التي باستطاعتها توليدها ولذلك فسيكون هناك لكل رحلة
فضائية مقدارا امثل لسرعة خروج الغازات او بمعنى اخر مقدارا للدفع النوعي ينتج عنه
اقل وزن كلي ويمكن معرفة هذا المقدار من اجراء عملية موازنة دقيقة بين مجموعة
توليد القدرة ووزن وقود الدفع .
ان
السرعة المثلى للغازات ستكون اكبر في الرحلات الاطول مدى والحمولات الاكبر ,
ولكنها على كل حال يجب ان تكون في حدود تصل اكثر من بضع عشرات الالاف من امتار في
كل ثانية فهي تتغير من حوالي 50000 متر /ثانية في حالة الحاجة الى نقل حمولة
مقدارها 2000 كيلوغرام الى مدار حول المريخ والى حوالي 100000 متر/ثانية عند
محاولة نقل محطة فضائية يصل وزنها الى 15 طنا الى كوكب الزهرة وتمثل المحركات
الكهرونووية – الايونية حلا نموذجا لمثل هذا النوع من الرحلات .
لقد
دلت الحسابات التفصيلية على انه في حالة كون مقدار الكتلة الكلية الابتدائية
(الوقود+الحمولة) ثابتة فان من الممكن نقل حمولة بواسطة صواريخ الدفع بالبلازما
تصل الى حوالي اربع مرات بقدر تلك التي يمكن نقلها بالصواريخ النووية خلال رحلات
الذهاب والإياب وقد تصل هذه النسبة الى حوالي عشر مرات في بعض من الرحلات .
ان
هناك عدة طرق تتم دراستها الان في كيفية تعجيل جسيمات البلازما الى سرعات عالية
ويمكن تصنيف هذه الطرق الى ثلاث اصناف رئيسية تشترك جميعها في انها تستطيع توفير
استهلاك قليل الوقود بكفاءة عالية وهذه الطرق هي :
الطرق
الكهروحرارية
الطرق
الكهروستاتيكية
الطرق
الكهرومغناطيسية
ويشمل
النوع الاول من الاجهزة عدة طرق ثانوية تستخدم لتعجيل البلازما طريق تزويدها
بحرارة عالية اما عن طريق تسخينها بواسطة مقاومة كهربائية او وحدات قوس كهربائي
ولا تمثل هاتان الطريقتان تقدما كبيرا في تحقيق هدف التخلص من تأثير الدرجات
العالية على المواد البنائية للمحرك حيث يسمح للغاز بالتمدد خلال فتحة nozzle تقوم
بتحويل الطاقة الحرارية الى طاقة حركية والحد الاقصى للسرعة في هذه الحالة هو حوالي
100000 متر / ثانية حيث ان زيادة عن هذا الحد تؤدي الى تلف فتحة خروج الغازات بسبب
درجة الحرارة العالية ويمكن معالجة هذه المشكلة باستخدام الفتحات
المغناطيسية magnetic nozzles التي
تعزل البلازما عن هيكل الفتحة .
توفر
المحركات الكهروستاتيكية الايونية امكانيات كبيرة نحو تحقيق سرعات دفع عالية تصل
الى بضع عشرات الالو من الامتار في الثانية وهي تعتمد على فكرة اساسية بسيطة جدا
هي اعطاء طاقة حركية للجسيمات المشحونة عن طريق تعجيلها في مجال كهربائي . ولكن
ورغم بساطة هذه الفكرة فان تحويلها الى امر واقع يواجه عددا من المشاكل المتعلقة
باعتبارات اساسية في فيزياء البلازما والالكترونيات منها اولا وجوب
وجود مصدر كفوء للايونات ويمكن استخدام عدد من المصادر المعروفة مثل تلك التي
تعتمد على التأين بالتماس او تفريغ بيننك Penning او الاقواس الكهربائية ذات المجالات
المغناطيسية وجميع هذه الانواع تجري عليها الان دراسات لاختبار مدى صلاحياتها .وثاني هذه
المشاكل هي تلك المتعلقة بالأجهزة البصرية الخاصة بتجميع وتعجيل الحزم الايونية
كالعدسات المغناطيسية وغيرها .اما الثالث فهي تلك الخاصة بالتعادل
الكهربائي .
