rocket_theory

مقدمه

يكي از ديرينه‌ترين آرزوهاي بشر در طول زمان سفر به فضا بوده است. البته سالها اين مووع آرزويي دست نيافتني و افسانه‌اي فرض مي‌شده است تا اينكه بالأخره اين انسان معجزه‌گر به نيروي عقل و خرد و خلاقيت خويش توانست به كره‌ي ماه گام نهد و اين آرزوي ديرين خود را به عمل تبديل كند.

قدرتي كه اينبار به ياري بشر آمد تا با آن فضا را فتح كند، تكنولوژي توليد پيش‌رانش بوسيله موتور راكت بود. اولين بار موتور راكت توسط آلماني‌ها براي پرتاب بمبها به سوي دشمن در جنگ جهاني دوم بكار گرفته شد. اين موتورها با سوخت جامد كار مي‌كردند كه امروزه نيز با گذشت چندين دهه باز هم مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

به هرحال ساختن يك موتور، بدون هيچ عضو دواري كه در وسايل نقليه موجود مورد استفاده‌اند، به گونه‌اي كه قادر باشد با سرعتي بسيار بالا از كمند جاذبه زمين گريخته و به ديگر نقاط فضا برود آنچنان ساده و معمولي نيست و داراي پيچيدگي‌هاي خاص خود مي‌باشد كه بحث درباره‌ي هر جزء آن و نوشتن از هر كدام، مطالعات زيادي را مي‌طلبد. ولي در اين مقاله ما بيشتر به كليات و معرفي نحوه عملكرد موتور راكت به صورت تئوري مي‌پردازيم كه اميد است مورد استفاده قرار گيرد.



چكيده

فنون پرتاب راكت جهت بررسي و آشنايي كامل با آن ساليان زيادي مطالعه و پرداختن به مباحث زيادي را مي‌طلبد كه ما در اين مقاله سعي به پرداختن به همه‌ي جزئيات آن را نداريم.

اين مقاله در برگيرنده توابع اوليه و اصلي مطالعه‌ي تئوري راكت با آدرس‌دهي قوانين فيزيكي حاكم بر حركت و پيش‌رانش، پارامترهاي مهم اجرا و عملكرد در راكت، تكنيك‌هاي مختلف پيش‌رانش در راكت، و انواع سوخت و پيش‌رانهاي مورد استفاده در راكت مي‌باشد.

همچنين در اين مقاله به نحوه بهبود عملكرد راكت و خنك سازي قطعات آن و چند مورد ديگر نيز به صورت مختصر مي‌پردازيم. در نهايت اندكي هم درباره‌ي سيستم‌هاي جديد پيش‌رانش در راكت‌ها به عنوان مثال راكت‌هاي الكتروستاتيكي نيز مي‌پردازيم.



مختصري درباره‌ي پيش‌رانش

راكت‌ها نيز همانند ساير انواع پيش‌رانهاي ديگر هستند كه مطابق قانون سوم نيوتن با تبادل ممنتم توسط تعدادي جرم عكس‌العملي و با مصرف انرژي توليد نيروي پرتاب و حركت به جلو مي‌كنند.

ولي راكت‌ها از آن نظر كه جرم عكس‌العملي مورد نياز خود را با خود حمل مي‌كنند با ساير انواع وسايل نقليه متفاوتند. بنابراين بي‌نياز به محيط اطراف بوده و مستقل از آن عمل مي‌كنند. (Self contained)

ساير انواع وسايل نقليه جهت تأمين جرم عكس‌العملي به محيط اطراف خود نيازمندند. اتومبيل‌ها از زمين استفاده مي‌كنند و هواپيماها و قايق‌ها از آب و قايق‌هاي بادباني از باد. راكتهايي كه اغلب با آنها آشنايي داريم، راكتهاي شيميايي هستند كه جرم عكس‌العملي آنها مخلوط سوخت و اكسيژن مي‌باشد. در راكتهاي شيميايي، جرم عكس‌العملي همان منبع انرژي نيز هست. راكتهاي شيميايي معمل، آن دسته از موتورهاي احتراق داخلي هستند كه مخلوط سوخت و اكسيژن را در يك محفظه احتراق سوزانده و گاز توليدي با گرما و فشار زياد را به سوي يك نازل شتاب مي‌دهند. ولي در راكتهاي الكتريكي و هسته‌اي كه در ادامه درباره آن صحبت خواهد شد، پيش‌ران (جرم عكس‌العملي) اساساً جرمي راكد و فاقد نيروي جنبش مي‌باشد كه توسط موتور به آن حرارت و شتاب داده مي‌شود و سوخت و پيشران جداي از هم عمل مي‌كنند.

همانند ساير وسايل نقليه، راكتها شامل يك سري اجزاء اساسي مشابهي مانند يك ساختمان كه در آن يك سري تيرهاي حمال (framework) تعبيه شده است و ساير اجزاء را در خود جاي داده و محافظت مي‌كند، سيستم رانش كه نيروي لازم را جهت حركت وسيله نقليه فراهم مي‌كند، منبع انرژي تهيه توان لازم براي نيرو بخشيدن به سيستم نقليه، سيستم راهبري جهت كنترل جهت، و در نهايت و مهمتر از همه «در حقيقت دليل اصلي داشتن سيستم حمل و نقل» بار مفيد؛ مي‌باشند. (نمونه‌هايي از بار مفيد از قرار زير مي‌باشد:

مسافران، اسباب و ادوات يا منابع علمي و وسايل مورد نياز در سفر؛ وقتي كه يك راكت به عنوان جنگ‌افزار جهت تخريب هدف مورد استفاده قرار مي‌گيرد و ما آن را موشك مي‌ناميم بار مفيد آن كلاهك مي‌باشد.)
فيزيك راكت

همان طور كه مي‌دانيد آقاي اسحاق نيوتن، قوانين اصلي حركت را ثبت كرده است كه اين قوانين وسيله‌اي است كه ما آناليز قوانين حركت راكتها را با آن انجام مي‌دهيم.

اين قوانين براي آناليز اوليه حركت همه وسايل نقليه با محرك راكت اعمال مي‌شوند. بر جت‌هاي گازي كه براي كنترل وضعيت بكار مي‌روند، راكتهاي كوچك كه براي مراحل مختلف جدايي موشك بكار مي‌روند، براي تصحيحات حفظ مسير گلوله‌ها و براي راكتهاي بزرگ كه جهت حمل ماهواره به مدار زمين استفاده مي‌شوند و ...

قانون اول نيوتن: (اينرسي)

هر شيئي تمايل به ادامه حركت يكنواخت خود در خط راست دارد. مگر اينكه توسط اعمال يك نيرو مجبور به تغيير وضعيت شود.



قانون دوم نيوتن: (ممنتم)

وقتي كه يك نيرو به جسمي وارد مي‌شود، تغييرات زماني ممنتم، هم جهت با نيروي اعمال شده مي‌باشد.

قانون سوم نيوتن: (عمل و عكس‌العمل)

براي هر عملي عكس‌العملي برابر او نظر بزرگي و مخالف از جهت مي‌باشد.

با تحليل كردن اين سه قانون در تئوري راكتها مي‌توان نحوه رانش آن را تفسير و ساده سازي كرد:

براي مثال قانون اول ميگويد كه موتورهاي بايد نيروي تراست «پرتاب» كافي براي غلبه بر نيروي جاذبه زمين و راكت پرتاب شده را ايجاد كنند. موتورها بايد قادر باشند كه حركت وسيله نقليه را آغاز نموده و براي رسيدن به سرعت مطلوب، شتاب لازم را به آن بدهند. به گفته ديگر پرتاب راكت موتورها بايد پوندتراست (pounds of Thrust) بيشتري نسبت به وزن آن ايجاد كنند. (درباره نيروي تراست در آينده صحبت خواهد شد.)

