موتور موشک چگونه کار می نماید؟؛ قسمت اول - موسیقی آتش

به گزارش موسیقی آتش، تاریخ سفرهای فضایی با موشک ها گره خورده است. سازوکار موتور موشک یکی از جالب ترین و پرهزینه ترین فرایندهای دنیای مهندسی است که در این گزارش تصمیم داریم بیشتر با آن آشنا شویم.

به گزارش موسیقی آتش به نقل از زومیت، یکی از شگفت انگیز ترین دستاوردهای بشر، کوشش او برای اکتشاف فضا است. بخشی از شگفت انگیزی این کوشش به پیچیدگی آن برمی گردد. اکتشاف فضا کار بسیار پیچیده ای است؛ چون مسائل زیادی باید حل گردد و موانع زیادی مانند وجود خلا در فضا، مسائل مربوط به مدیریت گرما، دشواری بازگشت دوباره به زمین، ریزشهاب سنگ ها و اجرام فضایی کوچک، تشعشعات کیهانی و خورشیدی و دشواری های مربوط به فراهم کردن امکانات رفاهی در محیط بی وزنی باید از سر راه بر داشته گردد.

اما عظیمترین مشکل، فراهم کردن انرژی لازم برای پرتاب یک فضاپیما به خارج از جو زمین است. اینجا است که موتور موشک ها به یاری ما می آیند. ساختن موتور موشک از طرفی آن قدر راحت است که شما می توانید یک مدل کوچک از آن را با هزینه کم ساخته و در حیاط منزل خود به پرواز در آورید. از طرف دیگر تکنولوژی مربوط به ساخت موتور موشک و سیستم تزریق سوخت آن ها، آن چنان پیچیده است که تنها سه کشور تا به امروز توانسته اند انسان را به مدار زمین بفرستند. ما در این مقاله سعی می کنیم به چگونگی کارکرد موتور موشک ها بپردازیم و بعلاوه پیچیدگی های مربوط به آن را توضیح دهیم.

طرحواره ای از یک موتور عکس العملی

وقتی صحبت از موتور می گردد، بیشتر مردم به فکر دوران می افتند. برای مثال، موتور بنزینی از نوع رفت و برگشتی در خودرو با فراوری انرژی دورانی، چرخ ها را به حرکت در می آورد. یک موتور الکتریکی انرژی دورانی لازم برای گردش یک فن یا یک دیسک را فراهم می نماید. یک موتور بخار هم همین کار را انجام می دهد، همین طور توربین بخار و بسیاری از توربین های گازی.

اما موتور موشک ها 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 موشک ها جرمی را در یک جهت پرتاب می نمایند و از عکس العمل ایجاد شده در جهت مخالف استفاده می نمایند.

شاید درک این اصل در ابتدا سخت باشد، چون در نگاه اول در موتور موشک ها چنین اتفاقی نمی افتد. موتور موشک ها بیشتر صدا و فشار ایجاد می نمایند و به نظر نمی رسد که چیزی را پرتاب نمایند. برای درک بهتر واقعیت در این جا چند نمونه از پرتاب را به شما ارائه می دهیم:

اگر شما تا کنون با اسلحه و به خصوص با اسلحه کالیبر بالا شلیک نموده باشید، به احتمال زیاد با مفهوم لگد آشنا شده اید. به این معنی که شما وقتی با اسلحه شلیک می کنید، اسلحه نیروی زیادی به شانه شما به سمت عقب ایجاد می نماید. این لگد زدن همان واکنش است. برای مثال یک شات گان گلوله ای فلزی با جرم تقریبا 40 گرم را با سرعت 1200 کیلومتر بر ساعت پرتاب می نماید و شانه شما واکنش ایجاد شده به وسیله این کنش را دریافت می نماید. حال اگر شما هنگام شلیک اسلحه روی تخته اسکیت بایستید، نیروی وارد شده به شانه، می تواند شما را به سمت عقب به حرکت درآورد، درست مانند کاری که یک موتور موشک انجام می دهد.

اغلب در هنگام آتش سوزی از شلنگ های آب پرفشار استفاده می گردد. این شلنگ های عظیم اندازه زیادی آب را با سرعت زیاد پرتاب می نمایند و حتما متوجه شده اید که برای ثابت نگه داشتن چنین شلنگی به نیروی زیادی نیاز است به نحوی که چندین آتش نشان این کار را انجام می دهند. شلنگ همان کار موتور موشک را انجام می دهد. جرمی از آن با سرعت زیاد پرتاب می گردد و آتش نشانان با استفاده از نیرو و وزن خود در مقابل عکس العمل آن می ایستند. اگر آن ها شلنگ آتش نشانی را رها نمایند، با نیروی فوق العاده ای می تواند اشیای پیرامون خود را در هم بشکند. اگر آتش نشان ها هنگام باز شدن شیرهای متصل به شلنگ ها روی تخته اسکیت ایستاده باشند، در لحظه خارج شدن آب از دهانه شلنگ، با سرعت زیاد به سمت عقب به حرکت در خواهند آمد.

