کیسے راکٹ کام کرتے ہیں: تھرسٹ، پروپلشن سسٹمز اور آربٹل میکانکس وضاحت کے ساتھ

جب بھی کوئی راکٹ لانچ ہو—چاہے یہ کریوڈ فالکن 9 ہو، یورپی ایرین لانچر ہو یا کوئی چھوٹا سیارہ مشاہدہ ساٹلائٹ بوسٹر ہو—یہ ایک جیسے فزکس اصولوں کو استعمال کر رہا ہے جو انجینئروں نے بیسویں صدی کے اوائل سے استعمال کیے ہیں۔ ان لانچوں میں عوام کی دلچسپی سال بھر زیادہ رہتی ہے، پھر بھی تھرسٹ، پروپلشن اور مدار کے بنیادی طریقوں کو اکثر نظر انداز کیا جاتا ہے۔ ناسا اور یورپی خلائی ایجنسی (ESA) جیسی ایجنسیز راکٹ کے اصل کام کی تفصیلی وضاحتیں شائع کرتی ہیں؛ یہ حصہ اس مواد پر مبنی ہے۔

تھرسٹ پیدا کرنا: نیوٹن کا تیسرا قانون عمل میں

ناسا کے گلین ریسرچ سینٹر کے مطابق، ایک راکٹ انجن ایک دہن کمرے کے اندر ذخیرہ شدہ ایندھن کو ذخیرہ شدہ آکسیڈائزر کے ساتھ جلاتا ہے، گرم، اعلیٰ دباؤ والی سوخت گیس پیدا کرتا ہے۔ یہ گیس پھر ایک نوزل سے گزاری جاتی ہے، جو اسے گاڑی سے نکلنے سے پہلے مزید تیز رفتار بناتا ہے۔ ناسا صاف کہتا ہے کہ "تھرسٹ نیوٹن کے حرکت کے تیسرے قانون کے مطابق پیدا ہوتا ہے": گیس نوزل سے ایک سمت میں دھکیل دی جاتی ہے، اور راکٹ برابر طاقت سے مخالف سمت میں دھکیل دیا جاتا ہے۔ ESA ایک غبارے کی تشبیہ کا استعمال کرتے ہوئے چھوٹے پڑھنے والوں کے لیے یہی طریقہ بیان کرتا ہے—ایک غبارے کی گردن سے باہر نکلنے والی ہوا ایک سمت میں غبارے کو دوسری سمت میں دھکیل دیتی ہے۔

ناسا کی تھرسٹ مساوات اس کو ریاضیاتی طور پر F = ṁVe + Ae(pe − p0) کے طور پر ظاہر کرتی ہے، جہاں ṁ انجن سے سوخت کا بہاؤ شرح ہے، Ve سوخت کی باہر نکلنے کی رفتار ہے، Ae نوزل کے باہر نکلنے کا رقبہ ہے، pe نوزل سے باہر نکلنے پر دباؤ ہے، اور p0 آس پاس (خالی دھارا) دباؤ ہے۔ عملی طور پر، ایک راکٹ جو تھرسٹ پیدا کرتا ہے وہ بنیادی طور پر اس بات پر منحصر ہے کہ فی سیکنڈ کتنی سوخت نکلتی ہے اور یہ نوزل سے باہر نکلتے وقت کتنی تیزی سے حرکت کر رہی ہے۔

راکٹ خلاء میں کیوں کام کرتے ہیں

جیٹ انجن اور پروپیلرز آس پاس کی ہوا میں لے آتے ہیں، جس کا مطلب ہے کہ جب گاڑی ماحول سے باہر نکل جائے تو وہ کام نہیں کر سکتے۔ راکٹ اس محدودیت سے بچتے ہیں کیونکہ، جیسا کہ ناسا نوٹ کرتا ہے، وہ فضاء کی آکسیجن پر منحصر ہونے کی بجائے اپنی آکسیڈائزر خود اپنے ساتھ لے جاتے ہیں۔ چونکہ رد عمل میں کوئی بیرونی ہوا شامل نہیں ہے، تھرسٹ مساوات میں کوئی "خالی دھارا" ہوا کی داخلی اصطلاح نہیں ہے—جو یہ بھی ہے کہ، جیسا کہ ناسا کہتا ہے، ایک راکٹ خلاء میں تھرسٹ پیدا کر سکتا ہے جہاں آکسیجن کا کوئی اور ذریعہ نہیں ہے۔

