چگونه موشک‌ها کار می‌کنند: سیستم‌های پیشران و تکنولوژی پرتاب توضیح‌داده‌شده

هر پرتاب مداری، از فالکون 9 که خدمه را حمل می‌کند تا پروازهای تست استارشیپ، بر اساس همان فیزیک اساسی که اسحاق نیوتن ابتدا توصیف کرد وابسته است: برای هر کنش، یک واکنش مساوی و متضاد وجود دارد. موتور موشک سوخت را می‌سوزاند و گاز داغ حاصل را با سرعت بالا از دهانه بیرون می‌ریزد؛ گاز موشک را در جهت مخالف هل می‌دهد. طبق مرکز تحقیقات گلن ناسا، این جفت کنش و واکنش بین موشک و دوده خود آن وجود دارد، و این دلیل این است که موشک‌ها در خلاء فضا کار می‌کنند و نیازی به هوا یا هیچ محیط دیگری برای هل دادن ندارند.

فیزیک: دفع و دفع خاص

مهندسان عملکرد موتور را با دو عدد توصیف می‌کنند: دفع و دفع خاص. دفع نیرویی است که تولید می‌شود، عمدتاً توسط میزان جرمی که از دهانه خارج می‌شود و سرعت خروج آن هدایت می‌شود. دفع خاص (Isp)، که بر حسب ثانیه اندازه‌گیری می‌شود، توصیف می‌کند که موتور چقدر به طور موثری سوخت را به دفع تبدیل می‌کند — ناسا گلن آن را به عنوان دفع تقسیم بر میزان جریان وزن سوخت تعریف می‌کند، بنابراین موتوری با Isp بالاتر دفع بیشتری را از همان مقدار سوخت تولید می‌کند، یا برای همان دفع به سوخت کمتری نیاز دارد.

این یک عدد به مهندسان اجازه می‌دهد موتور را اندازه‌گیری کنند و سیستم‌های پیشران بسیار متفاوت را برای شرایط برابر مقایسه کنند، و این دلیل این است که دفع خاص دائماً در برگه‌های مشخصات موشک ظاهر می‌شود.

پیشران شیمیایی: مایع، جامد و هیبریدی

تقریباً تمام خودروهایی که سطح زمین را ترک می‌کنند از پیشران شیمیایی استفاده می‌کنند، جایی که سوخت و اکسیدکننده واکنش می‌دهند تا گاز داغ منبسط‌شده تولید کنند. سه تکوین اصلی وجود دارد. موتورهای سوخت مایع سوخت و اکسیدکننده را جداگانه ذخیره می‌کنند و آن‌ها را به یک اتاق احتراق پمپ می‌کنند، که موتور را قابل کنترل، خاموش کردن و راه‌اندازی مجدد می‌کند — یک انعطاف‌پذیری که توسط هم موفران پرتاب دولتی و هم تجاری استفاده می‌شود. موتورهای سوخت جامد سوخت و اکسیدکننده را در یک دانه جامد واحد مخلوط می‌کنند که در پوسته موشک بسته‌بندی شده است؛ آن‌ها از نظر ساختاری ساده و ارزان هستند اما، پس از آتش‌گرفتن، تا زمانی که سوخت تمام شود می‌سوزند. سیستم‌های هیبریدی سوخت جامد را با اکسیدکننده مایع یا گازی ترکیب می‌کنند، بین دو رویکرد قرار می‌گیرند.

موتور رپتور از اسپیس ایکس، که در خودروهای استارشیپ و سوپر هوی استفاده می‌شود، یک رویکرد جدیدتر در پیشران مایع را نشان می‌دهد: طراحی 'احتراق مرحلی کامل' که در آن تمام سوخت و تمام اکسیدکننده از دو احتراق‌کننده اولیه جداگانه عبور می‌کنند قبل از رسیدن به اتاق احتراق اصلی، طبق منبع هوانوردی ایوری دی استرونوت. رپتور متان مایع را با اکسیژن مایع می‌سوزاند — یک ترکیب که اسپیس ایکس تا حدی انتخاب کرد زیرا متان بدون رسوبات دود می‌سوزد که احتراق مجدد موتورهای کروسین را پیچیده می‌کند، و تا حدی زیرا متان می‌تواند، در اصل، از منابع محلی بر روی مریخ ساخته شود. منبع گزارش می‌دهد رپتور تقریباً 2 مگانیوتن دفع با دفع خاص در خلاء حدود 330 تا 350 ثانیه تولید می‌کند.

