زوميت/ اريخ سفرهاي فضايي با موشکها گره خورده است. سازوکار موتور موشک يکي از جالبترين و پرهزينهترين فرايندهاي دنياي مهندسي است که در اين گزارش تصميم داريم بيشتر با آن آشنا شويم.
يکي از شگفتانگيزترين دستاوردهاي بشر، تلاش او براي اکتشاف فضا است. بخشي از شگفتانگيزي اين تلاش به پيچيدگي آن برميگردد. اکتشاف فضا کار بسيار پيچيدهاي است؛ چون مسائل زيادي بايد حل شود و موانع زيادي مانند وجود خلا در فضا، مشکلات مربوط به مديريت گرما، دشواري بازگشت دوباره به زمين، ريزشهابسنگها و اجرام فضايي کوچک، تشعشعات کيهاني و خورشيدي و دشواريهاي مربوط به فراهم کردن امکانات رفاهي در محيط بيوزني بايد از سر راه بر داشته شود.
اما بزرگترين مشکل، فراهم کردن انرژي لازم براي پرتاب يک فضاپيما به خارج از جو زمين است. اينجا است که موتور موشکها به کمک ما ميآيند. ساختن موتور موشک از طرفي آن قدر راحت است که شما ميتوانيد يک مدل کوچک از آن را با هزينهي کم ساخته و در حياط منزل خود به پرواز در آوريد. از طرف ديگر تکنولوژي مربوط به ساخت موتور موشک و سيستم تزريق سوخت آنها، آن چنان پيچيده است که تنها سه کشور تاکنون توانستهاند انسان را به مدار زمين بفرستند. ما در اين مقاله سعي ميکنيم به چگونگي کارکرد موتور موشکها بپردازيم و همچنين پيچيدگيهاي مربوط به آن را شرح دهيم.
وقتي صحبت از موتور ميشود، اکثر مردم به فکر دوران ميافتند. براي مثال، موتور بنزيني از نوع رفت و برگشتي در خودرو با توليد انرژي دوراني، چرخها را به حرکت در ميآورد. يک موتور الکتريکي انرژي دوراني لازم براي گردش يک فن يا يک ديسک را فراهم ميکند. يک موتور بخار هم همين کار را انجام ميدهد، همين طور توربين بخار و بسياري از توربينهاي گازي.
اما موتور موشکها از اساس با بقيه موتورها فرق دارند. اين موتورها از نوع موتورهاي واکنشي هستند. اصل اساسي در طراحي اين موتورها همان قانون معروف نيوتون است: براي هر کنش، واکنشي برابر با آن و در خلاف جهت آن وجود دارد. در واقع موتور موشکها «جرمي» را در يک جهت پرتاب ميکنند و از عکس العمل ايجاد شده در جهت مخالف استفاده ميکنند.
کنش واکنش نيوتون
شايد درک اين اصل در ابتدا سخت باشد، چون در نگاه اول در موتور موشکها چنين اتفاقي نميافتد. موتور موشکها بيشتر صدا و فشار ايجاد ميکنند و به نظر نميرسد که چيزي را پرتاب کنند. براي درک بهتر واقعيت در اين جا چند نمونه از «پرتاب» را به شما ارائه ميدهيم:
اگر شما تا کنون با اسلحه و بهخصوص با اسلحهي کاليبر بالا شليک کرده باشيد، به احتمال زياد با مفهوم لگد آشنا شدهايد. به اين معني که شما وقتي با اسلحه شليک ميکنيد، اسلحه نيروي زيادي به شانهي شما به سمت عقب ايجاد ميکند. اين لگد زدن همان «واکنش» است. براي مثال يک شاتگان گلولهاي فلزي با جرم تقريبا ۴۰ گرم را با سرعت ۱۲۰۰ کيلومتر بر ساعت پرتاب ميکند و شانهي شما واکنش ايجاد شده توسط اين کنش را دريافت ميکند. حال اگر شما هنگام شليک اسلحه روي تخته اسکيت بايستيد، نيروي وارد شده به شانه، ميتواند شما را به سمت عقب به حرکت درآورد، درست مانند کاري که يک موتور موشک انجام مي دهد.