مخصوص نبض: ایک انجن کی کارکردگی کی پیمائش

انجینئرز راکٹ انجنوں کا موازنہ ایک اعداد و شمار کے استعمال سے کرتے ہیں جسے مخصوص نبض، یا Isp کہا جاتا ہے۔ ناسا کے گلین ریسرچ سینٹر نے اسے تھرسٹ کے طور پر بیان کیا ہے جو ایندھن کی کھپت کی وزن بہاؤ شرح سے تقسیم کیا گیا ہے، Isp = F/(ṁ·g0) کے فارمولے کے ذریعے ظاہر کیا گیا ہے، جہاں g0 معیاری کشش ثقل کی رفتار ہے (9.8 m/s²، یا 32.2 ft/s²)۔ ناسا وضاحت دیتا ہے کہ ایک اعلیٰ مخصوص نبض والا انجن زیادہ موثر ہے کیونکہ وہ ایک ہی مقدار میں جلائے گئے ایندھن کے لیے زیادہ تھرسٹ پیدا کرتا ہے—Isp کو راکٹ پروپلشن کے لیے ایندھن کی معاشیات کے مترادف بناتا ہے۔

کثیر مرحلہ راکٹ: مردہ وزن کو ہٹانا

زیادہ تر لانچ گاڑیاں دو یا تین مراحل میں بنائی جاتی ہیں۔ ESA وضاحت دیتا ہے کہ ایک بار جب کوئی مرحلہ اپنے تمام ایندھن کو جلا دے، تو اسے الگ اور ضائع کیا جاتا ہے، کیونکہ خالی ٹینک اور خرچ شدہ انجن کی سامان کو مزید لے جانا جو باقی گاڑی کو تیز رفتار بنانے کے لیے درکار ایندھن کو ضائع کرے گا۔ بڑے لانچرز بھی پہلے مرحلے کو لانچ کرتے وقت اضافی تھرسٹ کے لیے ٹھوس یا مائع ایندھن والے بوسٹر راکٹوں کو منسلک کرتے ہیں؛ یہ بوسٹرز بھی ایک بار خرچ ہونے پر نکال دیے جاتے ہیں۔ ESA نوٹ کرتا ہے کہ خلائی جہاز کو مدار میں داخل ہونے کے لیے تقریباً 28,000 km/h کی رفتار تک پہنچنے کی ضرورت ہے، ایک رفتار جو سٹیجنگ گاڑی کو ہلکا کرکے حاصل کرنے میں مدد کرتی ہے جیسے جیسے یہ اوپر چڑھتا ہے۔

کیمیائی بمام الیکٹرک پروپلشن

ہر پروپلشن سسٹم زمین سے گاڑی لانچ کرنے کے لیے ڈیزائن نہیں کیا گیا ہے۔ کیمیائی انجن—اوپر بیان کیے گئے ایندھن اور آکسیڈائزر کو جلانا—زمین کی فضا سے راکٹ اٹھانے کا واحد عملی طریقہ ہے۔ تاہم، ایک بار جب خلا میں ہو تو، ایجنسیز بڑھتے ہوئے الیکٹرک پروپلشن کا استعمال کرتی ہیں۔ ناسا ایسے نظاموں کی وضاحت کرتا ہے جو بجلی کا استعمال کرتے ہیں، شمسی پینلوں یا جوہری ری ایکٹر سے تیار، زینون یا کریپٹن جیسی گیس کو آئنائز کرنے اور نتیجے میں آنے والے آئنوں کو الیکٹرک اور مقناطیسی میدان کا استعمال کرتے ہوئے تھرسٹر سے نکالنے کے لیے۔

