בסיקור המלחמה עם איראן מדווחים כלי תקשורת על כך שמערך הטילים הגדול שלה כולל טילים שמונעים בדלק מוצק, ואחרים שמונעים בדלק נוזלי. השימוש בשתי צורות ההנעה מלווה את תחום הטילים המודרני ממש מראשיתו, לפני כמאה שנים. זו הזדמנות טובה לבחון איך הם עובדים, מה ההבדלים ביניהם, מה היתרון והחיסרון של כל צורת הנעה, ואילו עוד שימושים יש להן.
תיעוד משיגור טיל חורמשהר 4
שאלה של לחץ
בשונה מצורות חימוש אחרות, כמו פגזים, פצצות או קליעים, טילים ורקטות מאופיינים בכך שהם נושאים את הדלק שלהם, וממשיכים לייצר הנעה לאחר שיגורם. כל הטילים שנמצאים כיום בשימוש מבצעי הם בעלי הנעה כימית. כלומר, הם שורפים דלק, ומתקדמים בזכות פליטה של הגזים שנוצרים בבעירה. טיסת הטילים באמצעות פליטה חזקה של גזים היא יישום של חוק התנועה השלישי של אייזק ניוטון: לכל פעולה יש תגובה זהה בעוצמתה בכיוון ההפוך.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
מקצועות הבריאות: האנשים שמחזירים את איכות החיים
חפשו את האישה – גם בבינה המלאכותית | טור
נגיף שתוכנן בעזרת בינה מלאכותית
בעבר חשבו שמסיבה זו הנעה רקטית לא תפעל בחלל – הגזים צריכים לפעול נגד משהו, כמו האוויר, ובריק של החלל אין נגד מה לפעול ואין מה שידחוף בחזרה. אולם התפיסה הזו שגויה, ועצם הפליטה של הגזים היא שדוחפת את הטיל בכיוון ההפוך, גם בריק. בשנת 1969, בעוד החללית אפולו 11 עושה את דרכה לנחיתה המאוישת הראשונה על הירח, פרסם העיתון “ניו יורק טיימס” התנצלות בפני חלוץ הטילים האמריקאי, רוברט גודארד (Goddard), משום שבכתבה משנת 1920 לעגו לו על תפיסתו כי טילים יכולים לפעול בחלל. “הטיימס מתנצל על הטעות”, כתב העיתון רבע מאה אחרי מותו של גודארד.
התגובה הכימית שגורמת לפליטת הגזים היא כאמור שריפה של דלק. שריפה היא תהליך כימי שבו חומר דלק מגיב עם חומר מחמצן. בתהליך משתחררת אנרגיה בצורת אור וחום, ותוצרי השריפה נפלטים כגזים. למשל, התגובה בתהליך השריפה של גז פרופאן (Propane) אחד הגזים המשמשים אותנו בבישול היא:
C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O
כלומר, כל מולקולת פרופאן מגיבה עם חמש מולקולות חמצן, ואנו מקבלים שלוש מולקולות של פחמן דו-חמצני וארבע מולקולות מים. מכיוון שהתגובה גם יוצרת חום, המים נפלטים בצורת אדים, כלומר במצב צבירה גזי, והטמפרטורה הגבוהה מגדילה את לחץ הגז ולכן גם את הדחף שהמנוע מייצר.
מפתחי טילים כיום מעדיפים להשתמש בדלקים שמייצרים נפח גדול במיוחד של גזים. אחד המרכיבים העיקריים בדלקים כאלה הוא הידרזין, N2H4, או נגזרות שלו. פירוק הקשר בין אטומי החנקן משחרר אנרגיה רבה, כמו שקורה בחומרי נפץ, וחימצון ההידרזין מייצר כמות יפה של גז חנקן (N2) ואדי מים, שמספקת דחף חזק.
שריפה של דלק מתרחשת ברוב סוגי המנועים. במנוע בעירה פנימית, כמו של מכונית, לחץ הגזים מניע בוכנות, וגל ארכובה מתרגם את התנועה הזו לסיבוב גלגלים או מדחפים. אלא שבעוד במנוע בעירה פנימית, ואפילו במנוע סילון, החמצן לבעירה מגיע מהאוויר שבחוץ, בהנעה רקטית החמצן הוא חלק מהדלקים שנמצאים בתוך הטיל, לא תמיד בצורת חמצן טהור, אלא לעיתים בתרכובות שמכילות חמצן. במנוע רקטי גם אין כמעט חלקים נעים. בטיל המונע בדלק נוזלי עיקר התנועה נעשית במשאבות שמזרימות את הדלק והמחמצן לתא הבעירה. פליטת הגזים נעשית דרך צינור צר יחסית, המכונה “נחיר” (Nozzle), משום שהוא מגדיל את מהירות הזרימה של הגז, כפי שקובע עקרון ברנולי.