اغلب در هنگام آتشسوزي از شلنگهاي آب پرفشار استفاده ميشود. اين شلنگهاي بزرگ مقدار زيادي آب را با سرعت زياد پرتاب ميکنند و حتما متوجه شدهايد که براي ثابت نگه داشتن چنين شلنگي به نيروي زيادي نياز است به نحوي که چندين آتشنشان اين کار را انجام ميدهند. شلنگ همان کار موتور موشک را انجام ميدهد. جرمي از آن با سرعت زياد پرتاب ميشود و آتشنشانان با استفاده از نيرو و وزن خود در مقابل عکسالعمل آن ميايستند. اگر آنها شلنگ آتشنشاني را رها کنند، با نيروي فوقالعادهاي ميتواند اشياي پيرامون خود را در هم بشکند. اگر آتشنشانها هنگام باز شدن شيرهاي متصل به شلنگها روي تخته اسکيت ايستاده باشند، در لحظهي خارج شدن آب از دهانهي شلنگ، با سرعت زياد به سمت عقب به حرکت در خواهند آمد.
عکس العمل موشک
اگر شما يک بادکنک را باد کنيد و آن را رها کنيد، با خروج هوا از آن، شروع به پرواز ميکند. با اين کار شما يک نوع موتور موشک ميسازيد. در اين مثال، چيزي که پرتاب ميشود، مولکولهاي هواي درون بادکنک است. بر خلاف عقيدهي بسياري از مردم، مولکولهاي هوا هم جرم دارند و به همين دليل بادکنک در خلاف جهت پرتاب آنها پرواز ميکند.
عمل و عکسالعمل
تصوير زير، عکسي از نماي نزديک از موتور اصلي شاتل در هنگام انجام آزمايش در مرکز فضايي John C. Stennis است که توسط يک دوربين کنترل از راه دور گرفته شده است.
فرض کنيم که شما لباس فضايي پوشيدهايد و در کنار شاتل در فضا معلق هستيد. چنين فرض کنيد که در دست خود يک توپ بيسبال داريد. اگر شما توپ بيسبال را پرتاب کنيد، بدن شما با حرکت کردن در خلاف جهت توپ، عکس العمل نشان خواهد داد. معيارهايي که بر سرعت عکسالعمل بدن شما کنترل دارند، عبارت هستند از جرم توپي که شما پرتاب ميکنيد و همچنين ميزان شتابي که به آن اعمال ميکنيد. ميدانيم که حاصلضرب جرم در شتاب، برابر است با نيرو. (f = m * a). هر نيرويي که شما به توپ اعمال کنيد، همان مقدار نيرو در خلاف جهت نيروي اوليه به بدن شما اعمال خواهد شد.
حال بياييد فرض کنيم که توپ بيسبال جرمي برابر با ۴۵۰ گرم دارد و شما توپ را با سرعت ۳۳ کيلومتر بر ساعت پرتاب ميکنيد. جرم خود شما به همراه لباس و تجهيزات نيز ۴۵ کيلوگرم است (بايد اشاره کنيم که تمام فرضهاي در نظر گرفته شده براي جرم اشيا و انسان در اينجا اعدادي هستند که صرفا براي مثال آورده شدهاند و به طور خاص نميتوانيم در مورد يک موشک يا فضانورد خاص به آن استناد کنيم). به عبارت ديگر شما توسط ماهيچهي بازوي خود شتابي به توپ بيسبال ميدهيد که سرعت آن را به ۳۳ کيلومتر بر ساعت ميرساند. بدن شما به اين کنش، عکسالعمل نشان ميدهد؛ اما از طرفي نبايد فراموش کنيم که جرم آن ۱۰۰ برابر جرم توپ است. بنابراين بدن شما با سرعتي معادل يک صدم سرعت توپ در جهت مخالف حرکت خواهد کرد، يعني با سرعت ۰.۳۳ کيلومتر بر ساعت.
