robotic devices

فرومغناطیس

فرومغناطیس (به انگلیسی: Ferromagnetism) به پدیدهٔ ایجاد گشتاور مغناطیسی موازی در اثر برهم‌کنش تبادلی[۱] و در نتیجه مغناطش خودبخودی و تشکیل آهنربای دائم در مواد، در دماهای پایین‌تر از دمای بحرانی (دمای کوری Tc) گفته می‌شود.

موادی که این خاصیت را داشته باشند، فرومگنت نامیده می‌شوند. در این مواد در هر حوزهٔ مغناطیسی در عدم وجود میدان خارجی مغناطش خودبخودی (Ms) مخالف صفر وجود دارد. این مقدار در دمای صفر مطلق به بیشترین میزان خود رسیده و در دمای کوری به صفر می‌رسد.



فرو مغناطیسی مکانیزم اساسی است که توسط آن مواد خاص (مانند آهن) فرم آهنربایی دائم پیدا می کنند و یا به آهن ربا جذب می شوند. در فیزیک، چندین نوع مختلف از خاصیت مغناطیسی وجود دارد. فرو مغناطیسی قویترین نوع است، تنها نوعی است که به اندازه کافی قوی است تا احساس شود، و باعث پدیده‌های مغناطیسی در زندگی روزمره است. یکی از نمونه‌ها آهنربای یخچال می باشد. جاذبه بین آهنربا و مواد فرومغناطیسی " چه در گذشته و چه برای ما امروز قابل تشخیص است ،" با توجه به متن‌های کلاسیک در مورد فرومغناطیسی [1].

همه آهنرباهای دائم (موادی که می تواند توسط یک میدان مغناطیسی خارجی مغناطیسی شوند و بعد از، از بین رفتن میدان مغناطیسی خارجی، باقی بمانند) فرومغناطیس و یا فری مغناطیس هستند، به طوری که مواد دیگر به آنها جذب می شوند.

از لحاظ تاریخی، فرو مغناطیس‌ها برای هر ماده ای که می تواند خود به خود مغناطیسی شوند به کار می رود: لحظه خالص مغناطیسی در غیاب میدان مغناطیسی خارجی ایجاد می شود.این تعریف کلی هنوز در حالت کلی برقرار است. اخیرا، گونه‌های مختلف مغناطیسی خود به خودی شناسایی شده اند [نیازمند منبع] زمانی که بیش از یک یون مغناطیسی در هر سلول ابتدایی از مواد وجود دارد، منجر به تعریف سختگیرانه تری از "فرو مغناطیسی " می‌شود که وجه تمایز با فری مغناطیس را باعث می شود. مواد "فرومغناطیسی" در این معنا.در هر یک از واحدهای مغناطیسی وجود دارد. اگر بعضی از یون‌های مغناطیسی از تفریق خالص مغناطیسی (اگر آنها تا حدی ضد تراز باشند)، ماده فری مغناطیس است. اگر این نیروها ی تراز و ناتراز با هم در تعادل قرار بگیرند به طوری که خاصیت مغناطیسی نداشته باشند این ماده ضد فری مغناطیس است. تمامی تاثیر تراز شدن تنها در دمای زیر دمای بحرانی معینی به نام دمای کوری (برای فرو مغناطیس و فری مغناطیس ها) و یا درجه حرارت Néel (برای ضد فرومغناطیس ها) رخ می دهد.

Ferromagnetic ordering of microscopic magnets (the magnetic moments of individual particles).

در میان تحقیقات اولیه بر روی فرو مغناطیس‌ها هستند آثار پیشرو از الکساندر استولتفAleksandr) Stoletov )در اندازه گیری نفوذ پذیری مغناطیسی فرو مغناطیس‌ها به نام منحنی Stoletov.شناخته می شوند. منظم شدن فرو مغناطیسی آهنرباهای میکروسکوپی (مغناطیس لحظه ای ذرات انفرادی)

تعدادی از موادکریستالی وجود دارد که خاصیت فرومغناطیسی یا فری مغناطیسی از خود نشان می دهند. جدول زیر لیست ازبعضی از آنها، همراه با دمای کوری خود، درجه حرارتی که بالاتر از آن خاصیت مغناطیسی خود به خودی را دارند، نشان می دهد.

<
Curie temperatures for some crystalline ferromagnetic (* = ferrimagnetic) materials (Kittel, p. 449.)|-Material Curie
temp. (K)
Co 1388
Fe 1043
FeOFe2O3* 858
NiOFe2O3* 858
CuOFe2O3* 728
MgOFe2O3* 713
MnBi 630
Ni 627
MnSb 587
MnOFe2O3* 573
Y3Fe5O12* 560
CrO2 386
MnAs 318
Gd 292
Dy 88
EuO 69


فرومغناطیسی تنها یک خاصیت ترکیب شیمیایی مواد نیست بلکه به ساختار بلوری و سازماندهی میکروسکوپی نیز بستگی دارد. آلیاژهای فلزی فرومغناطیسی ای وجود دارد که اجزای آنها خود فرومغناطیسی نیستند.، که به آنها آلیاژهای فریتس هاسلر می گویند. همچنین می توان مواد آمورف (غیر بلوری)را نیز توسط سرد کردن بسیار سریع (کوینچ کردن) از آلیاژ مایع فرومغناطیسی کرد. این مزیت را که خواص آنها در حدود ایزوتروپیک (در امتداد محور کریستال تراز نیست) می توان ایجاد کرد؛ این نتایج در ضد پسماند پایین، از دست دادن پسماند کم، نفوذپذیری بالا، مقاومت الکتریکی. بالا بدست می آید. از این مواد می توان به آلیاژهای انتقالی و آلیاژهای ضد فلزی (معمولا آهن، کبالت یا نیکل) ویا ترکیبات شبه فلزی (بور، کربن، سیلیسیم، فسفر یا آلومنیوم)با نقطه ذوب پایین اشاره نمود.
[ویرایش]
فرومغناطیس‌های آکتنیدی

تعدادی از ترکیبات آکتینیدی در دمای اتاق فرومغناطیسی هستند ویا زیر دمای کوری به فرومغناطیس تبدیل میشوند. TC)PuP) یک ماده اکتنیدی است که در دمای اتاق پارامغناطیس است و تقارن مکعبی دارد، اما پس از خنک شدن، زمانی که تا زیر دمای کوری سرد شود دستخوش اعوجاج شبکه چهاروجهی می شود. Tc = 125 K و دارای محور کیریستالی <100> خواهد بود، پس: (c – a)/a = –(31 ± 1) × 10−4 برای NpFe2 که دارای محور کریستالی <111> است بالای 500درجه کلوین مکعبی و پارامغناطیس خواهد بود و داریم: (c – a)/a = –(120 ± 5) × 10−4 که بیشترین تنش را در ترکیبات آکتنیدی داراست.

گاز لیتیم

در سال 2009، گروهی از فیزیکدانان MIT نشان دادند که گاز لیتیم که به کمتر از 1 کلوین سرد شده است می تواند خاصیت فرومغناطیسی از خود نشان دهد. [5] این گروه لیتیوم – 6 را به کمتر از 150 میلیاردم 1 کلوین بالای صفر مطلق با استفاده از خنک کننده لیزر مادون قرمز رساندند. این برای اولین بار بود که خاصیت فرو مغناطیسی در گازها نشان داده می شد.

خاصیت فرومغناطیسی به دلیل نفوذ مستقیم دو اثر از مکانیک کوانتومی : چرخش و اصل طرد پائولی ایجاد می شود.

علت مغناطیسی شدن

چرخش یک الکترون، همراه با شار الکتریکی آن، منجر به دو قطبی مغناطیسی لحظه ای و ایجاد میدان مغناطیسی می شود. هر چند الکترون را می توان به عنوان توپ در حال چرخشی مجسم نمود، ولی در واقع چرخش مکانیکی کوانتوم با تصویرکلاسیک آن متفاوت است. چرخش الکترون‌ها در اتم‌ها منبع اصلی فرومغناطیس است، هر چند برخی از ترکیبات تکانه زاویه ای مداری الکترون در پیرامون هسته، که یک مقایسه کلاسیک است، نیز معتبر هستند. با این حال در بسیاری از مواد (مخصوصا موادی با لایه الکترونی پر)، کل دو قطبی لحظه همه الکترون‌ها صفر است چون چرخش در بالا / پایین جفت هستند. فقط اتمهای با بخشی از پوسته پر (به عنوان مثال، چرخش جفت نشده) می توانند مغناطیس لحظه ای خالص داشته باشند، پس فرومغناطیس‌ها فقط در موادی با پوسته تا حدی پر اتفاق می افتد. هنگامی که این دو قطبی‌های کوچک مغناطیسی در جهت یکسان تراز وسط قرار دارند، میدان مغناطیسی فردی آنها با یکدیگر جمع می شوند تا یک میدان ماکروسکوپی قابل اندازه گیری ایجاد شود.

با توجه به الکترومغناطیس کلاسیک، دو، دو قطبی مغناطیسی تمایل دارند در جهت مخالف تراز شوند، بنابراین میدان مغناطیسی خود را از یک دیگر دور یا حذف می کنند. با این حال در بعضی مواد فرومغناطیسی، آنها تمایل دارند در جهت اثر کوانتوم مکانیکی به نام تبادل متقابل تراز شوند. اصل طرد پائولی می گوید که دو الکترون با اسپین یکسان نمی تواند "موقعیت" یکسانی داشته باشند.بنابراین، تحت شرایط خاصی، هنگامی که اوربیتال الکترونهای ظرفیتی بیرونی جفت نشده باشند از اتمهای مجاور همپوشانی شده و توزیع بار الکتریکی خود را متوازن می سازند. این کاهش انرژی الکترواستاتیک از چرخش الکترون هااست. پس اسپین موازی با ثبات تر است. به عبارت ساده، الکترون‌ها که یکدیگر را دفع می کنند، می تواند "با فاصله بیشتری" با تراز کردن اسپین خود، حرکت کنند، پس این چرخش الکترون‌ها تمایل به ردیف شدن دارند. این تفاوت در انرژی تبادل انرﮋی نامیده می شود. تبادل متقابل همچنین باعث انواع دیگر قرارگیری خود بخودی در مواد جامد مغناطیسی، فرومغناطیسی و فری مغناطیسی می شود. در اغلب فرو مغناطیس‌ها تبادل متقابل بسیار قوی تر از رقابت دو قطبی است. به عنوان مثال، در آهن (Fe) آن در حدود 1000 برابر قوی تر از تعامل دو قطبی است .بنابراین در زیر دمای کوری عملاً تمامی دو قطبی‌ها در مواد فرومغناطیسی در تراز وسط قرار دارند.

