مقدمه:

يکي از عجيب ترين کشفيات انسان دسترسي به فضا است که پيچيدگي و مشکلات خاص خود را دارد. راه يابي به فضا پيچيده است، چرا که بايد با بسياري از مشکلات روبرو شد. مثلا:
- وجود خلا در فضا
- مشکلات گرما و حرارت
- مشکل ورود مجدد به زمين
- مکانيک مدارها
- ذرات و باقي مانده هاي فضا
- تابش هاي کيهاني و خورشيدي
- طراحي امکانات براي ثابت نگه داشتن اشيا در بي وزني
ولي بزرگترين مشکل ايجاد انرژي لازم براي بالا بردن فضاپيما از زمين است که براي درک اين موضوع بايد به بررسي طرز کار موتورهاي موشک پرداخت.
در يک ديدگاه ساده، مي توان موتورهاي موشک را به آساني و با هزينه اي نسبتا کم طراحي کرد و حتي آن را به پرواز درآورد اما اگر بخواهيم مسيله را در سطح کلان بررسي کنيم با مشکلات و پيچيدگي هاي بسياري مواجه هستيم و اين موتورهاي موشک (و به خصوص سيستم سوخت آن ها) آنقدر پيچيده است که تا به حال تنها سه کشور توانسته اند با استفاده از اين فناوري انسان را در مدار زمين قرار دهند.
در اين مقاله ما موتورهاي موشک هاي فضايي را مورد بررسي قرار مي دهيم تا با طرز کار و پيچيدگي هاي آن ها آشنا شويم.

نکات پايه اي:

