राकेट कैसे काम करते हैं: इंजन तकनीक और अंतरिक्ष लॉन्च यांत्रिकी समझाई गई

हर कक्षीय लॉन्च, सरकारी अंतरिक्ष एजेंसी के भारी-लिफ्ट वाहन से लेकर वाणिज्यिक उपग्रह सवारी तक, एक सौ साल से अधिक पहले वर्णित समान बुनियादी भौतिकी पर निर्भर करता है। यह समझना कि राकेट इंजन कैसे थ्रस्ट उत्पन्न करता है, लॉन्च वाहन को चरणों में क्यों विभाजित किया जाता है, और कक्षा तक पहुंचना पृथ्वी से पूरी तरह से बचना क्या अलग करता है, यह समझाता है कि रकेटरी इंजीनियरिंग की सबसे कठिन समस्याओं में से एक क्यों बनी हुई है।

हर लॉन्च के पीछे भौतिकी

नासा के ग्लेन रिसर्च सेंटर के अनुसार, राकेट थ्रस्ट न्यूटन के गति का तीसरा नियम के अनुसार उत्पन्न होता है: इंजन एक दिशा में निकास गैस को तेजी देता है, और एक बराबर, विपरीत बल राकेट को दूसरी दिशा में धकेलता है। ईंधन और एक ऑक्सीडाइजर को एक दहन कक्ष में मिलाया जाता है और प्रज्वलित किया जाता है, गर्म, उच्च दबाव वाली गैस का उत्पादन करता है जो प्रवाह को तेजी देने के लिए एक नोजल के माध्यम से मजबूर किया जाता है।

नासा के ग्लेन रिसर्च सेंटर के अनुसार, परिणामी थ्रस्ट तीन कारकों पर निर्भर करता है: निकास का द्रव्यमान प्रवाह दर, इसकी निकास वेग, और नोजल निकास पर दबाव, जिसे F = ṁVe + Ae(pe − p0) के रूप में व्यक्त किया जाता है। नोजल का सबसे संकीर्ण बिंदु, जिसे गला कहा जाता है, वह जगह है जहां निकास ध्वनि की गति तक पहुंचता है, जो द्रव्यमान प्रवाह दर को ठीक करता है; गले और निकास के बीच का अनुपात फिर निकास वेग और दबाव निर्धारित करता है।

यही नासा का स्रोत मुख्य कारण नोट करता है कि राकेट कहां काम करते हैं लेकिन जेट इंजन नहीं: टर्बाइन इंजन और प्रोपेलर वायुमंडलीय हवा पर अपनी कार्यशील तरल पदार्थ के रूप में निर्भर करते हैं, जबकि एक राकेट अपना ऑक्सीडाइजर ले जाता है और इसलिए अंतरिक्ष के निर्वात में थ्रस्ट उत्पन्न कर सकता है।

तरल-ईंधन और ठोस-ईंधन इंजन

नासा के ग्लेन रिसर्च सेंटर दो मुख्य इंजन परिवारों का वर्णन करता है। एक तरल राकेट इंजन में, ईंधन और ऑक्सीडाइजर को अलग-अलग तरल पदार्थ के रूप में संग्रहीत किया जाता है और दहन कक्ष में पंप किया जाता है, जो जलने को नियंत्रित, रोकने और कभी-कभी फिर से शुरू करने की अनुमति देता है। एक ठोस राकेट में, प्रणोदक पहले से मिश्रित और एक ठोस सिलिंडर में पैक किए गए हैं; एक बार प्रज्वलित होने के बाद, एक ठोस मोटर को आवरण को नष्ट किए बिना बंद नहीं किया जा सकता है।

स्मिथसोनियन के नेशनल एयर एंड स्पेस संग्रहालय की व्याख्या 'How Things Fly' कहती है कि ठोस ईंधन अक्सर राकेट की सबसे पहली फायरिंग के लिए पसंदीदा होता है क्योंकि यह लगातार जलता है और यांत्रिक रूप से सरल और स्थिर है, जबकि तरल ईंधन थ्रस्ट प्रदान करता है जिसे उड़ान के दौरान समायोजित और नियंत्रित किया जा सकता है, जो बाद के, अधिक सटीक रूप से प्रबंधित उड़ान चरणों के लिए बेहतर है।

