محركات الصواريخ هي نوع من أنواع المحركات النّفاثة والّتي تستخدمُ القوة الدّافعة لتشكيل نفاث الدفع عالي السّرعة وتُعرَّف أيضاً بأنها محركات رد فعل تُحصل على قوة دفعها وفقاً لقانون نيوتن الثالث للحركة.

معظم محركات الصّواريخ هي من نوع محركات الإحتراق الداخلي ولكن توجد أنواع لا تعتمد على الإحتراق الداخلي مثل محركات دافعات الغاز البارد.

في محركات الصّواريخ تبلغُ الحرارة المتولدة في حجرة الإحتراق أثناء عملية الإحتراق للوقود حوالي (2800-3500) K وينتج عنها غازات العادم

ويتمّ طرد معظم الحرارة الناتجة عن إحتراق الوقود مع الغازات العادمة، لكن جزء من الحرارة ينتقل إلى جدران حجرة الدّفع للصاروخ

وتسببُ هذه الحرارة المرتفعة ضرراً لجدران غرفة الدّفع والفوهة.

نظام التبريد المحركات الصواريخ

يتم استخدام طرية التّبريد المتجدد لتبريد محركات الصواريخ للحفاظ على درجة الحرارة وفق المدى المطلوب.

يُعرف التبريد المتجدد على أنه الطريقة الأكثر شيوعاً لتبريد غرفة الدّفع ويتم تحقيقه عن طريق تدفق سائل تبريد عالي السرعة على الجانب الخلفي لجدار غرفة دفع المحرك لتبريد بطانة الغاز الساخنة

في هذه الطريقة يكون الوقود كوسيط للتبريد، لأنه وفق قوانين الثرموديناميك كمية الحرارة تنتقل بسرعة  في السوائل مقارنةً بالهواء أو الغازات الأخرى.

يتم بعد ذلك تفريغ وسيط التبريد (الوقود) المحمل بالحرارة التي اكتسبها نتيجة لتبريد بطانة المحرك في الحاقن واستخدامه كوقود للدفع في الصاروخ.

تصميم حجرات الدفع للصواريخ

إن التصميم الموضح في المخطط التالي يوضح غرفة الدفع ذات ضغط وتدفق حرارة منخفض ومتطلبات ضغط تبريد منخفض

والّتي يمكن تلبيتها من خلال تصميم مبسط “لغرفة مزدوجة الجدار” مع تبريد متجدد وغشاء.

لكن الحاجة إلى زيادة الضغط في محركات الصواريخ أدى إلى زيادة متطلبات التبريد لتصبح أكثر صعوبة، مما  أدى إلى تصميم غرف دفع ذات جدار أنبوبي

وهي التصميم الأكثر استخداماً للغالبية العظمى من تطبيقات محركات الصواريخ الكبيرة مثل تطبيقات القوات الجوية وتطبيقات وكالات الفضاء مثل ناسا.

الميزة الأساسية لغرف الدفع ذات الجدران الأنبوبية هي وزنها الخفيف و وجود خبراء قادرين على تطويرها وصيانتها.

ولكن مع استمرار الطلب على زيادة ضغط غرف الدفع في محركات الصواريخ والذي يؤدي إلى زيادة تدفق الحرارة نتيجة الغاز العادمة وجب تطوير  طرق أكثر فعالية للتبريد.

كان أحد الحلول عبارة عن غرف دفع تدعى جدار القناة، يتم تنفيذ تبريد جدار الغاز الساخن فيها عن طريق تدفق سائل التبريد عبر قنوات مستطيلة

والتي يتم تشكيلها في بطانة غاز ساخنة مصنوعة من مادة عالية التوصيل مثل النحاس، وتعتبر نقل الحرارة والخصائص الهيكلية ممتازة في هذه الحالة.

ثلاثة طرق للتبريد المتجدد لمحركات الصاروخية !

• طريقة الغاز (الغازات المحترقة) – تنقل الحرارة بالحمل والإشعاع.
• طريقة السائل (المبرد) – تنقل الحرارة بالحمل الحراري.
• المجال الصلب (جدار حجرة الدفع) – تنقل الحرارة بالتوصيل.

بالإضافة إلى طرق التبريد المتجددة المذكورة أعلاه وعلى الرغم من أن غرف الإحتراق المبردة بالتجديد أثبتت أنها أفضل طرق لتبريد محركات الصواريخ الكبيرة السائلة

فقد تم إنتاج تصميمات أخرى لتبريد غرفة الدفع لمحركات الصواريخ، مثل: تبريد التفريغ وتبريد الغشاء وتبريد البطانات والتبريد بالإشعاع وهذه الطرق أثبتت فاعليتها بنجاح.

التبريد بالتفريغ مشابه للتبريد المتجدد لأن وسيط التبريد يتدفق عبر ممرات صغيرة على الجانب الخلفي لجدار غرفة الدّفع ويختلف عنه  أنه بعد تبريد غرفة الدّفع

يتمّ تفريغ وسيط التبريد في الخارج من خلال الفتحات الموجودة في الطرف الخلفي للفوهة المتباينة، وتعتبر هذه الطريقة محدودة التطبيق بسبب الهدر النّاتج عند تفريغ وسيط التبريد إلى الخارج.

التبريد بالغشاء يوفر الحماية من الحرارة الزائدة عن طريق إدخال غشاء رقيق من مبرد من خلال الفتحات حول محيط الحاقن أو من خلال الفتحات المتشعبة في جدار الغرفة

بالقرب من الحاقن أو الفوهة، وتُستخدم هذه الطريقة عادةً في مناطق التدفق الحراري المرتفع وبالتزامن مع التبريد المتجدد.

التبريد الإشعاعي فيه تشع الحرارة من السطح الخارجي لغرفة الاحتراق أو جدار تمديد الفوهة، ويستخدم التّبريد الإشعاعي عادةً في غرف الدّفع الصّغيرة مع مادة جدار ذات درجة حرارة عالية (مقاومة للصهر) وفي مناطق تدفق الحرارة المنخفضة، مثل امتداد الفوهة.

• إعداد: المهندسة بيان مهنا
• تدقيق: المهندسة أسماء حمود
• تحرير: المهندسة يارا سعد