طرز کار راکت فضایی

مقدمه:
یكی از عجیب ترین كشفیات انسان دسترسی به فضا است كه پیچیدگی و مشكلات خاص خود را دارد. راه یابی به فضا پیچیده است، چرا كه باید با بسیاری از مشكلات روبرو شد. مثلا:
- وجود خلا در فضا
- مشكلات گرما و حرارت
- مشكل ورود مجدد به زمین
- مكانیك مدارها
- ذرات و باقی مانده های فضا
- تابش های كیهانی و خورشیدی
- طراحی امكانات برای ثابت نگه داشتن اشیا در بی وزنی

ولی بزرگترین مشكل ایجاد انرژی لازم برای بالا بردن فضاپیما از زمین است كه برای درك این موضوع باید به بررسی طرز كار موتورهای موشك پرداخت.

در یك دیدگاه ساده، می توان موتورهای موشك را به آسانی و با هزینه ای نسبتا كم طراحی كرد و حتی آن را به پرواز درآورد اما اگر بخواهیم مسئله را در سطح كلان بررسی كنیم با مشكلات و پیچیدگی های بسیاری مواجه هستیم و این موتورهای موشك (و به خصوص سیستم سوخت آن ها) آنقدر پیچیده است كه تا به حال تنها سه كشور توانسته اند با استفاده از این فناوری انسان را در مدار زمین قرار دهند.

در این مقاله ما موتورهای موشك های فضایی را مورد بررسی قرار می دهیم تا با طرز كار و پیچیدگی های آن ها آشنا شویم.

نكات پایه ای:

عموما وقتی كسی درباره موتورها فكر می كند، خود به خود مطالبی درباره چرخش برایش تداعی می شود.برای مثال حركت متناوب پیستون در موتور بنزینی كه انرژی چرخشی برای به حركت در آوردن چرخ ها را تولید می كند. و یا موتور الكتریكی كه با تولید میدان الكتریكی كه با تولید میدان مغناطیسی نیروی چرخشی برای پنكه یا سی دی رام تولید می كنند. موتور بخار هم به طور مشابه كار می كنند.

ولی موتور موشك از لحاظ ساختار متفاوت است. موتور موشك ها موتورهای واكنشی هستند.اساس كار موتور موشك برپایه ی قانون معروف نیوتون است كه می گوید: “برای هر كنش واكنشی وجود دارد به مقدار مساوی ولی درجهت مخالف آن”. موتور موشك نیز جرم را در یك جهت پرتاب می كند و از واكنش آن در جهت مخالف سود می برد.

البته تصور این اصل (پرتاب جرم و سود بردن از واكنش) ممكن است در ابتدا كمی عجیب به نظر بیاید، چرا كه در عمل بسیار متفاوت می نمایاند. انفجار، صدا و فشار چیزهایی است كه در ظاهر باعث حركت موشك می شود و نه “پرتاب جرم”.

بگذارید تا با بیان چند مثال تصویری بهتر از واقعیت را روشن كنم:

● اگر تا به حال با اسلحه ی(به خصوص سایز بزرگ آن) shotgun شلیك كرده باشید، متوجه می شوید كه ضربه ی بسیار قوی ای، با نیروی بسیار زیاد به شانه شما وارد می كند.

یك اسلحه مقدار ۱ انس فلز را به یك جهت و با سرعت ۷۰۰ مایل در ساعت شلیك می كند و در واكنش شما را به عقب حركت می دهد.

● اگر تا به حال شیر آتش نشانی را دیده باشید، متوجه می شوید كه برای نگه داشتن آن باید نیروی بسیار زیادی را صرف كنید (اگر دقت كرده باشید گاهی ۲ یا ۳ آتش نشان یك شیر را نگه می دارند) كه در این جا شیر آتش نشانی مثل موتور موشك عمل می كند.

شیر آتش نشانی، آب را در یك جهت پرتاب میكند و آتش نشان ها از نیرو و وزن خود استفاده می كنند تا در برابر واكنش آن مقاومت كنند. اگر آن ها اجازه بدهند تا شیر رها شود، شیر به این طرف و آن طرف پرتاب می شود.

حال اگر آتش نشان ها روی یك اسكیت برد ایستاده باشند شیر آتش فشانی آن ها را با سرعت زیادی به عقب می راند.

● اگر یك بادكنك را باد كنید و آن را رها كنید، بادكنك به پرواز در می آید، تا وقتی كه هوای داخل آن به طور كامل خالی شود. پس می توان گفت كه شما یكم موتور موشك ساخته اید. در این جا چیزی كه به بیرون پرتاب می شود مولكول های هوای درون بادكنك هستند.