اگر شما یک بادکنک را باد کنید و آن را رها کنید، با خروج هوا از آن، آغاز به پرواز می نماید. با این کار شما یک نوع موتور موشک می سازید. در این مثال، چیزی که پرتاب می گردد، مولکول های هوای درون بادکنک است. بر خلاف عقیده بسیاری از مردم، مولکول های هوا هم جرم دارند و به همین علت بادکنک در خلاف جهت پرتاب آن ها پرواز می نماید.

عمل و عکس العمل

تصویر زیر، عکسی از نمای نزدیک از موتور اصلی شاتل در هنگام انجام آزمایش در مرکز فضایی John C. Stennis است که به وسیله یک دوربین کنترل از راه دور گرفته شده است.

فرض کنیم که شما لباس فضایی پوشیده اید و در کنار شاتل در فضا معلق هستید. چنین فرض کنید که در دست خود یک توپ بیس بال دارید. اگر شما توپ بیس بال را پرتاب کنید، بدن شما با حرکت کردن در خلاف جهت توپ، عکس العمل نشان خواهد داد. معیارهایی که بر سرعت عکس العمل بدن شما کنترل دارند، عبارت هستند از جرم توپی که شما پرتاب می کنید و بعلاوه مقدار شتابی که به آن اعمال می کنید. می دانیم که حاصل ضرب جرم در شتاب، برابر است با نیرو. (f = m * a). هر نیرویی که شما به توپ اعمال کنید، همان اندازه نیرو در خلاف جهت نیروی اولیه به بدن شما اعمال خواهد شد.

حال بیایید فرض کنیم که توپ بیس بال جرمی برابر با 450 گرم دارد و شما توپ را با سرعت 33 کیلومتر بر ساعت پرتاب می کنید. جرم خود شما به همراه لباس و تجهیزات هم 45 کیلوگرم است (باید اشاره کنیم که تمام فرض های در نظر گرفته شده برای جرم اشیا و انسان در اینجا اعدادی هستند که صرفا برای مثال آورده شده اند و به طور خاص نمی توانیم در خصوص یک موشک یا فضانورد خاص به آن استناد کنیم). به عبارت دیگر شما به وسیله ماهیچه بازوی خود شتابی به توپ بیس بال می دهید که سرعت آن را به 33 کیلومتر بر ساعت می رساند. بدن شما به این کنش، عکس العمل نشان می دهد؛ اما از طرفی نباید فراموش کنیم که جرم آن 100 برابر جرم توپ است. بنابراین بدن شما با سرعتی معادل یک صدم سرعت توپ در جهت مخالف حرکت خواهد نمود، یعنی با سرعت 0.33 کیلومتر بر ساعت.

اگر شما می خواهید نیروی پیشرانش بیشتری فراوری کنید، می توانید دو کار انجام دهید: جرم پرتابه را بیشتر کنید یا شتاب را افزایش دهید. شما می توانید توپ سنگین تری را پرتاب کنید یا این که چند توپ بیس بال را پشت سر هم پرتاب کنید (افزایش جرم)، همین طور شما می توانید توپ بیس بال را سریع تر پرتاب کنید (شتاب آن را بیشتر کنید). این تمام کاری است که شما می توانید انجام دهید.

موتور موشک اساسا جرم پرتابی را به صورت گاز پرفشار پرتاب می نماید. موتور، جرم گاز را در یک جهت پرتاب می نماید و از عکس العمل آن برای پیش رفتن در جهت مخالف استفاده می نماید. جرم پرتابی همان جرم سوختی است که موشک حمل می نماید. فرآیند احتراق سوخت باعث شتاب گیری جرم سوخت می گردد که در نتیجه با سرعت زیاد از خروجی موتور به بیرون پرتاب می گردد. این مسئله که سوخت جامد یا مایع در طی فرایند احتراق تبدیل به گاز می شوند، باعث تغییر جرم پرتابی نمی گردد. اگر شما یک کیلوگرم سوخت را بسوزانید، یک کیلوگرم گاز با دمای بالا از خروجی موتور به بیرون با سرعت زیاد پرتاب می گردد. حالت سوخت تغییر می نماید؛ اما جرم نه. فرایند احتراق باعث شتاب گیری جرم می گردد. در بخش بعدی در خصوص پیش رانش بیشتر یاد می گیریم.