هنگام اعمال قانون دوم نيوتن بايد مجموع كل نيروهاي اعمال شده بر بدنه‌ي راكت را در نظر بگيريم. كه نيروي شتاب نهايي حاصل از نيروي اعمال شده خالص روي راكت مي‌باشد. اين به آن معني است كه اگر ما يك راكت به وزن ۲۰۰۰۰۰۰lbf را به طور عمودي از زمين پرتاب كنيم و موتور آن داراي نيروي Thrust ۲۵۰۰۰۰lbf باشد، نيروي خالص پرتاب برابر با ۵۰۰۰۰lbf است كه اختلاف بين نيروي Thrust موتور و وزن راكت مي باشد.در اينجا نيروي گرانش برخلاف جهت نيروي تراست عمل مي‌كند. در هنگام بكار انداختن راكت تا رسيدن به مقصد، نيروهاي اعمال شده بر راكت متغيير مي‌باشد. نيروي گرانش در حال كاهش مي‌باشد چرا كه جرم راكت به دليل مصرف سوخت در حال كاهش مي‌باشد و همچنين نيروي گرانش نيز با ارتفاع كاهش مي‌يابد. هنگامي كه راكت از ميان جو عبور مي‌كند نيروي drug به دليل كاهش سرعت افزايش يافته و با افزايش ارتفاع به دليل كاهش دانيسته كاهش مي‌يابد.( در مدتي كه تراست باقي مانده ثابت باشد، پروفيل شتاب با تغيير نيروهاي وارد بر راكت تغيير مي‌كند. در نمودار ترم (Max Q) به بالاترين فشار سازنده ناشي از drag حاصل از اتمسفر اشاره دارد.) تأثير غالب در نهايت به اين ترتيب مي‌باشد كه شتاب برحسب يك نرخ افزايش، افزايش مي‌يابد، جرم راكت در حال افزايش مي‌باشد. شكل زير، پروفيل كلي شتاب و سرعت را هنگام پرتاب نمايش مي‌دهد.

پايين بودن شتاب و سرعت هنگام پرتاب ناشي از نيروي خالص پايين و جرم بالاي راكت در اين زمان مي‌باشد. هنگامي كه سوخت توسط موتور سوزانده مي‌شود، شتاب و سرعت هر دو افزايش پيدا مي‌كنند. (كاهش جرم راكت و افزايش نيروي خالص) در اولين مرحله پاياني خرج شتاب افت شديدي پيدا مي‌كند كه در اين نقطه شتاب تنها ناشي از محيط و گرانش و دراگ مي‌باشد و بطور كلي برخلاف جهت حركت هست. در مرحله دوم احتراق، شتاب و سرعت افزايش دوباره پيدا مي‌كند. از آنجا كه افزايش، در سرعت و شتاب بسيار بالايي اتفاق مي‌افتد، در مرحله فوق موتور يا موتورهاي راكت سوخت بيشتري مي‌سوزانند.

هنگامي كه راكت به سرعت مورد نظر (از نظر جهت و مقدار) مي‌رسد و همچنين به ارتفاع مورد نظر در مأموريت، اعمال نيروي تراست به پايان مي‌رسد. در اين حالت شتاب افت پيدا مي‌كند و نيروي خالص وارد بر موشك ناشي از محيط و بيشتر وزن آن مي‌باشد. پس از پايان تراست و يا خرج موشك راكت شروع به پرواز آزاد مي‌نمايد. براي يك راكت داراي سه تا چهار مرحله تغييرات مشابهي و شتاب و سرعت در هر مرحله ظاهر مي‌شود. در هنگام رخ دادن هر مرحله سرعت افزايش پيدا مي‌كند تا اين كه به ماكزيمم مورد نياز براي مأموريت فضايي برسد.

هنگامي كه راكت در يك مدار قرار گرفت گفته مي‌شود كه در شرايط بي‌وزني قرار دارد. در حققت نيروي وزن برداشته نشده است و راكت بطور دائم در حال سقوط آزاد مي‌باشد و همواره به طرف زمين شتاب‌دهي مي‌شود ولي از آنجا كه شتاب هنوز هم وابسته به مجموع نيروهاي اعمال شده بر راكت (نيروي خالص) مي‌باشد. جهت حفظ موقعيت در يك مدار خاص بايد با نيروي گرانش مقابله شود. اما در حال سقوط آزاد ما نيازي به مقابله مداوم با نيروي گرانش نداريم و نيروي ممنتم راكت اين وظيفه را برعهده دارد. چرا كه در آن وضعيت مطابق قانون اول نيوتن راكت مايل به حفظ حركت خود مي‌باشد و هيچ نيرويي جهت تغيير اين وضعيت در آن نقطه موجود نيست و راكت به مسير خود در يك مدار ادامه مي‌دهد(هنگامي كه مدار حركت راكت سطح زمين را قطع نمي‌كند گفته مي‌شود كه نيروي گرانش با نيروهاي داخلي متوازن شده است.)

براي بيان قانون سوم نيوتن براي راكت بايد اتفاقاتي كه در موتور راكت مي‌افتد را در نظر گرفت. همه‌ي راكتها نيرويThrust را با پرتاب ذره‌هايي به بيرون توليد مي‌كنند كه اين ذره‌ها با سرعت زياد از نازل‌هاي آنها خارج مي‌شوند. اثر تخليه گاز خروجي بصورت يك نيروي عكس العملي ظاهر مي شود كه Thrust ناميده مي شود و در جهت خلاف جهت گازها از خروجي راكت عمل مي‌كند. راكت با اين ذرات تبادل ممنتم كرده و توليد پيش‌رانش مي‌كند.

اين قانون سوم نيوتن است كه اساس كار همه سيستم‌هاي رانش را شرح مي‌دهد.بطور اساسي موتور راكت وسيله‌اي است جهت خروج ذرات كوچك ماده با سرعت بالا براي توليد نيروي تراست به وسيله‌ي مبادله ممنتم. هنگامي كه از مواد مايع و جامد شيميايي به عنوان سوخت استفاده مي‌شود، ذرات خروجي از مولكول‌هاي گاز تشكيل شده‌اند.

علوم پيشرفته جديد در حال بحث‌هاي تجربي و تئوري بر روي موتورهايي مي‌باشند كه از يون‌هاي (ذرات اتم شكسته شده)، ذرات هسته‌اي و حتي دسته كردن اشعه الكتروني (فتون‌ها) به عنوان پيشران يا جرم عكس‌العملي استفاده مي‌كنند.

براي يك پيشران دو بخش لازم مي‌باشد: ماده و انرژي. ماده همان جرم عكس‌العملي مي‌باشد كه منبع تبادل ممنتم است وقتي كه راكت اين جرم را با مصرف انرژي و با سرعت زياد به بيرون پرتاب مي‌كند، راكت و سوختهاي باقيمانده يك افزايش نيروي ممنتم در خلاف جهت پرتاب ذره‌ها دريافت كرده و به جلو رانده مي‌شوند.
پارامترهاي مؤثر در عملكرد راكت

تعدادي از پارامترهاي مهم و مؤثر بر عملكرد راكت وجود دارند كه وقتي همه‌ي آنها را با هم در نظر بگيريم تمام عملكرد راكت را شرح مي‌دهند:

1ـ نيروي تراست (Thrust)

2ـ ضربه مخصوص (Specific Impulse)

3ـ نسبت جرم (Mass Ratio)

تراست (Thrust)

تراست در حقيقت ميزان نيرويي است كه راكت توليد مي‌كند. ميزان تراست در امتداد جرم راكت شتاب را تعيين مي‌كند. نوع مأموريت ميزان تراست و شتاب مورد نياز و قابل قبول را معين مي‌كند به عنوان نمونه پرتاب از زمين براي يك نسبت وزن خالص مثلاً ۱.۵ تا ۱.۷ نيازمند به يك نيروي تراست خاص مي‌باشد كه بايد محاسبه گردد. به محض اين كه راكت در مدار قرار گرفت و ممنتم حركت، نيروي گرانش را متعادل كرد. يك نيروي تراست بسيار كوچك‌تر براي مانورهاي بعدي كافي مي‌باشد.