چرا خودروهای پرتاب در مراحل ساخته می‌شوند

رسیدن به مدار از سطح زمین مستلزم رسیدن به ارتفاع بالاتر از حدود 150 کیلومتر در حالی که سرعت بیش از 7.9 کیلومتر در ثانیه است، طبق راهنمای پرتاب‌کننده آژانس فضایی اروپا. طراحی یک موتور واحد به ندرت این کار را در سراسر پرواز به طور موثر انجام می‌دهد، بنابراین بیشتر موشک‌های مداری به مراحلی تقسیم می‌شوند که بمجرد تمام شدن سوخت آن‌ها دور ریخته می‌شوند، وزن مردار را ریخته‌شده تا مراحل باقی‌مانده خودروی سبک‌تر را راحت‌تر شتاب دهند.

توصیف آژانس فضایی اروپا از یک پرواز طبقه آریان نموذجی نشان می‌دهد که این در عمل چگونه پیش می‌رود: موتورهای الحاقی و مرحله اصلی با هم در حدود دو دقیقه اول صعود عمودی آتش می‌گیرند، مرحله اصلی تقریباً دوازده دقیقه احتراق می‌رود در حالی که موتورهای الحاقی قبلاً جداشده و در دریا نزدیک ارتفاع 60 کیلومتر افتاده‌اند، و سپس مرحله بالایی برای یک دوره نهایی آتش می‌گیرد، رسیدن به سرعت اوج ماموریت حدود 8 کیلومتر در ثانیه قبل از آزاد کردن بار پلی خود. پس از اتمام کار، یک مرحله بالایی مستنزف معمولاً به یک 'مدار قبرستان' منتقل می‌شود تا خطری برای ماهواره‌های فعال برخورد نشود.

فراتر از پرتاب: پیشران الکتریکی و یونی

هنگامی که فضاپیما قبلاً در مدار یا فضای عمیق است، پیشران شیمیایی همیشه انتخاب بسیار موثری برای سفر‌های طولانی نیست. بسیاری از کاوشگرها به جای آن از پیشران الکتریکی استفاده می‌کنند، که یک سوخت را یونی می‌کند — معمولاً گاز زنون — و ذرات باردار حاصل را از محرک شتاب می‌دهند با استفاده از میدان‌های الکتریکی که توسط پنل‌های خورشیدی تغذیه می‌شوند. آزمایشگاه پیشران جت ناسا دفع از این سیستم‌ها را بسیار ملایم توصیف می‌کند: در مورد ماموریت سایکی سیارک‌کمربند، فشار تولید‌شده توسط محرک‌های یونی آن را می‌توان با گرفتن سه چهارم در دست خود مقایسه کرد، حتی در قدرت کامل.

این دفع کوچک برای بلند کردن هیچ چیز از زمین کافی نیست، اما در محیط بدون اصطکاک فضا می‌تواند برای ماه‌ها به طور مستمر اعمال شود، به آرامی سرعت را بنا کند. آزمایشگاه پیشران جت گزارش می‌دهد که موتورهای خورشیدی-الکتریکی سایکی قبلاً فضاپیما را تقریباً 84,000 مایل در ساعت رانده‌اند و در نهایت آن را به حدود 124,000 مایل در ساعت برخواهند رساند — نشان می‌دهد چرا دفع یونی برای کروز درون‌فضا تا پرتاب ذخیره شده است، جایی که دفع بسیار بالاتر موتورهای شیمیایی برای غلبه بر گرانش و درگ جوی در طول چند دقیقه مورد نیاز است.