ان
النوع الثالث في محركات الدفع تتضمن عملية تعجيل البلازما باستخدام المجالات
المغناطيسية . وهنا ايضا توجد عدة طرق للتعجيل منها استخدام مجالات كهربائية
ومغناطيسية ثابتة مشابهة لتلك المستخدمة في مولدات MHD او استخدام الترددات الراديوية للموجات
الكهرومغناطيسية وتواجه هذا النوع من عمليات التعجيل مشاكل اساسية منها تحويل
الطاقة وتوليد واحتواء البلازما في درجات الحرارة العالية اضافة الى الهدف المطلوب
وهو تحقيق كفاءة عالية .
بعض
المشاكل الرئيسية :
تتضمن
عمليات تطوير محركات الدفع بالبلازما عدة اهداف تكنولوجية هي في واقعها مشتركة
لجميع الطرق المقترحة التي مر ذكرها و اول هذه الاهداف هو تصميم ترتيب للمجالات
(المغناطيسية و(او) الكهربائية) يكون قادرا على تعجيل الجسيمات المشحونة بشكل
مسيطر عليه الى السرعات المطلوبة .
ان
احدى اولى الاعتبارات في تبني فكرة محركات البلازما هي مسالة الكفاءة والتي نقصد
بها هنا بالكفاءة في كل من عملية تحويل الطاقة المتوفرة الى طاقة حركية للجسيمات
في استهلاك مادة دفع (الجسيمات) , اما الاعتبار المهم الثاني فهو مسالة تعادل
الشحنات الخارجة . ان عملية تعجيل الشحنات في المحركات التي تستخدم المجالات المغناطيسية
يفترض ان ينتج عنها حزم معجلة متعادلة نتيجة كونها اقرب ما تكون الى بلازما حقيقية
ولكن عمليات التعجيل باستخدام المجالات الكهرومغناطيسية لا يمكن ان تتم إلا
باستخدام نوع واحد من الشحنات في كل مجال ولذلك فان علينا فصل هذه الشحنات عن
بعضها قبل التعجيل ولكن قذف نوع معين من الشحنات الى الخارج اثناء عملية الدفع
سيؤدي الى بقاء شحنات مضادة في المحرك نفسه مما يؤدي الى ارتفاع جهده ووصوله بعد
فترة معينة الى حالة يستطيع معها منع الشحنات المقذوفة من الخروج وبالتالي ايقاف
عمل المحرك .
ان
معالجة هذا الموضوع تتطلب معادلة الشحنات المقذوفة بأعداد مساوية لها من شحنة
مضادة ولا نعني بهذا هنا ان على هذه الشحنات اعادة الاتحاد مع بعضها بل ان المطلوب
هو ان تكون مجموعة الشحنات الخارجة متساوية في العدد بالنسبة لكلا النوعين من
الشحنات .
ان
المشكلة الرئيسية الثالثة تتعلق بتأثير التعرية في الاقطاب المستخدمة عملية
التعجيل والناتجة عن تصادم الايونات مع الاقطاب نفسها واحتكاكها بها . ان محركات
الدفع التي نحن بصددها يفترض ان تستخدم في سفن فضائية تستمر رحلاتها لعدة سنوات
وهذا يتطلب ان تكون ذات تصاميم جيدة يكون تأثير التعرية على الاقطاب الكهربائية
قليلا جدا بحيث لا يؤثر على عمل المحرك خلال فترة عمره وهذا يتطلب سيطرة جيدة على
طبيعة المسار الضوئي للايونات داخل المحرك بحيث يمنع ارتطام او احتكاك الايونات
بالأقطاب بحيث لا تصل نسبة الايونات التي تصطدم بالأقطاب الى اكثر من 0.001 من
العدد الكلي للايونات التي يتم تعجيلها
التعجيل
الكهروستاتيكي
يتميز
التعجيل الكهروستاتيكي يكون علية التعجيل مستقلة بالنسبة لكل من الايونات الموجبة
والسالبة اي ان عملية توليد الايونات سوف تتم في مرحلة خاصة قبل عملية التعجيل حيث
تتم عملية توليد الايونات اما باستخدام بخار السيزيوم او بالتصادم مع الالكترونات
و لكلا هذين النوعين من المحركات احتياجات مشتركة بالنسبة لمعادلة الايونات
الخارجة عن طريق حقن شحنات معاكسة .
