نحوه کار کردن راکت‌ها: رانش، سیستم‌های تحریک و مکانیک مدار توضیح داده شده

هر بار که راکت پرتاب می‌شود - چه Falcon 9 سرنشین‌دار، چه پرتاب‌کننده Ariane اروپایی یا چه راکت کوچکی برای پرتاب ماهواره مراقبت زمین - از همان اصول فیزیک اساسی استفاده می‌کند که مهندسان از آغاز قرن بیستم استفاده کرده‌اند. علاقه عمومی به این پرتاب‌ها در سراسر سال بالا می‌ماند، اما مکانیک زیربنایی رانش، تحریک و مدار اغلب نادیده گرفته می‌شود. سازمان‌هایی از جمله NASA و European Space Agency (ESA) توضیحات تفصیلی منتشر می‌کنند که راکت‌ها واقعاً چگونه کار می‌کنند؛ این مقاله بر اساس آن مواد است.

تولید رانش: قانون سوم نیوتن در عمل

به گفته NASA's Glenn Research Center، موتور راکت سوخت ذخیره‌شده را به همراه کننده اکسیدکننده ذخیره‌شده در داخل اتاق احتراق می‌سوزاند و گاز احتراق داغ و فشار بالا تولید می‌کند. سپس این گاز از طریق نازل فشار داده می‌شود که آن را قبل از خروج از وسیله نقلیه تسریع می‌دهد. NASA به وضوح بیان می‌کند که "رانش طبق قانون سوم حرکت نیوتن تولید می‌شود": گاز در یک جهت از نازل رانده می‌شود و راکت به همان میزان در جهت مخالف رانده می‌شود. ESA همین مکانیسم را برای خوانندگان جوان‌تر با استفاده از تشبیه بادکنک توضیح می‌دهد - هوایی که از گلو بادکنک به یک جهت خارج می‌شود باعث می‌شود بادکنک به جهت دیگری حرکت کند.

معادله رانش NASA این را به صورت عددی به صورت F = ṁVe + Ae(pe − p0) بیان می‌کند، جایی که ṁ معدل جریان جرم گاز احتراق از طریق موتور است، Ve سرعت خروج گاز احتراق است، Ae مساحت خروج نازل است، pe فشار در خروج نازل است و p0 فشار اطراف (جریان آزاد) است. در عمل، میزان رانشی که راکت تولید می‌کند عمدتاً به این بستگی دارد که چه میزان جرم گاز احتراق در ثانیه خارج می‌شود و این گاز احتراق چه سرعتی در هنگام خروج از نازل دارد.

چرا راکت‌ها در خلاء فضا کار می‌کنند

موتورهای جت و ملخ‌ها به کشش هوای اطراف متکی هستند، به این معنی که زمانی که وسیله نقلیه جو را ترک می‌کند کار نمی‌کنند. راکت‌ها از این محدودیت جلوگیری می‌کنند زیرا، همانطور که NASA یادآوری می‌کند، کننده اکسیدکننده خود را در داخل حمل می‌کنند تا به جای وابستگی به اکسیژن جو. از آنجایی که هیچ هوای خارجی در واکنش دخیل نیست، معادله رانش هیچ اصطلاح "جریان آزاد" هوا ندارد - این نیز دلیل این است که، همانطور که NASA بیان می‌کند، راکت می‌تواند رانش را در خلائی ایجاد کند جایی که هیچ منبع اکسیژن دیگری وجود ندارد.

رانش خاص: اندازه‌گیری کارایی موتور

مهندسان موتورهای راکت را با استفاده از عددی به نام رانش خاص یا Isp مقایسه می‌کنند. NASA's Glenn Research Center آن را به عنوان رانش تقسیم بر معدل جریان وزن سوخت مصرف‌شده تعریف می‌کند که از طریق فرمول Isp = F/(ṁ·g0) بیان می‌شود، جایی که g0 شتاب جاذبه استاندارد (9.8 m/s² یا 32.2 ft/s²) است. NASA توضیح می‌دهد که موتوری با رانش خاص بالاتر کارآمدتر است زیرا برای همان مقدار سوخت سوخته شده رانش بیشتری تولید می‌کند - Isp را معادل مصرف سوخت در تحریک راکتی می‌کند.

