מהדק נייר שאחראי לפיתוח הטילים הבליסטיים – ואיך הם קשורים לפולימרים? / עפר שורק

החברה הישראלית עברה "סדרת חינוך" איומה בכל הקשור לטילים בליסטיים עם המלחמה הנוכחית עם אירן ומבצע "עם כלביא" שקדם לה. עם כל אזעקה אנחנו חושבים על הטילים הבליסטיים – הנשק האוטונומי שטס הכי גבוה, הכי מהר והכי רחוק בעולם. לא פלא שאיראן נאבקת קשה כדי לשמר את היכולת הזו ולהמשיך להשליט טרור באזור.

אבל מה הקשר לפולימרים ופלסטיקה? כמו במקרים רבים בתעשייה הביטחונית – גם בטילים בליסטיים אין זכות קיום למרכיב ההתקפי בלי המרכיב הפולימרי.

ההיסטוריה של הטילים הבליסטיים

כשניחתו ראשוני טילי ה–V-2 על לונדון בשלהי 1944, הבריטים לא ידעו מה נפל עליהם – מילולית: טילים כה גדולים ורבי עוצמה נחשבו עד אז למדע בדיוני. המוח המבריק שמאחורי נשק הנקמה הנאצי היה "ילד פלא" בשם ורנר פון בראון, שבגיל 22 בלבד כבר נחשב למומחה הגדול בעולם להנעה רקטית בדלק נוזלי.

ורנר פון בראון היה דמות מרכזית ב"מבצע מהדק נייר" (Operation Paperclip) – תוכנית סודית אמריקאית לאחר מלחמת העולם השנייה שנועדה להעביר מדענים וטכנאים גרמנים (כולל נאצים לשעבר) לארה"ב כדי להשתמש בכישוריהם בפיתוח טכנולוגיות, במיוחד בתחום הטילים והחלל. הוא שיחק תפקיד מפתח בהקמת תוכנית החלל האמריקאית והיה ראש תוכנית אפולו שהנחיתה אדם על הירח. זאת למרות עברו הקשור בפיתוח טילים עבור גרמניה הנאצית והשימוש בכוח אדם כפוי.

כיצד הטילים הבליסטיים עפים?

בהשוואה להנעה רקטית בדלק נוזלי, הנעה רקטית בדלק מוצק פשוטה יותר, בטוחה יותר לאחסון, מוכנה לשימוש מיידי, ואידיאלית לטילים צבאיים. חומר הודף משמש כספק האנרגיה לכל מערכות הרקטות, הטילים והלוויינים ויכול להיות מוצק או נוזל. במערכות של רפאל למשל, הוא בדרך כלל מוצק ומורכב מהדלק ומהחומר המחמצן הדרוש לבעירת הדלק. חומרי הדלק העיקריים הם פולימרים מיוחדים כמו הפוליבוטדיאן, המשמשים גם לחיבור כל המרכיבים ויוצרים את מבנה החומר ההודף.

בערה זקוקה תמיד לחמצן, אך בהנעת טילים, רוב המנועים לא יכולים להשתמש בחמצן שבאוויר ולכן נדרשים לחומר מחמצן שתפקידו להעצים את הבערה ולשמרה לאורך זמן, ומהווה עד 80% ממשקל הדלק. החומר המחמצן הנפוץ ביותר בדלק טילים הוא אמוניום פרכלורט. שילוב של מרכיבי הפולימרים עם דלקים נוספים ועם אבקות המחמצן המוצק נותן תערובת היוצרת את הדחף למנועים בעת הבעירה.

בתכנון רקטות וטילים חשוב למתכנן לקבל מהמנוע דחפים בעוצמות משתנות במהלך המעוף. לדוגמה, תכנון מערכת “כיפת ברזל” מחייב בעת השיגור דחף חזק מאוד, ובהמשך המעוף דחף משתנה בהתאם לשלבי היירוט.

הפולימר שבתוך המנוע הרקטי

פוליבוטדיאן נוזלי, ובמיוחד פוליבוטדיאן בעל סופית הידרוקסיל (HTPB), הופיע בארה"ב בשנות ה-60, לאחר שפותח על ידי קרל קלגר, כימאי אוסטרי שהגיע לארה"ב יחד עם ורנר פון בראון ב-1948 במסגרת פרויקט 'מהדק נייר'. ה–HTPB הוא אחד החומרים היחידים שפותחו מראש כחומר מקשר לדלק מוצק וכאשר שילבו אותו עם איזוציאנטים התקבל חומר בעל תכונות רצויות רבות לתעשיית הטילים: יציבות הידרוליטית מעולה, תאימות עם מרככים מבוססי–שמן, הידבקות משופרת למצעים מאתגרים, תכונות מכאניות משופרות בטמפרטורות נמוכות, במיוחד שבירות רק מתחת למינוס 80 מעלות. תכונה זו במיוחד איפשרה למדענים להרחיב את טווח הטמפרטורות התפעוליות של מנועי רקטה, במיוחד לקרבות אוויר–אוויר.