ضربه مخصوص (Isp):

ضربه مخصوص بيانگر ميزان بازدهي سوخت مي‌باشد. بصورت رياضي، ضربه مخصوص بصورت نيروي تراست توليد شده بر وزن سوخت مصرفي در هر ثانيه تعريف مي‌شود بنابراين Isp در حقيقت روش اندازه‌گيري ديگري براي سرعت خروجي راكت مي‌باشد.ضربه مخصوص روش معمول سنجش سوخت و پيش‌رانش و عملكرد سيستم و تا اندازه‌اي مشابه معكوس سوخت ويژه در اتومبيل‌ها و هواپيماهاي معمولي مي‌باشد. ضربه ويژه بيشتر عملكرد راكت را بهتر مي‌كند.

ضربه ويژه را مي‌توان با استفاده از بهينه از انرژي سوخت‌ها بهبود بخشيد كه اين به اين معني است كه نيروي تراست بيشتري به ازاي هر پوند سوخت مصرف شده به دست آيد.

ما مي‌توانيم ضربه ويژه را بصورت ميزان تراستي كه هر پوند سوخت در هر ثانيه توليد مي‌كند نيز تصور كنيم.

نسبت جرم (MR)

از آنجا كه موتور راكت بطور مداوم سوخت‌ها را مصرف مي‌كند جرم آن با گذشت زمان كاهش مي‌يابد. پس اگر نيروي تراست ثابت بماند، شتاب راكت افزايش مي‌يابد تا كه به بالاترين مقدار خود در مرحله ي Cut Off موتور برسد. (مرحله‌اي كه يك موتور به كار خود پايان داده و از راكت جدا و منفجر شده و موتور بعدي شروع بكار مي‌كند).

هدف از راكت، قرار دادن يك بار مفيد در يك مكان مخصوص با سرعتي خاص مي‌باشد كه اين مكان و سعت مورد نظر وابسته به مأموريت آن است. ما مي‌توانيم انرژي‌هاي مورد نياز براي اين مأموريت را با تغيير سرعت (rV) كه راكت استفاده مي‌كند معادل‌گيري كنيم. براي يك راكت (rV) ايده‌آل مورد استفاده وابسته به Isp (سرعت خروجيVe ) و نسبت جرم مي‌باشد.

. هر چه راكت قادر باشد كه نسبت به «نسبت وزن خشك» خود (وزن بدون سوخت داخلي) سوخت بيشتري حمل كند در نهايت به سرعت بيشتري دسترسي پيدا خواهد كرد. نسبت جرم بيان كننده رابطه جرم سوخت با جرم راكت بدون سوخت مي‌باشد و ميزان بيشتر نسبت جرم ميزان بيشتر عمق راكت را نتيجه مي‌دهد.

افزايش وزن بار مفيد راكت كاهش نسبت جرم و بنابراين پايين آمدن ماكزيمم ارتفاع و شعاع عملياتي را به همراه دارد. براي مثال: افزايش يك پوند بار مفيد، بالاترين ارتفاع اندازه‌گيري شده راكت را ممكن است به اندازه 10000 feet كاهش دهد.


فنون پيش‌رانش

در نتيجه‌ي آنچه در مورد پارامترهاي عملكرد راكت گفته شد، ديديم كه ما علاقمنديم كه نيروي تراست را به ميزان كارآمدي ممكن ايجاد كنيم. براي ايجاد نيروي تراست نيازمند به مبادله ممنتم با مقداري ماده پيش‌ران (جرم عكس‌العملي) هستيم. هر راهي كه ما بتوانيم اين كار را به نحو مناسب انجام دهيم مي‌توانيم به عنوان فن پيش‌رانش انتخاب كنيم. ما مي‌خواهيم كه گزينه‌اي را انتخاب كنيم كه مجموع هزينه مأموريت را كاهش دهد در حالي كه همچنان مأموريت با موفقت انجام شود.

ما بيشتر با سيستم راكتهاي شيميايي آشنايي داريم. اگرچه راههاي ديگري نيز جهت توليد نيروي پيش‌رانش براي راكتها وجود دارد. دو راه اصلي جهت توليد پيش‌رانش و شتاب دادن به ماده پيش‌ران وجود دارد كه از قرار زير مي‌باشند:

1ـ انبساط ترموديناميكي

2ـ شتاب‌دهي الكتروستاتيكي الكترومغناطيسي

روش‌هاي تأمين انرژي گرمايي براي انبساط ترموديناميكي يا توليد الكتريسيته براي شتاب‌دهي الكتريكي مي‌تواند از راههاي شيميايي، هسته‌اي يا منابع خورشيدي باشد.



1) انبساط ترموديناميكي:

انبساط ترموديناميكي مكانيزمي است كه ما با آن مأنوس‌تر هستيم. همه‌ي سيستم‌هاي شيميايي ما اين روش را براي شتاب‌دهي پيش‌ران بكار مي‌برند. اگر چه ما مي‌توانيم از انرژي هسته‌اي يا الكتريكي نيز براي گرم كردن پيش‌ران استفاده كنيم.

در روش انبساط ترموديناميكي ما سوخت را گرم مي‌كنيم تا به گازي با دما و فشار بالا تبديل شود. سپس اجازه مي‌دهيم كه گاز در يك مسير كنترل شده انبساط پيدا كند تا انرژي پتانسيل گرمايي آن به انرژي جنبشي مورد نياز كه نيروي تراست را توليد مي‌كند تبديل شود. ساختمان اساسي كه جهت ايجاد اين مقدار گاز و مهار انرژي گرمايي آن بكار گرفته شده است بسيار ساده و اغلب داراي هيچ قسمت متحركي نيست.

موتور راكتي كه از انبساط ترموديناميكي استفاده مي‌كند، يك اختلاف فشار بين محفظه احتراق و محيط اطراف بجود مي‌آورد و همين اختلاف فشار هست كه به گاز فشار لازم را مي‌دهد. يك موتور راكت معمولاً در يك فشار بالاي محفظه كار مي‌كند كه ديناميت‌هاي گاز آن را شرايط آماده به انفجار مي‌نامند كه اين فشار به محيط تخليه مي‌شود. مهندس سوئدي Carl G.P Delray نشان داد كه براي فشار در شرايط آماده به انفجار براي تغيير بهينه اين مقدار انرژي گرمايي براي گازها به انرژي شيميايي، گازها بايد از ميان يك نازل كه آنها را به طرف يك گلوگاه همگرا مي‌كند (مقطعي داراي كمترين سطح مقطع) و سپس آنها را به سمت بيرون واگرا مي كند عبور داده شوند.

نازل:

نازل‌ها انواع زيادي دارند كه در شكل زير چهار نمونه از آن رسم شده است.





نازل‌هاي مخروطي ساده‌ترين و آسان‌ترين نوع از لحاظ ساخت و آماده سازي جهت اجرا براي اغلب كاربردها هستند، اگر چه اين نازل‌ها مؤلفه سرعت شعاعي گازهاي خروجي را مورد استفاده قرار نداده و باعث كاهش بازده مي‌شوند. در حقيقت در اين نازل‌ها مؤلفه شعاعي سرعت حذف شده و در توليد تراست كل شركت نمي‌كند، بنابراين انرژي كه صرف توليد سرعت شعاعي مي‌شود، بيهوده تلف مي‌شود.

نازل‌هاي فرم داده شده يا زنگوله‌اي شكل انبساط اوليه‌اي سريعتر از نوع قبل توليد مي‌كنند و دوباره در نزديكي خروجه به صورت موازي در مي‌‌آورند و به صورت محوري به بيرون هدايت مي‌كنند.

