בפוסט הקודם עסקנו במנועים רקטיים והתמקדנו באופן הפעולה של מנוע רקטי כימי עם הודף מוצק ועם הודף נוזלי. אחד ההבדלים העיקריים ביניהם היה הביצועים – הביצועים של מנועים נוזליים הם בדרך כלל טובים יותר מביצועים של מנועים מוצקים. בפוסט הנוכחי נתמקד בשאלה הטבעית – איך נמדדים ביצועים של מנוע רקטי?
נענה לשאלה זו באמצעות אנלוגיה לביצועים של מנועי מכוניות. כשמנתחים מנוע רכב בדרך כלל בוחנים שני מאפיינים עיקריים: כוח וצריכת דלק. כוח המנוע (שמיוצג על ידי הספק ומומנט) חשוב בשביל שהרכב יעשה את מה שנדרש (למשל – לסחוב את העליות לכרמיאל עם מזגן בקיץ). צריכת דלק חשובה מסיבות כלכליות – אנחנו מעוניינים לשלם כמה שפחות על הנסיעות שלנו.
גם במקרה של טיל, אנו מתעניינים בשני מאפיינים: כוח (דחף בשפה מקצועית) ויעילות המנוע. דחף הוא חיוני, והצורך בו בטיל דומה לצורך בו ברכב. לדוגמה, בריחה מהכבידה של כדור הארץ, והאצה למהירות מסלולית דורשות דחף גדול, גדול יותר אפילו מנסיעה בעליות לכרמיאל (עם מזגן בקיץ). מודדים את הדחף בצורה פשוטה – ככוח. היחידות של דחף הם ניוטונים, או טון-כוח.
המטרה בשיפור יעילות המנוע אינה חיסכון כלכלי, אלא חיסכון במקום ובמשקל.  בפוסט הקודם הסברנו  שמנוע רקטי פועל על ידי זריקה של חומר הודף אחורה. מסיבה זו, החומר ההודף תופס מקום רב ומהווה את עיקר מסת הטיל. בטילים המשוגרים לחלל, המטען המועיל מהווה פחות מ-5% מהמסה התחילית של הטיל. שאר הטיל הוא בעיקר ההודף והשלבים והרכיבים החיוניים לאחסון והזרקה של ההודף (מכלים, משאבות וכולי). כלומר, ישנה חשיבות עליונה בבניית מנוע יעיל כמה שיותר, על מנת שניתן יהיה לעלות מטענים גדולים יותר לחלל. כיצד נמדוד את יעילות המנוע? על מנת להבין זאת, נחזור לאופן פעולת המנוע. נזכיר כי הדחף מתקבל כתוצאה מזריקת חומר אחורה. לכן, מדד טוב ליעילות יהיה "כמה דחף נקבל מיחידת מסה של החומר ההודף?" מדד זה הינו הגיוני – ככל שיגדל הדחף ליחידת מסה, כך נרוויח – נוכל לקחת פחות חומר הודף איתנו, וכך נוכל לצמצם את המסה ההתחלתית של הטיל.
במה תלוי הדחף? דחף הוא מכפלת הספיקה (כמות ההודף שיוצאת מהרקטה ליחידת זמן) ומהירות ההודף ביציאה. לכן, יעילות מנוע גבוהה דורשת פליטה של הודף במהירות גבוהה. מהירות ההודף ביציאה היא קריטית [1], ושינויים קטנים בה יכולים לגרום לשינויים גדולים בכמות ההודף הנדרשת לביצוע משימת הטיל.
המדד המקובל למדידת יעילות הוא לא המהירות, אלא מתקף סגולי (Specific Impulse או Isp באנגלית) [2]. המתקף הסגולי הוא חלוקה של מהירות היציאה מהמנוע בתאוצת הכובד של כדור הארץ, והיחידות שלו הן יחידות של זמן (שניות). שימוש בשניות לביצועי מנוע הוא נח כי הוא לא משתנה בין מערכות יחידות שונות.
בטילים כימיים מתקף הסגולי  תלוי בצורת הנחיר, בלחץ ובטמפרטורה בתא השריפה. המתקף הסגולי משתנה עם הגובה – ככל שרחוקים מהקרקע, כך יגדל המתקף הסגולי (ואיתו גם הדחף). הסבר נוסף על קטגוריות מתקף סגולי מופיע כאן [3]
אז באילו חומרים משתמשים בטילים כימיים ומדוע? בטילים מוצקים מודרניים משתמשים היום בעיקר בשילוב של חומר Hydroxyl-terminated polybutadiene כדלק [4], ו-Ammonium percholrate כמחמצן [5]. השילוב בין שני החומרים נותן מעין גומי שהוא ההודף. הביצועים של חומר זה גבוהים יחסית (אפשר להגיע למתקף סגולי של 250s, שזה הרבה יותר מזה המתקבל משילובי מוצקים אחרים), התכונות המכניות שלו טובות, והוא הודף מופחת רגישות, כך שאין צורך באמצעי בטיחות מחמירים בטיפול בו. לפעמים מוסיפים לתערובת אלומיניום - מתכות בוערות בטמפרטורה מאוד גבוהה, ובכך מעלות את הביצועים של ההודף.
בטילים נוזליים יש מגוון רחב יותר. הטילים המבצעיים הראשונים (V-2 של הגרמנים[6]) עבדו על אלכוהול וחמצן נוזלי. היום בטילים רבים משתמשים בשילוב של פחמימן כלשהו (בדרך כלל קרוסין תעופתי) וחמצן נוזלי. יתרון השילוב הזה הוא ביצועים לא רעים (תקיפה סגולית 280-300 שניות) וחומרים שיחסית פשוט לעבוד איתם.
שילוב אחר הוא הידרזין ונגזרות שלו עם חומצה חנקתית. הביצועים שלהם דומים לאלה של קרוסין וחמצן נוזלי, אבל יש להם יתרון אחד מאוד ברור - הם חומרים היפרגולים (חמרים שנדלקים במגע אחד עם השני) [7]. זה חוסך מערכת הצתה, ומאפשר הדלקה מחדש של מנוע יותר בקלות. יחד עם זאת, רוב החומרים ההיפרגולים הם חומרים איומים ונוראיים שמאוד מסוכן ומסובך לעבוד איתם, לכן לאט לאט הם יוצאים משימוש
השילוב עם הביצועים הטובים ביותר הוא מימן וחמצן, שהיוו את ההודף בו השתמשו המנועים הראשיים של מעבורות החלל. התקיפה הסגולית של המנועים האלה הגיעה ל-366 שניות. בנוסף לביצועים טובים, תוצר השריפה הוא בעיקר מים. החיסרון של המנועים האלה הוא בסרבול - מימן נשאר נוזלי רק עד  טמפרטורה של 253 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. גם הצפיפות שלו נמוכה יחסית, כך שנדרש נפח רב בשביל לאחסן אותו. האם הביצועים של שילוב זה טובים מספיק? או לחליפין, האם ישנם סוגים נוספים של מנועים רקטיים?
על כך נדבר בפרק הבא

מאת ד"ר ויקטור צ'רנוב

מקורות וקריאה נוספת:

1. על הגעה לחלל
2. על מתקף סגולי
3. על נחיר מתכנס-מתבדר
4. על Hydroxyl-terminated polybutadiene
5. על Ammonium percholrate
6. על V-2
7. על חומרים היפרגולים