موارد بالا به نظر می رسد نشان می دهد که هر قطعه از مواد فرومغناطیسی باید میدان مغناطیسی قوی داشته باشد، ولی آهن و دیگر فرومغناطیسی‌ها در بعضی از مواقع در جایگاه نامغناطیسی یافت می شود. دلیل این امر این است که یک قطعه فرومغناطیسی به بسیاری از حوزه‌های کوچک مغناطیسی (که به نام حوزه‌های Weiss شناخته می شوند) تقسیم می شود. در هر دامنه، اسپین‌ها هم ردیف هستند اما، اگر اسپین حوزه‌های متمایز، متفاوت باشد جسم میدان مغناطیسی قوی ای نخواهد داشت. ساختار میکروسکوپی حوزه‌های Weiss

مواد فرومغناطیسی خود به خود به حوزه‌های مغناطیسی تقسیم می شوند زیرا که سطح انرژی پایین تری دارد. در مسافت‌های طولانی (بعد از هزاران یون(، انرژی تبادل شده از دو قطبی کلاسیک نا ترازپیشی می گیرد. مرز بین دو حوزه، که در آن خاصیت مغناطیسی افول می‌کند، دیوارهٔ حوزه نامیده می‌شود (به عنوان مثال، دیوار Néel/Bloch، بسته به اینکه آیا مغناطیسی شدن موازی / عمود بر رابط دامنه است) انتقال تدریجی در مقیاس اتمی خواهد بود.(پوشش فاصله در حدود 300 یون در آهن) این اثر توسط Barkhausen نشان داده شده است : زمانی که میدان مغناطیسی تغییر می کند، تغییرات مغناطیسی در هزاران جهش کوچک ناپیوسته ناگهانی دیواره به عیوب قبلی میچسبد. این مغناطیسی شدن را می توانبه عنوان یک تابع از میدان‌های خارجی توسط منحنی hysteresis توصیف کرد. اگر چه این حالت دامنه تراز است حداقل انرژی پیکربندی بسیار پایداراست و مشاهده شده است که برای میلیون‌ها سال در اهن مغناطیسی seafloor همسو شده توسط میدان مغناطیسی زمین باقی می ماند.

وقتی که درجه حرارت را افزایش می یابد، حرکت حرارتی، یا آنتروپی با گرایش فرومغناطیسی برای دو قطبی تراز شدن رقابت می کند. هنگامی که درجه حرارت بالا می رود فراتر از نقطه خاصی به نام دمای کوری، انتقال فاز دومی وجود دارد که سیستم دیگر نمی تواند خاصیت مغناطیسی خودجوش خود را حفظ کنند، گرچه آن پاسخ پارامغناطیسی به میدان خارجی است. دمای کوری خود یک نقطهٔ بحرانی است، که در آن حساسیت مغناطیسی بی نهایت است، اگر چه هیچ خاصیت مغناطیسی خالصی وجود ندارد، ولی دامنه‌ها همبستگی نوسان‌ها در تمام مقیاس‌ها را خواستارند. مطالعه انتقال فاز فرومغناطیسی، به ویژه از طریق مدل چرخشی Ising، تاثیر مهمی در توسعه فیزیک آماری داشته است، ابتدا به وضوح نشان داده شد که تئوری موفق به پیش بینی رفتار درست در نقطه بحرانی نیست (که شامل کلاس جهانی که در بر گیرنده بسیاری از سیستم‌های دیگر از قبیل انتقال گاز- مایع است )و باید گروه دیگری از نظریه‌های عادی ساز را جایگزین کرد.

آهنربا magnet

به اشیایی که میدان مغناطیسی تولید کنند، آهنرُبا گفته می‌شود. آهنربا جهت جداسازی ضایعات آهنی در صنایع مختلف کاربرد دارد و در انواع مختلف دستی، الکتریکی، دائم و ... وجود دارد. نوعی از آهنرباها در دزدگیر لباس کاربرد دارد و برای جدا کردن تگ‌های لباس‌ها استفاده می‌شود.آهنربا از دو بخش آهن و -ربا از فعل ربودن تشکیل شده. کاربرد واژه‌هایی مانند آهنربا و کهربا در فارسی پیشینه طولانی دارد.

برابر اروپایی آن: اولین شرح مغناطش به یونانیان قدیم باز می‌گردد که این اسم را به مغناطیس دادند. این اسم از مگنزیا که نام یک دهکدهٔ یونانی است، مشتق شده‌است. از لحاظ لغوی Magnet به معنی «سنگی از اکسید آهن» است. این سنگ حاوی مگنتیت (Fe۲O۳) بود و هنگام مالش آن به آهن، آن را آهنربا می‌کرد. نظریهٔ دیگر این است که این واژه از ریشهٔ واژهٔ فارسی «مگ» می‌باشد و این واژه magnet به همراه واژهٔ magic از ریشهٔ واژهٔ پارسی mag می‌باشند، که خود برگرفته از مغان ایران است.

تلاش جدی برای استفاده از قدرت پنهان مواد مغناطیسی بسیار پس از کشف آن انجام شد. به عنوان مثال در قرن ۱۸ام با ادغام تکه‌های کوچک مواد مغناطیسی تکهٔ بزرگ‌تری بدست آمد که مشخص شد توانایی بلند کردن قابل توجهی دارد.

پس از اینکه اورستد در سال ۱۸۲۰ کشف کرد که جریان الکتریکی می‌تواند میدان مغناطیسی به وجود آورد، پیشرفت‌های زیادی در این زمینه حاصل شد.


استورگن دانش خودش را با موفقیت برای ساخت اولین آهنربای الکتریکی در سال ۱۸۲۵ بکار برد. با اینکه دانشمندان زیادی (از قبیل گاوس، ماکسول و فارادی) با این پدیده از دیدگاه تئوریک درگیر شدند، اما توصیف درست مواد مغناطیسی به فیزیکدانان قرن بیستم نسبت داده می‌شود.

چینش فری‌مغناطیس

آزمایش اورستد

کیوری و ویس در شفاف‌سازی پدیدهٔ مغناطش دائمی و وابستگی دمایی آن موفق بودند. ویس فرضیهٔ وجود حوزه‌های مغناطیسی را مطرح کرد تا توضیح دهد که مواد چگونه می‌توانند آهنربا شده یا خاصیت مغناطیسی کل آنها صفر شود.

جداساز دستی مغناطیسی مواد معدنی سنگین

جزئیات خواص دیواره‌های این حوزه‌های مغناطیسی توسط بلوچ، لاندو و نیل بررسی شد.

اولین آهنرباهای دائم از صخره‌های طبیعی به نام لودستون بدست آمدند. این سنگها برای اولین بار،۲۵۰۰ سال پیش توسط چینی‌ها و سپس توسط یونانی‌ها مطالعه شدند. یونانی‌ها اولین بار آهنربا را از منطقهٔ Magnetes بدست آوردند که امروزه آهنرباها به این نام، شناخته میشوند. از آن دوران تا به امروز، خواص مواد مغناطیسی بهینه شده و آهنرباهای دائم امروزی صدها برابر قویتر از آهنرباهای پیشین هستند

امروزه چهار خانوادهٔ بزرگ از مواد مغناطیسی دائم، بطور تجاری کاربرد دارند. این مواد از فریت‌ها که انرژی پایینی دارند تا آهنرباهای خاکی نادر که انرژی بالایی دارند، متغیرند. دمای کارکرد، محدودیت اندازه و وزن، مسائل زیست محیطی و انرژی مغناطیسی از جمله عواملی است که بر انتخاب یک مادهٔ مغناطیسی تاثیر میگذارند

مواد مغناطیسی جزء جدانشدنی فناوری مدرن هستند. آهنرباها یکی از اجزای مهم بسیاری از وسایل الکترونیکی و الکترومکانیکی هستند. کاربرد عمدهٔ آهنرباهای دائم در تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و بالعکس است (مانند موتورهای الکتریکی و ژنراتورها) . مغناطیس‌ها همچنین در حافظه‌های مغناطیسی (صفحات هارد دیسک و فلاپی‌دیسک‌ها و کارت‌های پلاستیکی حافظه) کاربرد دارند.

همچنین آهن‌رباها در صنایع مختلف جهت جداسازی ضایعات آهن کاربرد فراوان 

DARPA/Boeing DiscRotor

Boeing is studying the feasibility of the DiscRotor high-speed verticla-take-off and landing aircraft for DARPA. The aircraft takes off vertically like a helicopter, with telescoping rotor blades extended, then converts to fixed-wing forward flight by retrating the blades into the disc, which is then stopped. The aircraft the flies on its swept wing and dual ducted propellers. A 20%-scale model of the rotor will be windtunnel-tested in 2011.

Rolls-Royce, How To Build A Jumbo Jet Engine

The story of the thousands of people who design, build and test jet engines at Rolls-Royce's manufacturing plants across the UK, and the astonishing technology behind the engines.

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

در نمونه هاي موتور پلاسمايي كه تا كنون ساخته شده است منشا يون



سازي پديده ترمويونيك بوده كه از گداختن يك المنت تنگستني استفاده مي



شود در اين روش به دست آوردن جريان هاي بالاي يوني امكان پذير نيست



و اين يكي از مشكلات عمده كاربردي اين موتور بوده است



اين مركز پس از سه سال پژوهش موفق به ساخت و تكميل روش جديدي



در يون سازي كه در آن از پديده كرونا استفاده مي شود گرديد با اين روش



هيچ محدوديتي براي توليد يون به وجود نمي آيد. همچنين مكانيزم يون



سازي آن به گونه اي است كه قابليت عمل در هر محيطي را دارد به طور



نمونه در زير آب مولكول هاي آب را به صورت پلاسما در مي آورد بنا بر اين



وسيله نقليه اي كه به اين موتور پلاسمايي مجهز باشد نه تنها در فضا و بر



روي زمين قادر به حركت است بلكه در زير آب هم مانند يك زير دريايي عمل



مي كند و اين يك تحول بزرگ در فن آوري موتور پلاسمايي است كه بر



اساس پژوهش هاي اين مركز به انجام رسيده است



با ساخت اين نوع جديد از موتور پلاسما نه تنها قدمي موثر در زمينه فن



آوري فضايي برداشته شده است و ما در زمره چند كشور محدود دنيا قرار



مي گيريم كه توانسته اند به فن آوري ساخت موتور پلاسمايي دست يابند



بلكه با ابداع روش جديد يون سازي ما سهمي بسزا در پيشرفت اين



دستگاه در دنيا خواهيم داشت



پس از سال 1969(1347) كه انسان قدم بر خاك ماه نهاد تا كنون نتوانسته



است در راه سفر به منظومه شمسي و سيارات ديگر توفيق قابل توجهي



بيابد.دو عامل اصلي اين عدم موفقيت يكي مصرف سوخت عظيمي است



كه موتورهاي پيپران نياز دارند و ديگري سرعت كم آن هاست به صورتي كه



۹۴% وزن 3000تني فضاپيماي ساترن5موتور محرکه آپولو۱۱ را سوخت آن



تشكيل مي داده است.