اگر شما ميخواهيد نيروي پيشرانش بيشتري توليد کنيد، ميتوانيد دو کار انجام دهيد: جرم پرتابه را بيشتر کنيد يا شتاب را افزايش دهيد. شما ميتوانيد توپ سنگينتري را پرتاب کنيد يا اين که چند توپ بيسبال را پشت سر هم پرتاب کنيد (افزايش جرم)، همينطور شما ميتوانيد توپ بيسبال را سريعتر پرتاب کنيد (شتاب آن را بيشتر کنيد). اين تمام کاري است که شما ميتوانيد انجام دهيد.
موتور موشک اساسا جرم پرتابي را به صورت گاز پرفشار پرتاب ميکند. موتور، جرم گاز را در يک جهت پرتاب ميکند و از عکسالعمل آن براي پيشرفتن در جهت مخالف استفاده ميکند. جرم پرتابي همان جرم سوختي است که موشک حمل ميکند. فرآيند احتراق سوخت باعث شتابگيري جرم سوخت ميشود که در نتيجه با سرعت زياد از خروجي موتور به بيرون پرتاب ميشود. اين مسئله که سوخت جامد يا مايع در طي فرايند احتراق تبديل به گاز ميشوند، باعث تغيير جرم پرتابي نميشود. اگر شما يک کيلوگرم سوخت را بسوزانيد، يک کيلوگرم گاز با دماي بالا از خروجي موتور به بيرون با سرعت زياد پرتاب ميشود. حالت سوخت تغيير ميکند؛ اما جرم نه. فرايند احتراق باعث شتابگيري جرم ميشود. در بخش بعدي در مورد پيشرانش بيشتر ياد ميگيريم.
پيشرانش
قدرت يک موتور موشک نيروي پيشرانش ناميده ميشود. واحد نيرو در سيستم متريک، نيوتون است. يکي از مسائل جالب در مورد موشکها اين است که آنها بايد جرم پرتابي را با خود حمل کنند و در هنگام پرتاب از جرم آنها و در نتيجه جرمي که نيروي عکسالعمل روي آن اعمال ميشود، کاسته خواهد شد. يعني جرم کل موشک در حين احتراق متغير خواهد بود، درست مانند اين که شما بايد کيسهي حاوي توپهاي بيسبال را با خود داشته باشيد. در هنگام پرتاب اولين توپ، نيروي عکسالعمل روي جرم شما به اضافهي جرم کيسه اثر خواهد کرد. در پرتاب دومين توپ نيز اين گونه خواهد بود؛ اما جرم کيسهي حاوي توپها اکنون کمتر شده است. حالا فرض کنيد که شما ميخواهيد نيروي پيشرانشي معادل ۴۴۴ نيوتون براي مدت يک ساعت توليد کنيد و ميخواهيد اين کار را با پرتاب توپهاي ۴۵۰ گرمي با سرعت ۳۳۷۰ کيلومتر بر ساعت انجام دهيد. اين سخن به اين معني است که شما بايد ۳۶۰۰ توپ ۴۵۰ گرمي داشته باشيد (چون هر ساعت ۳۶۰۰ ثانيه است).
اکنون به اين نکته توجه کنيد که جرم شما در لباس فضايي تنها ۴۵ کيلوگرم بود. واضح است که جرم سوخت مورد نياز براي حرکت شما بسيار بيشتر از وزن خود شما است. در واقع جرم سوخت ۳۶ برابر بار مفيد در اين مثال است. اين موضوع در دنياي واقعي نيز صادق است. به همين دليل است که شما براي بردن يک انسان به فضا به يک موشک بزرگ با سوخت زياد احتياج داريد. اگر ويديويي پرتاب شاتلهاي فضايي را ديده باشيد، ميدانيد که شيء پرتابي از سه بخش تشکيل ميشود:
مدارگرد
جرم خالص مدار گرد حدود ۷۵ هزار کيلوگرم است. مخزن سوخت اصلي حدود ۳۵ هزار کيلوگرم جرم دارد و دو مخزن مجاور آن نيز هر کدام به صورت خالي جرمي معادل ۸۴ هزار کيلوگرم دارند. اين مخازن بايد با سوخت پر شوند. هر کدام از مخازن مجاور (SRB) در حدود ۵۰۰ هزار کيلوگرم سوخت در خود جاي ميدهند. ظرفيت سوختگيري مخزن بيروني اصلي ۵۴۱ هزار ليتر اکسيژن مايع (با جرم ۶۱۶ هزار کيلوگرم) و ۱،۴۵۰۰،۰۰ ليتر هيدروژن مايع (با جرم ۱۰۲ هزار کيلوگرم) است. کل جرم پرتابي، شامل شاتل، مخزن اصلي و SRBها در حدود ۲ ميليون کيلوگرم ميشود. ۲ ميليون کيلوگرم براي رساندن محمولهي ۷۵ هزار کيلوگرمي به مدار. البته بايد گفت که بار قابل حمل توسط شاتل در حدود ۳۰ هزار کيلوگرم است (با ابعاد حداکثر ۵ در ۲۰ متر)؛ اما در هر صورت تفاوت بسيار زيادي وجود دارد و جرم سوخت تقريبا ۲۰ برابر جرم مدارگرد است.
