آیا می دانید موتور موشک چطور کار می کند؟

به گزارش گروه فضای مجازی ، یکی از شگفت‌انگیز‌ترین دستاوردهای بشر، تلاش او برای اکتشاف فضا است. بخشی از شگفت‌انگیزی این تلاش به پیچیدگی‌ آن برمی‌گردد. اکتشاف فضا کار بسیار پیچیده‌ای است؛ چون مسائل زیادی باید حل شود و موانع زیادی مانند وجود خلا در فضا، مشکلات مربوط به مدیریت گرما، دشواری بازگشت دوباره به زمین، ریزشهاب‌سنگ‌ها و اجرام فضایی کوچک، تشعشعات کیهانی و خورشیدی و دشواری‌های مربوط به فراهم کردن امکانات رفاهی در محیط بی‌وزنی باید از سر راه بر داشته شود.

اما بزرگترین مشکل، فراهم کردن انرژی لازم برای پرتاب یک فضاپیما به خارج از جو زمین است. اینجا است که موتور موشک‌ها به کمک ما می‌آیند. ساختن موتور موشک از طرفی آن قدر راحت است که شما می‌توانید یک مدل کوچک از آن را با هزینه‌ی کم ساخته و در حیاط منزل خود به پرواز در آورید. از طرف دیگر تکنولوژی مربوط به ساخت موتور موشک و سیستم تزریق سوخت آن‌ها، آن چنان پیچیده است که تنها سه کشور تاکنون توانسته‌اند انسان را به مدار زمین بفرستند. ما در این مقاله سعی می‌کنیم به چگونگی کارکرد موتور موشک‌ها بپردازیم و همچنین پیچیدگی‌‌های مربوط به آن را شرح دهیم.

وقتی صحبت از موتور می‌شود، اکثر مردم به فکر دوران می‌افتند. برای مثال، موتور بنزینی از نوع رفت و برگشتی در خودرو با تولید انرژی دورانی، چرخ‌ها را به حرکت در می‌آورد. یک موتور الکتریکی انرژی دورانی لازم برای گردش یک فن یا یک دیسک را فراهم می‌کند. یک موتور بخار هم همین کار را انجام می‌دهد، همین طور توربین بخار و بسیاری از توربین‌های گازی.

اما موتور موشک‌ها از اساس با بقیه موتورها فرق دارند. این موتورها از نوع موتورهای واکنشی هستند. اصل اساسی در طراحی این موتورها همان قانون معروف نیوتون است: برای هر کنش، واکنشی برابر با آن و در خلاف جهت آن وجود دارد. در واقع موتور موشک‌ها «جرمی» را در یک جهت پرتاب می‌کنند و از عکس العمل ایجاد شده در جهت مخالف استفاده می‌کنند.

کنش واکنش نیوتون

شاید درک این اصل در ابتدا سخت باشد، چون در نگاه اول در موتور موشک‌ها چنین اتفاقی نمی‌افتد. موتور موشک‌ها بیشتر صدا و فشار ایجاد می‌کنند و به نظر نمی‌رسد که چیزی را پرتاب کنند. برای درک بهتر واقعیت در این جا چند نمونه از «پرتاب» را به شما ارائه می‌دهیم:

اگر شما تا کنون با اسلحه و به‌خصوص با اسلحه‌ی کالیبر بالا شلیک کرده باشید، به احتمال زیاد با مفهوم لگد آشنا شده‌اید. به این معنی که شما وقتی با اسلحه شلیک می‌کنید، اسلحه نیروی زیادی به شانه‌ی شما به سمت عقب ایجاد می‌کند. این لگد زدن همان «واکنش» است. برای مثال یک شات‌گان گلوله‌ای فلزی با جرم تقریبا ۴۰ گرم را با سرعت ۱۲۰۰ کیلومتر بر ساعت پرتاب می‌کند و شانه‌ی شما واکنش ایجاد شده توسط این کنش را دریافت می‌کند. حال اگر شما هنگام شلیک اسلحه روی تخته اسکیت بایستید، نیروی وارد شده به شانه، می‌تواند شما را به سمت عقب به حرکت درآورد، درست مانند کاری که یک موتور موشک انجام می دهد.