با اين توصيف براي قدم گذاشتن انسان بر سطح سياره اي با فاصله مشتري



نياز به سفينه اي با حجم سوخت 180 برابر سوخت آپولو11 يعني نيم



ميليون تن است كه براي توليد شتاب لازم براي آن با پيشرفت هاي قابل



تصور در فن آوري موجود حتي يك سوم اين مقدار امكان پذير نيست



براي خروج از اين بن بست اين تفكر در دانشمندان قوت گرفت كه بتوانند از



انرژي هسته اي براي سفر به فضا استفاده نمايند.زيرا يك كيلوگرم از



سوخت هسته اي انرژي معادل با دو ميليون كيلوگرم سوخت فسيلي در



دسترس بشر قرار مي دهد



اما براي به اجرا درآوردن اين آرزو مي بايست موتوري طراحي شود كه بتواند



به مولكول ها سرعتي هزاران برابر موتور راكت هاي معمولي بدهد



پلاسما حالت چهارم ماده است و موتور پلاسمايي داراي مكانيزمي است كه



ماده را به حالت پلاسما در مي آورد و در اين حالت تحت تاثير ميدان هاي



الكتريكي و مغناطيسي مولكول ها را شتاب مبي دهد



و سرعت مولكول هاي خارج شده از موتور پلاسما را مي توان به 100000



كيلومتر بر ثانيه (يك سوم سرعت نور)رساند



اين سرعت سرسام آور هنگامي براي ما قابل لمس است كه آن را با



سرعت 3كيلومتر بر ثانيه گازهاي خروجي موتور اف ـ1 راكت ساترن5



مقايسه كنيم رقمي معادل با 33333برابر سرعت گازهاي خروجي ساترن۵



بدين معنی که



با روش پلاسما تنها 4كيلوگرم سوخت(وزن سوخت يك موتور سيكلت) مي



تواند به جاي 2800تن سوخت فضاپيماي مذكور را با همان وزن به ماه



برساند



جهش عظيمي كه موتورهاي پلاسمايي در مقايسه با موتورهاي پيستوني و



جت در آينده بشر ايفا مي كند همانند تحول و جهشي است كه نيمه رسانا



ها در برابر لامپ ها به وجود آوردند





يكي از مشخصه هاي موتور پلاسمايي بر خلاف موتورهاي پيستوني يا الكتريكي و جت



نداشتن قطعات متحرك مكانيكي –كه به طور معمول با فرسايش توام هستند- مي باشد



به همين دليل اين موتور مي تواند تا صد سال بدون آنكه نياز به نعمير داشته باشد كار



كند.اين ويژگي منحصر به فرد در تطابق كامل با باطري هاي هستهاي نمايان مي شود



زيرا باطري هاي هسته اي كه از مواد راديواكتيو ساخته شده اند قادر به توليد ميليون



ها ولت برق با آمپر كم براي مدت 24 سال هستند



آينده ي درخشاني كه موتور پلاسمايي و باطري هاي هسته اي براي ما



فراهم مي كنند هنگامي روشن مي شود كه كاربرد آن را در يك اتوموبيل



فرض كنيم: اين اتومبيل نه تنها قادر به پرواز خواهد بود بلكه در زير آب نيز



مانند يك زيردرياي عمل خواهد كرد. موتور آن هوا را آلوده نمي كند و كمترين



صدايي از آن به گوش نمي رسد



ومي توان گفت آينده بشر به گونه اي خواهد بود كه سفر به كره ماه به يك



امر عادي مانند تاكسي سوار شدن تبديل خواهد شد



شايد اينگونه تصور شود كه اين تحولات در زندگي بشر مربوط به حداقل



صدها سال آينده است در حالي كه با روند سريع پيشرفت هايي كه در



راكتورهاي هسته اي و به ويژه در ساخت باطري هاي هسته اي به



وجودآمده است دانشمندان پيش بيني مي كنند كه در بيست سال آينده اين



تحول ظهور خواهد كرد



امروز اهميت حياتي فن آوري موتور پلاسمايي به عنوان نيروي پيشرانه آينده



بشر براي دانشمندان و كارشناسان آشكار شده است



پيشرفت هاي پژوهشي در اين زمينه بسيار مورد توجه است به صورتي كه



در نمايشگاه جهاني دستاوردهاي نوين در ژاپن يك قايق كه نيروي پيشرانش



خود را از موتور پلاسمايي تامين مي كرد پر بيننده ترين دستگاه اين



نمايشگاه بود



سالها پيش اين پرسش مطرح بود كه اين همه مخارج سنگين و تلاش براي



اكتشاف و دستيابي به اعماق آبهاي درياها و اقيانوس ها براي چيست؟رفتن



به اعماق آبها چه ارزشي براي انسان مي تواند داشته باشد. ولي امروزه



انسان وابسته به بهره برداري از منابع عظيم نفت و گاز، مواد معدني و



گياهان اعماق آبهاست به عنوان مثال محصولات مزارع زيرآبي ژاپن بخش



عمده اي از منابع غذايي و دارويي اين كشور را تامين مي كند



به طور قطع منابع معدني و انرژي كره زمين محدود است و تا 25سال آينده

موتور موشک

دید کلی
دامنه استفاده از راکت‌ها فقط به ارتش و جنگ ختم نمی‌شود، بلکه از آن برای ارسال ماهواره یا سفینه‌های فضانورد و مکتشف نیز استفاده می‌گردد. اولین مورد استفاده نظامی از موشک یا به اصطلاح دیگر راکت مربوط به قرن سیزدهم و در چین بوده است. در این هنگام چینی‌ها از سلاحهائی به نام « تیرهای آتش » برای محاصره و سقوط « قلعه کیفینگ » استفاده کردند. این تیرها در حقیقت راکت‌های سوخت جامد (باروت تفنگ) بودند. ایده طرح و ساخت راکت‌ها از آن زمان به بعد مورد توجه قرار گرفت. بطوری که امروزه راکت‌های سوخت مایع نیز ساخته شده و تکامل بسیاری یافته‌اند.
سیر تحولی رشد
در سال 1285 راکت‌ها در « کولوگن » اروپا مورد استفاده قرار گرفتند و از آن تاریخ تا به حال به عنوان یک اسلحه مورد توجه می‌باشند. از میان جنگهای معروفی که در آنها از راکت به عنوان اسلحه استفاده شد، می‌توان جنگهای « سرنیگاپاتا » در هند و در سالهای 1722 و 1799 جنگهای « بولوگن » ، در سال 1806 جنگ « دانزیگ » و جنگ « کپنهاگ » در 1807 و همچنین حمله انگلیس در « فورت مک هنری » را نام برد.

در طی جنگ جهانی دوم ، چند کشور از جمله ایالات متحده آمریکا با موفقیت از مقرهای پرتاپ چند موشکه استفاده کردند. راکت‌هائی که در جنگ « استالینگراد » توسط شوروی بکار گرفته شدند، در طی جنگ دوم جهانی توسط آمریکا در اختیار شوروی قرار گرفته بودند. راکت‌های سوخت مایع در ایالات متحده توسط پروفسور « رابرت راچ گادارد » ساخته شده و تکامل یافتند. گادارد چندین سال سعی کرد تا ایده‌های خود را به دولت امریکا قبولاند و وسایل مورد نیاز خود را تهیه کرد. گادارد با همکاری « چارلز لیندبرگ » بالاخره توانستند تعدادی راکت سوخت مایع که با بنزین و اکسیژن مایع تغذیه می‌شدند را ساخته و با موفقیت به پرواز در آورند.

تقریبا در همین زمان چند دانشمند آلمانی به رهبری « هرمان اوبرت » بر روی موتورهای سوخت مایع کار می‌کردند. این گروه توسط « ورنهر ون براوف » که بعدها اسیر شده و به امریکا منتقل شد، کمک می‌شدند. ون براون بعدها در امریکا رهبری دانشمندان امریکایی را که بر روی پروژه راکت سوخت مایع کار می‌کردند، بر عهده گرفت. در پایان جنگ جهانی دوم موشک‌های وی _ 2 که توسط براون در آلمان طراحی شده بود، به سمت انگلستان پرتاپ شده و قدرت و کفایت خود را به اثبان رساندند. امروزه انواع مختلف راکت‌ها برای مقاصد گوناگون ساخته و بکار گرفته شده‌اند.
موتور راکت با سوخت مایع
یک موتور موشک که با سوخت مایع کار می‌کند، شامل تزریق کننده ، اتاقک احتراق ، گلوگاه و شیپور می‌باشد. بخش پشتی اتاقک انفجار یا احتراق که محل تزریق سوخت است را اینجکتور یا تزریق کننده می‌نامند. لایه داخلی اتاقک احتراق دارای جداری تو خالی است که گاز خنک کننده‌ای در آن جریان دارد. شیپور در قسمت عقب دارای شکلی همگرا بوده و ایجاد گلو می‌کند و در قسمت جلو شکلی واگرا داشته و تولید دهانه بزرگ خروجی را می‌نماید. در پشت شیپور اتاقک احتراق قرار دارد. معمول‌ترین طرح شیپور ، شیپور دلاوال نام دارد. این نام از اسم دکتر « گوستاو پاتریک دلاواو » یک مهندس سوئدی بود، گرفته شده است.
پمپ مواد سوختی
معمولا پمپ مواد سوختی در هر موتور موشک شامل یک توربین گازی است که دو پمپ سانتریفوژی (گریز از مرکز) که بر روی شافت (محور) همان توربین سوار است را می‌گرداند. جنس توربین گازی و لوله سفید آن از آلیاژ نیکل است که در مقابل حرارت زیاد مقاوم می‌باشد. بدنه پمپ مواد سوختی و پروانه‌های آنها از آلیاژ آلومینیوم ساخته می‌شود تا از وزن آنها کاسته شود. ژنراتور گاز توربو پمپ شبیه به اتاقک احتراق موتور راکت است. سوخت ژنراتور گاز معمولا از منبع اصلی سوخت موشک تامین می‌شود.
سیستم اشتعال در موتورهای سوخت مایع موشک
سیستم اشتعال در راکت‌های سوخت مایع می‌تواند یک سیستم جرقه زنی الکتریکی یا یک سیستم هیپرگولیک باشد. در سیستم الکتریکی ، سوخت و اکسید کننده به صورت پودر به اتاقک احتراق تزریق شده و پس از مخلوط شدن توسط جرقه‌های الکتریکی مشتعل می‌شوند.
اینجکتورها
اینجکتورها در شکلهای مختلف طراحی شده و ساخته می‌شوند. در همه اینجکتورها سوخت و اکسید کننده به هنگام خروج به خوبی و بطور کامل با هم مخلوط می‌شوند. در بعضی از اینجکتورها سوخت و اکسید کننده پس از ورود به اتاقک با هم مخلوط می‌شوند. در این روش ذرات کوچکتر که همان گازهای حاصل از احتراق باشند، تولید می‌شوند. در روش دیگر ، سوخت و مایع اکسید کننده بر روی صفحاتی که در مقابل اینجکتور تعبیه شده‌اند، پاشیده می‌شوند. در این عمل سوخت و ماده اکسید کننده با هم مخلوط شده و مشتعل می‌شوند.
مواد سوختی مایع
مواد سوختی به مجموعه سوخت و ماده اکسید کننده اطلاق می‌شود. برای موتورهای موشک سوخت مایع انواع بسیاری سوخت و اکسید کننده وجود دارد، اما باید توجه داشت که خصوصیات این مواد با هم متفاوتند. از مواد اکسید کننده می‌توان اکسیژن مایع ، فلورین ، پراکسید هیدروژن ، اسید نیتریک سفید دود کننده و کلرین را نام برد. بعضی از ترکیبات سوختی بسیار آتش‌زا هستند. برای مثال اکسید کننده فلورین در ترکیب با آمونیاک ترکیب بسیار قابل احتراقی را تولید می‌کند.
کار با مواد سوختی مایع
تکنسین یا تعمیرکار موشک که مسئول مواد سوختی راکت است، باید بطور کامل با تکنیکهای این موضوع آشنا باشد. وی ابتدا باید با طبیعت این مواد آشنا بوده و ترکیبات و خصوصیات هر کدام را بداند. برای مثال اکسیژن مایع همیشه در دمای کم نگهداری می‌شود و در صورت تماس با ترکیبات آلی و بافتهای زنده بلافاصله آنها را منجمد می‌کند و به همین دلیل هرگز نباید اکسژن مایع با پوست تماس پیدا کند، زیرا در اثر تبخیر شدید و گرفتن مقدار زیادی از دمای پوست باعث صدمه زدن به آن می‌شود.
کاربرد موتورهای راکت
موتورهای راکت در موشک‌های نظامی مانند موشک‌های هوا به هوا (ای ای ام) ، زمین به هوا (اس ای ام) ، هوا به زمین (ای اس ام) ، زمین به زمین (اس اس ام) و غیره استفاده می‌شود. موتورهای راکت که در موشکهای رزمی بکار می‌رود هم از نوع سوخت مایع و هم از نوع سوخت جامد می‌باشد. قدرت این موتورها بین چند صد تا چند میلیون پوند متغیر است.

