مقدمه
یکی از عجیبترین کشفیات انسان دسترسی به فضا است که پیچیدگی و مشکلات خاص خود را دارد. راه یابی به فضا پیچیده است، چرا که باید با بسیاری از مشکلات روبرو شد. مثلا: وجود خلا در فضا ، مشکلات گرما و حرارت ، مشکل ورود مجدد به زمین ، مکانیک مدارها ، ذرات و باقی مانده‌های فضا ، تابشهای کیهانی و خورشیدی و طراحی امکانات برای ثابت نگه داشتن اشیاء در بی وزنی.
ولی بزرگترین مشکل ایجاد انرژی لازم برای بالا بردن فضاپیما از زمین است که برای درک این موضوع باید به بررسی طرز کار موتورهای موشک پرداخت. در یک دیدگاه ساده ، می‌توان موتورهای موشک را به آسانی و با هزینه‌ای نسبتا کم طراحی کرد و حتی آن را به پرواز در آورد، اما اگر بخواهیم مسئله را در سطح کلان بررسی کنیم با مشکلات و پیچیدگیهای بسیاری مواجه هستیم و این موتورهای موشک (و به خصوص سیستم سوخت آنها) آنقدر پیچیده است که تا به حال تنها سه کشور توانسته‌اند با استفاده از این فناوری انسان را در مدار زمین قرار دهند.
نکات پایه‌ای
عموما وقتی کسی درباره موتورها فکر می‌کند، خود به خود مطالبی درباره چرخش برایش تداعی می‌شود. برای مثال حرکت متناوب پیستون در موتور بنزینی که انرژی چرخشی برای به حرکت در آوردن چرخها را تولید می‌کند و یا موتور الکتریکی که با تولید میدان الکتریکی که با تولید میدان مغناطیسی نیروی چرخشی برای پنکه یا سی دی رام تولید می‌کنند. موتور بخار هم بطور مشابه کار می‌کنند. ولی موتور موشک از لحاظ ساختار متفاوت است. موتور موشکها موتورهای واکنشی هستند. اساس کار موتور موشک بر پایه قانون معروف نیوتون است که می‌گوید: "برای هر کنش واکنشی وجود دارد به مقدار مساوی ولی درجهت مخالف آن". موتور موشک نیز جرم را در یک جهت پرتاب می‌کند و از واکنش آن در جهت مخالف سود می‌برد. البته تصور این اصل (پرتاب جرم و سود بردن از واکنش) ممکن است در ابتدا کمی عجیب به نظر بیاید، چرا که در عمل بسیار متفاوت می‌نمایاند. انفجار ، صدا و فشار چیزهایی است که در ظاهر باعث حرکت موشک می‌شود و نه "پرتاب جرم".
چند مثال
اگر تا به حال با اسلحه (به خصوص سایز بزرگ آن) shotgun شلیک کرده باشید، متوجه می‌شوید که ضربه بسیار قوی ، با نیروی بسیار زیاد به شانه شما وارد می‌کند. یک اسلحه مقدار 1 انس فلز را به یک جهت و با سرعت 700 مایل در ساعت شلیک می‌کند و در واکنش شما را به عقب حرکت می‌دهد.
اگر تا به حال شیر آتش نشانی را دیده باشید، متوجه می‌شوید که برای نگه داشتن آن باید نیروی بسیار زیادی را صرف کنید (اگر دقت کرده باشید گاهی 2 یا 3 آتش نشان یک شیر را نگه می‌دارند) که در اینجا شیر آتش نشانی مثل موتور موشک عمل می‌کند. شیر آتش نشانی ، آب را در یک جهت پرتاب می‌کند و آتش نشانها از نیرو و وزن خود استفاده می‌کنند تا در برابر واکنش آن مقاومت کنند. اگر آنها اجازه بدهند تا شیر رها شود، شیر به این طرف و آن طرف پرتاب می‌شود. حال اگر آتش نشانها روی یک اسکیت برد ایستاده باشند شیر آتش نشانی آنها را با سرعت زیادی به عقب می‌راند.