اغلب در هنگام آتش‌سوزی از شلنگ‌های آب پرفشار استفاده می‌شود. این شلنگ‌های بزرگ مقدار زیادی آب را با سرعت زیاد پرتاب می‌کنند و حتما متوجه شده‌اید که برای ثابت نگه داشتن چنین شلنگی به نیروی زیادی نیاز است به نحوی که چندین آتش‌نشان این کار را انجام می‌دهند. شلنگ همان کار موتور موشک را انجام می‌دهد. جرمی از آن با سرعت زیاد پرتاب می‌شود و آتش‌نشانان با استفاده از نیرو و وزن خود در مقابل عکس‌العمل آن می‌ایستند. اگر آن‌ها شلنگ آتش‌نشانی را رها کنند، با نیروی فوق‌العاده‌ای می‌تواند اشیای پیرامون خود را در هم بشکند. اگر آتش‌نشان‌ها هنگام باز شدن شیرهای متصل به شلنگ‌ها روی تخته اسکیت ایستاده باشند، در لحظه‌ی خارج شدن آب از دهانه‌ی شلنگ، با سرعت زیاد به سمت عقب به حرکت در خواهند آمد.

عکس العمل موشک

اگر شما یک بادکنک را باد کنید و آن را رها کنید، با خروج هوا از آن، شروع به پرواز می‌کند. با این کار شما یک نوع موتور موشک می‌سازید. در این مثال، چیزی که پرتاب می‌شود، مولکول‌های هوای درون بادکنک است. بر خلاف عقیده‌ی بسیاری از مردم، مولکول‌های هوا هم جرم دارند و به همین دلیل بادکنک در خلاف جهت پرتاب آن‌ها پرواز می‌کند.

فرض کنیم که شما لباس فضایی پوشیده‌اید و در کنار شاتل در فضا معلق هستید. چنین فرض کنید که در دست خود یک توپ بیس‌بال دارید. اگر شما توپ بیس‌بال را پرتاب کنید، بدن شما با حرکت کردن در خلاف جهت توپ، عکس العمل نشان خواهد داد. معیارهایی که بر سرعت عکس‌العمل بدن شما کنترل دارند، عبارت هستند از جرم توپی که شما پرتاب می‌کنید و همچنین میزان شتابی که به آن اعمال می‌کنید. می‌دانیم که حاصل‌ضرب جرم در شتاب، برابر است با نیرو. (f = m * a). هر نیرویی که شما به توپ اعمال کنید، همان مقدار نیرو در خلاف جهت نیروی اولیه به بدن شما اعمال خواهد شد.

حال بیایید فرض کنیم که توپ بیس‌بال جرمی برابر با ۴۵۰ گرم دارد و شما توپ را با سرعت ۳۳ کیلومتر بر ساعت پرتاب می‌کنید. جرم خود شما به همراه لباس و تجهیزات نیز ۴۵ کیلوگرم است (باید اشاره کنیم که تمام فرض‌های در نظر گرفته شده برای جرم اشیا و انسان در اینجا اعدادی هستند که صرفا برای مثال آورده شده‌اند و به طور خاص نمی‌توانیم در مورد یک موشک یا فضانورد خاص به آن استناد کنیم). به عبارت دیگر شما توسط ماهیچه‌ی بازوی خود شتابی به توپ بیس‌بال می‌دهید که سرعت آن را به ۳۳ کیلومتر بر ساعت می‌رساند. بدن شما به این کنش، عکس‌العمل نشان می‌دهد؛ اما از طرفی نباید فراموش کنیم که جرم آن ۱۰۰ برابر جرم توپ است. بنابراین بدن شما با سرعتی معادل یک صدم سرعت توپ در جهت مخالف حرکت خواهد کرد، یعنی با سرعت ۰.۳۳ کیلومتر بر ساعت.

اگر شما می‌خواهید نیروی پیشرانش بیشتری تولید کنید، می‌توانید دو کار انجام دهید: جرم پرتابه را بیشتر کنید یا شتاب را افزایش دهید. شما می‌توانید توپ سنگین‌تری را پرتاب کنید یا این که چند توپ بیس‌بال را پشت سر هم پرتاب کنید (افزایش جرم)، همین‌طور شما می‌توانید توپ بیس‌بال را سریع‌تر پرتاب کنید (شتاب آن را بیشتر کنید). این تمام کاری است که شما می‌توانید انجام دهید.