موشک

مقدمه
موشکهای فضایی مانند موشکهای آتش بازی عمل می‌کنند. سوخت با ماده‌ای به نام اکسنده که حاوی گاز تسریع کننده احتراق یعنی اکسیژن است، ترکیب می‌شود. آنگاه این ترکیب که یک پیشران محسوب می‌شود، می‌سوزد و گازهای داغی را تولید می‌کند، این گازها منبسط شده ، از طریق یک دماغه خارج و باعث می‌شوند موشک به طرف بالا حرکت کند. این واکنش برای اولین بار در قرن هفدهم توسط دانشمند انگلیسی ، اسحاق نیوتن ، در قانون سوم حرکتش بیان شد. او اظهار داشت که برای هر عملی (خروج گازها در اینجا) عکس العملی است مساوی و مخالف جهت آن (در اینجا ، حرکت موشک).









نیرویی که یک موشک را به طرف جلو حرکت می‌دهد، نیروی پیشران نامیده می‌شود. قدرت نیروی پیشران به سرعت خارج شدن گاز خروجی بستگی دارد. نیروی پیشران به موشک شتاب داده ، باعث افزایش سرعت آن می‌شود. مقدار شتاب نیز بستگی به جرم موشک دارد. هر چه موشک سنگینتر باشد، برای رسیدن به فضا ، به نیروی پیشران بیشتری نیاز است. تا وقتی که موتورهای موشک ، روشن و در حال تولید نیروی پیشران هستند، شتاب فضا پیما نیز هر لحظه زیادتر می‌شود.

موتور موشک یا از پیشران مایع استفاده می‌کند یا جامد ، اما بعضی اوقات ، یک موشک کامل ممکن است. در مراحل مختلف از هر دو نوع پیشران استفاده کند. کارشناسان موشکهایی را پیشنهاد کرده‌اند که از انرژی اتمی به عنوان سوخت استفاده می‌کنند، چرا که آنها از نظر مصرف انرژی بسیار مقرون به صرفه‌اند. اما ترس از خطر استفاده از سوخت اتمی مانع استفاده از این موشکها شده است.









موشکهایی با سوخت پیشران جامد
سوختهای پیشران از یک نوع سوخت و یک اکسنده تشکیل شده‌اند. برای روشن شدن موشک ، کافی است یک جرقه کوچک سوخت پیشران آنرا آتش بزند. سوخت آتش گرفته تا آخرین قطره می‌سوزد. گازهای حاصل از سوخت پیشران را از طریق دماغه انتهایی موشک خارج می‌شوند. اولین موشکها را احتمالا در قرن یازدهم میلادی در کشور چین ساخته‌اند. آنها موشکهایی بودند که از سوخت پیشران جامد استفاده می‌کردند. سوخت موشک یک نوع باروت بود که از مخلوطی از نیترات پتاسیم ، زغال چوب و سولفور تشکیل شده بود.

موشکهایی که از سوخت پیشران جامد استفاده می کنند، اغلب به عنوان موشکهای تقویت کننده‌ای استفاده می‌شوند که نیروی اولیه موشکهای بزرگتر را تأمین می‌کنند. موشکهای بزرگتر خود از سوخت پیشران مایع استفاده می‌کنند. بزرگترین موشکهای مصرف کننده سوخت جامد با 45 متر ارتفاع جزء موشکهای تقویت کننده شاتل فضایی ایالات متحده محسوب می‌شوند. آنها حاوی 586500 کیلوگرم (2/1 میلیون پوند) سوخت پیشران هستند که بطور متوسط 13 میلیون تن (5/3 میلیون پوند نیرو) نیروی پیشران را تولید می‌کنند.

این موشکها را طوری طراحی کرده‌اند که بعد از اتمام سوخت و افتادن در دریا ، از دریا بیرون کشیده شده ، دوباره برای مأموریتهای بعدی سوختگیری می‌شوند. ساخت موشکهایی که از سوخت جامد استفاده می‌کنند چندان دشوار نیست. آنها مقدار زیادی نیروی پیشران را در یک مدت زمان کم تولید می‌کنند. تنها ایراد این نوع موشکها این است که بعد از روشن شدن به راحتی خاموش نمی شوند. به عبارت دیگر ، نمی‌توان آن را به آسانی تحت کنترل درآورد.
نیروی پیش برنده
شاتل فضایی ایالات متحده از موشکهای تقویت کننده عظیم الجثه‌ای برخوردار است که از سوخت پیشران جامد استفاده می کنند. این پیشران از پر کلرات آمونیم به عنوان اکسنده و پودر آلومینیوم به عنوان سوخت تشکیل شده است.









موشکهای با سوخت مایع
اکثر موشکهایی که از آنها در پروازهای فضایی استفاده می‌شود، از سوخت پیشران مایع بهره می برند. سوخت و اکسنده که در مخزنهای جداگانه‌ای نگهداری می‌شوند، هر دو مایع هستند. پمپهای قدرتمندی آنها را به محفظه احتراق می‌برند؛ در آنجا آنها باهم ترکیب شده ، شروع به تولید گازهای خروجی می‌کنند. گازهای مذکور نیز به نوبه خود از دماغه انتهایی موشک خارج می‌شوند. بعضی از موشکها از یک ماده قابل اشتعال سریع برای شروع احتراق استفاده می‌کنند. سوخت پیشران سایر موشکها هگام ترکیب سوخت و اکسنده شروع به احتراق می‌کند.
فرآیند احتراق پیشران مایع
اکسنده و سوخت باهم ترکیب می‌شوند و در محفظه احتراق شروع به سوختن می‌کنند. سپس گازهای خروجی حاصل از فرآیند احتراق از دماغه خارج و به عنوان نیروی پیشران ، موشک را به طرف جلو حرکت می‌دهند.








مراحل مختلف یک موشک
برای سفر به فضا ، یک موشک چند مرحله‌ای مورد نیاز است. هر کدام از این مراحل یک موشک جداگانه محسوب می‌شود که هم دارای منبع سوخت است و هم موتور. بسته به وزن محموله ماهواه ، از موشکهای تقویت کننده‌ای در کنار مراحل مختلف موشک برای افزایش نیروی موتورها استفاده می‌شود. مرحله اول ، کل موشک را از زمین بلند می‌کند و به محض اتمام سوخت از بقیه موشک جدا شده، به زمین سقوط می‌کند. آنگاه موتور مرحله دوم روشن می‌شود. بخاطر وزن سبکتر موشک در این مرحله ، شتاب موشک نیز بیشتر می‌شود؛ این سیر صعودی شتاب با جدا شدن هر مرحله از موشک ادامه می‌یابد. مرحله پایانی موشک قسمت حامل ماهواره را به فضا و به طرف مقصدش حمل می کند.

ایستگاه فضایی

مقدمه
ایستگاههای فضایی به دور زمین می‌چرخند و برای هفته‌ها یا ماهها محل کار و زندگی فضانوردان هستند، ایستگاه فضایی تمام نیازهای خدمه را برآورده می‌کند تا به هنگام انجام آزمایش زنده و سالم بمانند. زباله‌های خورشیدی بزرگ برق تولید و دیواره‌ها و سپرهای مخصوص دما را مطلوب و خدمه را از تشعشع و قطعات سرگردان فضایی مصون نگه می‌دارند. بار اندازها به سفینه‌های تدارکاتی ارسالی از زمین امکان می‌دهند که محموله خود را تخلیه کنند.



در آینده شاید بتوان از ایستگاههای فضایی
به عنوان استراحتگاههای آرامش بخش
در آزاد راه فضا استفاده کرد.