מה מקנה לפוליבוטדיאן פונקציונליות רחבה?

מקורה של הפונקציונליות הרחבה של הפוליבוטדיאנים היא בקבוצות הידרוקסיל סופיות או קבוצות אפוקסי פנימיות וקבוצות הידרוקסיל סופיות. באמצעות תגובות עם קבוצות אלו, ניתן להשפיע על תכונות הפולימר הסופי ולהשיג נדיפות נמוכה, טמפרטורות מעבר זכוכיתי נמוכות, הידרופוביות גבוהה ועמידות למים, שיפור העמידות בהולם, בהידבקות ובגמישות.

ממשיכים בפיתוח ושיפור התכונות גם היום

תקציבי המחקר הביטחוניים שהושקעו בחמישים השנים האחרונות ברחבי העולם בטילאות בליסטית הופכים את ה–HTPB לאחד הפולימרים בעלי המבנה הכימי הנחקר ביותר, כולל המיקרו–מבנה והתגובתיות, כמו גם מאפייני הזדקנות של הרשתות הפוליאורטניות.

ולא בכדי. ניתן למצוא אותו במגוון רחב של טילים בתעשייה הביטחונית – החל מהתקנים קטנים כמו רקטות מיניאטוריות ועד מנועים רקטיים בקנה מידה גדול בקוטר של עד 236 ס"מ (Castor 120 מתוצרת נורת'רופ גרומן). זאת בזכות תכונותיו, יכולת הייצור והרבגוניות של חומרים הודפים המשלבים HTPB ומחמצן אמוניום פרכלורט.

שימושים נוספים ל-HTPB

את ה-HTPB ניתן למצוא גם בשכבות הבידוד בטיל המשמשות להגנה על מעטפות המתכת או החומרים המרוכבים מפני שחיקה של גזי פליטה בטמפרטורה גבוהה. בשילוב עם מלאנים עמידים בחום (למשל, סיליקה, סיבי פחמן), יריעת בידוד מבוסס HTPB יכולה לעמוד בטמפרטורות גז העולות על 3000 מעלות צלזיוס. גם יכולת ההידבקות הגבוהה שלו, היוצרת קשרים חזקים עם פלדות או חומרים מרוכבים, מונעת התפרקותם וקריטית לפעולת הרקטות. העמידות יוצאת הדופן שלו לכימיקלים ולקרינה הופכת אותו למתאים במיוחד להגנה חיצונית על לוויינים.

דבקים הנדסיים מבוססי פוליבוטדיאנים עוברים בהצלחה יתרה את בדיקות העמידות של חיל הים האמריקאי. לדוגמה, בבדיקות קשיות לאורך זמן המתבצעות ב-100 מעלות צלסיוס ולחות יחסית של 95%, פוליבוטדיאנים שומרים על תכונות אחידות, בזמן שפוליאורטנים המבוססים על פוליאולים אחרים חוזרים למצב נוזלי תחת תנאים אלו.

ה-HTPB יוצא גם לאזרחות

במשך השנים, הידע הנצבר בכל הקשור לכימיה של הפוליבוטדיאנים והתכונות הייחודיות שלהם יושם בהצלחה גם בשורה ארוכה של תהליכי ייצור אזרחיים ביישומי גומי סינתטי. ניתן גם לחזק פוליאוריטנים מבוססי פוליבוטדיאן עם פיח, כמו גם מגוון חומרי מילוי אחרים. הפיח מתפזר בקלות בפוליבוטאדיאנים נוזליים, ומאפשר עיבוד בעלויות מופחתות ליצרני מוצרי גומי.

ואם נחזור לטילים הבליסטיים, בישראל ובעולם מהללים את מערכות "כיפת ברזל" אשר נותנות מענה הגנתי נרחב לאיום זה, אולם חשוב לזכור שהרבה מכך הוא גם בזכות הפוליבוטדיאנים. פשוט "כיפת פוליבוטדיאן" הוא שם הרבה פחות קליט…