राकेट को चरणों में क्यों बनाया जाता है

राकेट की गति क्षमता और इसके द्रव्यमान के बीच संबंध Tsiolkovsky राकेट समीकरण द्वारा नियंत्रित होता है, जो पहली बार 1903 में प्रकाशित हुआ था। द प्लैनेटरी सोसायटी द्वारा सारांशित, कुल वेग परिवर्तन (डेल्टा-वी) जो एक राकेट प्राप्त कर सकता है इसके निकास वेग के बराबर है प्राकृतिक लघुगणक द्वारा गुणा इसके द्रव्यमान अनुपात का — प्रारंभिक ईंधन भरा द्रव्यमान विभाजित अंतिम, जले हुए द्रव्यमान द्वारा।

क्योंकि वह संबंध लघुगणकीय है, द प्लैनेटरी सोसायटी नोट करती है कि एक बार जब वांछित वेग अनुपात लगभग तीन या चार को पार करता है, तो वेग की प्रत्येक अतिरिक्त वृद्धि के लिए आवश्यक अतिरिक्त द्रव्यमान में तीव्र वृद्धि होती है। अतिरिक्त प्रणोदक को स्वयं त्वरित किया जाना चाहिए, तो गति में लाभ द्रव्यमान में असमान रूप से महंगे हो जाते हैं।

चरणबद्धता इस समस्या का हिस्सा हल करती है। स्मिथसोनियन की व्याख्या के अनुसार, एक बार जब एक चरण अपना ईंधन जला देता है, तो इसकी संरचना और इंजन अब उपयोगी थ्रस्ट प्रदान नहीं करते हैं और इसके बजाय अतिरिक्त वजन बन जाते हैं जो राकेट को धीमा कर देते हैं, तो लॉन्च वाहन प्रत्येक खर्च किए गए चरण को छोड़ देते हैं अगले इंजन को प्रज्वलित करने से पहले शेष राकेट को हल्का करने के लिए।

कक्षा बनाम पृथ्वी से पूरी तरह बचना

कक्षा तक पहुंचना पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण से पूरी तरह छूटना समान नहीं है। जॉर्जिया टेक की समाचार सेवा पृथ्वी की बचने की गति — न्यूनतम गति जो किसी को ग्रह से स्थायी रूप से दूर जाने के लिए बिना आगे की प्रणोदन के — 25,020 मील प्रति घंटे, या लगभग 40,000 किलोमीटर प्रति घंटे के रूप में देती है।

निम्न पृथ्वी कक्षा में उपग्रह और चालक दल के अंतरिक्ष यान उस आंकड़े की तुलना में बहुत कम गति से यात्रा करते हैं। जॉर्जिया टेक बताता है कि कक्षीय वस्तुओं को पार्श्व गति के साथ लॉन्च किया जाता है, तो जैसे गुरुत्वाकर्षण उन्हें पृथ्वी की ओर लगातार खींचता है, उनकी आगे की गति उन्हें ग्रह के पास से आगे ले जाती है बजाय इसमें, उन्हें लगातार पृथ्वी के चारों ओर गिरने देती है बजाय इसमें नीचे। यह है कि क्यों, स्रोत नोट करता है, हजारों उपग्रह पूर्ण बचने की गति से बहुत कम गति पर सफलतापूर्वक कक्षा में हैं।

पुनः प्रयोज्यता: फाल्कन 9 उदाहरण

आधुनिक लॉन्च वाहन तेजी से हार्डवेयर को पुनः प्राप्त करने और इसे फिर से लॉन्च करने के लिए लक्ष्य रखते हैं बजाय इसे त्यागने के। स्पेसएक्स द्वारा संचालित फाल्कन 9 पर विकिपीडिया की प्रविष्टि के अनुसार, वाहन का पहला चरण नौ मर्लिन 1D इंजन द्वारा संचालित है जो तरल ऑक्सीजन और RP-1 मिट्टी का तेल जलाते हैं, कंपनी जिसे कॉन्फ़िगरेशन में व्यवस्थित करता है जिसे वह ऑक्टवेब कहती है।

यही स्रोत कहता है कि ऊपरी चरण से अलग होने के बाद, पहला चरण ग्रिड फिन का उपयोग करता है जो वायुगतिकीय नियंत्रण के लिए अलगाव के बाद तैनात होते हैं, साथ ही चार विस्तारित लैंडिंग पैर, या तो भूमि पर या समुद्र में स्वायत्त ड्रोन जहाज पर स्पर्श करने के लिए। अक्टूबर 13, 2026 तक, प्रविष्टि के अनुसार, व्यक्तिगत फाल्कन 9 बूस्टर प्रत्येक 37 बार तक उड़ चुके थे।