راکٹ کیسے کام کرتے ہیں: پروپلژن سسٹمز اور لانچ ٹیکنالوجی کی وضاحت

ہر مداری لانچ، Falcon 9 کو عملہ لے جانے سے لے کر Starship کی آزمائشی پروازوں تک، Isaac Newton کے ذریعے بیان کیے گئے ایک جیسے بنیادی طبیعیات پر منحصر ہے: ہر عمل کے لیے ایک برابر اور مخالف ردعمل ہے۔ ایک راکٹ انجن ایندھن کو جلاتا ہے اور نتیجے میں حاصل گرم گیس کو ایک نوزل سے اعلیٰ رفتار سے نکالتا ہے؛ گیس راکٹ کو مخالف سمت میں دھکیلتی ہے۔ NASA کے Glenn Research Center کے مطابق، یہ عمل-ردعمل کا جوڑا راکٹ اور اس کے اپنے دھویں کے درمیان موجود ہے، جس کی وجہ سے راکٹ خلا میں کام کرتے ہیں اور انہیں ہوا یا کسی دوسری چیز کو دھکیلنے کی ضرورت نہیں۔

طبیعیات: تھرسٹ اور مخصوص رفعت

انجینئر ایک انجن کی کارکردگی کو دو نمبروں سے بیان کرتے ہیں: تھرسٹ اور مخصوص رفعت۔ تھرسٹ وہ قوت ہے جو پیدا ہوتی ہے، بنیادی طور پر اس بات سے چلتی ہے کہ نوزل سے کتنا بڑے پیمانے پر مادہ باہر نکلتا ہے اور یہ کتنی تیزی سے نکلتا ہے۔ مخصوص رفعت (Isp)، سیکنڈ میں ماپی جاتی ہے، بیان کرتی ہے کہ انجن ایندھن کو تھرسٹ میں کتنی مؤثر طریقے سے تبدیل کرتا ہے — NASA Glenn اسے تھرسٹ کو ایندھن کے وزن کے بہاؤ کی شرح سے تقسیم کرنے کے طور پر بیان کرتا ہے، تو ایک انجن جس کے پاس زیادہ Isp ہے وہ ایک جیسی مقدار میں ایندھن سے زیادہ تھرسٹ پیدا کرتا ہے، یا ایک جیسی تھرسٹ کے لیے کم ایندھن کی ضرورت ہے۔

یہ واحد اعداد و شمار انجینئروں کو ایک انجن کو سائز کرنے اور بہت مختلف پروپلژن سسٹمز کا موازنہ برابر شرائط پر کرنے کی اجازت دیتا ہے، جس کی وجہ سے Isp راکٹ کی خصوصیات کی شیٹوں میں مسلسل ظاہر ہوتی ہے۔

کیمیائی پروپلژن: مائع، ٹھوس اور ہائبرڈ

زمین کی سطح سے نکلنے والی تقریباً تمام گاڑیاں کیمیائی پروپلژن استعمال کرتی ہیں، جہاں ایندھن اور آکسیڈائزر گرم، پھیلنے والی گیس پیدا کرنے کے لیے رد عمل کرتے ہیں۔ تین اہم ترتیبیں ہیں۔ مائع ایندھن والے انجن ایندھن اور آکسیڈائزر کو علیحدہ رکھتے ہیں اور انہیں دہن کے کمرے میں پمپ کرتے ہیں، جو انجن کو تھروٹل، بند اور دوبارہ شروع کرنے کی اجازت دیتا ہے — ایک لچکدار صلاحیت جو حکومتی اور تجارتی لانچ فراہم کنندہ دونوں استعمال کرتے ہیں۔ ٹھوس ایندھن والے موٹر ایندھن اور آکسیڈائزر کو ایک جیسے ٹھوس دانے میں ملاتے ہیں جو راکٹ کی ہاؤسنگ میں پیک کی جاتی ہے؛ وہ ساختی طور پر سادہ اور سستے ہیں لیکن، ایک بار جلانے کے بعد، جب تک ایندھن ختم نہ ہو جائے تب تک جلتے رہتے ہیں۔ ہائبرڈ سسٹمز ایک ٹھوس ایندھن کو مائع یا گیسی آکسیڈائزر کے ساتھ ملاتے ہیں، دونوں طریقوں کے درمیان بیٹھتے ہیں۔