اولین ایستگاه فضایی جهان سالیوت 1 در سال 1971 پرتاب شد. این اولین ایستگاه از 7 ایستگاهی بود که اتحاد جماهیر شوروی سابق در مدار زمین مستقر کرد و کیهان نوردان سفینه سایوز به استثنای سالیوت 2 در همگی آنها ساکن شدند. با گذشت زمان طول اقامت آنها از چند هفته به 6 ماه افزایش یافت، سالیوت 6 و 7 یک بار انداز اضافه داشتند تا کیهان نوردان بتوانند با خدمه دیدار کنند و سفینه تدارکاتی پروگرس بتواند آذوقه بیشتری از زمین بیاورد.
سالیوت 1
تاریخ پرتاب: آوریل 1971
اقامت در مدار: 6

اقامت کیهان نوردان: یک بار به مدت 22 روز.سه کیهان نورد به نام گرگوری دوبرفولسکی ، ویکتور پاتسایف و ولادیسلا ولکوف درخلال اقامتشان اولین پژوهشها درباره گیاه شناسی فضایی را انجام دادند. هر سه در مرحله بازگشت این مأموریت رکورد شکنشان کشته شدند. تحقیق نشان داد که شیر فلکه معیوب باعث تراکم زدایی سریع هوای کپسول سالیوت شده و کیهان نوردان درونش را خفه کرده است. برخلاف فضانوردان آپولو این خدمه لباسهای مخصوص فشار هوا نپوشیده بودند، در این صورت ممکن بود زنده بمانند. سالیوت 1 به هنگام بازگشت به جو زمین بر فراز اقیانوس آرام سوخت.
سالیوت 2
تایخ پرتاب: آوریل 1973
اقامت در مدار: 2 ماه
اقامت کیهان نوردان: بی سرنشین

ایستگاه به مجرد پرتاب قطعاتش را یکی پس از دیگری از دست داد و 2 ماه بعد که به جو زمین بازگشت سوخت.
سالیوت 3
تایخ پرتاب: ژوئن 1974
اقامت در مدار: 7 ماه
اقامت کیهان نوردان: یکبار به مدت 14 روز
آمریکا مشکوک بود که سالیوت 3 مأموریتی نظامی دارد و تدابیر شدید امنیتی پرتاب این ایستگاه این ظن را تقویت می‌نمود. گزارشهای بعدی نشان داد که 2خدمه آن ، پاول پایوویچ و یوری آریتوخین احتمالا 2 هفته اقامت خود در مدار را به نقشه برداری دقیق از تأسیسات نظامی آمریکا سپری کرده‌اند، هر چند که جزئیات این گزارشها نادرست است. سالیوت 3 ، هفت ماه بعد از پرتاب در جو زمین سوخت.
سالیوت 4
تایخ پرتاب: دسامبر 1974
اقامت در مدار:2 سال و یک ماه
اقامت کیهان نوردان: 2 اقامت ، یکی 30 روز و دیگری 63 روز

درخلال این اقامتها برنامه بلند پروازانه‌ای از آزمایشها و رصدهای خورشیدی ، سیاره‌ای و ستاره‌ای انجام شد. این ایستگاه در بازگشت منهدم شد.
سالیوت 5
تایخ پرتاب: ژوئن 1976
اقامت در مدار: 13 ماه
اقامت کیهان نوردان: 2 اقامت ، یکی 63 روز و دیگری 17 روز

خدمه سالیوت 5 مقدار آلودگی ذرات معلق در جو زمین را مطالعه نمودند و اثرات بی وزنی را بر ماهی باردار بررسی کردند. ‌آنها همچنین درباره پرورش بلور آزمایشهایی انجام دادند و با موفقیت بدون استفاده از پمپ ، ماده محرکه ایستگاه رادر فضا تعویض کردند. این ایستگاه در بازگشت سوخت.
سالیوت 6
تایخ پرتاب: سپتامبر 1977
اقامت در مدار: 4 سال
اقامت کیهان نوردان: 11 اقامت کوتاه (معمولا به مدت یک هفته) و 5 اقامت بلند (که بیشترین آن 184 روز طول کشید.) با 2 کوره مخصوص سالیوت 6 در شرایط جاذبه خفیف مواد نیمه هادی ساخته شد. گاهی اوقات خدمه می‌توانستند با سبزیجات پرورش یافته در باغچه کوچک ایستگاه به غذایشان تنوع ببخشند. سالیوت 6 در سال 1986 به هنگام بازگشت به زمین سوخت.
سالیوت 7
تایخ پرتاب: آوریل 1982
اقامت در مدار: 8 سال و 8 ماه

اقامت کیهان نوردان: سالیوت 7 به مدت 4 سال پذیرای 10 خدمه بود. طولانی‌ترین اقامت آنها 236 روز بود و در این مدت آزمایشهای مفصلی بر روی سیستم عضلات قلب انجام شد. در خلال یک راهپیمایی فضایی ، بااستفاده از دستگاه جوش ، ایستگاه تعمیر شد. سالیوت 7 به هنگام بازگشت به زمین در سال 1991 سوخت.








اسکای لاب
اولین ایستگاه فضایی آمریکا به نام اسکای لاب در 14 مه 1973 پرتاب شد، دقایقی بعد از پرتاب سپر ضد شهابواره و یکی از باله‌های خورشیدی آن بر اثر فشار هوا کنده شد. خدمه اولیه اسکای لاب خسارت وارده را به گونه ای تعمیر نمودند که این ایستگاه فضایی قابل سکونت شد. در سال بعد سه خدمه هر کدام به مدت 28 59 و 84 روز در آن اقامت کردند. اسکای لاب در سال 1979 به زمین سقوط کرد، اکثر بخشهای آن به هنگام ورود به جو منهدم شدند، ولی برخی از قطعاتش در استرالیا افتادند، خوشبختانه کسی در این سقوط آسیب ندید.

ساخت یک ایستگاه فضایی بین المللی با مشارکت آمریکا ٬ روسیه ٬ کانادا و ژاپن از سال 1997 شروع شده است. این ایستگاه موسوم به آلفا ظرف مدت 5 سال در فضا مونتاژ می‌شود. این عملیات با پرتاب یک مرکز کنترل ساخت روسیه آغاز شده است، ایستگاه آلفا علاوه بر کاربردهای علمی و تحقیقاتی توقفگاهی برای مسافرت فضایی به مریخ خواهد بود.





سفینه‌های سایوز
قبل از پیدایش ایستگاههای فضایی سفینه‌های سایوز فقط در مدار زمین می‌چرخیدند. اولین سایوز ، سایوز 1 در سوم آوریل 1967 پرتاب شد. یک ملاقات فضایی میان آن و سایوز 2 ترتیب داده شد، ولی برای سایوز 1 مشکلات فنی پیش آمد و پرتاب سایوز 2 لغو شد. در خلال بازگشت به جو زمین ، بندهای چتر سایوز 1 درهم گره خوردند. در نتیجه این سفینه به زمین اصابت کرد و ولادیمیر کوماروف فضانورد را کشت.

سفینه‌های فضایی سایوز کیهان نوردان روس را به فضا می‌برند و برمی‌گردانند، سه خدمه آن در بخش میانی سفینه که سپر حرارتی دارد مسافرت می‌کنند، زیرا به هنگام بازگشت به جو زمین باید دمای زیادی تحمل کنند. در قسمت جلو واحد مداری حامل غذا و آذوقه است، واحد تجهیزات در عقب حاوی موتور اصلی موتورهای موشکی بازگشت و تجهیزات مخابراتی و کنترل است.

نخستین فضانوردان

نگاه اجمالی
کار بر روی یک سفینه فضایی از کجا شروع می‌شود؟ این کار از تعیین وظایفی که یک سفینه باید انجام دهد آغاز می‌گردد. دامنه این وظایف ، حجم و مشخصات وسایل علمی لازم برای نصب در آن را مشخص می‌کند. نوع مأموریت و این که بطور مثال سفینه ، بسوی سیاره‌های دیگر پرواز می‌کند یا در مدرا زمین خواهد ماند، فاصله مدار آن نسبت به زمین چقدر است، آیا بعد از پایان کار ، بر اثر برخورد با جو زمین خواهد سوخت یا به زمین بر می‌گردد و سوالهایی ریزتر ، در طراحی ناو نقش دارد. آلات و ادوات علمی و تجهیزات فنی ، بار مفید هر سفینه فضایی را تشکیل می‌دهند. نصب آلات و ادوات علمی به این اهداف بستگی دارد.








همچنین نوع برنامه پیش بینی شده و مدت پرواز در گوناگونی و شکل تجهیزات نصب شده مؤثر است، بطور مثال در نوع منابع انرژی تأثیر دارد، اینکه باتریهای ذخیره انرژی در داخل آن باید نصب شود یا باتریهای خورشیدی که در بیرون ناو قرار می‌گیرند. توام کردن سبکی و استحکام نیز از نقاطی است که باید طراحان و سازندگان سفینه‌های فضائی به آن توجه داشته باشند. مصالح لازم برای ساختن سفینه فضایی بر اساس شرایط موجود در فضا انتخاب می‌شوند.

دستگاهها و تجهیزاتی که باید در ناوهای کیهانی نصب شوند، در مرحله تولید باید بر اساس مشخصات ویژه تهیه و بعد از تهیه نیز ، از نظر قدرت استحکام ، قابلیت انتقال حرارت ، ظرفیت و مقاومت در مقابل زنگ زدگی و فرسایش مورد آزمایشهای سخت قرار گیرد.
نقشه طراحی سفینه
هنگام پرواز ، اداره و هدایت سفینه فضایی بدون سرنشین با کمک ادواتی که در داخل دستگاه نصب شده و مخابره فرمان از زمین بوسیله امواج رادیوئی انجام می‌گیرد، طبیعی است تعداد فرمانهایی که از زمین مخابره می‌شوند نمی‌توانند گسترده باشند‌، به همین دلیل طراحان ، این فرامین را طوری تقسیم می‌کنند که مداخله فوری در کار شبکه‌ها و سیستمها و دستگاههای اصلی ممکن باشد.

آنچه که مربوط به وظایف تجهیزات علمی و شبکه‌ها و سیستمهای داخلی سفینه‌های فضایی است، در طرح فنی پیش بینی می‌شود که در آن هدف آزمایش ، مختصات مدار ، تعیین دقیق خط سیر ، مدت کار فعال ، محل استقرار دستگاههای علمی و میزان مصرف انرژی ، وزن و اندازه آنها و غیره با حداکثر دقت نشان داده می‌شود.

میسر ساختن ، بررسی و آزمایش دستگاه فضایی شامل چند دوره یا مرحله است. ابتدا ماکت سفینه بطور کامل تهیه می‌شود و در آن تکنولوژی ساختمان اجزا و تجهیزات مختلف مورد بررسی قرار گرفته ، درجه استحکام لازم برای دستگاههایی نظیر شبکه‌های باتری خورشیدی و چارچوبهای اصلی دستگاهها تعیین می‌گردد. همزمان با این کار ، طراح در نظر می‌گیرد که چگونه دستگاهها در جای مناسب‌تر قرار گیرند تا هنگام آزمایش و کار ، بتواند تمام آنها را به بهترین شکل کنترل کند.





طراحی عملی سفینه
از نقطه نظر مکانیزم کار‌ ، فضا با آن چه ما در زمین داریم به کلی غیرعادی است و شرایط متفاوتی بر آن حاکم است. در آنجا خلا کامل ، بی‌وزنی ، درجه حرارت فوق العاده متغیر و انواع تشعشعات وجود دارد. در جریان یک پرواز فضایی ، اجزا و قطعاتی از ناو کیهانی که در مقابل خورشید قرار می‌گیرند بیش از 100 درجه سانتیگراد حرارت می‌بیند ، همین قطعات وقتی در بخش سایه زمین در حرکتند، سرمایی را باید تحمل کنند که شدت آن تا 150 درجه زیر صفر می‌رسد.

جدار خارجی ناوهای کیهانی در فضا دائما سائیده و در نتیجه خاصیت ضد تشعشعی لایه‌های رویی سفینه فضایی بطور محسوسی کم شده ، در نتیجه جریان انتقال حرارت بین بخشهای مختلف ناو نیز دچار اختلال می‌شود و همه اینها در تعادل ناو کیهانی تأثیر منفی دارد. این در حالی است که وجود حرارت متعادل ، شرط اصلی استحکام و دوام و ثبات کار در دستگاههای داخلی سفینه بشمار می‌رود و این امر قبل از هرچیز در کار سیستم رادیو الکترونیکی که وظایف مهمی از جمله جلوگیری از ایجاد نوسان فوق العاده زیاد درجه حرارت را بر عهده دارد تأثیر منفی می‌گذارد. تأمین حرارت متعادل برای سفینه‌های سرنشیندار و ایستگاههای مداری اهمیت حیاتی دارد.