ناسا کی ڈان مشن الیکٹرک پروپلشن کے تبادلوں کو واضح کرتی ہے: اس نے الیکٹرک پروپلشن استعمال کرتے ہوئے asteroid belt تک پہنچنے میں تقریباً پانچ سال لگائے اور پھر Vesta اور Ceres اجرام کے درمیان چال دی—ایک سست، مستقل رفتار جو کیمیائی انجنوں کے مختصر، طاقتور جلنے سے ناممکن ہے، لیکن طویل مشنوں میں موثر ہے۔ ESA اپنے SMART-1 lunar probe اور جاری BepiColombo مشن سے Mercury تک بھی یہی بات کہتا ہے، دونوں ایسے آئن انجنوں پر منحصر ہیں جو، ESA کے الفاظ میں، "مہینوں یا سالوں تک ہلکے ہلکے دھکیل سکتے ہیں" صرف ایک چھوٹے سے ایندھن کی فراہمی اور شمسی پینلوں سے چند کلوواٹ طاقت استعمال کرتے ہوئے۔

مدار تک پہنچنا اور وہاں رہنا

خلا میں جانا اور وہاں رہنا دو مختلف مسائل ہیں۔ امریکی National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) وضاحت دیتا ہے کہ ایک ماہواری مدار میں رہتا ہے جب اس کی آگے کی رفتار زمین کی کشش ثقل کی کھنچاؤ سے متوازن ہو: کشش ثقل ماہواری کے راستے کو زمین کی طرف موڑتی رہتی ہے، جبکہ اس کی جانبی رفتار اسے آگے لے جاتی ہے، تو یہ دونوں اثرات سیدھی گرنے کی بجائے ایک سرکلر یا بیضوی راستے میں یکجا ہو جاتے ہیں۔ اگر کوئی ماہواری اپنی اونچائی کے لیے بہت سست حرکت کرتا ہے، تو کشش ثقل حاوی ہوتی ہے اور یہ نیچے آتا ہے؛ اگر یہ بہت تیز حرکت کرتا ہے، تو یہ اس متوازن راستے سے توڑ کر باہر نکل جاتا ہے بجائے اپنے مدار کو برقرار رکھنے کے۔

اس توازن کے لیے درکار رفتار اونچائی کے ساتھ بدل جاتی ہے۔ NOAA اپنے NOAA-20 ماہواری کی مثال دیتا ہے، جو تقریباً 17,000 میل فی گھنٹے پر کچھ سو میل اوپر مدار میں ہے، اس کے مقابلے میں اس کا GOES-East ماہواری، جو تقریباً 22,000 میل اوپر صرف تقریباً 6,700 میل فی گھنٹے پر مدار میں ہے—یہ واضح کرتے ہوئے کہ جتنی زیادہ ماہواری زمین سے دور بیٹھی ہے، اتنی ہی کمزور کشش ثقل کی کھنچاؤ اور مدار میں رہنے کے لیے کم رفتار کی ضرورت ہے۔ ناسا کے Earth Observatory کیٹلاگ عام orbit classes کے لیے ٹھوس اعداد فراہم کرتا ہے: اس کا Aqua ماہواری تقریباً 705 کلومیٹر اوپر سے زمین کے گرد لگ بھگ 99 منٹوں میں حلقہ لگاتا ہے (low Earth orbit)؛ GPS ماہواریں تقریباً 20,200 کلومیٹر اوپر 12 گھنٹے کی مدت کے ساتھ ایک semi-synchronous medium Earth orbit میں اڑتے ہیں؛ اور geostationary ماہواریں تقریباً 36,000 کلومیٹر اوپر بیٹھے ہیں، ہر 23 گھنٹے، 56 منٹ اور 4 سیکنڈ میں ایک مدار مکمل کرتے ہیں تاکہ وہ زمین پر ایک نقطے سے آگے ہی نظر آئیں۔