راکت‌های چند مرحله‌ای: خلاص شدن از وزن مرده

بیشتر وسایل پرتاب‌کننده در دو یا سه مرحله ساخته می‌شوند. ESA توضیح می‌دهد که زمانی که یک مرحله تمام سوخت خود را می‌سوزاند، آن را جدا کرده و رها می‌کنند، زیرا حمل مخزن خالی و تجهیزات موتور تصرف‌شده بیشتر سوخت مورد نیاز برای تسریع بقیه وسیله نقلیه را هدر می‌دهد. پرتاب‌کننده‌های بزرگ راکت‌های تقویت‌کننده سوخت جامد یا مایع را به مرحله اول نیز متصل می‌کنند تا رانش اضافی در هنگام پرتاب؛ این تقویت‌کننده‌ها نیز پس از مصرف رها می‌شوند. ESA یادآوری می‌کند که فضاپیما برای ورود به مدار باید به حدود 28,000 km/h برسند، سرعتی که چند مرحله‌ای با کاهش مداوم وزن وسیله نقلیه در حین صعود به دست آوردن را کمک می‌کند.

تحریک شیمیایی در مقابل تحریک الکتریکی

هر سیستم تحریک برای پرتاب وسیله نقلیه از زمین طراحی نشده است. موتورهای شیمیایی - سوزاندن سوخت و کننده اکسیدکننده با هم، همانطور که در بالا توضیح داده شد - تنها راه عملی برای بیرون‌آمدن راکت از جو زمین باقی می‌مانند. برای مانور بار دیگر در فضا، اما سازمان‌ها به طور فزاینده‌ای از تحریک الکتریکی استفاده می‌کنند. NASA سیستم‌هایی را توضیح می‌دهد که الکتریسیته استفاده می‌کنند، توسط آرایه‌های خورشیدی یا راکتور هسته‌ای تولید می‌شود، برای یونیزاسیون گازی مانند زنون یا کریپتون و تسریع یون‌های حاصل خارج از دافع با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی.

مأموریت NASA's Dawn این معامله را نشان می‌دهد: از تحریک الکتریکی برای صرف حدود پنج سال برای رسیدن به کمربند سیارک‌ها قبل از مانور بین اجرام Vesta و Ceres استفاده کرد - شتاب آهسته و ثابت که غیرممکن است با سوزش کوتاه و قدرتمند موتورهای شیمیایی به دست آید، اما برای مأموریت‌های طولانی کارآمد است. ESA همین نکته را در مورد سکوی ماه SMART-1 خود و مأموریت جاری BepiColombo به عطارد ایجاد می‌کند، هر دو بر موتورهای یونی متکی هستند که، به گفته ESA، "می‌توانند برای ماه‌ها یا حتی سال‌ها بر آرامی فشار دهند" تنها با استفاده از تأمین سوخت کوچک و برخی کیلووات برق از پانل‌های خورشیدی.

رسیدن و ماندن در مدار

رسیدن به فضا و ماندن در آنجا دو مسئله مختلف هستند. U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) توضیح می‌دهد که ماهواره زمانی در مدار می‌ماند که تکانه رو به جلو آن با کشش گرانشی زمین متعادل باشد: گرانش مسیر ماهواره را به سمت زمین خم می‌کند، در حالی که سرعت جانبی آن به حرکت رو به جلو ادامه می‌دهد، بنابراین دو اثر در یک مسیر دایره‌ای یا بیضی‌شکل ترکیب می‌شوند تا آن را به جای سقوط مستقیم نگاه دارند. اگر ماهواره برای ارتفاع خود خیلی آهسته حرکت کند، گرانش سلطه می‌یابد و آن نزول می‌کند؛ اگر بیش از حد سریع حرکت کند، از مسیر متعادل شده خارج می‌شود تا آن را حفظ کند.

سرعت مورد نیاز برای این تعادل با ارتفاع تغییر می‌کند. NOAA نمونه‌ای از ماهواره NOAA-20 خود را ارائه می‌دهد، که از چند صد مایل بالا با سرعت حدود 17,000 mph مدار می‌کند، در مقایسه با ماهواره GOES-East خود، که از ارتفاع تقریبی 22,000 مایل بالا تنها با سرعت حدود 6,700 mph مدار می‌کند - نشان می‌دهد که هرچقدر ماهواره از زمین دورتر باشد، کشش گرانش ضعیف‌تر و سرعت مورد نیاز برای ماندن در مدار کمتر است. NASA's Earth Observatory catalog اعداد ملموس برای طبقات مدار رایج ارائه می‌دهد: ماهواره Aqua حدود 99 دقیقه طول می‌کشد تا زمین را از حدود 705 کیلومتر بالا مدار کند (مدار زمینی پایین)؛ ماهواره‌های GPS در یک مدار زمینی متوسط نیمه‌هم‌زمان حدود 20,200 کیلومتر بالای سطح با دوره 12 ساعت پرواز می‌کنند؛ و ماهواره‌های ثابت‌الموضع حدود 36,000 کیلومتر بالا می‌نشینند، هر 23 ساعت و 56 دقیقه و 4 ثانیه یک مدار را تکمیل می‌کنند به طوری که ظاهری بر یک نقطه روی زمین ثابت باقی بمانند.