5 צפייה בגלריה
שתי צורות ההנעה מייצרות גזים בלחץ גבוה, שהפליטה שלהם דרך פתח צר במהירות גבוהה מייצרת דחף שמניע את הטיל. השוואה סכמטית בין מבני טילים משני הסוגים
(איור: Pbroks13, Wilipedia)
כדי להשוות ביצועים של מנועי טילים ושל דלקים שונים, משתמשים במדד שנקרא מִתְקָף סגולי (Specific impulse), המשקף את שינוי התנע של המסה, כלומר את המהירות שהמנוע יכול להקנות לטיל. הוא נמדד ביחידות של מהירות, ולעיתים משקללים את היחידה עם תאוצת הכבידה של כדור הארץ, כך שהמתקף הסגולי ניתן ביחידות של זמן בלבד.
דלק נוזלי
בטילים שמונעים בדלק נוזלי יש בדרך כלל שני מכלי דלק – אחד של הדלק עצמו ואחד של החמצן או החומר המחמצן, כמו מי חמצן (H2O2). משאבות מזרימות את הדלק והמחמצן לתא הבעירה, ומערכת הצתה מספקת את הניצוץ הדרוש להצתת הדלק. יש גם דלקים היפרגולים (Hypergolic), שמתלקחים ספונטנית במגע עם המחמצן ואינם דורשים מנגנון הצתה.
יש כיום מגוון עצום של דלקים המשמשים להנעה רקטית. מימן (H2) הוא דלק מצוין, שמספק מתקף סגולי גבוה בזכות משקלו הקל, וחמצונו מייצר אדי מים בלבד. טיל SLS, שאמור לשגר את האסטרונאוטים האמריקאים לירח בתוכנית ארטמיס, מונע במימן נוזלי ובחמצן נוזלי. עיבוי הגז לנוזל מאפשר להכניס יותר דלק למכל, אבל דורש קירור לטמפרטורות נמוכות מאוד ותדלוק ממושך, שאינם מתאימים לטילים צבאיים למשל. מה עוד שמימן הוא גז שקשה לעבוד איתו, בגלל המולקולות הקטנות, ואפילו בנאס”א מתקשים להתמודד עם דליפות שלו.
5 צפייה בגלריה
מגוון רחב של טילים. טילי זולפיקאר לטווח קצר המונעים בדלק מוצק, מוצגים במצעד צבאי איראני ב-2017
(צילום: Tasnim News Agency)
דלקים נוזליים נוספים כוללים מתאן (CH4); קרוסן (Kerosene), שהוא תערובת של שרשראות פחמן, לרוב באורך 15-12 אטומים ומשמש גם דלק למנוע סילון; הידרזין ונגזרותיו, למשל דימתיל הידרזין אסימטרי (UDMH), שנוסחתו H2NN(CH3)2; חומצה חנקתית HNO3; חנקן טטרוקסיד N2O4 (שמשמש גם מחמצן); וכן תערובות שונות של החומרים האלה וחומרים נוספים, ביחסים שונים, הכל לפי הצרכים והייעוד של מערכת שיגור מסוימת.
את רוב הדלקים הנוזליים אי אפשר לאחסן בתוך הטיל לתקופה ממושכת. חלקם מאכּלים, ויגרמו נזק למעטה המתכת של הטיל. אחרים דורשים קירור, ואחסונם בתנאים שבהם הדלק יתחמם ויתפשט יגרום לעיוות במעטפת הטיל. דלקים ממשפחת ההידרזין מתאימים יותר לאחסון ממושך, אבל אלה חומרים רעילים ומסרטנים, ויש לקחת זאת בחשבון מבחינת האנשים שמתחזקים את הטילים האלה.
מבחינת השימוש בטילים צבאיים, המשמעות היא שטילים המונעים בדלק נוזלי יש לתדלק זמן קצר יחסית לפני השיגור. זו פעולה שדורשת זמן בעוד הטיל פגיע על הקרקע, וגם עלולה לייצר חתימה מודיעינית נוספת – למשל נסיעה של מכליות דלק לאתר השיגור.
