रॉकेट कैसे काम करते हैं: थ्रस्ट, प्रणोदन प्रणालियाँ और कक्षीय यांत्रिकी समझाई गई

जब भी कोई रॉकेट लॉन्च होता है—चाहे वह एक चालक दल युक्त फाल्कन 9 हो, यूरोपीय एरियन लॉन्चर हो या कोई छोटा पृथ्वी-अवलोकन उपग्रह बूस्टर हो—यह उसी भौतिकी सिद्धांतों को लागू कर रहा है जो इंजीनियरों ने बीसवीं सदी की शुरुआत से उपयोग किए हैं। इन लॉन्च में जनता की रुचि साल भर अधिक रहती है, फिर भी थ्रस्ट, प्रणोदन और कक्षा की अंतर्निहित यांत्रिकी को अक्सर नजरअंदाज कर दिया जाता है। नासा और यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी (ESA) जैसी एजेंसियां रॉकेट कैसे वास्तव में काम करते हैं इसकी विस्तृत व्याख्याएं प्रकाशित करती हैं; यह टुकड़ा उस सामग्री पर आधारित है।

थ्रस्ट का उत्पादन: कार्यरत न्यूटन का तीसरा नियम

नासा के ग्लेन रिसर्च सेंटर के अनुसार, एक रॉकेट इंजन एक दहन कक्ष के अंदर संग्रहीत ईंधन को संग्रहीत ऑक्सीकारक के साथ जलाता है, जिससे गर्म, उच्च दबाव वाली निकास गैस उत्पन्न होती है। यह गैस तब एक नोजल के माध्यम से मजबूर की जाती है, जो इसे वाहन से निकलने से पहले और तेज करता है। नासा स्पष्ट रूप से कहता है कि "थ्रस्ट न्यूटन के गति के तीसरे नियम के अनुसार उत्पन्न होता है": गैस को नोजल से एक दिशा में धकेला जाता है, और रॉकेट को समान बल से विपरीत दिशा में धकेला जाता है। ESA एक गुब्बारे के समानता का उपयोग करके युवा पाठकों के लिए यही तंत्र का वर्णन करता है—गुब्बारे की गर्दन से निकलने वाली हवा एक दिशा में गुब्बारे को दूसरी दिशा में धकेलती है।

नासा का थ्रस्ट समीकरण इसे संख्यात्मक रूप से F = ṁVe + Ae(pe − p0) के रूप में व्यक्त करता है, जहां ṁ इंजन के माध्यम से निकास का द्रव्यमान प्रवाह दर है, Ve निकास का निकास वेग है, Ae नोजल का निकास क्षेत्र है, pe नोजल निकास पर दबाव है, और p0 परिवेशी (मुक्त-स्ट्रीम) दबाव है। व्यवहार में, एक रॉकेट जो थ्रस्ट का उत्पादन करता है वह मुख्य रूप से इस बात पर निर्भर करता है कि प्रति सेकंड कितने निकास द्रव्यमान निकलते हैं और यह निकास नोजल से निकलते समय कितनी तेजी से चलता है।

रॉकेट अंतरिक्ष के निर्वात में कैसे काम करते हैं

जेट इंजन और प्रोपेलर परिवेशी हवा में खींचते हैं, जिसका मतलब है कि वे तब काम नहीं कर सकते जब एक वाहन वायुमंडल छोड़ देता है। रॉकेट इस सीमा से बचते हैं क्योंकि, जैसा कि नासा नोट करता है, वे वायुमंडलीय ऑक्सीजन पर भरोसा करने के बजाय अपना ऑक्सीकारक स्वयं ले जाते हैं। चूंकि प्रतिक्रिया में कोई बाहरी हवा शामिल नहीं है, थ्रस्ट समीकरण में कोई "मुक्त-स्ट्रीम" वायु-सेवन शब्द नहीं है—जो यह भी है कि, जैसा कि नासा कहता है, एक रॉकेट निर्वात में थ्रस्ट उत्पन्न कर सकता है जहां ऑक्सीजन का कोई अन्य स्रोत नहीं है।

विशिष्ट आवेग: एक इंजन की दक्षता को मापना

इंजीनियर विशिष्ट आवेग, या Isp नामक आंकड़े का उपयोग करके रॉकेट इंजन की तुलना करते हैं। नासा के ग्लेन रिसर्च सेंटर इसे थ्रस्ट को प्रणोदक की खपत की वजन प्रवाह दर से विभाजित के रूप में परिभाषित करता है, Isp = F/(ṁ·g0) के सूत्र के माध्यम से व्यक्त किया जाता है, जहां g0 मानक गुरुत्वाकर्षण त्वरण है (9.8 m/s², या 32.2 ft/s²)। नासा समझाता है कि उच्च विशिष्ट आवेग वाला इंजन अधिक कुशल है क्योंकि यह जलाए गए प्रणोदक की समान मात्रा के लिए अधिक थ्रस्ट का उत्पादन करता है—Isp को रॉकेट-प्रणोदन ईंधन दक्षता के समकक्ष बनाता है।