تمام اين سوخت با سرعتي در حدود ۱۰ هزار کيلومتر در ساعت به بيرون پرتاب ميشود (سرعت گاز خروجي از موتورهاي واکنش شيميايي بين ۸ هزار تا ۱۶ هزار کيلومتردرساعت است) و مدت زمان احتراق SRBها در هر پرتاب ۲ دقيقه است. هر کدام از آنها ۱۴ ميليون و ۶۰۰ هزار نيوتون نيروي پيشرانش توليد ميکنند. سه موتور اصلي (که از مخزن سوخت اصلي تغذيه ميشوند) به مدت ۸ دقيقه کار ميکنند و هر کدام از آنها حين احتراق ۱،۶۰۰،۰۰۰ نيوتون نيروي پيشرانش توليد ميکنند. در قسمت بعدي به ترکيب سوخت جامد موشکها خواهيم پرداخت.
موشک سوخت جامد: ترکيب سوخت
موتور موشکهاي سوخت جامد اولين نوع از موشکها بودند که به دست انسان ساخته شدند. آنها تقريبا صد سال پيش در چين اختراع شدند و تا کنون نيز به طور گسترده مورد استفاده قرار ميگيرند. بخشي از سرود ملي آمريکا که در اوايل قرن ۱۹ نوشته شده است، به استفاده از موشک براي حمل بمب يا مواد آتشزا اشاره دارد. پس ميتوانيد ببينيد که استفاده از موشکها به قرنها پيش برميگردد.
ايدهي اصلي توليد يک موشک سوخت جامد ساده است. شما بايد سوختي داشته باشيد که به سرعت بسوزد؛ اما منفجر نشود. همانطور که شما احتمالا ميدانيد، باروت قابليت انفجار دارد. باروت از ۷۵ درصد نيترات، ۱۵ درصد کربن و ۱۰ درصد سولفور تشکيل يافته است. ما نميخواهيم که چنين سوختي در موتور موشک منفجر شود، پس بايد ترکيب آن را به اين طريق تغيير دهيم: ۷۲ درصد نيترات، ۲۴ درصد کربن و ۴ درصد سولفور. در اين حالت سوخت شما ديگر باروت نخواهد بود، بلکه تبديل به سوخت جامد موشک ميشود. اين نوع ترکيب شيميايي به سرعت ميسوزد و اگر به درستي بارگزاري شود، منفجر نميشود.
موشکهاي سوخت جامد: شکل کانال
وقتي شما در مورد موشکهاي سوخت جامد پيشرفته بخواهيد مطلبي بخوانيد، ممکن است با چنين پاراگرافي روبهرو شويد که از سايت ناسا تهيه شده است:
ترکيب شيميايي پيشران در هر يک از موتورهاي SRB متشکل از پرکلرات آمونيوم (اکسيدکننده، ۶۹.۶ درصد وزن ترکيب سوختي)، آلومينيوم (سوخت، ۱۶ درصد ترکيب)، اکسيد آهن (کاتاليست، ۰.۴ درصد)، يک پليمر (نوعي چسب که ترکيب را نگه ميدارد، ۱۲.۰۴ درصد) و عامل سخت کنندهي اپکسي (۱.۹۶ درصد) است. شکل ترکيب پيشران به صورت يک سوراخ ستارهاي ۱۱ گوشه در قسمت جلويي موتور و به صورت مخروط ناقص دوتايي در انتهاي آن است. چنين شکلي باعث ميشود تا در شروع احتراق، نيروي پيشرانش زيادي توليد شود و سپس ميزان آن را بعد از ۵۰ ثانيه تا يک سوم کاهش دهد. اين کار باعث ميشود که تنش وارد شده به محموله در اوج فشار ديناميکي کنترل شود.