نازل‌ نوع پلاگ (توپي، درپونسي) و نوع انبساط ( انحرافي، پيچشي) كوتاه‌تر از دو نوع قبل با نسبت انبساط مشابه هستند. اين نازل‌ها داراي يك جرم مركزي و يك محفظه‌ حلقوي هستند.

توپي مسير جريان گازها را در گلوگاه در حال انبساط از شعاعي به محوري تغيير مي‌دهد. يك تفاوت نازل‌هاي داراي توپي استفاده از محفظه‌هاي احتراق شعاعي كمكي دور خروجي محفظه‌ احتراق اصلي مي‌باشد. دودهاي خروجي حاصل از محفظه‌هاي كمكي منبسط مي‌شوند تا شكل‌ دهنده يك نازل را براي گازهاي خروجي از موتور.

انبساط بالا و انبساط پايين تا حد زيادي توسط كم يا زياد كردن تراست محفظه‌هاي احتراق جانبي قابل تنظيم مي‌باشد.

در ادامه به معرفي چند نوع راكت با سيستم انبساط ترموديناميكي مي‌پردازيم


راكت‌هاي شيميايي

راكت‌هاي شيميايي از اينكه انرژي مورد نياز جهت شتاب دادن به پيشران توسط خود پيشران كه سوخت مي‌باشد بوجود مي‌آيد انرژي جنبشي قابل وصول در واحد جرم سوخت با انرژي آزاد شده در واكنش شيميايي محدود مي‌شود. دست‌يابي به سرعت خروجي بالا نيازمند به استفاده از احتراق سوخت با انرژي بالاست كه ملكولهايي با وزن خروجي توليد شده كمتر را نتيجه مي‌دهد.به طور معمول در راكت‌هاي شيميايي، يك سوخت داراي بهترين احتراق، انرژي بالا و وزن ملكولي پايين به نظر مي رسد كه قادر به توليد ضربه ويژه بين ۵۰۰ تا ۴۰۰ ثانيه با سرعت خروجي بين ۱۳۰۰۰۰ ft/sec تا ۱۴۰۰۰ ft/sec باشد.

راكت‌هاي شيميايي ممكن است از سوخت مايع يا جامد يا در طرح‌هاي مشابه از تركيبي از هر دو استفاده كنند. راكت‌هاي با سوخت مايع ممكن است از يك يا دو يا بيشتر نوع سوخت بطور همزمان استفاده كنند. كه نوعي را كه از دو سوخت استفاده مي‌كنند را بي‌پروپلنت مي‌نامند. بي‌پروپلنت‌ها تركيبي از يك نوع سوخت (نفت سفيد ـ الكل ـ هيدروژن) و يك اكسيد كننده مي‌باشند. (اكسيژن، اسيد نيتريك، فلور). مايع‌ها در مخازن نگهداري مي‌شوند و محفظه‌هاي احتراق را تغذيه مي‌كنند. جايي كه واكنش انجام شده و سپس محصولات آن به سوي يك نازل منبسط مي‌شوند.

در مقابل سوخت‌هاي جامد به معني تركيبي از همه‌ي مواد لازم جهت واكنش هستند. دانه‌هاي دست نخورده سوخت جامد كه گرين ناميده مي‌شوند در درون محفظه احتراق انبار مي‌شوند و احتراق از سطح آنها شروع مي‌شود.

احتراق سريع تركيبات، محصولات شيميايي با انرژي و حرارت بالايي را توليد مي‌كنند. در راكت‌هاي شيميايي معمولي، درجه حرارت گازهاي حاصل ممكن است به بالاتر از ۵۵۰۰ درجه فارنهايت برسد.

براي سيستم‌هاي شيميايي بطور كلي سوخت مايع توليد ضربه ويژه بالاتري نسبت به سوخت جامد مي‌نمايد. هيدروژن و اكسيژن مايع به عنوان سوخت‌هاي انرژي بالا شناخته مي‌شوند زيرا انرژي آزاد شده‌ي زيادي را در طول فرآيند احتراق به همراه دارند و همچنين بخاطر انتقال انرژي گرمايي بالا از جريان خروجي آنها.

ضربه ويژه كلي راكت از نيروي تراست و مدت احتراق مؤثر آن نتيجه مي‌شود. يك نمونه نوعي راكت كوچك پرتاب شده ممكن است بطور ميانگين تراستي معادل 660 pound براي مدت استمرار 20 ثانيه داشته باشند كه ضربه كل معادل ۱۳۲ را نتيجه مي دهد.

راكت‌هاي هسته‌اي

راكت‌هاي هسته‌اي هدفي است براي افزايش ضربه ويژه با استفاده از واكنش هسته‌اي جهت جايگزيني با واكنش شيميايي به عنوان منبع انرژي. واكنش دهنده هسته‌اي انرژي گرمايي را توليد كرده و پيشران را گرم مي‌كند و سپس پيشران با دماي بالا از يك نازل معمولي عبورداده شده و انبساط مي‌يابد.

در مقايسه با راكتهاي شيميايي، راكتهاي هسته‌اي داراي بعضي مزايا هستند:

انرژي رها شده در واكنش‌هاي هسته‌اي بسيار بزرگتر از انرژي واكنش‌هاي شيميايي هست (چندين ميليون برابر)، و از آنجا كه منبع انرژي مجزا از پيشران مي‌باشد جهت انتخاب ماده پيشران وعت عمل بيشتري داريم.

به اين ترتيب هيدروژن مي‌تواند يك عامل محرك خوب باشد. زيرا كمترين وزن اتمي را دارا بوده و بزرگترين سرعت خروجي را براي يك فشار و دماي محفظه‌ي داده شده دارد. ممكن است اين گونه تصور كنيم كه انرژي فراوان موجود در راكتهاي هسته‌اي به اين معني است كه مي‌توانيم دماي بالاي محفظه را بطور نامحدود بكار گيريم ولي از آنجا كه گرما از يك رآكتور جامد به پيشران منتقل مي‌شود اين مسأله هنوز قطعي نيست.

اجزاء ساختماني درون راكتهاي هسته‌اي نامشابه با همان اجزاء در راكتهاي شيميايي مي‌باشد. (زيرا لازم است كه از پيشران گرم‌تر باشد) و درجه حرارت نمي‌تواند از يك دماي محدود ساختماني يا مصالح مورد استفاده در رآكتور تجاوز كند. به همين دليل داده‌هاي قابل دسترسي در راكتهاي هسته‌اي به ميزان قابل توجهي زير دماهايي است كه در بعضي راكتهاي شيميايي به دست مي‌آيد. اما استفاده از هيدروژن به عنوان پيشران بهتر از وجود اين درجه حرارت اضافي است. با توجه به تمايلي كه به افزايش ضربه ويژه داريم افزايش در كارآيي راكتهاي هسته‌اي به طور كلي ناشي از استفاده از پيشران با جرم اتمي كم است.

راكتهاي شكافت ـ هسته‌اي تقريباً دو برابر ضربه ويژه بهترين راكتهاي شيميايي را توليد مي‌كنند. (حدود 1000 ـ 800 ثانيه) در حالي كه نيروي تراست بالايي را براي يك دوره زماني طولاني ارائه مي‌دهند.

يك روش اصلاح تئوري اين است كه از رآكتور چگالي بالا كه ازنوترون‌هاي سريع استفاده مي‌نمايند استفاده شود. از اين گونه رآكتورها انتظار مي‌رود كه ميزان كارايي بيشتري را در مجموعه‌اي كوچكتر از راكتهاي گرمايي يا كم‌ سرعت‌تر توليد كنند.

اصلاح ديگر استفاده از رآكتور با هسته گازي مي‌باشد كه در جهت حرارت عملياتي در آن مي‌تواند خيلي بالاتر باشد. اين افزايش بخاطر حذف هسته جامد عناصر سوخت كه در رآكتورهاي سريع يا كم سرعت استفاده مي‌شود باشد. كه اين عناصر جامد داراي تحمل درجه حرارت محدود مي‌باشند.

