تخيل صاروخًا يشتعل، ينفث لهيبًا ساطعًا وهو يتحرر من قوة جاذبية الأرض ويصعد إلى السماء. هذه القوة التي تدفع الأجسام الضخمة إلى الفضاء هي الدفع. ولكن من أين يأتي الدفع؟ كيف يتغلب على مقاومة الهواء ووزن المركبة نفسها؟ يستكشف هذا المقال أساسيات الدفع، من المبادئ الأساسية إلى تصميم المحرك، ويكشف الأسرار الأساسية لأنظمة الدفع الفضائية.

الدفع هو القوة التي تدفع الطائرات عبر الهواء. سواء كان ذلك للتغلب على سحب الطائرة أو لموازنة وزن الصاروخ، فإن الدفع يجعل الطيران ممكنًا. يتم إنتاج الدفع بواسطة محرك، من خلال أنظمة دفع مختلفة.

الدفع هو قوة ميكانيكية يتم إنشاؤها من خلال قوة رد الفعل لتسريع كتلة الغاز. يتفاعل هذا السائل العامل ماديًا مع نظام الدفع، مما يوضح قانون نيوتن الثالث (الفعل ورد الفعل). ككمية متجهة، للدفع مقدار واتجاه. يقوم المحرك ببذل شغل على الغاز، وتسريعه للخلف مع توليد دفع في الاتجاه المعاكس. يعتمد مقدار الدفع على كمية الغاز المتسارع وتغير سرعته عبر المحرك.

وفقًا لقانون نيوتن الثاني، القوة (F) تساوي المعدل الزمني لتغير زخم الجسم. الزخم هو حاصل ضرب الكتلة (m) والسرعة (V). بين الزمنين t₁ و t₂، يمكن التعبير عن القوة على النحو التالي:

مع ثبات الكتلة وتغير السرعة، يبسط هذا إلى المعادلة المألوفة:

بينما تتبع الكتلة أمرًا مباشرًا للمواد الصلبة، تتطلب السوائل (السوائل أو الغازات) معلمات مختلفة. بالنسبة للسوائل المتحركة، يصبح معدل تدفق الكتلة أمرًا بالغ الأهمية - يُعرّف بأنه الكتلة التي تمر عبر مستوى معين لكل وحدة زمنية (كجم/ثانية، سلق/ثانية، إلخ). يساوي الكثافة (ρ) مضروبة في السرعة (V) والمساحة (A). يرمز علماء الديناميكا الهوائية إلى هذا بـ ṁ (m-dot):

تمثل علامة النقطة مشتقة زمنية (d/dt)، مما يجعل ṁ معدل تدفق الكتلة بدلاً من مجرد كتلة. نظرًا لأن معدل تدفق الكتلة يتضمن بالفعل الاعتماد على الوقت، يمكننا التعبير عن تغير الزخم على جهاز دفع على أنه تغير معدل تدفق الكتلة مضروبًا في السرعة. بتسمية المخرج بالمحطة "e" والتيار الحر بالتيار "0":

عندما يختلف ضغط المخرج (pₑ) عن ضغط التيار الحر (p₀)، يجب علينا تضمين حد إضافي يأخذ في الاعتبار تأثير مساحة الضغط. تصبح معادلة الدفع العامة الكاملة:

عادةً ما يظل حد مساحة الضغط صغيرًا مقارنة بمكونات ṁV.

تكشف معادلة الدفع عن طريقتين أساسيتين لتوليد دفع عالٍ. الأولى تزيد من معدل تدفق المحرك (ṁ)، حيث تنتج حتى زيادات السرعة المتواضعة دفعًا كبيرًا - المبدأ وراء طائرات المروحة ومحركات التوربوفان ذات الالتفافية العالية. تركز الطريقة الثانية على زيادة سرعة المخرج بالنسبة لسرعة المدخل، كما هو موضح في المحركات النفاثة، ومحركات الاحتراق اللاحق، والصواريخ. تتضمن كل طريقة مقايضات كفاءة مختلفة في نطاقات السرعة القصوى.

بالنسبة لمحركات التوربينات الغازية ذات الفوهات المصممة لمعادلة ضغوط المخرج والتيار الحر، تبسط المعادلة العامة عن طريق إزالة حد الضغط:

يمثل الحد الأول الدفع الكلي، بينما يصبح الحد الثاني سحب الدفع. نظرًا لأن معدلات تدفق الكتلة عند المخرج والمدخل متساوية تقريبًا، يمكننا تعريف تدفق هواء المحرك (ṁ)ₑₙg والدفع النوعي (Fₛ):

تبسط محركات الصواريخ، التي تحمل مؤكسدها الخاص، بشكل مختلف:

غالبًا ما يستخدم أداء الصاروخ الدفع النوعي (Iₛₚ)، الذي يلغي الاعتماد على معدل تدفق الكتلة:

حيث Vₑq هي السرعة المكافئة (سرعة مخرج الفوهة بالإضافة إلى حد الضغط) و g₀ هو تسارع الجاذبية.

لكل من الصواريخ والمحركات النفاثة، تخدم الفوهات وظيفتين حيويتين: تحديد سرعة المخرج لظروف الضغط/درجة الحرارة المعطاة وإنشاء معدل تدفق الكتلة من خلال اختناق الحلق. وبالتالي، يحدد تصميم الفوهة بشكل أساسي دفع نظام الدفع.

يعتمد توليد الدفع على تحويل الطاقة - عادةً من خلال احتراق الوقود - لتسريع الغازات. بينما تنتج أنظمة الدفع المختلفة (المراوح، النفاثات، المحركات النفاثة، الصواريخ) الدفع بشكل مختلف، فإنها جميعًا تخضع لهذه المبادئ الفيزيائية الأساسية.