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अंतरिक्ष · लेख

राकेट कैसे काम करते हैं: प्रणोदन प्रणाली और लॉन्च तकनीक समझाई गई

प्रकाशित:

JSC2006-E-40672 (18 Sept. 2006) --- The Soyuz TMA-9 spacecraft launches from the Baikonur Cosmodrome in Kazakhstan Sept. 18, 2006 carrying a new crew to the International Space Station . The Soyuz lifted off at 10:09 a.m. Baikonur time with astronaut Michael E. Lopez-Alegria, Exp
चित्र: Bill Ingalls · Public domain · Wikimedia Commons

संक्षेप में

राकेट एक नोजल से उच्च गति से द्रव्यमान को बाहर फेंकते हैं, जो न्यूटन के तीसरे नियम के तहत वाहन को विपरीत दिशा में धकेलता है — हवा को धकेलने के लिए कुछ भी आवश्यक नहीं है। लॉन्च वाहन मुख्य रूप से रासायनिक प्रणोदन (तरल, ठोस या संकर) का उपयोग करते हैं, जो चरणों में बनाए जाते हैं जो जल जाने के बाद त्याग दिए जाते हैं, जबकि पहले से अंतरिक्ष में मौजूद अंतरिक्ष यान अक्सर दक्षता के लिए कम-थ्रस्ट इलेक्ट्रिक (आयन) प्रणोदन में स्विच करते हैं।

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हर कक्षीय लॉन्च, Falcon 9 को चालक दल के साथ लॉन्च करने से लेकर Starship परीक्षण उड़ानों तक, Isaac Newton द्वारा वर्णित एक ही मौलिक भौतिकी पर निर्भर करता है: हर कार्रवाई के लिए एक समान और विपरीत प्रतिक्रिया होती है। एक रॉकेट इंजन ईंधन को जलाता है और परिणामी गर्म गैस को एक नोजल से उच्च गति से निष्कासित करता है; गैस रॉकेट को विपरीत दिशा में धकेलती है। NASA के Glenn Research Center के अनुसार, यह क्रिया-प्रतिक्रिया जोड़ी रॉकेट और उसके स्वयं के निष्कास के बीच मौजूद है, यही कारण है कि रॉकेट अंतरिक्ष के वैक्यूम में काम करते हैं और उन्हें हवा या किसी अन्य माध्यम को धकेलने की आवश्यकता नहीं है।

भौतिकी: थ्रस्ट और विशिष्ट आवेग

इंजीनियर एक इंजन के प्रदर्शन को दो नंबरों से वर्णित करते हैं: थ्रस्ट और विशिष्ट आवेग। थ्रस्ट वह बल है जो उत्पन्न होता है, मुख्य रूप से इस बात से संचालित होता है कि नोजल से कितना द्रव्यमान निकलता है और यह कितनी तेजी से निकलता है। विशिष्ट आवेग (Isp), सेकंड में मापा जाता है, वर्णित करता है कि एक इंजन ईंधन को थ्रस्ट में कितनी कुशलता से परिवर्तित करता है — NASA Glenn इसे थ्रस्ट को ईंधन के भार प्रवाह दर से विभाजित करने के रूप में परिभाषित करता है, तो एक उच्च Isp वाला इंजन समान मात्रा में ईंधन से अधिक थ्रस्ट पैदा करता है, या समान थ्रस्ट के लिए कम ईंधन की आवश्यकता होती है।

यह एकल आंकड़ा इंजीनियरों को एक इंजन को आकार देने और बहुत अलग प्रणोदन प्रणालियों की तुलना समान शर्तों पर करने की अनुमति देता है, यही कारण है कि Isp रॉकेट विनिर्देश शीट में लगातार दिखाई देता है।

रासायनिक प्रणोदन: तरल, ठोस और संकर

पृथ्वी की सतह को छोड़ने वाले लगभग सभी वाहन रासायनिक प्रणोदन का उपयोग करते हैं, जहां एक ईंधन और एक ऑक्सीकरण एजेंट गर्म, विस्तारित गैस का उत्पादन क��ने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं। तीन मुख्य विन्यास हैं। तरल-प्रणोदक इंजन ईंधन और ऑक्सीकरण एजेंट को अलग से संग्रहीत करते हैं और उन्हें एक दहन कक्ष में पंप करते हैं, जो इंजन को थ्रॉटल, बंद और पुनः शुरू करने की अनुमति देता है — एक लचीलापन जिसका उपयोग सरकारी और वाणिज्यिक लॉन्च प्रदाता दोनों करते हैं। ठोस-प्रणोदक मोटर्स ईंधन और ऑक्सीकरण एजेंट को एक एकल ठोस अनाज में मिलाते हैं जो रॉकेट के आवरण में पैक किया जाता है; वे संरचनात्मक रूप से सरल और सस्ते होते हैं लेकिन, एक बार प्रज्वलित होने के बाद, जब तक प्रणोदक समाप्त नहीं हो जाता तब तक जलते रहते हैं। संकर प्रणालियां एक ठोस ईंधन को एक तरल या गैसीय ऑक्सीकरण एजेंट के साथ जोड़ती हैं, दोनों दृष्टिकोणों के बीच बैठती हैं।