التعادل
الكهربائي
ذكرنا
سابقا بان تعجيل الايونات الموجبة والشحنات السالبة في المحركات التي تعتمد
التعجيل الكهروستاتيكي يتم بشكل منفصل ويتم بعد ذلك حقن الالكترونات لمعادلة حزمة
الايونات الموجبة وعلى الرغم من ان الاختيار الحقيقي لفعالية عملية التعادل هذه
يجب ان ينتظر ما ستعطيه النتائج الميدانية لاستخدام هذا النوع من المحركات في رحلة
فضائية فان الكثير من الدراسات التي اجريت في مختبرات على سطح الارض قد اثبتت
امكانية نجاح هذه العملية على الرغم من انه لا تزال هناك الكثير من الاسئلة الت
تحتاج الى اجابات بهذا الصدد . وعلى الرغم من اهمية التطبيق المباشر لفكرة التعادل
الايوني في محركات الدفع الصاروخي في البلازما فان لهذا الموضوع اهمية اخرى كونه
يمثل نوعا متميزا من البلازما والتي لها خواص مهمة ذات امكانيات تطبيقية لم تتم
دراستها لحد الان .
ان
هناك طريقتين اساسيتين للقيام بمعادلة حزمة الايونات المنبعثة من محرك الدفع
بالبلازما هما :
التعادل بالتيار
ان
خروج الحزمة الموجبة التي قذفها من سفينة فضائية معزولة سوف يؤدي الى اكتساب
السفينة شحنة كلية سالبة تتزايد بسرعة الى حد تصبح معه كافية لإعادة سحب جميع
الايونات المقذوفة ولهذا فان النوع من الضروري قذف عدد مساوي من الشحنات السالبة
مع الشحنات الموجبة وهذه الخطوة تعتبر ضرورية لأجل المحافظة على المركبة الفضائية
في حالة تعادل كهربائي . ان من الممكن مبدئيا تحقيق هذا الهدف عن طريق قذف جسيمات
سالبة كالالكترونات مثلا من اي من اجزاء المركبة حيث ستصل في نهاية المطاف الى
السحابة الايونية الموجبة خارج لمعادلتها ويسمى هذا النوع من التعادل بتعادل
التيار حيث يعتمد على فكرة جعل المجموع الجبري للتيار الكهربائي الخارج من المركبة
مساويا للصفر.
تعادل فضاء الشحنة
تعتمد
هذه الطريقة على معادلة الحزمة الموجبة نفسها عن طريق قذف الالكترونات السالبة مع
الحزمة الموجبة من اية نقطة اخرى في المركبة ولا زال موضوع كيفية القيام بهذه
العملية موضع بحوث ودراسات كثيرة.
ان
الحصول على تعادل الحزمة الكهربائية يتطلب حقن الالكترونات داخل الحزمة الايونية
او بالقرب منها . ان الهدف الرئيسي من عملية التعادل هو بالطبع الغاء او تقليل
مقدار اي مجال كهربائي بالقرب من الحزمة يمكن ان يؤدي وجوده الى تقليل مقدار الدفع
الناتج عن قذف جسيمات الحزمة . ولما كان مقدار الدفع يتناسب مع حاصل ضرب سرعة
القذف وعدد الشحنات المقذوفة في كل وحدة زمن والذي يتناسب مع مقدار التيار
الكهربائي الذي تحمله الحزمة فان اي مجال يؤدي الى تقليل احدهما سوف يؤدي بالتالي
الى تقليل الدفع . ان م يجب ان نتذكره هنا هو ان التمدد العرضي للحزمة بعد تركها
للمحرك سوف لا يؤدي الى توليد اي دفع مضاد من هذا النوع .
ان
مناقشتنا سوف تتركز على نوعين من الحزم الايونية والتي لها نوعان مختلفان من مشاكل
المتعلقة بعملية التعادل .
