چگونه موشک‌ها کار می‌کنند: تکنولوژی موتور و مکانیک پرتاب فضایی توضیح داده شده

هر پرتاب مداری، از یک وسیله پرتاب سنگین دولتی گرفته تا یک سفر تجاری ماهواره، به همان فیزیک پایه‌ای که بیش از یک قرن پیش توضیح داده شد، وابستگی دارد. درک اینکه موتور موشک چگونه دفع ایجاد می‌کند، چرا وسایل پرتاب به مراحل تقسیم می‌شوند، و چه چیز رسیدن به مدار را از فرار کامل از زمین متمایز می‌کند، کمک می‌کند تا بفهمیم چرا فناوری موشک‌ها یکی از سخت‌ترین مسائل مهندسی باقی مانده است.

فیزیک پشت هر پرتاب

طبق مرکز تحقیقات Glenn در NASA، دفع موشک طبق قانون سوم حرکت نیوتن تولید می‌شود: موتور گاز احتراقی را در یک جهت تسریع می‌دهد، و یک نیروی برابر و معکوس موشک را در جهت دیگر هل می‌دهد. سوخت و اکسیدکننده درون اتاق احتراق مخلوط و نشتابند، و گازی داغ با فشار بالا تولید می‌شود که از طریق یک نازل برای تسریع جریان اخراج می‌شود.

منابع NASA Glenn Research Center بیان می‌کنند که دفع حاصل به سه عامل بستگی دارد: نرخ جریان جرم احتراقی، سرعت خروج آن، و فشار در خروجی نازل، که به صورت F = ṁVe + Ae(pe − p0) بیان می‌شود. باریک‌ترین نقطه نازل، گلوی نازل نام دارد، جایی است که احتراقی به سرعت صوت می‌رسد، که نرخ جریان جرم را تعیین می‌کند؛ نسبت بین گلو و خروجی سرعت خروج و فشار را تعیین می‌کند.

همان منابع NASA دلیل اصلی را بیان می‌کنند که موشک‌ها کجا کار می‌کنند اما موتورهای جت نمی‌توانند: موتورهای توربین و پروانه‌ها به هوای اتمسفری به عنوان سیال کاری خود متکی هستند، اما موشک اکسیدکننده خود را حمل می‌کند و بنابراین می‌تواند دفع را در خلأ فضا ایجاد کند.

موتورهای سوخت مایع و سوخت جامد

مرکز تحقیقات Glenn در NASA دو خانواده اصلی موتور را توضیح می‌دهد. در موتور موشک سوخت مایع، سوخت و اکسیدکننده به طور جداگانه به عنوان مایعات ذخیره می‌شوند و به اتاق احتراق پمپ می‌شوند، که امکان تنظیم، متوقف کردن و گاهی اوقات دوباره راه‌اندازی احتراق را فراهم می‌کند. در یک موشک سوخت جامد، مواد پیشران قبلاً مخلوط شده و در یک سیلندر جامد فشرده شده‌اند؛ پس از روشن شدن، موتور جامد را نمی‌توان بدون تخریب پوسته خاموش کرد.

توضیح 'How Things Fly' از موزه ملی هوا و فضای Smithsonian بیان می‌کند که سوخت جامد اغلب برای اولین پرتاب موشک ترجیح داده می‌شود زیرا به طور منظم می‌سوزد و از نظر مکانیکی ساده و پایدار است، در حالی که سوخت مایع دفعی را فراهم می‌کند که می‌تواند در طول پرواز تنظیم و کنترل شود، که برای مراحل بعدی‌تر و دقیق‌تر پرواز بهتر است.

چرا موشک‌ها در مراحل ساخته می‌شوند

رابطه بین توانایی سرعت موشک و جرم آن توسط معادله موشک تسیولکوفسکی حاکم است، که برای اولین بار در سال 1903 منتشر شد. همان‌طور که The Planetary Society خلاصه می‌کند، کل تغییر سرعت (دلتا-وی) که موشک می‌تواند به دست آورد برابر است با سرعت احتراقی ضرب‌شده در لگاریتم طبیعی نسبت جرم — جرم اولیه سوخت‌شده تقسیم بر جرم نهایی خالی.

چون این رابطه لگاریتمی است، The Planetary Society اشاره می‌کند که هنگامی که نسبت سرعت مطلوب از تقریباً سه یا چهار تجاوز کند، میزان جرم اضافی مورد نیاز برای هر افزایش سرعت اضافی شدت‌تر می‌شود. سوخت اضافی خود باید تسریع شود، بنابراین بهره‌های سرعت از نظر جرم بصورت غیرتناسبی مهم‌تر می‌شوند.

تقسیم مراحل بخشی از این مشکل را حل می‌کند. طبق توضیح Smithsonian، هنگامی که یک مرحله سوخت خود را تمام کند، ساختار و موتور آن دیگر دفع مفید فراهم نمی‌کنند و در عوض وزنی اضافی می‌شوند که موشک را کند می‌کند، بنابراین وسایل پرتاب هر مرحله تمام‌شده را از بین می‌برند تا قبل از روشن شدن موتور بعدی، موشک باقی‌مانده سبک‌تر شود.

مدار در مقابل فرار کامل از زمین

رسیدن به مدار یک چیز نیست و ترک جاذبه زمین به طور کامل. خدمات اخبار Georgia Tech سرعت فرار زمین — حداقل سرعت لازم برای پیمودن دور از سیاره به طور دائمی بدون پیش‌رانش بیشتر — را 25,020 مایل در ساعت یا تقریباً 40,000 کیلومتر در ساعت می‌دهد.

ماهواره‌ها و فضاپیمای انسان‌دار در مدار پایین زمین بسیار سریع‌تر از این رقم حرکت نمی‌کنند. Georgia Tech توضیح می‌دهد که اجسام مداری با حرکت جانبی پرتاب می‌شوند، بنابراین همان‌طور که جاذبه آنها را به سمت زمین می‌کشد، حرکت جلویی آنها آنها را از سیاره برتر می‌برد و نه درون آن، و اجازه می‌دهد که آنها به طور پیوسته به دور زمین سقوط کنند نه در آن. این است که چرا، همان‌طور که منابع اشاره می‌کند، هزاران ماهواره با موفقیت با سرعتی بسیار کمتر از سرعت فرار کامل مدار می‌زنند.

قابل‌استفاده‌بودن مجدد: نمونه Falcon 9

وسایل پرتاب مدرن به طور فزاینده‌ای سعی می‌کنند تجهیزات را بازیابی و دوباره پرواز دهند تا اینکه آنها را دور ریختند. طبق ورودی Wikipedia درباره Falcon 9، که توسط SpaceX راه‌اندازی می‌شود، مرحله اول وسیله توسط نه موتور Merlin 1D که اکسیژن مایع و کروسین RP-1 را می‌سوزند، در تنظیمی که شرکت Octaweb می‌نامد، قدرت می‌یابد.

همان منابع بیان می‌کند که پس از جدا‌شدن از مرحله بالایی، مرحله اول از بالهای شبکه‌ای که پس از جدایی برای کنترل دینامیک سیال استقرار می‌یابند، همراه با چهار پای فرود قابل تمدید، برای فرود بر روی خشکی یا بر روی یک کشتی پهپاد خودکار دریایی استفاده می‌کند. از 13 اکتبر 2026، طبق ورودی، بوسترهای فردی Falcon 9 تا 37 بار پرواز کرده بودند.