در شرایط خلا اجسام به سرعت فرسوده و سائیده می‌شوند. به همین علت باید از قبل مشخص شود که سفینه فضایی در موقع پرواز چه وضعی خواهد داشت. برای این کار باید در زمین شرایطی مشابه فضا ایجاد کرد و تأثیر آن را بر مدل ناو کیهانی و کار دستگاههای آن بطور همه جانیه بررسی نمود. همچنین تأثیر پدیده‌هایی مانند ارتعاشها و فشار شدید هنگام پرتاب به فضا و یا حرارتی که سفینه به هنگام بازگشت و ورود به قشر فشرده جو زمین باید تحمل کند، بطور مصنوعی آزمایش می‌شود و در محفظه‌های مخصوص درجه استحکام ساختمان سفینه فضایی و حداکثر فشار مجاز در طول و عرض ، بر جدار و اسکلت دستگاهها و قدرت کار هر یک از عناصر بطور جداگانه هنگام ارتعاشهای شدید مورد بررسی قرار می‌گیرد.

در آزمایشگاههای مخصوص که می‌توانند شرایطی مشابه خلا را ایجاد کنند مکانیسمهای مختلف از جمله باز شدن آنتنها و باتریهای خورشیدی و ساختمان دریچه‌ها و دستگاههای اتصال بررسی می‌شوند. در جریان آزمایش سیستمهای تنظیم حرارت ، وسایل و ادوات حساس تحت حرارت و سرمای شدید قرار می‌گیرند و چگونگی کار و عکس العملشان کنترل می‌شود.



ایستگاه فضایی میر


کنترل خودکار سفینه
دستگاههای نصب شده در سفینه فضایی باید در مدت زمانی که برای اجرای مأموریت در نظر گرفته شده ، بطور عادی بکار خود ادامه دهند. برای کسب اطمینان نسبت به کار دستگاهها ، آزمایشهای تکمیلی صورت می‌گیرد که مدت این آزمایش به مراتب بیش از مدت پیش بینی شده است. اتفاق افتاده است که بنا به دلایلی مدت پرواز افزایش یافته و لازم بوده که دستگاهها بیش از آنچه پیش بینی شده‌ بود کار کنند، لذا در طراحی و ساخت تجهیزات به این نکته نیز توجه می‌شود.

بعد از اتمام این آزمونها ، آن دستگاهها و وسایلی که تمام مراحل آزمایش را گذرانده‌اند و بکار آنها هیچ ایرادی وارد نیست، وارد مرحله بعد می‌شوند.

مرحله بعدی ، آزمایش الکتریکی دستگاهها در حال کار جمعی است. هدف از این آزمایشها بررسی ارتباط متقابل دستگاهها با یکدیگر است. در این مرحله ، شبکه‌ها و بخشهای جداگانه دستگاه فضایی روی سکوهای متحرک و شاسیهای ویژه قرار داده می‌شوند. بدین وسیله امکان دسترسی بلامانع به تمام دستگاهها و تعیین نواقص فنی دستگاهها یا تعویض آنها فراهم می‌گردد. شبکه‌ها و بخشهای مختلف با کابلهای مخصوص بهم وصل می‌شوند.

آزمایش مختلط اجزای مختلف دستگاه فضایی مهمترین مرحله آزمایش در کارخانه به حساب می‌آید. در جریان آزمایشهای پی‌ در ‌پی ، عملیاتی انجام می‌شود که نشان دهنده کار دستگاهها و ارتباط متقابل بخشهای مختلف سفینه فضایی در لحظه پرتاب ، مرحله پرواز ، رسیدن به مدار و جداشدن موشک از آن ، همچنین پرواز مستقل در مدار مورد بررسی دقیق قرار می‌گیرد.

مرکز برنامه ریزی خودکار پرواز ، بطور منظم به قسمتهای مختلف دستگاهها و تابلوی هدایت کننده فرمان می‌دهد. همچنین چگونگی اجرای کار به صورت رادیویی به موشک می‌رسد و مسائل مربوط به سیستمهای سفینه فضایی هنگام جدا شدن موشک حامل از دستگاه بررسی می‌شود.
نقش رایانه در هدایت سفینه
رایانه در حقیقت تمام مرحله پرواز و کار هریک از دستگاهها را در حین پرواز فضایی می‌بیند. در اینجا شدت حساسیت سیستمها نسبت به فرمانهای مخابره شده مشخص می‌گردد. از روی صفحه دستگاه اندازه گیری تله متریک در زمین ، مختصات اولیه دستگاهها کنترل می‌شود، کیفیت کار دستگاههای خودکار گیرنده با روش ضبط و مخابره مجدد اطلاعات مورد ارزیابی قرار می‌گیرد، قدرت دستگاههای فرستنده و مدت دوره‌های ارتباط تعیین می‌شود. البته تا موقعی که تمام دستگاه فضایی در عمل آزمایش نشود کنترل ادامه خواهد یافت.
مونتاژ قطعات سفینه
بعد از پایان آزمایشها ، دستگاهها را به بخش بسته کاری (مونتاژ) می‌فرستند. مونتاژ سفینه مستلزم دقت و توجه فوق‌العاده است. تنها یک حرکت نادرست انگشتها ، یک اشتباه کوچک در یکی از صدها سیستم اتصالی ممکن است برنامه را عقیم بگذارد یا جان فضانوردان را به خطر اندازد. بسته کاری بر اساس جدولی منظم صورت می‌گیرد. تقسیم ساختمان ناو کیهانی به بخشها و شبکه‌ها جداگانه امکان می‌دهد که کارهای بسته کاری به موازات هم و بطور مستمر انجام شود. در نتیجه جریان بسته کاری ، شکل تسلسل پیدا می‌کند و کارها در جبهه‌ای وسیع صورت می‌گیرد.

برای تأمین کار عادی دستگاهها در داخل سفینه فضایی ، باید درجه حرارت و فشار معینی وجود داشته باشد. به همین دلیل در جریان بسته کاری به عایق بندی جدار خارجی دستگاهها توجه خاصی می‌شود. برای این کار ، داخل دستگاه را با گاز رقیق و فراری پر می‌کنند تا اگر منفذی وجود داشته باشد دستگاههای حساس به این گاز که در محیط کار وجود دارد، آن منفذ را نشان دهند. بعد از آن که کاملا اطمینان حاصل شد که در جدار خارجی دستگاه هیچ منفذی نیست، گاز را تخلیه می‌کنند. همزمان با این کار اسکلت دستگاههای علمی نصب می‌شود.

آزمایشهای توأم دستگاههایی که در خود سفینه فضایی نصب شده‌اند با یک دوره بررسی دقیق در کارخانه به پایان می‌رسد. این آزمایشها بطور کلی ، تکرار برنامه کنترل قبلی است. با این تفاوت که حال دیگر نمی‌توان بسیاری از دستگاهها را بدون واسطه به ادوات اندازه گیری ، کنترل و وصل کرد. به همین دلیل کار سیستمهای دستگاه فضایی در این مرحله آزمایش بوسیله دستگاه‌های تله متریک مورد بررسی قرار می‌گیرد.

پس از پایان آزمایشهای الکترونیکی ، منابع انرژی برق که مربوط به سفینه فضایی نیستند از دستگاه فضایی جدا و ناو به همراه باتریهای اصلی و یا باتریهای خورشیدی خود ، در محفظه مخصوصی قرار داده می‌شود و به پایگاه پرتاب حمل می‌گردد. در پایگاه فضایی ، ناو کیهانی را از محفظه خارج می‌کنند و برای بازرسی تجهیزات و نصب اجزاء تکمیلی آن را روی سکوی ویژه قرار می‌دهند. شبکه‌ای از کابلها و تجهیزات مخصوص کنترل و آزمایش برای بازرسی نهایی کار دستگاههای داخلی سفینه فضایی به آن وصل می‌شوند و کار عادی دستگاهها مورد بررسی قرار می‌گیرد.
نفسها در سینه حبس می‌شود
در نهایت ، سفینه فضایی به موشک بالابرنده متصل شده ، به پایگاه پرتاب حمل شده و آخرین تدارکات انجام می‌گیرد. موشک بالا برنده روی سکوی پرتاب قرار دارد. ارتباط بین دستگاههای داخلی دستگاه فضایی و مرکز هدایت در زمین بوسیله شبکه‌های مخصوص برقرار است. توسط این شبکه ، سیستمهای مختلف از جمله وسایل مخصوص بررسی درجه حرارت و فشار هوا در داخل سفینه فضایی اداره می‌شوند. کارهای مقدماتی برای پرتاب سفینه فضایی طبق جدول دقیق ، پی در پی اجرا می‌شوند.

سیستمهای داخلی سفینه فضایی درست در لحظه پرتاب بکار می‌افتند و در این لحظه است که انتقال انرژی برق از منابع زمینی به سفینه فضایی پایان می‌یابد. سرانجام لحظه موعود ، لحظه‌ای که گروه زیادی از دانشمندان کارشناسان ، مهندسان و کارگران سازندگان بخاطر آن مدت طولانی زحمت کشیده‌اند فرا می‌رسد. فرمان پرتاب صادر و ناو کیهانی جدید رهسپار فضا می‌شود.

کاوشگر فضایی

مقدمه
کاوشگر فضایی سفینه‌ای بی سرنشین است که برای کاوش منظومه شمسی به فضا پرتاب می‌شود. کاوشگر حامل تجهیزات و دوربینهایی جهت گردآوری اطلاعات و ارسال آن به زمین بصورت علایم رادیویی است. کاوشگرها از ستاره دنباله‌دار هالی دو سیارک و کلیه سیارات بجز پلوتون دیدن نموده‌اند و به خورشید نیز نزدیک شده‌اند، معمولا آنها از کنار سیارات یا قمرهایشان می‌گذرند و یا جهت نقشه برداری از سطح آنها در مدارشان می‌گردند و یا به منظور بررسی جزئیات محیط آنها فرود می‌آیند.

هدف از ساخت کاوشگرها حمل دوربینهای تلویزیونی و ابزارهای لازم برای جمع آوری اطلاعات به فضا است. این ابزارها اطلاعات حمع آوری شده به زمین را مخابره می‌کنند. موشک پرتاب ، تنها سرعت اولیه لازم را به کاوشگرهای فضایی می‌دهد و این موتورهای خود کاوشگر هستند که به آنها اجازه تغییر جهت می‌دهند.