SpaceX का Raptor इंजन, Starship और Super Heavy वाहनों पर उपयोग किया जाता है, तरल प्रणोदन के भीतर एक नई दृष्टिकोण को दर्शाता है: एक 'पूर्ण-प्रवाह चरणबद्ध दहन' डिजाइन जिसमें सभी ईंधन और सभी ऑक्सीकरण एजेंट मुख्य दहन कक्ष तक पहुंचने से पहले दो अलग preburners से गुजरते हैं, Everyday Astronaut के अनुसार। Raptor तरल मीथेन को तरल ऑक्सीजन के साथ जलाता है — एक संयोजन जिसे SpaceX ने आंशिक रूप से चुना क्योंकि मीथेन काली राख जमा किए बिना जलता है जो केरोसीन-ईंधन वाले इंजनों के पुनः उपयोग को जटिल बनाती है, और आंशिक रूप से क्योंकि मीथेन सिद्धांत में Mars पर स्थानीय संसाधनों से निर्मित किया जा सकता है। आउटलेट रिपोर्ट करता है कि Raptor लगभग 2 meganewtons की थ्रस्ट पैदा करता है जिसमें वैक्यूम विशिष्ट आवेग लगभग 330 से 350 सेकंड है।

लॉन्च वाहन चरणों में क्यों बनाए जाते हैं

पृथ्वी की सतह से कक्षा तक पहुंचने के लिए लगभग 150 किलोमीटर से अधिक ऊंचाई पर 7.9 किलोमीटर प्रति सेकंड से अधिक की गति से यात्रा करने की आवश्यकता है, European Space Agency के लॉन्चर गाइड के अनुसार। एक एकल इंजन डिजाइन शायद ही कभी पूरी उड़ान में इसे कुशलता से करता है, तो अधिकांश कक्षीय रॉकेट चरणों में विभाजित किए जाते हैं जो उनके प्रणोदक समाप्त होने के बाद त्याग दिए जाते हैं, मृत वजन को बहाकर तो शेष चरण हल्के वाहन को अधिक आसानी से गति दे सकते हैं।

ESA का एक विशिष्ट Ariane-वर्ग उड़ान का वर्णन दिखाता है कि यह व्यावहारिक रूप से कैसे खेलता है: बूस्टर और मुख्य चरण ऊर्ध्वाधर वंश के पहले लगभग दो मिनट में एक साथ आग लगाते हैं, मुख्य चरण लगभग बारह मिनट तक जलना जारी रखता है जबकि बूस्टर पहले से ही अलग हो गए हैं और 60 किलोमीटर ऊंचाई के पास समुद्र में गिर गए हैं, और एक ऊपरी चरण तब एक अंतिम अवधि के लिए आग लगाता है, मिशन की शीर्ष गति लगभग 8 किलोमीटर प्रति सेकंड तक पहुंचता है इससे पहले कि अपने पेलोड को जारी करे। अपना काम पूरा करने के बाद, एक खर्च किया गया ऊपरी चरण आम तौर पर एक 'graveyard orbit' में स्थानांतरित किया जाता है तो यह सक्रिय उपग्रहों के लिए टकराव का खतरा नहीं बनता है।

लॉन्च से परे: विद्युत और आयन प्रणोदन

एक बार जब एक अंतरिक्ष यान पहले से कक्षा में या गहरे अंतरिक्ष में है, रासायनिक प्रणोदन लंबी यात्रा के लिए हमेशा सबसे कुशल विकल्प नहीं होता है। कई जांच इसकी बजाय विद्युत प्रणोदन का उपयोग करते हैं, जो एक प्रणोदक को ionize करता है — आमतौर पर xenon गैस — और परिणामी चार्ज कणों को सौर पैनलों द्वारा संचालित विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके thruster से बाहर त्वरित करता है। NASA की Jet Propulsion Laboratory इन प्रणालियों से थ्रस्ट को अत्यंत कोमल के रूप में वर्णित करती है: Psyche asteroid-belt मिशन के मामले में, इसके ion thrusters द्वारा उत्पादित दबाव आपके हाथ में तीन सिक्कों को पकड़ने के दबाव की तुलना में है, यहां तक कि पूर्ण शक्ति पर भी।

यह सूक्ष्म थ्रस्ट पृथ्वी से कुछ भी उठाने के लिए पर्याप्त नहीं है, लेकिन अंतरिक्ष के घर्षण रहित वातावरण में इसे महीनों के लिए लगातार लागू किया जा सकता है, धीरे-धीरे गति बढ़ाते हुए। JPL रिपोर्ट करता है कि Psyche के सौर-विद्युत thrusters पहले से ही अंतरिक्ष यान को लगभग 84,000 miles प्रति घंटे तक धकेल दिया है और अंततः इसे लगभग 124,000 mph में लाएगा — यह दिखाते हुए कि क्यों ion प्रणोदन को लॉन्च के बजाय अंतरिक्ष cruise के लिए आरक्षित रखा जाता है, जहां रासायनिक इंजनों की कहीं अधिक थ्रस्ट मिनटों में गुरुत्वाकर्षण और वायुमंडलीय खिंचाव को दूर करने के लिए आवश्यक है।