پیشرانش

قدرت یک موتور موشک نیروی پیشرانش نامیده می گردد. واحد نیرو در سیستم متریک، نیوتون است. یکی از مسائل جالب در خصوص موشک ها این است که آن ها باید جرم پرتابی را با خود حمل نمایند و در هنگام پرتاب از جرم آن ها و در نتیجه جرمی که نیروی عکس العمل روی آن اعمال می گردد، کاسته خواهد شد. یعنی جرم کل موشک در حین احتراق متغیر خواهد بود، درست مانند این که شما باید کیسه حاوی توپ های بیس بال را با خود داشته باشید. در هنگام پرتاب اولین توپ، نیروی عکس العمل روی جرم شما به اضافه جرم کیسه اثر خواهد نمود. در پرتاب دومین توپ هم این گونه خواهد بود؛ اما جرم کیسه حاوی توپ ها اکنون کمتر شده است. حالا فرض کنید که شما می خواهید نیروی پیشرانشی معادل 444 نیوتون برای مدت یک ساعت فراوری کنید و می خواهید این کار را با پرتاب توپ های 450 گرمی با سرعت 3370 کیلومتر بر ساعت انجام دهید. این سخن به این معنی است که شما باید 3600 توپ 450 گرمی داشته باشید (چون هر ساعت 3600 ثانیه است).

اکنون به این نکته توجه کنید که جرم شما در لباس فضایی تنها 45 کیلوگرم بود. واضح است که جرم سوخت مورد نیاز برای حرکت شما بسیار بیشتر از وزن خود شما است. در واقع جرم سوخت 36 برابر بار مفید در این مثال است. این موضوع در دنیای واقعی هم صادق است. به همین علت است که شما برای بردن یک انسان به فضا به یک موشک عظیم با سوخت زیاد نیاز دارید. اگر ویدیویی پرتاب شاتل های فضایی را دیده باشید، می دانید که شیء پرتابی از سه بخش تشکیل می گردد:

. مدارگرد

. مخزن سوخت عظیم بیرونی

. دو مخزن سوخت اضافی در دو سوی مخزن اصلی (SRBs)

جرم خالص مدار گرد حدود 75 هزار کیلوگرم است. مخزن سوخت اصلی حدود 35 هزار کیلوگرم جرم دارد و دو مخزن مجاور آن هم هر کدام به صورت خالی جرمی معادل 84 هزار کیلوگرم دارند. این مخازن باید با سوخت پر شوند. هر کدام از مخازن مجاور (SRB) در حدود 500 هزار کیلوگرم سوخت در خود جای می دهند. ظرفیت سوخت گیری مخزن بیرونی اصلی 541 هزار لیتر اکسیژن مایع (با جرم 616 هزار کیلوگرم) و 1،4500،00 لیتر هیدروژن مایع (با جرم 102 هزار کیلوگرم) است. کل جرم پرتابی، شامل شاتل، مخزن اصلی و SRB ها در حدود 2 میلیون کیلوگرم می گردد. 2 میلیون کیلوگرم برای رساندن محموله 75 هزار کیلوگرمی به مدار. البته باید گفت که بار قابل حمل به وسیله شاتل در حدود 30 هزار کیلوگرم است (با ابعاد حدبیشتر 5 در 20 متر)؛ اما در هر صورت تفاوت بسیار زیادی وجود دارد و جرم سوخت تقریبا 20 برابر جرم مدارگرد است.

تمام این سوخت با سرعتی در حدود 10 هزار کیلومتر در ساعت به بیرون پرتاب می گردد (سرعت گاز خروجی از موتورهای واکنش شیمیایی بین 8 هزار تا 16 هزار کیلومتردرساعت است) و مدت زمان احتراق SRBها در هر پرتاب 2 دقیقه است. هر کدام از آن ها 14 میلیون و 600 هزار نیوتون نیروی پیشرانش فراوری می نمایند. سه موتور اصلی (که از مخزن سوخت اصلی تغذیه می شوند) به مدت 8 دقیقه کار می نمایند و هر کدام از آن ها حین احتراق 1،600،000 نیوتون نیروی پیشرانش فراوری می نمایند. در قسمت بعدی به ترکیب سوخت جامد موشک ها خواهیم پرداخت.