بسیاری از مردم فكر می كنند كه مولكول های هوا اهمیتی ندارند، در حالی كه اینطور نیست. هنگامی كه شما به آن ها اجازه می دهید تا از دریچه بادكنك به بیرون پرتاب شوند، بر اثر واكنش به وجود آمده بادكنك به جهت مخالف پرتاب می شود.

در ادامه برای درك بهتر موضوع، به مثالی دقیق تر اشاره می كنم:

● سناریوی توپ بیسبال در فضا:

شرایط زیر را تصور كنید،

مثلا شما لباس فضانوردان را پوشیده اید و در فضا در كنار فضاپیما معلق مانده اید و چندین توپ بیسبال در دست دارید. حال اگر شما توپ بیسبال را پرتاب كنید، واكنش آن بدن شما را به جهت مخالف توپ حركت می دهد.

سرعت شما پس از پرتاب توپ به وزن توپ و شتاب وارده بستگی دارد. همانطور كه می دانیم حاصلضرب جرم در شتاب برابر نیرو است، یعنی:

F=m.a

همچنین میدانیم كه هر نیرویی كه شما به توپ وارد كنید، توپ نیز نیرویی مساوی ولی در جهت مخالف به بدن شما وارد میكند كه همان واكنش است. پس می توان گفت:

m.a=m.a

حال فرض می كنیم كه توپ بیسبال ۱ كیلو گرم وزن داشته باشد و وزن شما و لباس فضایی هم ۱۰۰ كیلوگرم باشد. پس با این حساب اگر شما توپ بیسبال را با سرعت ۲۱ متر در ساعت پرتاب كنید. یعنی شما با دست خود به یك توپ بیسبال ۱ كیلو گرمی، شتابی وارد كرده اید كه سرعت ۲۱ متر در ساعت گرفته است. واكنش آن روی بدن شما تاثیر می گذارد، ولی وزن بدن شما ۱۰۰ برابر توپ بیسبال است. پس بدن شما با ۱۰۰/۱ سرعت توپ بیسبال (یا ۰.۲۱ متر بر ساعت) به عقب حركت می كند.

حال اگر شما می خواهید از توپ بیسبال خود قدرت بیش تری بگیرید، شما دو انتخاب دارید: افزایش جرم یا افزایش شتاب وارده

شما می توانید یا یك توپ سنگین تر پرتاب كنید و یا اینكه شما می توانید توپ بیسبال را سریع تر پرتاب كنید (شتاب آن را افزایش دهید)، و این دو تنها كارهایی است كه می توانید انجام دهید.

یك موتور موشك نیز به طور كلی جرم را در قالب گازهای پرفشار پرتاب می كند؛ موتور گاز را در یك جهت به بیرون پرتاب می كند تا از واكنش آن در جهت مخالف سود ببرد. این جرم از مقدار سوختی كه در موتور موشك می سوزد بدست می آید.

عملیات سوختن به سوخت شتاب می دهد تا از دهانه خروجی موشك با سرعت زیاد بیرون بیاید.

وقتی سوخت جامد یا مایع می سوزد و به گاز تبدیل می شود، جرم آن تغییر نمی كند بلكه تغییر در حجم آن است. یعنی اگر شما مقدار یك كیلو سوخت مایع موشك را بسوزانید مقدار یك كیلو جرم با حجمی بیشتر، از دهانه خروجی موشك با دمای بالا و سرعت زیاد خارج می شود. عملیات سوختن، جرم را شتاب می دهد.
بیایید تا بیش تر درباره ی نیروی پرتاب بدانیم:

نیروی پرتاب:

قدرت موتور یك موشك را نیروی پرتاب آن می گویند. نیروی پرتاب در آمریكا به صورت
(پوند) ponds of thrust
و در سیستم متریك با واحد نیوتون شناخته شده است (هر ۴.۴۵ نیوتون نیروی پرتاب برابر است با ۱ پوند نیروی پرتاب).

هر یك پوند نیروی پرتاب (۴.۴۵ نیوتون) مقدار نیروی است كه می تواند یك شی ۱ پوندی (۴۵۳.۵۹ گرم) را در حالت ساكن مخالف نیروی جاذبه زمین نگه دارد.

بنابر این در روی زمین شتاب جاذبه ۲۱ متر در ساعت در ثانیه (۳۲ فوت در ثانیه در ثانیه) است.