موتور موشک اساسا جرم پرتابی را به صورت گاز پرفشار پرتاب می‌کند. موتور، جرم گاز را در یک جهت پرتاب می‌کند و از عکس‌العمل آن برای پیش‌رفتن در جهت مخالف استفاده می‌کند. جرم پرتابی همان جرم سوختی است که موشک حمل می‌کند. فرآیند احتراق سوخت باعث شتاب‌گیری جرم سوخت می‌شود که در نتیجه با سرعت زیاد از خروجی موتور به بیرون پرتاب می‌شود. این مسئله که سوخت جامد یا مایع در طی فرایند احتراق تبدیل به گاز می‌شوند، باعث تغییر جرم پرتابی نمی‌شود. اگر شما یک کیلوگرم سوخت را بسوزانید، یک کیلوگرم گاز با دمای بالا از خروجی موتور به بیرون با سرعت زیاد پرتاب می‌شود. حالت سوخت تغییر می‌کند؛ اما جرم نه. فرایند احتراق باعث شتاب‌گیری جرم می‌شود. در بخش بعدی در مورد پیش‌رانش بیشتر یاد می‌گیریم.

پیشرانش

قدرت یک موتور موشک نیروی پیشرانش نامیده می‌شود. واحد نیرو در سیستم متریک، نیوتون است. یکی از مسائل جالب در مورد موشک‌ها این است که آن‌ها باید جرم پرتابی را با خود حمل کنند و در هنگام پرتاب از جرم آن‌ها و در نتیجه جرمی که نیروی عکس‌العمل روی آن اعمال می‌شود، کاسته خواهد شد. یعنی جرم کل موشک در حین احتراق متغیر خواهد بود، درست مانند این که شما باید کیسه‌ی حاوی توپ‌های بیس‌بال را با خود داشته باشید. در هنگام پرتاب اولین توپ، نیروی عکس‌العمل روی جرم شما به اضافه‌ی جرم کیسه‌ اثر خواهد کرد. در پرتاب دومین توپ نیز این گونه خواهد بود؛ اما جرم کیسه‌ی حاوی توپ‌ها اکنون کمتر شده است. حالا فرض کنید که شما می‌خواهید نیروی پیشرانشی معادل ۴۴۴ نیوتون برای مدت یک ساعت تولید کنید و می‌خواهید این کار را با پرتاب توپ‌های ۴۵۰ گرمی با سرعت ۳۳۷۰ کیلومتر بر ساعت انجام دهید. این سخن به این معنی است که شما باید ۳۶۰۰ توپ ۴۵۰ گرمی داشته باشید (چون هر ساعت ۳۶۰۰ ثانیه است).

اکنون به این نکته توجه کنید که جرم شما در لباس فضایی تنها ۴۵ کیلوگرم بود. واضح است که جرم سوخت مورد نیاز برای حرکت شما بسیار بیشتر از وزن خود شما است. در واقع جرم سوخت ۳۶ برابر بار مفید در این مثال است. این موضوع در دنیای واقعی نیز صادق است. به همین دلیل است که شما برای بردن یک انسان به فضا به یک موشک بزرگ با سوخت زیاد احتیاج دارید. اگر ویدیویی پرتاب شاتل‌های فضایی را دیده باشید، می‌دانید که شیء پرتابی از سه بخش تشکیل می‌شود:

جرم خالص مدار گرد حدود ۷۵ هزار کیلوگرم است. مخزن سوخت اصلی حدود ۳۵ هزار کیلوگرم جرم دارد و دو مخزن مجاور آن نیز هر کدام به صورت خالی جرمی معادل ۸۴ هزار کیلوگرم دارند. این مخازن باید با سوخت پر شوند. هر کدام از مخازن مجاور (SRB) در حدود ۵۰۰ هزار کیلوگرم سوخت در خود جای می‌دهند. ظرفیت سوخت‌گیری مخزن بیرونی اصلی ۵۴۱ هزار لیتر اکسیژن مایع (با جرم ۶۱۶ هزار کیلوگرم) و ۱،۴۵۰۰،۰۰ لیتر هیدروژن مایع (با جرم ۱۰۲ هزار کیلوگرم) است. کل جرم پرتابی، شامل شاتل، مخزن اصلی و SRB‌ها در حدود ۲ میلیون کیلوگرم می‌شود. ۲ میلیون کیلوگرم برای رساندن محموله‌ی ۷۵ هزار کیلوگرمی به مدار. البته باید گفت که بار قابل حمل توسط شاتل در حدود ۳۰ هزار کیلوگرم است (با ابعاد حداکثر ۵ در ۲۰ متر)؛ اما در هر صورت تفاوت بسیار زیادی وجود دارد و جرم سوخت تقریبا ۲۰ برابر جرم مدارگرد است.

تمام این سوخت با سرعتی در حدود ۱۰ هزار کیلومتر در ساعت به بیرون پرتاب می‌شود (سرعت گاز خروجی از موتورهای واکنش شیمیایی بین ۸ هزار تا ۱۶ هزار کیلومتردرساعت است) و مدت زمان احتراق SRBها در هر پرتاب ۲ دقیقه است. هر کدام از آن‌ها ۱۴ میلیون و ۶۰۰ هزار نیوتون نیروی پیشرانش تولید می‌کنند. سه موتور اصلی (که از مخزن سوخت اصلی تغذیه می‌شوند) به مدت ۸ دقیقه کار می‌کنند و هر کدام از آن‌ها حین احتراق ۱،۶۰۰،۰۰۰ نیوتون نیروی پیشرانش تولید می‌کنند. در قسمت بعدی به ترکیب سوخت جامد موشک‌ها خواهیم پرداخت.

موتور موشک‌های سوخت جامد اولین نوع از موشک‌ها بودند که به دست انسان ساخته شدند. آن‌ها تقریبا صد سال پیش در چین اختراع شدند و تا کنون نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. بخشی از سرود ملی آمریکا که در اوایل قرن ۱۹ نوشته شده است، به استفاده از موشک برای حمل بمب یا مواد آتش‌زا اشاره دارد. پس می‌توانید ببینید که استفاده از موشک‌ها به قرن‌ها پیش بر‌می‌گردد.

ایده‌ی اصلی تولید یک موشک سوخت جامد ساده است. شما باید سوختی داشته باشید که به سرعت بسوزد؛ اما منفجر نشود. همان‌طور که شما احتمالا می‌دانید، باروت قابلیت انفجار دارد. باروت از ۷۵ درصد نیترات، ۱۵ درصد کربن و ۱۰ درصد سولفور تشکیل یافته است. ما نمی‌خواهیم که چنین سوختی در موتور موشک منفجر شود، پس باید ترکیب آن را به این طریق تغییر دهیم: ۷۲ درصد نیترات، ۲۴ درصد کربن و ۴ درصد سولفور. در این حالت سوخت شما دیگر باروت نخواهد بود، بلکه تبدیل به سوخت جامد موشک می‌شود. این نوع ترکیب شیمیایی به سرعت می‌سوزد و اگر به درستی بارگزاری شود، منفجر نمی‌شود.

در تصویر بالا در سمت چپ شما موتور موشک درست پیش از احتراق را می‌بینید. سوخت جامد با رنگ سبز نشان داده شده است. نحوه‌ی بارگذاری سوخت به صورت استوانه‌ای است که یک سوراخ طویل در میانه‌ی آن دریل شده است. زمانی که سوخت دچار حریق می‌شود، در طول سوراخ یا کانال ایجاد شده می‌سوزد. نحوه‌ی مصرف سوخت از داخل به بیرون و به سمت جداره‌ی موشک است. در یک موشک کوچک شاید مدت زمان فرایند سوختن سوخت جامد از درون به بیرون کم‌تر از یک ثانیه به طول بکشد. در رانشگر موشک‌های شاتل که حاوی میلیون‌ها کیلوگرم سوخت هستند، این فرایند دو دقیقه طول می‌کشد.