5 צפייה בגלריה
מכלית תדלוק של הטיל הבליסטי הבין-יבשתי האמריקאי טיטאן-2 במוזיאון טילים באריזונה. הטיל הונע בתערובת של הידרזין ו-UDMH, וחנקן טטרוקסיד כמחמצן. חומרי הדלק הרעילים דרשו טיפול זהיר וקפדני
(צילום: Kelly Michals, Flickr, CC BY-NC 2.0)
בתכנון של טילים בעלי דלק נוזלי יש להתמודד עם קשיים נוספים, בהם תנועה של הנוזל עצמו בתוך מכל הדלק, בעיקר כשהוא אינו מלא, שמסיטה את המסה של הטיל ועלולה להאט אותו. לשם כך מעוצבים המכלים לרוב עם טבעות או בליטות אחרות כלפי פנים, שנועדו לצמצם את תנועת הנוזלים בתוכם. בנוסף, מכיוון שרוב מסת הטיל בשיגור היא הדלק, ככל שהוא נשרף משתנה מרכז המסה של הטיל, אולם מערכות הנעה מתקדמות משקללות את השינויים האלה ומתגברות על הבעיה.
דלק מוצק
שימוש בדלק נוזלי החל ממש לפני מאה שנה, ב-1926 בעבודות החלוציות של רוברט גודארד. כל הרקטות ששוגרו עד אז, מאז המצאתן כנראה בסין העתיקה במאה ה-12 או ה-13, היו רקטות בדלק מוצק. למעשה אלה היו צינורות שנדחס בהם אבק שריפה, עם פתח בקצה אחד, שאיפשר את פליטת הגזים. אבק שריפה מכיל גם גם את חומר הדלק וגם את מקור החמצן בתערובת מוצקה אחת, בדיוק כמו החומר בראשי גפרורים. ואכן - אם עוטפים כמה גפרורים במעטה גלילי מוצק, אפשר לקבל הדגמה של הנעה רקטית בזעיר אנפין. גם זיקוקים ביתיים, כאלה שנועצים בעוגות יום הולדת, מכילים למעשה דלק מוצק ומחמצן, ולראיה – הם יכולים לבעור גם בתוך מים.
טילים מודרניים הפועלים בדלק מוצק אינם שונים בהרבה מאותן רקטות עתיקות. אבק השריפה, שמייצר מתקף סגולי נמוך ומועד לתקלות בטיחות, הוחלף בחומרים שמייצרים נפח גזים גדול יותר, אבל מבוססים על אותו עיקרון, ומכילים חומר דלק וחומר מחמצן.
5 צפייה בגלריה
הדלק המוצק והמחמצן יצוקים בהיקף הטיל, והחלל המרכזי משמש תא בעירה. מקטע מטיל האצה (בוסטר) של טיל SLS לשיגור חלליות לירח (מימין). הטיל עצמו מונע בדלק נוזלי, וטילי ההאצה – בדלק מוצק
( צילומים: NASA)
בין הדלקים המוצקים אפשר למצוא תרכובות של אבץ וגופרית או חומרים כמו ניטרוצלולוז. אולם כיום רוב טילי הדלק המוצק עושים שימוש בדלק על בסיס מתכת כמו מגנזיום או אלומיניום, עם חומרים שמשמשים גם מחמצנים וגם דלקים בעצמם, כמו אמוניום חנקתי (NH4NO3) או אמוניום פרכלוראט (NH4ClO4). החומרים האלה נפוצים גם בשימושים אחרים, כמו דשנים חקלאיים, ולכן קשה לפקח על השימוש בהם. לעיתים מוסיפים לתערובת גבישים קטנים של חומר נפץ מתקדם, כמו RDX או HMX, שמעלים את המתקף הסגולי אבל גם מגדילים את הסיכון לתאונות או לכשלים בטיל.
כדי לפעול ביעילות, חומרי הדלק והמחמצנים צריכים להיות יצוקים בתוך הטיל כשהם מעורבבים זה בזה, כדי לאפשר לתגובת הבעירה להתקדם. הטיל צריך להיות דחוס בדיוק במידה הנכונה. אם המרקם של החומר יהיה אבקתי מדי, כלומר בעל שטח פנים גדול, הוא עלול להישרף מהר מדי, מה שיגרום ללחץ גזים גדול מדי והטיל עלול להתפוצץ. גם בועות אוויר בתוך הדלק עלולות לגרום בעיה דומה. לעומת זאת – אם החומר יהיה דחוס מדי, הבעירה תתקדם לאט ולא יווצר לחץ הגזים הדרוש להנעה יעילה של הטיל.
בטילי דלק מוצק תערובת הדלק והמחמצן יצוקה בהיקף של הטיל, בצורת גליל, כשבמרכז הטיל משאירים חלל בצורת צינור. החלל הזה משמש תא בעירה, ולחץ הגזים בתוכו משתחרר דרך נחיר הפליטה של המנוע ומקנה את הדחף לטיל.
השימוש בדלק מוצק לטילים בליסטיים קיבל דחיפה משמעותית בתקופת המלחמה הקרה בין ארצות הברית לברית המועצות. כל מעצמה הייתה ערוכה למתקפה גרעינית של הצד השני, והיה עליהן להיות מסוגלות להגיב מיד במכה גרעינית משלהן. כשצריך לשגר את הטילים תוך דקות, אין זמן לתדלק, לכן הן פיתחו טילים שיכולים לעמוד על כן השיגור תקופה ארוכה, ועדיין להיות מוכנים לשיגור והצתה תוך זמן קצר.