انرژی کاوشگرهایی که به اکتشاف بین سیاره‌ای مشغولند، بوسیله سلولهای خورشیدی تأمین می‌شود، ولی انرژی کاوشگرهایی که در قسمتهای دورتر منظومه شمسی در حال اکتشاف هستند، بوسیله مواد رادیو اکتیو تأمین می‌شود. معمولا جهت آنتنهای رادیویی بطرف زمین است، تا از یک سو تصاویر و اطلاعات را به زمین بفرستد و از سوی دیگر دستورات لازم را از مرکز هدایت زمینی دریافت کنند.
وظایف مدار پیما
کاوشگری که در مدار یک سیاره قرار می‌گیرد، می‌تواند آن را از نزدیک مشاهده کند و تصاویری از آن رانیز به زمین بفرستد. این تصاویر سطح کامل سیاره مذکور را با جزئیات به تصویر می‌کشند. کاوشگرهایی که در مدار سیاره زهره می‌چرخیدند برای نفوذ در لایه ابرهای ضخیم و نقشه برداری سطح زیر آنها از رادار استفاده می‌کردند. کاوشگرها بدلیل سالها ماندن در مدار یک سیاره ، می‌توانند تغییرات سطح سیاره مذکور را ضبط کنند.

برای مثال ، مدار پیماهای وایکینگ به مدت 4 سال در مدار مریخ باقی ماندند و توانستند طوفانهای غباری در سطح مریخ را با جزئیات ضبط کنند. اگر در یک مأموریت از سفینه فرود استفاده شود، مدار پیما می‌تواند پیامهای ارسالی سفینه فرود از سطح یک سیاره یا قمر را گرفته و به زمین مخابره کند. پیامها در زمین بوسیله رایانه‌های مرکز هدایت تجزیه و تحلیل می‌شوند.

وظیف سفینه فرود
کاوشگرهای فرود به جمع آوری نمونه‌های خاکی و سنگی در سطح سیاره می‌پردازند. دانشمندان نمونه‌ها را از نظر ساختار شیمیایی مورد تجزیه قرار می‌دهند تا عناصر تشکیل دهنده آنها را کشف کنند. البته می‌توان این نمونه‌ها را به زمین آورد و در اینجا به مطالعه آنهاپرداخت. کاوشگرهای وایکینگ که در سال 1976 میلادی در سیاره مریخ فرود آمدند، آزمایشگاههای خود را به ابزار خودکار مجهز کرده بودند. این ابزار خاک را برای یافتن نشانه‌های حساس آزمایش می‌کردند. آنها همچنین هوای سیاره مریخ را مورد مطالعه قرار دادند. از دیگر کارهای آنها می‌توان به فرستادن تصاویر دقیق محلهای فرود در سیاره مریخ به زمین اشاره کرد.

می‌توان بقایای کاوشگرهایی که در سطح سیارات فرود آمده یا متلاشی شده‌اند را در مریخ ، زهره و ماه یافت. اکنون چهار کاوشگر فضایی سیارات منظومه شمسی را ترک کرده بسوی ستارگان دیگر رهسپارند.
مشخصات و وظایف کاوشگرها
اولین کاوشگری که از محدود منظومه شمسی خارج شد٬ پایونیر 10 بود که در 13 ژوئن 1983میلادی از مدار نپتون گذشت. این کاوشگر رهسپار ستاره راس 248 در صورت فلکی ثور است و انتظار می‌رود تا سال 2000 میلادی با زمین در ارتباط باشد. پایونیر 11 در جهت مخالف پایونیر 10 از منظومه شمسی خارج می‌شود.

ویجر 1 و 2 نیز تقریبا تا سال 2010 میلادی اطلاعاتی در مورد میدان انرژی خورشید مخابره خواهند کرد. انتظار می‌رفت کاوشگر گالیله که در سال 1989 میلادی پرتاب شده ٬ تا دسامبر 1997 میلادی اطلاعاتی درباره مشتری و چهار قمر بزرگ و درخشانش یعنی گانیمید ٬ کالیستو ٬ ‌آیو و اروپا به زمین مخابره کند. جوتو که فعالیتش بعد از ملاقات با ستاره دنباله‌دار هالی در سال 1986 میلادی متوقف شده بود٬ مجدداْ در سال 1992 میلادی برای رویارویی با ستاره دنباله دار گریگ - اسکیلرآپ بکار انداخته شد. بعدا به وضعیت سکون بازگردانده شد٬ ولی می‌توان در آینده آنرا فعال نمود.

مارینر 10 در سال 1973 میلادی برای مطالعه زهره ، عطارد پرتاب شد که هنوز به دور خورشید می‌چرخد ولی تماس با این کاوشگر در سال 1975 میلادی قطع شد. ماژلان که در سال 1989میلادی برای نقشه برداری از زهره با کمک رادار پرتاب شد٬ شش بار این سیاره را بررسی کرد و سپس در مدار پایینتری مستقر شد. در 12 اکتبر 1994 میلادی ماژلان به درون جو زهره فرو رفت و منهدم شد.

پایونیر 10 که در مارس 1972 میلادی پرتاب شده ٬ بسوی ستاره‌ای به نام راس 248 در صورت فلکی ثور حرکت می‌کند و 33 هزار سال دیگر به آن می‌رسد. پایونیر 11 ٬ که در آوریل 1973 میلادی پرتاب شد٬ اکنون در مسیر ستاره لاندا عقاب در صورت فلکی عقاب حرکت می‌کند و طی مدت تقریبا 74 میلیون سال از آن می‌گذرد. در سپتامبر 1995 میلادی ناسا سرانجام تماس با پایونیر 11 را متوقف کرد، زیرا نیروی کاوشگر برای اداره تجهیزاتش و انتقال اطلاعات ضعیف بود.

ویجر 1 که در سپتامبر 1977 پرتاب شد٬ بسوی ستاره‌ای به نام 3888 79 + AC در صورت فلکی زرافه در حرکت است و 40 هزار سال طول می‌کشد تا ویجر 2 که در اوت 1977 پرتاب شده به ستاره شعرای یمانی در صورت فلکی دب اکبر برسد. انتظار می‌رود کاوشگر اولیسه که در سپتامبر 1995 میلادی سفرش را از زیر قطب جنوبی خورشید به بالای قطب شمالی آن تکمیل کرد، در سال 2000 میلادی به قطبهای خورشید باز گردد.

کاوشگرهای وایکینگ 1 و 2 که در سال 1976میلادی به مریخ رسیدند٬‌ در اواسط دهه 1980 میلادی به فعالیت خود خاتمه دادند و در مدار بالاتری مستقر شدند. آنها همچنان تا دهه اول یا دوم قرن بیست و یکم در مدار مریخ می‌چرخند و سپس به این سیاره سرخ اصابت می‌نمایند. خاک نشین وایکینگ 2 فقط چهار سال کار کرد. هر دو کاوشگر وایکینگ استرلیزه شده بودند تا مبادا مریخ را آلوده کنند.

موتور پلاسما برای فضاپیما

مقدمه
پس از گذشت تقریبا نیم سده از پرتاب نخستین موشک به فضا ، فناوریهای بکار رفته در ساخت موتورهای موشک ، دست خوش دگرگونیهایی گشته است. موتورهای سوخت مایع و سوخت جامد از این جمله هستند. در حال حاضر جدیدترین فناوری بکار رفته در ساخت موتور موشک ، موتور یونی است که از حالت چهارم ماده ، یعنی پلاسما بهره می‌برد. جالب است بدانید که ایده‌ پیشرانش الکتریکی از همان ابتدا توسط وارنرفن براون در دهه 1930 شکل گرفت؛ ولی او کارش را با سامانه‌های پیشران شیمیایی آغاز کرد.

موشکهای مرسوم همان موشکهایی هستند که وقتی به صحنه پرتاب شاتل فضایی یا مأموریت آپولو فکر می‌کنید در ذهنتان نقش می‌بندد. دود شعله بسیار بسیار عظیمی از گازها بر می‌خیزد. موشکهای مرسوم مقادیر بسیار عظیمی نیروی پرتاب تولید می‌کنند تا اجسام را در فضا قرار دهند و مانند هواپیمای جت ، آتش بازی و یا بادکنک رها شده ، از پدیده‌ای موسوم به پیشرانش استفاده می‌کنند. در اصل موشک به دلیل خروج مواد با فشار زیاد همچون گازهای داغ از عقب آن ، به سمت جلو حرکت می‌کند. گازها از سوختن در مجاورت اکسیژن یا ماده دیگری به نام اکسید کننده شکل می‌گیرند. یون ، یک اتم یا مولکول باردار است. علت باردار بودن ، آن است که تعداد الکترونها در اتم یا مولکول با تعداد پروتونها برابر نیست.

پیشران چیست؟
اساس کار موشکها قانون سوم نیوتن است: هر کنشی ، واکنشی برابر و در جهت مخالف دارد. برای اینکه موشکها به سمت جلو خیز بردارند، باید چیزی به سمت عقب خیز بردارد. آن چیز پیشران است. پیشران ماده‌ای است که از عقب راکت فضاپیما با فشار خارج می‌شود و باعث رانش به سمت جلو یا نیروی پرتاب می‌شود. غالبا پیشران نوعی سوخت است که با یک اکسید کننده می‌سوزد تا حجم زیادی از گازهای بسیار داغ تولید کند. این گازها منبسط می‌شوند؛ تا جایی که با شدت از عقب موشک خارج شوند و نیروی پرتاب یا پیشرانش تولید کنند.

گاهی اوقات پیشران نمی‌سوزد، و بطور مستقیم از فضاپیما خارج می‌شود و تولید نیروی پرتاب یا پیشرانش می‌کند. در رانش یونی ، پیشران از اتمهای باردار الکتریکی ساخته شده است که بر اساس خاصیت مغناطیسی از عقب فضاپیما خارج می‌شوند. برای پیشرانه‌های کوچکتر ، یک گاز متراکم از عقب فضاپیما خارج می‌شود.
یون چیست و اتمها چگونه باردار می‌شوند؟
یون یک اتم یا مولکول باردار است. علت باردار یون آن است که تعداد الکترونها در اتم یا مولکول با تعداد پروتونها برابر نیست. یک اتم می‌تواند بسته به اینکه تعداد الکترونها بیشتر یا کمتر از تعداد پروتونها باشد، بار منفی یا مثبت بدست آورد. وقتی که یک اتم توسط اتمی دیگر جذب شود، چون تعداد الکترونها و پروتونهای آن برابر نیست، به آن "یون" گفته می‌شود. اگر اتم الکترونهای بیشتری نسبت به پروتون داشته باشد، یون منفی یا آنیون خوانده می‌شود.

یک اتم باردار الکترون اضافی یا کمبود الکترون دارد. در سامانه دی اس 1 اتمها تا زمانی که بسیتر پر انرژی و ناپایدار شوند، گرما می‌بینند. سپس با الکترونهایی که توسط یک اشعه کاتدی در محفظه پیشران تخلیه شده‌اند برخورد می‌کنند. وقتی که الکترونها در محفظه پیشران با اتمها برخورد می‌کنند باعث می‌شوند که تعدادی از الکترونهای موجود در اتم از آن جدا شوند. این توده بسیار گرم و باردار اتم همراه با الکترونهای مجزا تبدیل به پلاسما می‌شود.