وقتی شما در مورد موشک‌های سوخت جامد پیشرفته بخواهید مطلبی بخوانید، ممکن است با چنین پاراگرافی روبه‌رو شوید که از سایت ناسا تهیه شده است:

ترکیب‌ شیمیایی پیشران در هر یک از موتورهای SRB متشکل از پرکلرات آمونیوم (اکسیدکننده، ۶۹.۶ درصد وزن ترکیب سوختی)، آلومینیوم (سوخت، ۱۶ درصد ترکیب)، اکسید آهن (کاتالیست، ۰.۴ درصد)، یک پلیمر (نوعی چسب که ترکیب را نگه می‌دارد، ۱۲.۰۴ درصد) و عامل سخت کننده‌ی اپکسی (۱.۹۶ درصد) است. شکل ترکیب پیشران به صورت یک سوراخ ستا‌ره‌ای ۱۱ گوشه در قسمت جلویی موتور و به صورت مخروط ناقص دوتایی در انتهای آن است. چنین شکلی باعث می‌شود تا در شروع احتراق، نیروی پیشرانش زیادی تولید شود و سپس میزان آن را بعد از ۵۰ ثانیه تا یک سوم کاهش ‌دهد. این کار باعث می‌شود که تنش وارد شده به محموله در اوج فشار دینامیکی کنترل شود.

سازوکار موشک سوخت

هدف از انجام این کار افزایش مساحت جانبی کانال و در نتیجه افزایش ناحیه‌ی احتراق است تا میزان پیشرانش تولیدی زیاد شود. با ادامه‌ی احتراق سوخت، سوراخ ستاره‌ای شکل تبدیل به یک دایره‌ی ساده می‌شود. در SRBها این کار باعث تولید نیروی پیشرانش زیاد در ابتدای احتراق و کاهش میزان آن در اواسط پرواز می‌شود.

موتور موشک‌های سوخت جامد چند مزیت مهم دارند: سادگی، هزینه‌ی پایین و امنیت؛ اما در کنار این‌ها دو عیب بزرگ هم دارند: نداشتن کنترل روی نیروی پیشرانش و اینکه بعد از شروع احتراق، نمی‌توان موتور را خاموش کرد یا دوباره راه‌اندازی کرد.

این ایرادات باعث می‌شود که موشک‌های سوخت جامد برای ماموریت‌های کوتاه مدت (همانند موشک‌های نظامی) یا برای سیستم‌های تقویت کننده مناسب باشند. اگر می‌خواهید که کنترل موتور را در دست داشته باشید باید از سیستم پیشرانش مایع استفاده کنید. در بخش بعدی درباره این مورد و سایر موضوعات توضیح می‌دهیم.

موشک‌های سوخت مایع

تصویر فوق، رابرت اچ. گودارد (Robert H. Goddard) و موشک سوخت اکسیژن-بنزینی او را نشان می‌دهد که در ۱۶ مارس ۱۹۲۶ پرتاب شد. این موشک تنها ۲.۵ ثانیه پرواز کرد و پس از رسیدن به ارتفاع ۱۴ متری، در یک مزرعه‌ی کلم، ۷۰ متر دورتر فرود آمد.

در سال ۱۹۲۶، رابرت گودارد اولین نفری بود که یک موشک سوخت مایع را به پرواز درآورد. موتور موشک او از اکسیژن مایع و بنزین استفاده می‌کرد. او همچنین تعدادی از مسائل اصلی در مورد طراحی موتور چنین موشک‌هایی را از قبیل مکانیزم برخواستن از زمین، سیستم خنک‌کننده و سیستم کنترل مسیر حرکت حل کرد. همین مسائل هستند که موشک‌های سوخت مایع را پیچیده می‌کنند.

ایده‌ی پشت موشک‌های سوخت مایع بسیار ساده است. در بسیاری از موتورها، سوخت و اکسیدکننده (برای مثال بنزین و اکسیژن مایع) به درون یک محفظه‌ی احتراق فرستاده می‌شوند. در طی فرایند احتراق، جریانی از گازهای بسیار داغ با سرعت زیاد ایجاد می‌شود. این گازها با حرکت درون نازل سرعت بیشتری می‌گیرند (سرعت معمول گازهای خروجی از چنین موتورهایی بین ۸۰۰۰ تا ۱۶ هزار کیلومتربرساعت است) و موتور را ترک می‌کنند. در شکل ساده‌شده‌ی زیر اصول و اجزای اصلی این فرایند را می‌توانید ببینید.