اگر یک بادکنک را باد کنید و آن را رها کنید، بادکنک به پرواز در می‌آید، تا وقتی که هوای داخل آن بطور کامل خالی شود. پس می‌توان گفت که شما یک موتور موشک ساخته‌اید. در اینجا چیزی که به بیرون پرتاب می‌شود مولکولهای هوای درون بادکنک هستند. بسیاری از مردم فکر می‌کنند که مولکولهای هوا اهمیتی ندارند، در حالی که اینطور نیست. هنگامی که شما به آنها اجازه می‌دهید تا از دریچه بادکنک به بیرون پرتاب شوند، بر اثر واکنش بوجود آمده بادکنک به جهت مخالف پرتاب می‌شود.
سناریوی توپ بیسبال در فضا
شرایط فوق را تصور کنید، مثلا شما لباس فضانوردان را پوشیده‌اید و در فضا در کنار فضاپیما معلق مانده‌اید و چندین توپ بیسبال در دست دارید. حال اگر شما توپ بیسبال را پرتاب کنید، واکنش آن بدن شما را به جهت مخالف توپ حرکت می‌دهد. سرعت شما پس از پرتاب توپ به وزن توپ و شتاب وارده بستگی دارد. همانطور که می دانیم حاصلضرب جرم در شتاب برابر نیرو است، یعنی: F = m.a
همچنین هر نیرویی که شما به توپ وارد کنید، توپ نیز نیرویی مساوی ولی در جهت مخالف به بدن شما وارد می‌کند که همان واکنش است. پس می‌توان گفت: m.a = m.a. حال فرض می‌کنیم که توپ بیسبال 1 کیلو گرم وزن داشته باشد و وزن شما و لباس فضایی هم 100 کیلوگرم باشد. پس با این حساب اگر شما توپ بیسبال را با سرعت 21 متر در ساعت پرتاب کنید.
یعنی شما با دست خود به یک توپ بیسبال 1 کیلو گرمی ، شتابی وارد کرده‌اید که سرعت 21 متر در ساعت گرفته است. واکنش آن روی بدن شما تأثیر می‌گذارد، ولی وزن بدن شما 100 برابر توپ بیسبال است. پس بدن شما با 100/1 سرعت توپ بیسبال (یا 0.21 متر بر ساعت) به عقب حرکت می‌کند. حال اگر شما می خواهید از توپ بیسبال خود قدرت بیشتری بگیرید، شما دو انتخاب دارید: افزایش جرم یا افزایش شتاب وارده. شما می‌توانید یا یک توپ سنگین‌تر پرتاب کنید و یا اینکه شما می‌توانید توپ بیسبال را سریعتر پرتاب کنید (شتاب آن را افزایش دهید)، و این دو تنها کارهایی است که می‌توانید انجام دهید.
یک موتور موشک نیز بطور کلی جرم را در قالب گازهای پر فشار پرتاب می‌کند؛ موتور گاز را در یک جهت به بیرون پرتاب می کند تا از واکنش آن در جهت مخالف سود ببرد. این جرم از مقدار سوختی که در موتور موشک می سوزد بدست می‌آید. عملیات سوختن به سوخت شتاب می دهد تا از دهانه خروجی موشک با سرعت زیاد بیرون بیاید. وقتی سوخت جامد یا مایع می‌سوزد و به گاز تبدیل می‌شود، جرم آن تغییر نمی‌کند بلکه تغییر در حجم آن است. یعنی اگر شما مقدار یک کیلو سوخت مایع موشک را بسوزانید مقدار یک کیلو جرم با حجمی بیشتر ، از دهانه خروجی موشک با دمای بالا و سرعت زیاد خارج می‌شود. عملیات سوختن ، جرم را شتاب می‌دهد.
نیروی پرتاب
قدرت موتور یک موشک را نیروی پرتاب آن می‌گویند. نیروی پرتاب در آمریکا به صورت (پوند) ponds of thrust و در سیستم متریک با واحد نیوتون شناخته شده است (هر 4.45 نیوتون نیروی پرتاب برابر است با 1 پوند نیروی پرتاب). هر یک پوند نیروی پرتاب (4.45 نیوتون) مقدار نیروی است که می‌تواند یک شی 1 پوندی (453.59 گرم) را در حالت ساکن مخالف نیروی جاذبه زمین نگه دارد. بنابراین در روی زمین شتاب جاذبه 21 متر در ثانیه در ثانیه (32 فوت در ثانیه در ثانیه) است.
برچسب ها:
مقاله درباره موشک های فضایی