बहु-चरण रॉकेट: मृत भार बहाना

अधिकांश लॉन्च वाहनों को दो या तीन चरणों में बनाया जाता है। ESA समझाता है कि एक बार जब कोई चरण अपने सभी प्रणोदक को जला दे, तो इसे अलग किया जाता है और त्याग दिया जाता है, क्योंकि एक खाली टैंक और खर्च किए गए इंजन हार्डवेयर को आगे ले जाना बाकी वाहन को गति देने के लिए आवश्यक ईंधन को बर्बाद करेगा। बड़े लॉन्चर पहले चरण को लॉन्च करते समय अतिरिक्त थ्रस्ट के लिए ठोस या तरल-ईंधन वाले बूस्टर रॉकेट भी संलग्न करते हैं; ये बूस्टर भी खर्च किए जाने के बाद छोड़ दिए जाते हैं। ESA नोट करता है कि अंतरिक्ष यान को कक्षा में प्रवेश करने के लिए लगभग 28,000 km/h तक पहुंचने की आवश्यकता होती है, एक गति जो चरणबद्धता को प्रत्येक वाहन को हल्का करके प्राप्त करने में सहायता करता है।

रासायनिक बनाम विद्युत प्रणोदन

प्रत्येक प्रणोदन प्रणाली को जमीन से एक वाहन लॉन्च करने के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया है। रासायनिक इंजन—ऊपर वर्णित ईंधन और ऑक्सीकारक को जलाना—पृथ्वी के वायुमंडल से एक रॉकेट उठाने का एकमात्र व्यावहारिक तरीका है। हालांकि, एक बार अंतरिक्ष में होने के बाद, एजेंसियां तेजी से विद्युत प्रणोदन का उपयोग करती हैं। नासा ऐसी प्रणालियों का वर्णन करता है जो बिजली का उपयोग करते हैं, सौर सरणियों या एक परमाणु रिएक्टर द्वारा उत्पन्न, जेनॉन या क्रिप्टन जैसी गैस को आयनित करने के लिए और परिणामी आयनों को विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके एक थ्रस्टर से बाहर निकालने के लिए।

नासा का डॉन मिशन विद्युत प्रणोदन के व्यापार को दर्शाता है: इसने विद्युत प्रणोदन का उपयोग करके क्षुद्रग्रह बेल्ट तक पहुंचने में लगभग पांच साल लगाए और फिर वेस्टा और सेरेस निकायों के बीच घूमा—एक धीमी, स्थिर त्वरण जो रासायनिक इंजन के संक्षिप्त, शक्तिशाली जलने से असंभव है, लेकिन लंबे मिशनों पर कुशल है। ESA अपने SMART-1 चंद्र जांच और चल रहे BepiColombo मिशन से बुध तक के बारे में भी यही कहता है, दोनों आयन इंजन पर निर्भर हैं जो, ESA के शब्दों में, "महीनों या वर्षों तक हल्के ढंग से धकेल सकते हैं" प्रणोदक की केवल एक छोटी आपूर्ति और सौर पैनलों से कुछ किलोवाट शक्ति का उपयोग करके।

कक्षा तक पहुंचना और वहां रहना

अंतरिक्ष जाना और वहां रहना दो अलग-अलग समस्याएं हैं। अमेरिकी नेशनल ओशनिक एंड एटमोस्फेरिक एडमिनिस्ट्रेशन (NOAA) समझाता है कि एक उपग्रह कक्षा में तब रहता है जब इसकी आगे की गति पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण खिंचाव के साथ संतुलन में हो: गुरुत्वाकर्षण उपग्रह के पथ को पृथ्वी की ओर मोड़ता रहता है, जबकि इसकी पार्श्व गति इसे आगे ले जाती है, इसलिए दोनों प्रभाव एक सीधे गिरने की बजाय एक वृत्ताकार या अण्डाकार पथ में मिलते हैं। यदि कोई उपग्रह अपनी ऊंचाई के लिए बहुत धीमी गति से चलता है, तो गुरुत्वाकर्षण प्रबल होता है और यह नीचे आता है; यदि यह बहुत तेजी से चलता है, तो यह अपनी कक्षा को बनाए रखने के बजाय उस संतुलित पथ से बाहर निकल जाता है।

उस संतुलन के लिए आवश्यक गति ऊंचाई के साथ बदलता है। NOAA अपने NOAA-20 उपग्रह का उदाहरण देता है, जो कुछ सौ मील ऊपर लगभग 17,000 mph पर कक्षा में है, इसके GOES-East उपग्रह के विपरीत, जो लगभग 22,000 मील ऊपर केवल लगभग 6,700 mph पर कक्षा में है—यह दर्शाता है कि जितना अधिक उपग्रह पृथ्वी से दूर बैठता है, गुरुत्वाकर्षण खिंचाव उतना ही कमजोर होता है और कक्षा में रहने के लिए कम गति की आवश्यकता होती है। नासा की Earth Observatory कैटलॉग सामान्य कक्षा वर्गों के लिए ठोस आंकड़े देता है: इसका Aqua उपग्रह लगभग 705 किलोमीटर ऊपर से पृथ्वी के चारों ओर लगभग 99 मिनट में कक्षा लगाता है (निम्न पृथ्वी कक्षा); GPS उपग्रह 12 घंटे की अवधि के साथ लगभग 20,200 किलोमीटर ऊपर एक अर्ध-तुल्यकालिक मध्यम पृथ्वी कक्षा में उड़ते हैं; और भूस्थिर उपग्रह लगभग 36,000 किलोमीटर ऊपर बैठे हैं, हर 23 घंटे, 56 मिनट और 4 सेकंड में एक कक्षा पूरी करते हैं ताकि वे पृथ्वी पर एक बिंदु पर स्थिर दिखाई दें।