در موتورهاي هسته‌اي، ضربه ويژه در حدود 850 ثانيه بدست آمده است در حالي كه بهترين موتورهاي احتراق اكسيژن مايع / هيدروژن مايع تنها به 755 ثانيه در فضاي تهي نزديك شده اند.

رآكتورهاي هسته‌اي نه تنها گران هستند بلكه هنگام عمل ميزان زيادي پرتو افشاني مي‌كنند كه اين پرتوها به دليل خطرات فراوان باعث ممنوع شدن اين روش جهت پرتاب راكت شده است.


راكت‌هاي الكتروترمال

روش ديگر استفاده از انبساط ترموديناميكي arcjet مي باشد.arcjet

يك نوع راكت الكتروترمال مي‌باشد، زيرا انرژي الكتريكي را جهت گرم كردن پيشران مورد استفاده قرار مي‌دهد. در اين روش كمان‌هايي حلقوي در محفظه قرار داده شده‌اند و پيشران تا درجه حرارت بالا گرم مي‌شود. بعد از گرمايش، پيشران به سوي يك نازل متعارف منبسط مي‌شود.

اين روش پيش‌رانش مزايايي را با استفاده از هيدروژن به عنوان پيشران خواهد داشت. و مانند راكت هاي هسته اي در يك آزمايش و اجراي مشابه ضربه ويژه اي بالاتر از ۱۲۰۰ ثانيه به دست مي آيد.اما بر خلاف راكت هاي هسته اي arcjet تنها چند پوند تراست توليد مي كند.

2) پيش‌رانش الكتريكي

راكتهاي الكتروستاتيكي و الكترومغناطيسي اساساً متفاوت با راكتهاي شيميايي در رابطه با محدوديت اجرائي‌شان مي‌باشند. از آنجايي كه در راكتهاي شيميايي مقدار انرژي محدود مي‌شود به رفتار شيميايي پيشران كه در مورد آنها منبع توليد انرژي نيز مي‌باشد اين نوع از راكتها تحت عنوان «انرژي محدود» انرژي پيشران بسيار بالاتري ممكن مي‌شود.

به علاوه اگر محدوديت‌هاي دمايي جداره‌هاي جامد را بتوان بي‌اهميت كرد. اين امر بهبود بيشتري را در اين راستا بوجود خواهد آورد. اين كار را مي‌توان با هدايت الكتروستاتيكي

يا الكترومغناطيسي ماده پيشران انجام داد بدون اين كه لزوماً دماي مايع افزوده شود.

هيچ محدوديتي بر روي انرژي جنبشي كه ما مي‌توانيم به ماده پيشران بدهيم در اين روش نخواهد بود. به هرحال نرخ تبديل از انرژي هسته‌اي يا خورشيدي به انرژي جنبشي ماده پيشران با جرم تجهيزات مبدل محدود مي‌شود. نظر به اين كه اين جرم در حقيقت بخش بزرگي از جرم كل وسيله نقليه را داراست، راكت‌هاي الكتريكي اصولاً توان محدود خوانده مي‌شوند.

راكت‌هاي الكتروستاتيكي / مغناطيسي انرژي الكتريكي را مستقيماً به انرژي جنبشي ماده پيشران تبديل مي‌كنند بدون اين كه لازم باشد دماي سيال عامل بالا برده شود. به اين علت ضربه ويژه با محدوديت‌هاي دمايي مربوط به مصالح جاداره‌ها محدود نمي‌شود و امكان دسترسي به سرعت خروجي بسيار بالايي اگر چه به قيمت مصرف برق زياد وجود دارد. به دليل سنگين بودن تجهيزات تبديل انرژي، راكت‌هاي الكتريكي داراي تراست پايين هستند به اين علت كه اين نوع راكتها بيشتر در آن دسته از مأموريت‌هايي كاربرد دارند كه در آنها نيروي گرانيتي تا حد امكان با نيروهاي اينرسي خنثي شده باشد.

ماده پيشران در راكت‌هاي الكتريكي شامل دو مورد زير مي‌باشد:

ـ ذرات مجزاي باردار شده كه توسط نيورهاي الكتروستانيكي شتاب‌دهي مي‌شوند.

ـ جريان شار هدايت شده الكتريكي (پلاسما) كه در يك ميدان الكترومغناطيسي شتاب‌دهي مي‌شود.


راكت‌هاي الكتروستاتيكي

اين نوع راكت‌ها به طور عموم راكت‌هاي يوني ناميده مي‌شوند. ماده پيشران طبيعي به يون‌ها و الكترون‌ها مجزا شده و در مسيرهاي جداگانه‌اي پس زده مي‌شوند. يون‌ها در يك ميدان الكتروستاتيكي قوي عبور مي‌كنند. اين ميدان بين الكترودهاي بسيار قوي تعبيه شده است كه الكترودهاي شتاب‌دهنده ناميده مي‌شوند.

يون‌ها شتاب‌دهي مي‌شوند تا سرعت‌هاي بالا و نيروي تراست راكت، واكنش شتاب يون‌ها مي‌باشد.

همچنين لازم است كه الكترون‌هاي توليد شده به خاطر جلوگيري از ذخيره بار منفي درون راكت بيرون رانده شوند وگرنه يون‌ها به طرف وسيله جذب شده و نيروي تراست از بين مي‌رود. اين اثر اضافي الكترون‌ها با دوباره پاشيدن آنها به طرف عقب درون دسته يون‌هاي خروجي از بين مي‌رود.

راكت‌هاي يوني ضربه ويژه بسيار زيادي را در حدود 20000-10000 ثانيه توليد مي‌كنند ولي نيروي تراست آنها پايين است. تخمين زده شده است كه راكت‌هاي يوني پيشران سديم را مورد استفاده قرار مي دهد به ازاء هر پوند تراست به ۲۰۰۰ كيلو وات انرژي الكتريكي نيازمندند.

ماده پيشراني كه براي موتورهاي يوني بكار مي‌رود بايد به گونه‌اي باشد كه به آساني يونيزه شوند مانند (جيوه ـ سزيم و گازهاي نجيب).

راكت‌هاي الكترومغناطيسي

سه نوع عمده راكت‌هاي الكترومغناطيسي وجود دارد:

ـ magneto-gas-dynamic

ـ plused-plasma

ـ traveling wave

در همه روشهاي فوق از پلاسما همراه با يك ميدان مغناطيسي و الكتريكي كه به آن شتاب مي‌دهد استفاده مي‌شود.

پلاسما يك گاز رساناي الكتريكي مي‌باشد كه مجموعه‌اي از اتم‌هاي خنثي، مولكول‌هاي خنثي و يون‌ها و الكترون‌ها مي‌باشد كه تعداد الكترون‌ها و يون‌ها برابر بوده پس در كل پلاسما از لحاظ الكتريكي خنثي مي‌باشد. به دليل توانايي پلاسما براي هدايت الكترون‌ها، مي‌تواند عامل نيوري الكترومغناطيسي زياد همانند هادي جامد در موتورهاي الكتريكي شود.

(Magneto-gas-dynamic Drive) جريان پلاسماي داراي سرعت خروجي بالا توسط يك ميدان مغناطيسي و الكتريكي نيرومند خارجي هدايت و شتاب‌دهي مي‌شود. عمليات فوق بر اثر ايجاد جريان غيرعمودي پلاسماي جاري در ميدان قوي محدود مي‌شود. مقدار ضربه ويژه توليد شده كمتر از راكتهاي يوني مي‌باشد ولي باز هم خيلي زياد است. از آنجا كه در اين سيستم از نرخ جريان جرم كم استفاده مي‌شود، تراست پايين باقي مي‌ماند.