اين نوشته نه تنها ترکيب سوخت جامد را توضيح ميدهد؛ بلکه شکل کانال ايجاد شده در داخل سوخت جامد را نيز توضيح ميدهد: يک ستارهي ۱۱ گوشهاي، همانند شکل زير:
سازوکار موشک سوخت
هدف از انجام اين کار افزايش مساحت جانبي کانال و در نتيجه افزايش ناحيهي احتراق است تا ميزان پيشرانش توليدي زياد شود. با ادامهي احتراق سوخت، سوراخ ستارهاي شکل تبديل به يک دايرهي ساده ميشود. در SRBها اين کار باعث توليد نيروي پيشرانش زياد در ابتداي احتراق و کاهش ميزان آن در اواسط پرواز ميشود.
موتور موشکهاي سوخت جامد چند مزيت مهم دارند: سادگي، هزينهي پايين و امنيت؛ اما در کنار اينها دو عيب بزرگ هم دارند: نداشتن کنترل روي نيروي پيشرانش و اينکه بعد از شروع احتراق، نميتوان موتور را خاموش کرد يا دوباره راهاندازي کرد.
اين ايرادات باعث ميشود که موشکهاي سوخت جامد براي ماموريتهاي کوتاه مدت (همانند موشکهاي نظامي) يا براي سيستمهاي تقويت کننده مناسب باشند. اگر ميخواهيد که کنترل موتور را در دست داشته باشيد بايد از سيستم پيشرانش مايع استفاده کنيد. در بخش بعدي درباره اين مورد و ساير موضوعات توضيح ميدهيم.
گودارد موشک
تصوير فوق، رابرت اچ. گودارد (Robert H. Goddard) و موشک سوخت اکسيژن-بنزيني او را نشان ميدهد که در ۱۶ مارس ۱۹۲۶ پرتاب شد. اين موشک تنها ۲.۵ ثانيه پرواز کرد و پس از رسيدن به ارتفاع ۱۴ متري، در يک مزرعهي کلم، ۷۰ متر دورتر فرود آمد.
در سال ۱۹۲۶، رابرت گودارد اولين نفري بود که يک موشک سوخت مايع را به پرواز درآورد. موتور موشک او از اکسيژن مايع و بنزين استفاده ميکرد. او همچنين تعدادي از مسائل اصلي در مورد طراحي موتور چنين موشکهايي را از قبيل مکانيزم برخواستن از زمين، سيستم خنککننده و سيستم کنترل مسير حرکت حل کرد. همين مسائل هستند که موشکهاي سوخت مايع را پيچيده ميکنند.
ايدهي پشت موشکهاي سوخت مايع بسيار ساده است. در بسياري از موتورها، سوخت و اکسيدکننده (براي مثال بنزين و اکسيژن مايع) به درون يک محفظهي احتراق فرستاده ميشوند. در طي فرايند احتراق، جرياني از گازهاي بسيار داغ با سرعت زياد ايجاد ميشود. اين گازها با حرکت درون نازل سرعت بيشتري ميگيرند (سرعت معمول گازهاي خروجي از چنين موتورهايي بين ۸۰۰۰ تا ۱۶ هزار کيلومتربرساعت است) و موتور را ترک ميکنند. در شکل سادهشدهي زير اصول و اجزاي اصلي اين فرايند را ميتوانيد ببينيد.