אז מה עדיף?
העובדה ששתי צורות ההנעה עדיין קיימות מרמזת שלכל אחת מהן יש יתרונות וחסרונות. היתרון הגדול של הדלק הנוזלי הוא מתקף סגולי גדול יותר. המשמעות היא שאם אנו רוצים לשגר ראש נפץ בעל מסה מסוימת, בדלק נוזלי אפשר לעשות זאת בטיל קטן יותר, שקל יותר לשנע והוא חשוף פחות לאויב. ככל שאנו רוצים לשגר טילים גדולים וארוכי טווח יותר, היתרון נע לכיוון הדלק הנוזלי, שכן טילים כאלה בדלק מוצק צריכים להיות עצומים בגודלם, מה שאומר שיש לאחסנם במקום קבוע – שאולי יהיה ידוע לאויב, או שהשינוע שלהם יהיה מורכב מאוד, וייטול את היתרון העיקרי שלהם, שיגור מהיר.
מצד שני, כאמור, טילים המונעים בדלק נוזלי צריכים לתדלק לפני השיגור, מה שגוזל זמן יקר וחושף את המשגרים. טילים כאלה גם דורשים תחזוקה רבה יותר, וחלקם גם מבוססים על דלקים רעילים, מה שמסרבל את העבודה איתם מבחינת בטיחות. לכן רוב הטילים הקטנים יותר, וקצרי הטווח, מונעים בדלק מוצק, בעוד טילים ארוכי טווח מונעים יותר בדלק נוזלי.
חיסרון נוסף של דלק מוצק הוא שמרגע שהדלק הוצת – אין שליטה על הטיל, ואי אפשר לווסת את עוצמת הבעירה, או לכבות את המנוע. לעומת זאת, בדלק נוזלי אפשר לשלוט מרחוק בפעולת המשאבות, להפחית או להגדיל את אספקת הדלק ולשלוט במהירות הטיל ובמאפייני הטיסה. עם זאת, היכולות האלה רלוונטיות פחות לטילים צבאיים, וחשובות יותר בטילים שמשגרים מטענים או בני אדם לחלל. מה עוד שבשנים האחרונות פותחו דלקים מוצקים שכן מאפשרים שליטה מסוימת על הבעירה, ואפילו כיבוי והתנעה מחדש, באמצעות חלוקת הדלק למנות קטנות ושליטה חשמלית על הצתתן. יש גם טילים היברידיים, שמשלבים דלק מוצק וחמצן נוזלי, אך הם כמעט אינם נמצאים בשימוש צבאי.
גם בטילי חלל אזרחיים משתמשים בשני סוגי הדלקים ומערכות ההנעה. באופן כללי, גם כאן טילים גדולים מונעים בדלק נוזלי, לרוב קְרִיוֹגֶנִי – כלומר דלקים שמעובים לנוזל בטמפרטורות נמוכות מאוד. טיל SLS מונע במימן נוזלי וחמצן נוזלי, הסטארשיפ הענקית של ספייס אקס מונעת במתאן (CH4) נוזלי וחמצן נוזלי – משום שאלה חומרים שאפשר לייצר ולהפיק על מאדים, ולתדלק שם את החללית, ואילו פלקון 9, סוס העבודה העיקרי של ספייס אקס, מונע בקרוסן נוזלי וחמצן נוזלי. גם השלב הראשון של טיל סטורן 5 הענקי, ששיגר את האסטרונאוטים של תוכנית אפולו לירח הונע בקרוסן נוזלי וחמצן נוזלי, בעוד השלב השני והשלב השלישי שלו, שנועדו לפעול בעיקר בחלל, הונעו במימן נוזלי וחמצן נוזלי.
בחלל עצמו יש מערכות הנעה שאינן יעילות על כדור הארץ, כמו הנעה יונית, שמאיצה אטומים בעלי מטען חשמלי למהירות גבוהה, ואז פולטת אותם לחלל. מנועים כאלה מייצרים דחף חלש מאוד, שלא רלוונטי לטיסה באטמוספרה, אבל הם יכולים לפעול זמן רב מאוד, ויש להם מתקף סגולי גבוה, משום שהחלקיקים נפלטים במהירות גבוהה לאורך זמן. בפעילות ממושכת בריק הם יכולים לתת לחללית מהירות מרשימה, ולכן משמשים כיום בעיקר לתיקוני מסלול של לוויינים וחלליות שיכולים להיעשות בהדרגה לאורך זמן.
איתי נבו, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