(Plased-plusma-accelerrators) يكي از اشكالات عمده‌ي شتاب‌دهنده‌ي ميدان ـ يكنواخت اين است كه نياز به ميدان خروجي محكم و اساسي و در نتيجه يك آهنرباي الكترومغناطيسي سنگين دارند. اگر بتوان شتاب‌دهنده‌اي را ساخت كه براي آن آهنرباي الكتريكي نالازم بوده و با استفاده از پلاسما بطوري كه خودش توليد ميدان مغناطيسي نمايد مي‌توان باعث افزايش نيروي شتاب‌دهنده شد.

از آنجا كه اين شتاب‌دهنده‌ي ميدان قابل مقايسه با موتور شنت (كه جريان مدار را به ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي جدا مي‌كند) مي‌باشد، در مقايسه، يك سري موتور داريم كه در آن ميدان مغناطيسي توسط يك جريان مشابه برقرار شده و متقابلاً بر نيروي ميدان متقاطع اثر مي‌كند.

(Traveling-wave) نوع سوم شتاب‌دهنده‌ي پلاسما كه گاهي اوقات موتور پلاسماي القاي مغناطيسي نيز ناميده مي‌شود، مزاياي بالقوه‌اي بالاتر از دو شتاب‌دهنده‌ي مذكور عرضه مي‌كند. در اين نوع نه نيازي به آهنربا و نه الكترود داريم. اين شيوه بر جريان‌هايي كه با گذر امواج الكترومغناطيسي وارد پلاسما مي‌شود تكيه دارد. اگر جريان درون يك هادي دربرگيرنده‌ي يك سيم لوله افزايش يابد قدرت ميدان مغناطيسي در سطح هادي افزايش مي‌‌يابد. سپس نيروي محركه به وسيله‌ي برق در هر حلقه از اين سطح القا مي‌شود. اگر جريان درون هادي به سرعت كافي افزايش يابد، ميدان الكتريكي القايي يك جريان ذاتي در پلاسما القا خواهد كرد. ميدان مغناطيسي القائي و جريان پلاسما متقابلاً جهت ايجاد يك نيروي پيشران معمولي وارد عمل مي‌شوند زيرا هم پلاسما را فشرده مي‌كنند و هم به صورت محوري به بيرون پرتاب مي‌كنند.

وقتي كه سوئيچ وصل شد خطوط ميدان كه بطور محوري در طول تونل حركت مي‌كنند توسط جريان القايي تحت‌تأثير قرار ميگيرند و پلاسما را از يك حركت محوري بهره‌مند مي‌سازند. نيروهاي شعاعي دروني نيز پلاسماي دما بالا را از سطح جداره‌ي تونل دور نگه مي‌دارند.



Staging(چند مرحله اي)

به طور جاري تنها شيوه عملي كه ما جهت پرتاب ماهواره در اختيار داريم سيستم شيميايي مي‌باشد كه مطابق آنچه در مراحل قبل بدست آورديم، ضربه ويژه و نسبت جرم با كارايي سيستم شيميايي ما محدود مي‌گردد.

در شرايط فضانوردي و تحقيقات فضايي اين گفته به چه معناست؟ يك راكت بايد انرژي كافي جهت رسيدن به سرعت ۲۵۰۰۰فوت بر ثانيه براي قرار گرفتن در مدار زمين به عنوان ماهواره و ۳۶۷۰۰ فوت بر ثانيه براي گريختن از مدار زمين و تبديل شدن به يك سيارك كه دور خورشيد مي‌گردد را تهيه كند. همچنين يك راكت بايد به سرعتي نزديك به ۳۵۰۰ فوت بر ثانيه برسد تا بتواند به ماه برخورد كند.

هيچ راكت كاربردي تك مرحله‌اي نمي‌تواند به اين سرعت‌هاي بحراني جهت قرار دادن ماهواره در مدار يا تحقيقات فضايي دست يابد. يك راه حل مناسب براي اين مسئله اين است كه يك يا چند راكت روي يك راكت ديگر سوار شده و به طور متوالي وادار به كار شده پس از آنكه قسمت قبلي جدا و منفجر گرديد. براي مثال اگر هر قسمت سرعتي حدود ۹۰۰۰ فوت بر ثانيه توليد كند، سه مرحله كافيست تا يك ماهواره در مدار زمين قرار داده شود و يا چهار مرحله جهت اين كه به ماه برسد يا اينكه به ماوراء فضا جهت تحقيقات عميق فضايي در دور خورشيد فرستاده شود.

مرحله‌بندي، اندازه پرتاب و وزن وسيله‌اي كه جهت مأموريت لازم است را كاهش مي‌دهد و نيز جهت دست‌يابي به سرعت لازم جهت مأموريت‌هاي ويژه به ما كمك مي‌كند. راكت‌هاي چند مرحله‌اي اجازه بهبود ظرفيت بار مفيد را براي وسيله‌اي با دلتا V معني مي‌دهند مانند وسايل پرتاب يا فضاپيمايي كوچكتر و تا اندازه‌اي بزرگتر از يك تك منبع در راكت‌هاي يك مرحله‌اي ذخيره مي‌شود. نظر به اينكه هر مخزن پس از اين كه خالي شد رها مي‌شود. انرژي صرف شتاب دادن به يك منبع خالي نمي‌شود. به اين ترتيب به صورت متناوب به دلتا V كل بزرگتري دست مي‌يابيم و جرم بار مفيد بزرگتري قابل تناسب دادن مي‌شود.

منبع‌هاي مجزا معمولاً با موتور خود به دور انداخته شده منفجر مي‌شوند كه به هر واحد رها شده يك مرحله يا Stage گفته مي شود.

معادلات مشابهي جهت توصيف عملكرد راكت‌هاي چند مرحله‌اي و يك مرحله‌اي بكار مي‌رود. اما بايد به صورت مرحله به مرحله بنيان نهاده شوند. مهم است بدانيم كه جرم بار مفيد براي هر مرحله (طبقه) شامل جرم همه مراحل به علاوه بار مفيد نهايي خود مي‌باشد.

سرعت راكت‌هاي چند مرحله‌اي در آخر توان پرواز برابر با مجموع نتايج افزايش سرعت در هر مرحله مي‌باشد. ما به اين دليل افزايش‌ها را اضافه مي‌كنيم كه هر طبقه با سرعت‌هايي كه از طبقات پاييني در مراحل قبل به دست آورده است شروع به كار مي‌كند.

راكت‌هاي چند مرحله‌اي كه داراي درصد بار مفيد، ضربه ويژه و درصد وزن سازه‌اي يكسان براي هر مرحله‌ باشد similar stagesناميده مي شود.براي اين گونه راكتها درصد بار مفيد با بدست آوردن يك افزايش سرعت يكسان مرحله‌ها ماكزيمم مي‌شود. براي راكت‌هايي كه داراي مرحله‌بندي ناهمانند هستند، جمع كل بار مفيد وابسته به اينكه دلتا V مورد نياز چگونه بين مراحل سهم‌بندي شده باشد، مي‌باشد. اگر دلتا V بد تقسيم‌بندي شده باشد درصد بار مفيد كم خواهد شد.


سوخت‌هاي راكت

انواع مختلف موتور راكت از سوخت‌هاي گوناگوني در سيستم پرتاب استفاده مي‌كنند. در مورد موتورهاي راكت نوع شيميايي پيشران ممكن است جامد يا مايع باشد. موتور راكت مي‌تواند با سوخت‌هاي معمولي مثل گازوئيل، بنزين، الكل، نفت چراغ، آسفالت و تركيبات رزين به علاوه يك اكسيدكننده مناسب كار كند.