سازوکار موشک
اين شکل البته تمام پيچيدگيها يک موتور سوخت مايع واقعي را نشان نميدهد. براي مثال اغلب اکسيدکننده يا خود سوخت به صورت گازهاي سردي هستند که به صورت مايع در ميآيند؛ مانند هيدروبژن مايع و اکسيژن مايع. يکي از بزرگترين مشکلات موتورهاي با سوخت مايع، سرد کردن محفظهي احتراق و نازل است. بنابراين ابتدا مايع سرد به دور نواحي بسيار داغ ميچرخد تا آنها را سرد کند. پمپها نيز بايد فشار زيادي را براي غلبه بر فشار ايجاد شده توسط احتراق در داخل محفظهي احتراق ايجاد کنند. موتور اصلي شاتل فضايي در واقع سيستم پمپاژ دو مرحلهاي دارد و براي به حرکت در آوردن مرحلهي دوم از احتراق سوخت استفاده ميکند. سيستمهاي پمپاژ و سرد کننده باعث ميشوند که يک موتور سوخت مايع بيشتر شبيه يک پروژهي لولهکشي بزرگ نامنظم شود.
از ترکيبات سوختي مختلفي در موتور موشکهاي سوخت مايع استفاده ميشود. از جمله: اکسيژن مايع و هيدروژن مايع استفاده شده در موتور اصلي شاتل فضايي، بنزين و اکسيژن مايع استفاده شده در نمونههاي اوليه موشکها، نفت سفيد و اکسيژن مايع استفاده شده در مرحلهي اول تقويتکنندههاي سترن ۵ در برنامهي آپولو، الکل و اکسيژن مايع استفاده شده در موشک v2 آلمان، نيتروژن تتروکسيد استفاده شده در موتورهاي کاسيني.
نسل جديد موتور موشکها
تصوير زير مربوط به موتور يون زنون است که در يک محفظهي خلا توسط آزمايشگاه پيشرانش جت (JPL) ناسا مورد آزمايش قرار گرفته است. در اين تصوير رنگ آبي خارج شده از موتور مربوط به اتمهاي باردار است. موتورهاي سوخت يوني اولين نوع از موتورهاي سوخت غير شيميايي هستند که در يکي از قسمتهاي اصلي فضاپيما مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
پيشرانه يون ناسا
ما به ديدن موتورهاي سوخت شيميايي عادت کردهايم. موتورهايي که با سوزاندن سوخت خود نيروي پيشرانش لازم را توليد ميکنند. با اين حال روشهاي ديگري براي توليد پيشرانش وجود دارد. هر سيستمي که منجر به پرتاب سريع جرم شود، ميتواند پيشرانش توليد کند. اگر شما روشي براي سريع پرتاب کردن توپهاي بيسبال بيابيد، کارتان راه ميافتد. تنها مشکل چنين نگرشي خروجي موتور است يا همان توپهايي که پرتاب ميشود. اين خروجي وارد فضا ميشود و ميتواند روي آن تاثير بگذارد. به همين دليل است که دانشمندان به استفاده از موتورهايي که خروجي آنها گاز است، علاقه دارند.
بسياري از موتورها بسيار کوچک هستند. براي مثال نياز نيست موتورهايي که براي تنظيم ماهوارهها به کار ميروند، نيروي پيشرانش زيادي توليد کنند. نوعي از موتورهاي مورد استفاده در ماهواره هيچ نوع سوختي ندارند. در اين موتورها گاز نيتروژن است که با سرعت از نازلهاي تعبيه شده خارج ميشود و باعث توليد پيشرانش ميشود. اين گونه پيشرانهها در سيستم مانور دستي شاتل نيز استفاده شدهاند.
دانشمندان در تلاش هستند تا با توليد نوع جديدي از موتورها، نيروي پيشرانش لازم را از طريق پرتاب يونها يا ذرات اتمي با سرعت زياد و با کارامدي بالا توليد کنند. فضاپيماي Deep Space-1 ناسا اولين وسيلهاي بود که از موتورهاي يوني براي توليد نيروي پيشرانش استفاد کرد.
مسلما فناوري موشکها همانند همهي زمينههاي فني مهندسي ديگر، بهطور دائم در حال رشد و تغيير است. ايدههاي جديد در کنار پيشرفت روزافزون فناوريهاي ساخت باعث هموارتر شدن راه سفرهاي فضايي و کاهش هزينههاي آنها خواهند شد.
با کانال تلگرامي «آخرين خبر» همراه شويد
بازار