پلاسما چیست؟
پلاسما به عنوان چهارمین حالت ماده شناخته می‌شوند. سه نوع دیگر جامد ، مایع و گاز هستند. پلاسما ابری از پروتون ، نوترون و الکترون است که در آن الکترونها از مولکولها و اتمهای خودشان جدا شده‌اند و به پلاسما این امکان را می‌دهند که بیشتر مانند هر سه آنها (پروتون ، نوترون و الکترون) رفتار کند تا مثل توده‌ای از اتمها ، پلاسما بیشتر شبیه گاز است؛ زیرا اتمها با یکدیگر رابطه مشخصی ندارند، اما متفاوت از یک گاز رفتار می‌کند. به گفته دانشمندان پلاسما دارای رفتار جداگانه است. یعنی می‌تواند مانند یک مایع جاری شود و یا اینکه می‌تواند ناحیه‌ای را اشغال کند که در آن اتمها مانند آجرهایی به یکدیگر چسبیده‌اند.
یونها چگونه شتاب می‌گیرند؟
یونها رفتار مغناطیسی دارند. مانند یک آهنربا جذب چیزهایی با بار مخالف می‌شوند و از چیزهایی که بار مواق دارند دفع می‌شوند. سامانه الکتریکی پیشرانش یونی در دی اس 1 از این اصل جهت شتاب دادن به یونها بهره می‌برد. یک یون مثبت به سمت یک شیء با بار منفی شتاب می‌گیرد و از شیء با بار مثبت دور می‌شود. مقدار نیروی جاذبه و دافعه بستگی به اختلاف بار اشیای جذب شونده و دفع شونده دارد. هر چه این اختلاف -که اختلاف پتانسیل خوانده می‌شود- بیشتر باشد، یونها سریعتر حرکت می‌کنند و هر چه شیء بار بیشتری داشته باشد، یون سعی می‌کند سریعتر به سمت آن حرکت کند.
پیشرانش الکتریکی خورشیدی یا پسرانش یونی
پیشرانش الکتریکی خورشیدی از خاصیت الکتریسیته و مغناطیس جهت راندن یک سفینه در فضا بهره می‌برد. الکتریسیته از صفحه‌های خورشیدی سفینه حاصل می‌شود و به اتمهای داخل محفظه ، بار الکتریکی مثبت می‌دهد. این اتمهای باردار توسط میدان مغناطیسی به سمت عقب سفینه رانده و سپس توسط دافعه مغناطیسی به خارج از سفینه پرتاب می‌شوند. این مانند اتفاقی است که وقتی شما دو قطب هم نام دو آهنربا را نزدیک یکدیگر می‌کنید رخ می‌دهد؛ آنها همدیگر را دفع می‌کنند. این رگبار منظم خارج شونده از سفینه ، نیروی پرتاب لازم برای حرکت به جلوی سفینه را در فضا ایجاد می‌کند.

هر وسیله برای حرکت باید سوخت حمل کند، موتورهای یونی روشی ارائه می‌کنند که در آن سفینه‌های فضایی برای حرکت در فضا ، بر خلاف موشکهای مرسوم نیازی به حمل مقادیر زیاد سوخت ندارند. این روش مزایای زیادی دارد. یکی اینکه هر چه سفینه سوخت کمتری حمل کند، سبکتر خواهد بود و راحت‌تر به فضا می‌رود. مزیت دیگر این است که چون سفینه به سوخت کمتری نیاز دارد، خیلی زود سوختش تمام نمی‌شود تا از کار بیفتد. بیشتر انرژی داخل موشک یونی توسط الکتریسیته تأمین می‌شود که می‌تواند توسط صفحه‌های خورشیدی در حین پروار تولید شود.

تفاوت موتور یونی با موتورهای مرسوم
هر دو نوع موتور ، سفینه را توسط تولید نیروی پرتاب به جلو می‌رانند. این نیروی پرتاب توسط ماده ای پیشران که از عقب سفینه خارج می شود به وجود می آید. موتورهای یونی با موتورهای شیمیایی (موتورهایی که با سوخت مایع یا جامد کار می کمنند)، در چگونکی تولید نیروی پرتاب و به دست آوردن انرژی متفاوتند. موتورهای شیمیایی توسط مخلوط سوخت با یک ماده ی اکسید کننده کار می کنند. این کار باعث می شود که گاز منبسط شود و با فشار از عقب موتور خارج شود و نیروی پرتاب تولید کند.

موتورهای شیمیایی موتورهایی با جرم محدود هستند. به این معنی که مقدار توان و نیرویی که یک موتور شیمیایی تولید می‌کند، بستگی به این دارد که موشک چه مقدار سوخت و مواد اکسید کننده بتواند حمل کند. وقتی ماده پیشران تمام شود، موشک نمی‌تواند سریعتر حرکت کند. با وجود این ، موتورهای یونی متفاوت از موتورهای شیمیایی کار می‌کنند. موتورهای یونی به مقدار بسیار کوچک گاز شتابی اعمال می‌کند که با سرعت بسیار بالایی خارج شوند. برعکس ، موتورهای شیمیایی مقدارهای فراوان گاز را با سرعت کمتری به بیرون می‌رانند.

این به آن معنی است که موتورهای یونی سوخت بسیار کمتری استفاده می‌کنند. موتورهای یونی ، موتورهایی با انرژی محدود هستند؛ نه با جرم محدود. بنابراین تمام شدن گاز مسأله‌ای زیاد مهمی برای آنها به حساب نمی‌آید. محدودیتی که برای موتورهای یونی وجود دارد این است که بطور معمول ، تمام برق صرف تغذیه موتور یونی می‌شود. موتورهای یونی محدود به این هستند که یک موشک چه مقدار انرژی یا برق می‌تواند حمل کند، یا اینکه صفحه‌های خورشیدی آن چه مقدار انرژی می‌توانند جمع آوری کنند.

ضربه ویژه
ضربه ویژه به معنی تغییرات اندازه حرکت بر واحد جرم برای سوخت موشک است. به عبارت دیگر زمانی که سوخت استفاده شود، میزان فشار جلو برنده چه قدر است. سرعت یک موشک در مقایسه با وزنش به نیروی پرتاب بستگی دارد که تقریبا مقدار ماده پیشرانی است که از عقب موشک با سرعت خارج می‌شود. هر چه سرعت خروج پیشران از عقب موشک بیشتر باشد، موشک با سرعت بیشتری حرکت می‌کند یا بار بیشتری را می‌تواند حمل کند. ضربه ویژه پیشران موشک ، میزان تقریبی سرعت پیشرانی است که از عقب موشک به بیرون می‌جهد.

موشکی با ضربه ویژه زیاد ، نسبت به موشکی با ضربه ویژه کم ، به سوخت کمتری احتیاج دارد. هر چه ضربه ویژه زیادتر باشد به ازای مقدار سوختی که به بیرون می‌جهد، فشار بیشتری تولید می‌شود. یا به بیانی دیگر ، ضربه ویژه مشخص می‌کند که چه مقدار سوخت باید مصرف شود تا فشار مناسبی بدست آید.
عاقبت یونها پس از ترک فضاپیما
شلیک یونهای مثبت به بیرون از عقب فضاپیما ، آن را به جلو حرکت می‌دهد. در همین زمان پرتویی از الکترون با بار منفی از یک خنثی کننده کاتدی به بیرون شلیک می‌شود. چون بارهای مثبت و موتورهای گاز سرد از نظر قابلیت کنترل شبیه به سوخت مایع ، اما سبکتر و ساده‌تر هستند. این موتورها در اصل مخزنهای فشار بالایی هستند که بین حالت باز و بسته تغییر وضعیت می‌دهند. عملکرد آنها کمی شبیه اسپری رنگ است، زمانی که در یچه آن باز است، مواد تحت فشار داخل آن به بیرون می‌جهند.

موتورهای یونی با موتورهای سوخت جامد و سوخت مایع تفاوت دارند. آنها موتورهایی با نیروی پرتاب پایین محسوب می‌شوند که می‌توانند برای مدتهای بسیار طولانی کار کنند. عمر موشکهای شیمیایی بطور معمول از چند ثانیه تا چند روز است، در حالی که طول عمر موتورهای یونی در هر کجا می‌تواند از چند روز تا چند ماه متغیر باشد.
پیشرانه یون زنون
یک موتور از همان اصل مرسوم کنش و واکنش استفاده می‌کند، اما نوآوری بزرگی که صورت گرفته ، بازده بالای آن است. گاز زنون که از هلیوم یا نئون سنگینتر است، به داخل موتور یونی جریان پیدا می‌کند و در آن جا باردار می‌شود و اتمهایش تبدیل به یون می‌گردند. به محض انجام این عمل ، یونهای زنون در معرض یک ولتاژ الکتریکی قرار می‌گیرند. با برقدار شدن یک جفت میله در حدود 1300 ولت که در داخل موتور تعبیه شده‌اند، یونها به بیرون پرتاب شدند، نیرویی در جهت عکس حرکت خود به موتور وارد می‌کنند و باعث راندن آن به جلو می‌شوند.

یونهای زنون با سرعت 35 کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند. این سرعت 10 برابر سرعت گازهای خروجی از موتور موشکهای مرسوم است، بنابراین موتورهای یونی می‌توانند تا 10 برابر بیشتر فشار تولید کنند. بکار گیری موتورهای یونی به دلیل نیاز کمتر به سوخت ، راهی برای انجام مأموریتهای مهیج و بلند پروازانه در پهنه بی‌کران منظومه شمسی و فضا به حساب می‌آید. موتورهای یونی در هر لحظه مقدار بسیار کمی گاز زنون مصرف می‌کنند. به آن معنی که نیروی پرتاب بسیار کمی تولید می‌شود.

اگر یک ورق کاغذ بر روی دستتان قرار دهید، همان فشاری را حس خواهید کرد که موتور یونی آن فشار را برای راندن یک فضاپیما تولید می‌کند. تقریبا چهار روز یا بیشتر طول می‌کشد تا تنها یک کیلوگرم زنون به مصرف برسد. دی اس 1 با مصرف کمتر از 74 کیلوگرم زنون سرعتی در حدود ¾ کیلومتر بر ثانیه پیدا می‌کند. این مقدار در میان سایر موشکها یک رکورد محسوب می‌شود. دی اس 1 می‌تواند سرعت بیشتر از این هم بدست آورد؛ ولی مأموریت آن این نیست که تندتر و تندتر برود. بنابراین از بیشینه سرعت خود استفاده نمی‌کند. کارکرد آن 678 روز است؛ یعنی بسیار طولانی‌تر از هر سامانه موشکی دیگر. پروژه داون در هر دوی این موارد یعنی سرعت و ماندگاری می‌تواند از دیگر سامانه‌ها پیشی بگیرد. در آینده سرعت و ماندگاری موتورهای یونی بیشتر هم خواهد شد.