این شکل البته تمام پیچیدگی‌ها یک موتور سوخت مایع واقعی را نشان نمی‌دهد. برای مثال اغلب اکسیدکننده یا خود سوخت به صورت گازهای سردی هستند که به صورت مایع در می‌آیند؛ مانند هیدروبژن مایع و اکسیژن مایع. یکی از بزرگترین مشکلات موتورهای با سوخت مایع، سرد کردن محفظه‌ی احتراق و نازل است. بنابراین ابتدا مایع سرد به دور نواحی بسیار داغ می‌چرخد تا آن‌ها را سرد کند. پمپ‌ها نیز باید فشار زیادی را برای غلبه بر فشار ایجاد شده توسط احتراق در داخل محفظه‌ی احتراق ایجاد کنند. موتور اصلی شاتل فضایی در واقع سیستم پمپاژ دو مرحله‌ای دارد و برای به حرکت در آوردن مرحله‌ی دوم از احتراق سوخت استفاده می‌کند. سیستم‌های پمپاژ و سرد کننده باعث می‌شوند که یک موتور سوخت مایع بیشتر شبیه یک پروژه‌ی لوله‌کشی بزرگ نامنظم شود.

از ترکیبات سوختی مختلفی در موتور موشک‌های سوخت مایع استفاده می‌شود. از جمله: اکسیژن مایع و هیدروژن مایع استفاده شده در موتور اصلی شاتل فضایی، بنزین و اکسیژن مایع استفاده شده در نمونه‌های اولیه موشک‌ها، نفت سفید و اکسیژن مایع استفاده شده در مرحله‌ی اول تقویت‌کننده‌های سترن ۵ در برنامه‌ی آپولو، الکل و اکسیژن مایع استفاده شده در موشک v2 آلمان، نیتروژن تتروکسید استفاده شده در موتورهای کاسینی.

ما به دیدن موتورهای سوخت شیمیایی عادت کرده‌ایم. موتورهایی که با سوزاندن سوخت خود نیروی پیشرانش لازم را تولید می‌کنند. با این حال روش‌های دیگری برای تولید پیشرانش وجود دارد. هر سیستمی که منجر به پرتاب سریع جرم شود، می‌تواند پیشرانش تولید کند. اگر شما روشی برای سریع پرتاب کردن توپ‌های بیس‌بال بیابید، کارتان راه می‌افتد. تنها مشکل چنین نگرشی خروجی موتور است یا همان توپ‌هایی که پرتاب می‌شود. این خروجی وارد فضا می‌شود و می‌تواند روی آن تاثیر بگذارد. به همین دلیل است که دانشمندان به استفاده از موتورهایی که خروجی آن‌ها گاز است، علاقه دارند.

بسیاری از موتورها بسیار کوچک هستند. برای مثال نیاز نیست موتورهایی که برای تنظیم ماهواره‌ها به کار می‌روند، نیروی پیشرانش زیادی تولید کنند. نوعی از موتورهای مورد استفاده در ماهواره هیچ نوع سوختی ندارند. در این موتورها گاز نیتروژن است که با سرعت از نازل‌های تعبیه شده خارج می‌شود و باعث تولید پیشرانش می‌شود. این گونه پیشرانه‌ها در سیستم مانور دستی شاتل نیز استفاده شده‌اند.

دانشمندان در تلاش هستند تا با تولید نوع جدیدی از موتورها، نیروی پیشرانش لازم را از طریق پرتاب یون‌ها یا ذرات اتمی با سرعت زیاد و با کارامدی بالا تولید کنند. فضاپیمای Deep Space-1‌ ناسا اولین وسیله‌ای بود که از موتورهای یونی برای تولید نیروی پیشرانش استفاد کرد.

مسلما فناوری موشک‌ها همانند همه‌ی زمینه‌های فنی‌ مهندسی دیگر، به‌طور دائم در حال رشد و تغییر است. ایده‌های جدید در کنار پیشرفت روزافزون فناوری‌های ساخت باعث هموارتر شدن راه سفرهای فضایی و کاهش هزینه‌های آن‌ها خواهند شد.

منبع: وینفون