एक नज़र में मुख्य प्रणोदन प्रकार
प्रकारविशिष्ट प्रणोदकमुख्य विशेषतामुख्य उपयोग
तरल रासायनिकजैसे मीथेन/LOX (Raptor), केरोसीन या तरल ऑक्सीजन के साथ हाइड्रोजनThrottleable, restartable, और बंद या पुनः प्रज्वलित किया जा सकता है, NASA Glenn और ESA विवरण के अनुसारलॉन्च वाहन चरण
ठोस रासायनिकईंधन और ऑक्सीकरण एजेंट पूर्व-मिश्रित एक ठोस अनाज मेंसंरचनात्मक रूप से सरल; प्रणोदक समाप्त होने तक जलता है, NASA Glenn के अनुसारBoosters, छोटे launchers
संकर रासायनिकठोस ईंधन तरल/गैसीय ऑक्सीकरण एजेंट के साथतरल और ठोस प्रणालियों की विशेषताओं को जोड़ता हैNiche और प्रायोगिक वाहन
विद्युत (ion/Hall)Xenon गैस, ionized और विद्युत रूप से त्वरितबहुत कम थ्रस्ट, बहुत अधिक दक्षता, JPL के Psyche विवरण के अनुसारProbes पर अंतरिक्ष cruise

प्रश्न

अगर अंतरिक्ष में कोई हवा नहीं है तो रॉकेट अंतरिक्ष में कैसे काम करते हैं?
रॉकेट हवा के खिलाफ धकेल नहीं देते; वे न्यूटन के तीसरे नियम से काम करते हैं, जहां एक दिशा में नोजल से निष्कास गैस को बाहर निकालने से रॉकेट को विपरीत दिशा में धकेलता है, एक प्रतिक्रिया जो NASA Glenn Research Center नोट करता है अंतरिक्ष के वैक्यूम में समान रूप से काम करती है।
विशिष्ट आवेग क्या है और यह क्यों महत्वपूर्ण है?
विशिष्ट आवेग (Isp), सेकंड में मापा जाता है, थ्रस्ट को प्रणोदक के भार प्रवाह दर से विभाजित करना है; NASA Glenn के अनुसार, एक उच्च Isp वाला इंजन समान प्रणोदक द्रव्यमान से अधिक थ्रस्ट पैदा करता है, इसे इंजनों की तुलना करने के लिए एक प्रमुख दक्षता माप बनाता है।
रॉकेट को एक इंजन के बजाय कई चरणों की आवश्यकता क्यों है?
कक्षा तक पहुंचने के लिए European Space Agency के अनुसार लगभग 7.9 km/s से अधिक 150 km से ऊपर यात्रा करने की आवश्यकता है; वाहन को चरणों में विभाजित करने से खर्च किया गया, अब बेकार हार्डवेयर उड़ान के बीच में त्याग दिया जा सकता है तो शेष चरणों को मृत वजन को गति देने की आवश्यकता नहीं है।
SpaceX पारंपरिक रॉकेट ईंधन के बजाय मीथेन का उपयोग क्यों करता है?
Everyday Astronaut की Raptor इंजन विश्लेषण के अनुसार, SpaceX ने मीथेन चुना क्योंकि यह काली राख जमा किए बिना जलता है जो केरोसीन इंजनों को पुनः उपयोग करना जटिल बनाती है, और क्योंकि मीथेन सिद्धांत में Mars पर वापसी यात्रा के लिए स्थानीय संसाधनों से निर्मित किया जा सकता है।
आयन प्रणोदन क्या है और इसे लॉन्च के लिए क्यों उपयोग नहीं किया जाता?
आयन या विद्युत प्रणोदन एक प्रणोदक जैसे xenon को ionize करता है और विद्युत क्षेत्रों के साथ इसे त्वरित करता है; NASA की JPL इसकी थ्रस्ट को अत्यंत कमजोर के रूप में वर्णित करती है — कुछ सिक्कों को पकड़ने के दबाव की तरह — तो यह Psyche जैसे probes पर धीमे अंतरिक्ष cruise के लिए उपयोग किया जाता है, पृथ्वी से कोई वाहन नहीं उठाने के लिए।

स्रोत

  1. NASA Glenn Research Center — Guide to Rockets (Beginner's Guide to Aeronautics)
  2. NASA Glenn Research Center — Specific Impulse
  3. European Space Agency — Launchers FAQ: Frequently Asked Questions
  4. Everyday Astronaut — Is SpaceX's Raptor engine the king of rocket engines?
  5. NASA Jet Propulsion Laboratory — NASA's Psyche Fires Up Its Sci-Fi-Worthy Thrusters

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