طراحان موتور بر روي آميزش مناسب اكسيدكننده و سوخت كه انرژي آزاد شده و فيزيك خواص مناسب براي كارايي مطلوب را داشته باشد در حال مطالعه هستند. انتخاب سوخت براي يك مأموريت نيازمند به تجزيه و تحليل كامل بر روي مأموريت، كارآيي سوخت، چگالي، قابليت ذخيره‌سازي، سميت، خوردگي، در دسترس بودن و هزينه، اندازه و وزن‌سازي وسيله و وزن بار مفيد مي‌باشد.



سوخت‌هاي مايع

سوخت مايع به هر سيال عامل مايع كه در موتور راكت مورد استفاده قرار مي‌گيرد اطلاق مي‌شود. بطور عادي اين سوخت‌ها شامل يك اكسيد كننده و يك سوخت هستند ولي ممكن است شامل كاتاليزورها و افزودني‌هاي ديگر نيز جهت بهبود فرآيند سوخت و توليد تراست باشند. عموماً سوخت‌هاي مايع امكان فرآيندهاي احتراق طولاني‌تري را نسبت به سوخت‌هاي جامد در اختيار ما مي‌گذارند. همچنين در بعضي موارد امكان انجام فرآيند احتراق متناوب نيز به ما مي‌دهند. اين فرآيند، احتراقي است كه مي‌تواند متوقف و شروع شود بطور متناوب توسط كنترل جريان سوخت ورودي به محفظه احتراق.

تعداد زيادي از سوخت‌هاي مورد استفاده در راكت كه به صورت مايع مي‌باشند بررسي شده‌اند و به يك سري خصوصيات لازم براي يك سوخت مايع خوب دسترسي پيدا كرده‌اند اگرچه هيچ تركيبي همه‌ي اين خصوصيات مطلوب را همزمان دارا نمي‌باشد:

ـ در دسترس بودن مواد خام و آساني توليد آن

ـ دماي بالاي احتراق در واحد تركيب سوخت

ـ پايين بودن دماي انجماد (گستردگي محدوده كاركرد)

ـ داشتن دانيسته‌ي زياد قبل از احتراق (مخزن كوچكتر)

ـ داشتن دانيسته پايين بعد از احتراق (بالاتر بودن γ)

ـ خوردگي و سموميت پايين (اداره و ذخيره‌سازي آن)

ـ فشار پايين، پايداري شيميايي (ساده شدن ذخيره‌سازي)

واحدهاي سوخت مايع را مي‌توان بطور طبيعي به سه دسته زير تقسيم‌بندي كرد.

ـ مونوپروپلنت (Monopropellant) يا تك جزئي

ـ بي‌پروپلنت (Bipropellant) يا دو جزئي

ـ تري‌پوپلنت (tripropelant) يا سه جزئي يا چند جزئي



مونوپروپلنت يك مايع منفرد مي‌باشد كه داراي خصوصيات هر دو مورد اكسيد كننده و سوخت بوده و مي‌تواند يك تركيب شيميايي منفرد مانند نيترومتان يا مخلوطي از چند تركيب شيميايي مانند پروكسيد هيدروژن و الكل باشد. اين تركيبات در دما و فشار معمولي پايدارند ولي هنگام گرمادهي يا تغيير فشار با يك كاتاليزور شروع به واكنش نمايند تجزيه مي‌شوند. راكتهاي منوپروپلنت از اين نظر كه تنها به يك منبع سوخت و تجهيزات وابسته نياز دارند ساده هستند. سيستم‌هاي منوپروپلنت معمولي از هيدروفين به عنوان سوخت استفاده مي‌كنند.

در واحدهاي بي‌پروپلنت سوخت و اكسيدكننده در منابع جداگانه‌اي حمل شده و اين دو را در محفظه احتراق به هم مي‌رسانند. در حال حاضر همه‌ي راكتهاي مايع از بي‌پروپلنت در سيستم خود استفاده مي‌كنند. در آميزش سوخت و اكسيد كننده ممكن است همچنين شامل يك كاتاليزور جهت سرعت بخشيدن به فرآيند يا ساير افزودني‌ها جهت نگهداري خواص فيزيكي و بهبود قابليت كاردهي باشد.

يك تري‌پروپلنت داراي سه تركيب مي‌باشد كه تركيب سوم جهت بهبود بخشيدن به ضربه ويژه پيشران اصلي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

سوخت‌هاي مايع عموماً به دو صورت سوخت‌هاي برودتي و سوخت‌هاي قابل انبار تقسيم‌بندي مي‌ِوند. سوخت‌هاي برودتي آن دسته از سوخت‌هايي هستند كه نقطه جوش پايين دارند و بايد در جاي خيلي سرد نگهداري شوند. به عنوان مثال اكسيژن مايع در دماي -297درجه فارانهايت و فلوئورمايع در دماي 300- و هيدروژن مايع در 423- به جوش مي آيد.كاركنان در سايت پرتاب اين نوع از سوخت‌ها را در نزديك‌ترين زمان ممكن به هنگام پرتاب در راكت بارگيري مي‌كنند تا تلفات حاصل از تبخير را كاهش داده و مسائلي كه به دليل وجود دماي پايين ممكن است بوجود آيد را كمينه سازند.

سوخت‌هاي انبار شدني آن دسته از سوخت‌ها هستند كه در دما و فشار معمولي مايع بوده و ممكن است براي روزها، ماهها و حتي سالها در راكت رها شوند. براي مثال تتروكسيد نيتروژن در دماي 70 درجه فارانهايت و دي‌متيل درازين نامتقارن (UDMH) در 146 و هيدروزين در 236 به جوش مي‌آيد. اما به هرحال مدت انبار كردن بيشتر به انبار كردن آن در روي زمين برمي‌گردد و در مورد مسائل ذخيره‌سازي آن در فضا اهميت چنداني وجود ندارد. همان گونه كه بعداً شرح داده خواهد شد. به منظور ذخيره‌سازي مايع درون راكت تا زماني كه به محفظه احتراق رسانده شود، مخزن بزرگي مورد نياز خواهد بود. به محض اينكه احتراق شروع شد و فشار درون محفظه به حد بالايي رسيد، سوخت قادر به جاري شدن به درون محفظه تحت شرايط طبيعي خود نخواهد بود. براي ورود سوخت به درون محفظه برخلاف فشار بالاي محفظه احتراق، نياز به اتخاذ يك روش مناسب داريم. در حال حاضر دو روش براي انجام اين كار وجود دارد كه در شكل نشان داده شده است. ساده‌ترين راه براي انجام اين كار تهيه يك گاز فشار بالا (معمولاً هليم) و فرستادن آن به مخازن سوخت مي‌باشد كه فشار كافي را جهت خروج سوخت از منبع و عبور از ميان لوله‌هاي عبور سوخت و ورود آن به درون محفظه احتراق فراهم مي‌آورد.



روش فشاردهي نيازمند به وجود مخازن سوختي است كه به اندازه كافي مقاوم باشد كه در برابر فشار بالاي فرستاده شده مقاومت كند. به گفته ديگر ضخامت ديواره‌هاي مخزن وزن آن را افزايش داده و باعث كاهش نسبت جرم آن مي‌گردد. بنابراين براي اندازه راكتي كه از اين روش استفاده مي‌كند محدوديت وجود دارد.

روش دوم كه الآن شرح داده مي‌شود استفاده از پمپ جهت مكش سوخت از مخزن به محفظه احتراق مي‌باشد. اين پمپها كه معمولاً گريز از مركز هستند عموماً توسط يك توربين هم محور با آنها كار مي‌كنند. توربين توسط يك ژنراتور گازي كوچك به حركت در مي‌آيد كه ممكن است از تجزيه بروكسيد هيدروژن بسيار غليظ جهت توليد بخار براي ژنراتور استفاده كند. از منابع ديگر تأمين توان براي توربين ممكن است استفاده از دو سوخت راكت باشد كه در يك محفظه احتراق معين مي‌سوزند و يا يك سوخت جامد كوچك كه جهت توليد گاز محرك استفاده مي‌شود.

