הנעה רקטית רב-שלבית

משגר הלוויינים GSLV בעל הנעה רקטית תלת־שלבית ומאיצים

הנעה רקטית רב־שלבית (באנגלית: Multistage rocket) היא טכנולוגיה המשתמשת במספר מנועים רקטיים על מנת להניע מערכת למסלול כלשהו. תהליך ההנעה מחולק לשלבים, כאשר כל שלב כולל הפעלה של מנוע רקטי (או מספר מנועים) הפועל באופן עצמאי. השלבים מוצבים בזה אחר זה. לעיתים ניתן השם "שלב 0" לרקטות האצה המוצבות זו לצד זו ופועלות כחלק מאותו שלב ומסייעות לתאוצה ההתחלתית.

על פי נוסחת ציאולקובסקי, השימוש בהנעה רב־שלבית מאפשר להגיע למהירות גבוהה יותר ולגובה רב יותר מאשר בשימוש בהנעה בשלב בודד גדול יותר. חלק מרקטות הקרקע־קרקע והטילים מונעים בהנעה רב־שלבית וכל משגרי הלוויינים והחלליות מונעים בהנעה רב־שלבית.

הנעה רקטית בה שני שלבים מכונה "הנעה דו־שלבית"; בעלת שלושה שלבים מכונה "הנעה תלת־שלבית". מערכות בעלות הנעה דו־שלבית ותלת־שלבית הן הנפוצות ביותר, אך גם מערכות עם 5 שלבים שוגרו בהצלחה .

מודל פיזיקלי מפושט

כאשר:

• $m_{0}$ - מסה כוללת של הרקטה
• $m_{l}$ - מסת המטען המועיל
• $m_{p}$ - מסת ההודף
• $m_{f}=m_{o}-m_{p}$ - מסה מנוע "יבש" - ללא הודף או לאחר גמר בעירה
• $m_{s}$ - מסת המבנה

נסמן יחס המסות:

• $R={\frac {m_{0}}{m_{f}}}={\frac {1+\lambda }{\epsilon +\lambda }}$

• $\epsilon ={\frac {m_{\mathrm {E} }}{m_{\mathrm {E} }+m_{\mathrm {p} }}}$

• $\lambda ={\frac {m_{\mathrm {l} }}{m_{\mathrm {E} }+m_{\mathrm {p} }}}$

בהזנחת גרר, ותאוצת כובד קבועה, הרקטה תגיע למהירות מקסימלית: $V_{max}=I_{sp}*g_{0}*R-g_{0}*t_{b}$

ולגובה מקסימלי: $H_{max}=I_{sp}*g_{0}*t_{b}*(1-{\frac {\ln R}{R-1}})-0.5*g_{0}*t_{b}^{2}*\sin \theta$

כאשר:

• $I_{sp}$ - מתקף סגולי
• $t_{b}$ - זמן בעירה
• $g_{0}$ - כוח כבידה
• $\theta$ - זווית השיגור ביחס לפני הקרקע

ביצוע

הסיבה המרכזית להעדפת הנעה רב־שלבית על פני מערכת רקטית יחידה היא שבהנעה רב־שלבית ניתן להגיע למהירויות גדולות יותר, זאת משום שהיפרדות משלבים שאינם נדרשים יותר לטיל, מורידה את מסתו ומקלה עליו. הדחף של השלב השני או השלישי, לדוגמה, מספק תאוצה גדולה יותר מהדחף שיספק מנוע גדול יותר בעל שלב בודד.

החיסרון המרכזי של שימוש בהנעה רב־שלבית הוא שהשימוש במספר מנועים רב מעלה את ההסתברות לתקלה בזמן היפרדות השלבים או בהצתת המנועים. בזמן ההפרדה נעשה לפעמים שימוש בברגים פירוטכניים נפיצים, על מנת לקטוע את החיבור בין השלב לשאר הטיל. גם הטבעת המחברת ביניהם מעוצבת באופן שמאפשר הפרדה יעילה בין הטיל לשלב שהופרד.

מבנה הנעה רב־שלבית

סידור המנועים בהנעה רב־שלבית מתוכנן באופן מותאם לדרישות תפקיד המנוע ולתנאי הסביבה בזמן פעולתו. "שלב" ראשון המותקן בתחתית המערכת, לרוב הוא הרחב ביותר ובעל המנועים הגדולים ביותר, היות שהוא נדרש לשאת משקל רב יותר - את עצמו ואת השלבים שמעליו. השלב הראשון מיועד לטוס בתוך האטמוספירה. מעליו, השלבים העליונים, מנועים קטנים בגודלם ונועדים לרוב לפעול בריק.

דוגמאות למשגרים רב שלביים

משגרים דו־שלביים

• סטורן IB
• פאלקון 1
• פאלקון 9
• דלתא 3

משגרים תלת־שלביים

• סטורן 5
• GSLV
• אריאן 1
• אריאן 4

משגרים ארבע־שלביים

• PSLV
• פרוטון (יכול להיות גם תלת־שלבי, תלוי במשימה)

קישורים חיצוניים

• הנעה רקטית רב-שלבית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)