عموما وقتي کسي درباره موتورها فکر مي کند، خود به خود مطالبي درباره چرخش برايش تداعي مي شود.براي مثال حرکت متناوب پيستون در موتور بنزيني که انرژي چرخشي براي به حرکت در آوردن چرخ ها را توليد مي کند. و يا موتور الکتريکي که با توليد ميدان الکتريکي که با توليد ميدان مغناطيسي نيروي چرخشي براي پنکه يا سي دي رام توليد مي کنند. موتور بخار هم به طور مشابه کار مي کنند.
ولي موتور موشک از لحاظ ساختار متفاوت است. موتور موشک ها موتورهاي واکنشي هستند.اساس کار موتور موشک برپايه ي قانون معروف نيوتون است که مي گويد: “براي هر کنش واکنشي وجود دارد به مقدار مساوي ولي درجهت مخالف آن”. موتور موشک نيز جرم را در يک جهت پرتاب مي کند و از واکنش آن در جهت مخالف سود مي برد.
البته تصور اين اصل (پرتاب جرم و سود بردن از واکنش) ممکن است در ابتدا کمي عجيب به نظر بيايد، چرا که در عمل بسيار متفاوت مي نماياند. انفجار، صدا و فشار چيزهايي است که در ظاهر باعث حرکت موشک مي شود و نه “پرتاب جرم”.
بگذاريد تا با بيان چند مثال تصويري بهتر از واقعيت را روشن کنم:
? اگر تا به حال با اسلحه ي(به خصوص سايز بزرگ آن) shotgun شليک کرده باشيد، متوجه مي شويد که ضربه ي بسيار قوي اي، با نيروي بسيار زياد به شانه شما وارد مي کند.
يک اسلحه مقدار 1 انس فلز را به يک جهت و با سرعت 700 مايل در ساعت شليک مي کند و در واکنش شما را به عقب حرکت مي دهد.
? اگر تا به حال شير آتش نشاني را ديده باشيد، متوجه مي شويد که براي نگه داشتن آن بايد نيروي بسيار زيادي را صرف کنيد (اگر دقت کرده باشيد گاهي 2 يا 3 آتش نشان يک شير را نگه مي دارند) که در اين جا شير آتش نشاني مثل موتور موشک عمل مي کند.
شير آتش نشاني، آب را در يک جهت پرتاب ميکند و آتش نشان ها از نيرو و وزن خود استفاده مي کنند تا در برابر واکنش آن مقاومت کنند. اگر آن ها اجازه بدهند تا شير رها شود، شير به اين طرف و آن طرف پرتاب مي شود.
حال اگر آتش نشان ها روي يک اسکيت برد ايستاده باشند شير آتش فشاني آن ها را با سرعت زيادي به عقب مي راند.
? اگر يک بادکنک را باد کنيد و آن را رها کنيد، بادکنک به پرواز در مي آيد، تا وقتي که هواي داخل آن به طور کامل خالي شود. پس مي توان گفت که شما يکم موتور موشک ساخته ايد. در اين جا چيزي که به بيرون پرتاب مي شود مولکول هاي هواي درون بادکنک هستند.
بسياري از مردم فکر مي کنند که مولکول هاي هوا اهميتي ندارند، در حالي که اينطور نيست. هنگامي که شما به آن ها اجازه مي دهيد تا از دريچه بادکنک به بيرون پرتاب شوند، بر اثر واکنش به وجود آمده بادکنک به جهت مخالف پرتاب مي شود.
در ادامه براي درک بهتر موضوع، به مثالي دقيق تر اشاره مي کنم:
? سناريوي توپ بيسبال در فضا:
شرايط زير را تصور کنيد،
مثلا شما لباس فضانوردان را پوشيده ايد و در فضا در کنار فضاپيما معلق مانده ايد و چندين توپ بيسبال در دست داريد. حال اگر شما توپ بيسبال را پرتاب کنيد، واکنش آن بدن شما را به جهت مخالف توپ حرکت مي دهد.
سرعت شما پس از پرتاب توپ به وزن توپ و شتاب وارده بستگي دارد. همانطور که مي دانيم حاصلضرب جرم در شتاب برابر نيرو است، يعني:
F=m.a
همچنين ميدانيم که هر نيرويي که شما به توپ وارد کنيد، توپ نيز نيرويي مساوي ولي در جهت مخالف به بدن شما وارد ميکند که همان واکنش است. پس مي توان گفت:
m.a=m.a
حال فرض مي کنيم که توپ بيسبال 1 کيلو گرم وزن داشته باشد و وزن شما و لباس فضايي هم 100 کيلوگرم باشد. پس با اين حساب اگر شما توپ بيسبال را با سرعت 21 متر در ساعت پرتاب کنيد. يعني شما با دست خود به يک توپ بيسبال 1 کيلو گرمي، شتابي وارد کرده ايد که سرعت 21 متر در ساعت گرفته است. واکنش آن روي بدن شما تاثير مي گذارد، ولي وزن بدن شما 100 برابر توپ بيسبال است. پس بدن شما با 100/1 سرعت توپ بيسبال (يا 0.21 متر بر ساعت) به عقب حرکت مي کند.
حال اگر شما مي خواهيد از توپ بيسبال خود قدرت بيش تري بگيريد، شما دو انتخاب داريد: افزايش جرم يا افزايش شتاب وارده شما مي توانيد يا يک توپ سنگين تر پرتاب کنيد و يا اينکه شما مي توانيد توپ بيسبال را سريع تر پرتاب کنيد (شتاب آن را افزايش دهيد)، و اين دو تنها کارهايي است که مي توانيد انجام دهيد.
يک موتور موشک نيز به طور کلي جرم را در قالب گازهاي پرفشار پرتاب مي کند؛ موتور گاز را در يک جهت به بيرون پرتاب مي کند تا از واکنش آن در جهت مخالف سود ببرد. اين جرم از مقدار سوختي که در موتور موشک مي سوزد بدست مي آيد.
عمليات سوختن به سوخت شتاب مي دهد تا از دهانه خروجي موشک با سرعت زياد بيرون بيايد.
وقتي سوخت جامد يا مايع مي سوزد و به گاز تبديل مي شود، جرم آن تغيير نمي کند بلکه تغيير در حجم آن است. يعني اگر شما مقدار يک کيلو سوخت مايع موشک را بسوزانيد مقدار يک کيلو جرم با حجمي بيشتر، از دهانه خروجي موشک با دماي بالا و سرعت زياد خارج مي شود. عمليات سوختن، جرم را شتاب مي دهد.
بياييد تا بيش تر درباره ي نيروي پرتاب بدانيم:
نيروي پرتاب:
قدرت موتور يک موشک را نيروي پرتاب آن مي گويند. نيروي پرتاب در آمريکا به صورت
(پوند) ponds of thrust
و در سيستم متريک با واحد نيوتون شناخته شده است (هر 4.45 نيوتون نيروي پرتاب برابر است با 1 پوند نيروي پرتاب).
هر يک پوند نيروي پرتاب (4.45 نيوتون) مقدار نيروي است که مي تواند يک شي 1 پوندي (453.59 گرم) را در حالت ساکن مخالف نيروي جاذبه زمين نگه دارد.
بنابر اين در روي زمين شتاب جاذبه 21 متر در ساعت در ثانيه (32 فوت در ثانيه در ثانيه) است
منبع: سايت دانشجويان
/خ