يك روش جديد، گرفتار كردن مقداري از گازهاي حاصل از احتراق از موتور راكت به عقب براي توربين مي‌باشد. اين سيستم يك سيستم «خود راه‌انداز» مي‌باشد.

سيستم داراي پمپ اجازه از مخازن جدار نازك را به ما مي‌دهد كه نسبت جرم به اين ترتيب افزايش مي‌يابد. فرآيند احتراق با پوشش سوخت به درون محفظه احتراق آغاز مي‌گردد. عمل با پوشش سوخت توسط يك انژكتور انجام مي‌شود. انژكتور باعث مي‌شود كه سوخت بصورت پودر درون محفظه اسپري مي‌شود. بنابراين عمل مخلوط شدن را بهبود بخشيده و احتراق كامل‌تر صورت مي‌گيرد. طراحي انژكتورها بسيار مشكل مي‌باشد، آنگونه كه هيچ معادله رياضي جهت آناليز عملكرد آنها وجود ندارد. انژكتورهاي مدرن بصورت يك واحد ساده كه بر جلو بدنه محفظه احتراق فرم داده شده‌اند ساخته مي‌شوند. كه هزاران سوراخ بسيار ريز در آنها تعبيه شده است.

سوخت‌ها ممكن است به گونه‌اي انتخاب شوند كه واكنش آن بصورت خود به خودي و به محض باشش انجام شود كه به اين نوع سوختها «هيپرگليك» گفته مي‌شود و به وسيله‌اي جهت جرقه زدن براي شروع احتراق نيازي ندارند.

منوپوپلنت‌ها مواد شيميايي هستند كه در حضور يك كاتاليزور مناسب يا در يك دماي مناسب شروع به تجزيه و آزادسازي انرژي مي‌نمايند. پروكسيد هيدروژن( ۷۵٪ خالص) ، اكسي‌اتيلن و هيدرازين از اين دسته هستند كه نيازمند به مراقبت زياد دارند چرا كه در حضور ناخالصي‌ها به صورت انفجاري تجزيه مي‌شوند. تعداد زيادي از اين مواد بسيار ناپايدارند و تعداد زيادي نيز سمي مي‌باشند و بعضي نيز هر دو خاصيت را دارند.

سوخت‌هاي مايع بسيار روان هستند و قابليت اختناق بالايي داشته در نتيجه ضربه ويژه بالايي را توليد مي‌كنند. اما بسيار پيچيده‌اند و قابليت اطمينان كمتري نسبت به سوخت‌هاي جامد دارند. اگر چه مي‌توان گفتگوي بي پاياني را راجع به مزاياي هر دو نوع (جامد و مايع) انجام داد. اما بهتر آن است كه بگوييم از هر دو روش همچنان در كارهاي ويژه استفاده مي‌شود. جايي كه مزاياي يكي بر معايب آن برتري داشته باشد از آن شيوه استفاده مي‌شود.


سوخت‌هاي جامد

موتورهاي با سوخت جامد قديمي‌ترين نوع از ميان ساير انواع ديگر هستند و به مراتب از لحاظ ساختمان ساده‌تر مي‌باشند. از آنجايي كه سوخت بر فرم جامد است و معمولاً يك رويه‌ي آن در درون محفظه احتراق دستخوش احتراق مي‌شود، نيازي به پاشش مستمر آن از مخزن به درون محفظه احتراق نيست. بنابراين سوخت‌هاي جامد، خود مستقيماً درون محفظه احتراق جاي داده مي‌شوند. به اين ترتيب موتورهاي راكت با سوخت جامد. محفظه احتراق و وسايل ذيره سوخت را با هم در يك واحد خلاصه كرده‌اند. سوخت‌هاي جامد محترق شده و مي‌سوزند تا اين كه تمام شوند يا اينكه سطح مقطع مؤثر آنها در طول عمل تغيير كند.

از آنجايي كه سوخت‌هاي جامد تنها در سطح خود مي‌سوزند، شكل قرارگيري دانه‌هاي سوخت ممكن است به گونه‌اي طراحي شوند كه ميزان سطح ذراتي كه دستخوش احتراق مي‌شوند را تنظيم كند.

از آنجا كه تراست وابسته به نرخ جريان جرمي مي‌باشد، به گفته ديگر وابسته به ميزان سوختي كه در هر ثانيه مصرف مي‌شود، ميزان تراست خروجي از موتور با سوخت‌هاي جامد از قبل معين و برنامه‌ريزي شده مي‌باشد. سوخت‌هايي كه با سطح ثابت مي‌سوزند و نيروي تراست حاصل در طول مدت احتراق ثابت مي‌ماند، به عنوان سوخت‌هاي جامد محدود يا سوخت طبيعي شناخته مي‌شوند. (ممكن است به عنوان مثال از عقب تا جلو شبيه يك سيگار سوخته شوند). به علاوه ممكن است ذرات طراحي شده باشند جهت سوختن همراه با افزايش سطح كه باعث افزايش تراست مي‌شود يا با كاهش سطح كه تراست كاهنده مي‌باشد. انتخاب هر كدام از انواع فوق وابسته به كاربرد آن مي‌باشد.

اگر چه اين شيوه كم‌انرژي‌تر از سوخت‌هاي مايع خوب مي‌باشد (ضربه ويژه كم) ولي مزايايي از جمله اشتغال سريع و قابليت ذخيره‌سازي خوب در راكت را دارا مي‌باشد.

يك سوخت جامد ايده‌آل بايد داراي خصوصيات زير باشد:

ـ آزاد كردن انرژي بالا

ـ وزن مولكولي پايين محصولات احتراق

ـ چگالي بالا قبل از احتراق

ـ ساخت آسان از ماده اوليه‌اي در دسترس

ـ عدم حساسيت به ضربه و تغييرات دما

ـ ايمن و آسان بودن استفاده از آن

ـ توانايي استفاده يكنواخت در سطح گسترده‌اي از دماي عملياتي

ـ بدون دود و روشنايي

غير محتمل است كه هيچ سوختي داراي همه‌ي اين خصوصيات باشد. امروزه با توجه به ميزان هزينه و نوع كارآيي، خصوصيات سوخت مورد نظر نظر انتخاب مي‌شود.


راكت‌هاي مركب

نوع ديگري از راكتها كه نام برده مي‌شود موتورهاي مركب هستند كه تركيبي از سوخت‌هاي جامد و مايع را مورد استفاده قرار مي‌دهند. در راكتهاي مركب ممكن است كه سوخت به فرم جامد در درون محفظه احتراق واقع باشد و يك اكسيد كننده مايع درون محفظه احتراق پاشيده شود. اگر چه اين سيستم در سطح گسترده‌اي استفاده نمي‌شود ولي مزايايي را براي پيش‌رانش راكتها به همراه دارند كه در اينجا به آنها نمي‌پردازيم. در شكل زير نمايي از يك راكت مركب را مشاهده مي‌كنيم.


نتيجه:

هر روش و نوع سوخت استفاده شده در راكت‌هاي مختلف داراي مزايا و معايب و خصوصيات خاص خود مي‌باشند كه بسته به نوع مأموريت از آنها استفاده مي‌شود. كاربرد و مأموريت Isp
تراست

(1000ibs)

نوع
مأموريت‌هاي نزديك زمين و ماه در سيستم‌هاي پيشرفته در براي ونوس و مارس نيز استفاده مي‌شود 260-466

200-300 2000-3000

1500
راكت‌هاي شيميايي مايع



جامد

رساندن بار مفيد سنگين به ماه، ونوس يا مارس
600-1000
250
هسته‌اي

بار مفيد سنگين به مدار زمين
400-2500
.01
Arc-Jet

براي مأموريت‌هاي ديگر
2000-10000
.005
پلاسما

براي مأموريت‌هاي مربوط به اعماق فضا
7500-3000
.001
بوني