SpaceX کا Raptor انجن، Starship اور Super Heavy گاڑیوں پر استعمال ہوتا ہے، مائع پروپلژن میں ایک نئے طریقے کی وضاحت کرتا ہے: ایک 'مکمل بہاؤ مرحلہ شدہ دہن' ڈیزائن جس میں تمام ایندھن اور تمام آکسیڈائزر دہن کے اہم کمرے تک پہنچنے سے پہلے دو الگ الگ preburners سے گزرتے ہیں، Everyday Astronaut کے مطابق۔ Raptor مائع میتھین کو مائع آکسیجن کے ساتھ جلاتا ہے — ایک امتزاج جو SpaceX نے جزوی طور پر منتخب کیا کیونکہ میتھین سیاہ ڈھیر جمع کیے بغیر جلتا ہے جو kerosene سے چلنے والے انجنوں کے دوبارہ استعمال کو پیچیدہ بناتے ہیں، اور جزوی طور پر کیونکہ میتھین اصول میں Mars پر مقامی وسائل سے بنایا جا سکتا ہے۔ آؤٹ لیٹ رپورٹ کرتا ہے Raptor تقریباً 2 meganewtons کی تھرسٹ پیدا کرتا ہے جس میں خلا کی مخصوص رفعت تقریباً 330 سے 350 سیکنڈ ہے۔

لانچ گاڑیوں کو مراحل میں کیوں بنایا جاتا ہے

زمین کی سطح سے مدار تک پہنچنے کے لیے تقریباً 150 کلومیٹر سے زیادہ اونچائی اور 7.9 کلومیٹر فی سیکنڈ سے زیادہ رفتار سے سفر کرنا ضروری ہے، European Space Agency کے لانچر گائیڈ کے مطابق۔ ایک جیسا انجن ڈیزائن شاذ و نادر ہی پوری پروازمیں یہ مؤثر طریقے سے کرتا ہے، تو بیشتر مداری راکٹ مراحل میں الگ کیے جاتے ہیں جو ان کا ایندھن ختم ہونے کے بعد الگ کر دیے جاتے ہیں، مردہ وزن کو ختم کرتے ہوئے تاکہ باقی مراحل ہلکی گاڑی کو آسانی سے تیز کر سکیں۔

ESA کی ایک عام Ariane کلاس کی پروازکی تفصیل سے ظاہر کرتا ہے کہ یہ عملی طور پر کیسے کھیلا جاتا ہے: boosters اور اہم مرحلہ عمودی اولاؤ کے پہلے تقریباً دو منٹ میں ایک ساتھ آگ لگاتے ہیں، اہم مرحلہ تقریباً بارہ منٹ تک جلتا رہتا ہے جب کہ boosters پہلے ہی الگ ہو کر 60 کلومیٹر اونچائی کے پاس سمندر میں گر چکے ہیں، اور ایک اوپری مرحلہ پھر ایک حتمی مدت کے لیے آگ لگاتا ہے، mission کی چوٹی رفتار تقریباً 8 کلومیٹر فی سیکنڈ تک پہنچتا ہے اور پھر اپنے payload کو رہا کرتا ہے۔ اپنا کام ختم کرنے کے بعد، ایک خرچ شدہ اوپری مرحلہ عام طور پر ایک 'graveyard orbit' میں منتقل کیا جاتا ہے تاکہ یہ فعال ستاروں کے لیے تنازعہ کا خطرہ نہ بنے۔

لانچ کے علاوہ: الیکٹرک اور آئن پروپلژن

ایک بار جب خلاناں پہلے سے مدار یا گہری خلا میں ہو، کیمیائی پروپلژن ہمیشہ طویل سفر کے لیے سب سے مؤثر انتخاب نہیں ہوتا۔ بہت سے probes کی بجائے الیکٹرک پروپلژن استعمال کرتے ہیں، جو ایک propellant کو ionize کرتا ہے — عام طور پر xenon گیس — اور نتیجے میں charged particles کو شمسی پینلوں سے چلنے والے الیکٹرک fields کا استعمال کرتے ہوئے thruster سے باہر نکالتا ہے۔ NASA کی Jet Propulsion Laboratory الیکٹرک propulsion سسٹمز سے تھرسٹ کو انتہائی نرم بیان کرتی ہے: Psyche asteroid-belt mission کی صورت میں، اس کے ion thrusters سے پیدا ہونے والا دباؤ تین سہ ماہی کو اپنے ہاتھ میں رکھنے سے موازنہ ہے، یہاں تک کہ مکمل طاقت پر بھی۔

یہ چھوٹی تھرسٹ زمین سے کوئی چیز نہیں اٹھا سکتی، لیکن خلا کے بے رگ ماحول میں یہ مسلسل مہینوں کے لیے استعمال کی جا سکتی ہے، آہستہ آہستہ رفتار بڑھاتے ہوئے۔ JPL رپورٹ کرتا ہے کہ Psyche کے شمسی الیکٹرک thrusters نے پہلے سے spacecraft کو تقریباً 84,000 miles فی گھنٹہ تک دھکیل دیا ہے اور آخر کار اسے تقریباً 124,000 mph میں لے جائیں گے — یہ ظاہر کرتے ہوئے کہ ion propulsion کو خلا میں کروز کے لیے محفوظ رکھا جاتا ہے بجائے لانچ کے، جہاں کیمیائی انجنوں کی بہت زیادہ تھرسٹ کشش ثقل اور atmospheric drag کو منٹوں میں شکست دینے کے لیے ضروری ہے۔