الحزم العريضة المقطع
تعرف
الحزمة العريضة المقطع بأنها تلك الحزمة التي تكون مساحة مقطعها اكبر من مربع
المسافة الفاصلة بين المؤين وقطب التعجيل ويمكن اعتباره حزمة مثالية من هذا النوع
على انها متولدة عن معجل كبير ذات شبكة . وبسبب شكل هذه الحزمة فان خطوط المجال
ستكون باتجاه محوري اي انها تكون باتجاه يمتد بين الايونات الموجبة في الحزمة وبين
الشحنات السالبة على السطح الخارجي لقطب التعجيل , اي ان خطوط هذا المجال تعمل على
تقليل سرعة الجسيمات المقذوفة وبالتالي الى تقليل كبير في مقدار الدفع . ولو
تصورنا وجود شروط حدودية على الحافة الخارجية للحزمة (للتأكد من ان الخطوط هي
محورية بالضبط ) فان هذه الايونات سوف تتوقف عن الحركة بعد مسافة مساوية للمسافة
الفاصلة بين المؤين وقطب التعجيل .
ان
استخدام الحزم العريضة المقطع يوفر ميزات مهمة منها ان باستطاعة توليد قوة دفع
كبيرة اذا ما تم التغلب على مشكلة التعادل .
الحزم الدقيقة
يمكن
تعريف الحزمة الدقيقة على انها تلك الحزمة التي تكون فيها النسبة بين مساحة مقطع
الحزمة في نقطة خروجها الى مربع المسافة الفاصلة بين المؤين وقطب المعجل اقل بكثير
من الواحد . تكون خطوط المجال الكهربائي الناتجة عن شحنة هذه الحزمة مستعرضة على
اتجاه الحزمة بشكل عام ولذلك فان تأثير هذه الخطوط على الحزمة سيكون عبارة عن
تشتيت وتفريق الحزمة بالاتجاه المستعرض بدلا من تقليل سرعة جسيماتها في الاتجاه
المحوري وبذلك تستطيع حزمة من هذا النوع السير مسافة كبيرة بعد خروجها من المحرك
بدون الحاجة الى ان تكون متعادلة ولكن لهذا النوع من الحزم عيبا مهما وهو ان مقدار
الدفع الذي تولده سيكون صغيرا بحيث يصبح من غير العملي استخدامها في الرحلات
الفضائية .
ان
معظم المحركات التي تجري دراسة خواصها في الوقت الحاضر لا تمثل حزمات دقيقة ولا
عريضة بل تكون في وضع يقع ما بين هذين الترتيبين اما السؤال الذي يطرح نفسه الان
فهو كيف نستطيع اجراء عملية الخلط بين المكونات الحزمة الموجبة والالكترونات
لتكوين حزمة متعادلة ان شرط التعادل يتطلب كون مقدار التيار الايوني مساويا للتيار
الالكتروني , اي ان :
حيث
تمثل q مقدار الشحنة لكل وحدة طول للايونات او
الالكترونات في الحزمة , مقدار
السرعة , معدل
السرعة .
وفي
حالة حدوث التمازج بين الشحنات الموجبة والالكترونات بشكل منتظم فان كثافة التيار
الايوني ستكون مساوية لكثافة التيار الالكتروني اي ان :
ولكننا
لا نعلم حقيقة فيما اذا كان التعادل يجب ان يكون على المستوى المايكروسكوبي او
الماكروسكوبي العيني للحزمة حيث ان هذا ستحدده مقدار اللاستقراريات التي قد تحدث
في البلازما .
ان
العلاقة تتطلب كون سرعات الايونات والالكترونات متساوية ولكن السؤال التالي الذي
يطرح نفسه سيكون هل ان هذا التساوي في السرعات يجب ان تحقق على اساس مطلق بحيث
تكون جميع الالكترونات متحركة باتجاه الايونات ونفس مقدار سرعتها فيما اذا كان من
الكافي ان يكون معدل سرعات الالكترونات مساويا لمقدار سرعة الايونات وباتجاهه . ان
هذا الموضوع لا يزال خاضع لدراسات كثيرة ومكثفة لهدف الحصول على افضل صيغة هندسية
وفيزيائية لتحقيق عملية التعادل ولكن ومن الجدير بالذكر ان تولد ونمو
اللاستقراريات في حزمة البلازما الخارجة عند مزج الايونات مع الالكترونات يعتبر حاليا
من اهم العوامل التي تجري دراستها في الوقت الحاضر .
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق