V-2
היסטוריית פיתוח > פיתוח המנוע

פיתוח המנוע הרקטי של הטיל החל לאחר שנצבר ניסיון וידע בפיתוח המנועים של הדגמים A-1-A-3. עד לתקופה בה החל הפרויקט, המנוע הרקטי החזק ביותר שנבנה (מנוע ה־A-3) היה בעל דחף של 1.5 טון. היעד שהציבו מתכנני המנוע לדחף של ה־V-2 על מנת לממש את ייעודו ככלי נשק לטווחים ארוכים היה 25 טון - פי 17 בערך מהמנוע הרקטי החזק ביותר שנבנה עד אז, ולכן הפיתוח היווה קפיצה של ממש. הפיתוח זכה לתנופה משמעותית בסוף שנות ה־30, תחילה בהנחייתו של ורנר פון בראון, ולאחר מכן תחת הנחייתו של ד"ר וולטר טיל, אשר הוביל את פיתוח מערכת ההנעה של ה־V-2 כמעט עד לשלמות עד שנהרג בהפצצה ב־3 באוגוסט 1943. וולטר טיל סיפק רעיונות מכריעים לגבי המנוע של הטיל וחקר תערובות דלקים ומחמצנים שונות עבור המנוע. הבחירה של חמצן נוזלי כמחמצן של הדלק נראתה מבטיחה שכן חמצן נוזלי, כצורה הטהורה ביותר של כל מחמצן, הציג מעט בעיות טכניות בכל הנוגע להצתה, האטומיזציה, והבקרה של תהליך בעירה בלחץ גבוה במנוע רקטי. כבר בשלב מוקדם בפיתוח היה ברור שגורם דומיננטי בנצילות האנרגטית של המנוע הוא כמות הדלק שלא נשרף (unburned propellant) הנפלט ביחד עם סילון המנוע. המתאר של שימוש בתערובת של 75% דלק אלכוהולי ו־25% חמצן בוסס על ידי חישובים וניסויים כקרוב למיטבי מההיבט הזה של הנצילות, ובנוסף תרם רבות לבטיחות של הטיל (במחיר של הפחתה קלה בנצילות).
כשתכנון המנוע החל, תעלומות רבות אפפו את תהליך הבעירה, במיוחד מנקודת המבט המתמטית; שאלות רבות כגון כמה זמן בעירה מסוימת תימשך, ומה הדחף לפי הזמן שתהליך בעירה מסוים מפיק, חסרו פתרון מתמטי מדויק. פתרונות כאלו היו בעלי חשיבות קריטית לתכנון היבטים רבים של המנוע, במיוחד עקב העובדה שהדחף שהמנוע צריך להפיק צריך לעלות עם הזמן (משיקולים של חיסכון אנרגטי; צפיפות האוויר יורדת משמעותית עם הגובה ואיתה הגרר האווירודינמי, על כן יש להשקיע את רוב הדחף באזור בו הגרר נמוך יותר). אחד החיבורים החשובים בו נעזרו מתכנני הטיל היה ספרו של אאורל סטודולה (Aurel Stodola) על טורבינות קיטור. עבודה חלוצית רבה בתחום נעשתה במכוני מחקר שונים בגרמניה. פרופסור שילר מלייפציג תרם רבות להבנה של תהליך הקירור הרגנרטיבי (Regenerative Cooling), ופרופסור קארל וגנר (אנ') מדרמשטט סיפק מודל מתמטי ופתרון מתמטי לתהליך הבעירה. מספר חוקרים נוספים בדרזדן תרמו רבות לביאור תהליכי האטומיזציה ולחקירה הניסויית של גזי הפליטה ונצילות הבעירה. במסגרת חקירות אלה הושג מספר רב של תוצאות תאורטיות - בין היתר הוגדר האורך האופייני  L^{*} של מנוע רקטי כ־ L^{*}=V_{c}/A_{t} (כאשר  V_{c} הוא הנפח התאורטי של תא הבעירה ו־ A_{t} הוא שטח החתך המינימלי של נחיר הפליטה). הפתרון המתמטי לתהליך הבעירה אפשר למשל לחשב את זמן ההישארות של אלמנט דלק בתא הבעירה, מה שאפשר לקבוע את הנפח התאורטי  V_{c} של תא הבעירה, בתוצאה שהפכה ליסודית מאז בתרמודינמיקה של מנועים רקטיים.
המנוע שפותח הכיל מספר חידושים טכנולוגיים שאפשרו לו להשיג דחף גבוה יותר. ראשית, לתא הבעירה ניתנה צורה קצרה ועגולה יותר, בשונה ממנועים רקטיים קודמים שתוכננו שהיו ארוכים וצרים יותר. תכנון קפדני של הגאומטריה של תאי בעירה הוא גורם חשוב ביעילות של מנועים רקטיים, שכן היציבות והעוצמה של בעירת הדלק בתא תלויה באופן חזק בצורה ובגודל של התא. שנית, תא הבעירה פוצל לשני חלקים, הראשון הוא תא מקדים (pre-chamber system) שמטרתו לערבב את הדלק והמחמצן טוב יותר לפני הכניסה לתא הבעירה הראשי. הדלק והמחמצן נשאבו בספיקה המתאימה לתא המקדים באמצעות משאבות־טורבו והוזרקו באמצעות מנגנון הזרקה (injector) חדש שהזריק את הדלק והמחמצן לתא המקדים בתבנית סיבובית מסוימת אשר גרמה להם לעבור תהליך אטומיזציה טוב יותר. בנוסף, לשינוי הזה בארכיטקטורה של המנוע היה היתרון הבסיסי שהוא הרחיק את הלהבות של תא הבעירה הראשי ממנגנון ההזרקה, ובכך מנע נזקים העלולים להיגרם לו. משאבות הטורבו העוצמתיות של הטיל סבבו בקצב של 5,000 סל"ד, ורק כך 9 הטונות של הדלק הרקטי יכלו להישאב לתא הבעירה במשך זמן של בערך דקה (כלומר ספיקה של 150 ק"ג בשנייה). פיתוח המשאבה העוצמתית הצריך תכנון דקדקני ביותר; רק מפעל אחד שנמצא ביינבאך (Jenbach) שבאוסטריה היה יכול לספק את המשאבה, וגם זאת באיחור רב.
חידוש משמעותי נוסף היה בנוגע לתכנון נחיר הפליטה במוצא תא הבעירה (הנחיר הרקטי, שנקרא גם נחיר דה־לאוול). מחקרים תאורטיים הראו שנחיר בצורת חרוט קצר עם זווית יוצרת (חצי זווית ראש) של 15 מעלות ובלחץ של 0.8 אטמוספירות ביציאה מביא לביצועים מיטביים של הטיל מבחינת משקל המנוע והזנב, מקדם הדחף והמתקף הכולל, גרר הבסיס ויכולת הניהוג הסילוני של מסטי הסילון.