राकेट कैसे काम करते हैं: प्रणोदन प्रणाली और लॉन्च तकनीक समझाई गई

हर कक्षीय लॉन्च, Falcon 9 को चालक दल के साथ लॉन्च करने से लेकर Starship परीक्षण उड़ानों तक, Isaac Newton द्वारा वर्णित एक ही मौलिक भौतिकी पर निर्भर करता है: हर कार्रवाई के लिए एक समान और विपरीत प्रतिक्रिया होती है। एक रॉकेट इंजन ईंधन को जलाता है और परिणामी गर्म गैस को एक नोजल से उच्च गति से निष्कासित करता है; गैस रॉकेट को विपरीत दिशा में धकेलती है। NASA के Glenn Research Center के अनुसार, यह क्रिया-प्रतिक्रिया जोड़ी रॉकेट और उसके स्वयं के निष्कास के बीच मौजूद है, यही कारण है कि रॉकेट अंतरिक्ष के वैक्यूम में काम करते हैं और उन्हें हवा या किसी अन्य माध्यम को धकेलने की आवश्यकता नहीं है।

भौतिकी: थ्रस्ट और विशिष्ट आवेग

इंजीनियर एक इंजन के प्रदर्शन को दो नंबरों से वर्णित करते हैं: थ्रस्ट और विशिष्ट आवेग। थ्रस्ट वह बल है जो उत्पन्न होता है, मुख्य रूप से इस बात से संचालित होता है कि नोजल से कितना द्रव्यमान निकलता है और यह कितनी तेजी से निकलता है। विशिष्ट आवेग (Isp), सेकंड में मापा जाता है, वर्णित करता है कि एक इंजन ईंधन को थ्रस्ट में कितनी कुशलता से परिवर्तित करता है — NASA Glenn इसे थ्रस्ट को ईंधन के भार प्रवाह दर से विभाजित करने के रूप में परिभाषित करता है, तो एक उच्च Isp वाला इंजन समान मात्रा में ईंधन से अधिक थ्रस्ट पैदा करता है, या समान थ्रस्ट के लिए कम ईंधन की आवश्यकता होती है।

यह एकल आंकड़ा इंजीनियरों को एक इंजन को आकार देने और बहुत अलग प्रणोदन प्रणालियों की तुलना समान शर्तों पर करने की अनुमति देता है, यही कारण है कि Isp रॉकेट विनिर्देश शीट में लगातार दिखाई देता है।

रासायनिक प्रणोदन: तरल, ठोस और संकर

पृथ्वी की सतह को छोड़ने वाले लगभग सभी वाहन रासायनिक प्रणोदन का उपयोग करते हैं, जहां एक ईंधन और एक ऑक्सीकरण एजेंट गर्म, विस्तारित गैस का उत्पादन क��ने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं। तीन मुख्य विन्यास हैं। तरल-प्रणोदक इंजन ईंधन और ऑक्सीकरण एजेंट को अलग से संग्रहीत करते हैं और उन्हें एक दहन कक्ष में पंप करते हैं, जो इंजन को थ्रॉटल, बंद और पुनः शुरू करने की अनुमति देता है — एक लचीलापन जिसका उपयोग सरकारी और वाणिज्यिक लॉन्च प्रदाता दोनों करते हैं। ठोस-प्रणोदक मोटर्स ईंधन और ऑक्सीकरण एजेंट को एक एकल ठोस अनाज में मिलाते हैं जो रॉकेट के आवरण में पैक किया जाता है; वे संरचनात्मक रूप से सरल और सस्ते होते हैं लेकिन, एक बार प्रज्वलित होने के बाद, जब तक प्रणोदक समाप्त नहीं हो जाता तब तक जलते रहते हैं। संकर प्रणालियां एक ठोस ईंधन को एक तरल या गैसीय ऑक्सीकरण एजेंट के साथ जोड़ती हैं, दोनों दृष्टिकोणों के बीच बैठती हैं।

SpaceX का Raptor इंजन, Starship और Super Heavy वाहनों पर उपयोग किया जाता है, तरल प्रणोदन के भीतर एक नई दृष्टिकोण को दर्शाता है: एक 'पूर्ण-प्रवाह चरणबद्ध दहन' डिजाइन जिसमें सभी ईंधन और सभी ऑक्सीकरण एजेंट मुख्य दहन कक्ष तक पहुंचने से पहले दो अलग preburners से गुजरते हैं, Everyday Astronaut के अनुसार। Raptor तरल मीथेन को तरल ऑक्सीजन के साथ जलाता है — एक संयोजन जिसे SpaceX ने आंशिक रूप से चुना क्योंकि मीथेन काली राख जमा किए बिना जलता है जो केरोसीन-ईंधन वाले इंजनों के पुनः उपयोग को जटिल बनाती है, और आंशिक रूप से क्योंकि मीथेन सिद्धांत में Mars पर स्थानीय संसाधनों से निर्मित किया जा सकता है। आउटलेट रिपोर्ट करता है कि Raptor लगभग 2 meganewtons की थ्रस्ट पैदा करता है जिसमें वैक्यूम विशिष्ट आवेग लगभग 330 से 350 सेकंड है।

लॉन्च वाहन चरणों में क्यों बनाए जाते हैं

पृथ्वी की सतह से कक्षा तक पहुंचने के लिए लगभग 150 किलोमीटर से अधिक ऊंचाई पर 7.9 किलोमीटर प्रति सेकंड से अधिक की गति से यात्रा करने की आवश्यकता है, European Space Agency के लॉन्चर गाइड के अनुसार। एक एकल इंजन डिजाइन शायद ही कभी पूरी उड़ान में इसे कुशलता से करता है, तो अधिकांश कक्षीय रॉकेट चरणों में विभाजित किए जाते हैं जो उनके प्रणोदक समाप्त होने के बाद त्याग दिए जाते हैं, मृत वजन को बहाकर तो शेष चरण हल्के वाहन को अधिक आसानी से गति दे सकते हैं।

ESA का एक विशिष्ट Ariane-वर्ग उड़ान का वर्णन दिखाता है कि यह व्यावहारिक रूप से कैसे खेलता है: बूस्टर और मुख्य चरण ऊर्ध्वाधर वंश के पहले लगभग दो मिनट में एक साथ आग लगाते हैं, मुख्य चरण लगभग बारह मिनट तक जलना जारी रखता है जबकि बूस्टर पहले से ही अलग हो गए हैं और 60 किलोमीटर ऊंचाई के पास समुद्र में गिर गए हैं, और एक ऊपरी चरण तब एक अंतिम अवधि के लिए आग लगाता है, मिशन की शीर्ष गति लगभग 8 किलोमीटर प्रति सेकंड तक पहुंचता है इससे पहले कि अपने पेलोड को जारी करे। अपना काम पूरा करने के बाद, एक खर्च किया गया ऊपरी चरण आम तौर पर एक 'graveyard orbit' में स्थानांतरित किया जाता है तो यह सक्रिय उपग्रहों के लिए टकराव का खतरा नहीं बनता है।

लॉन्च से परे: विद्युत और आयन प्रणोदन

एक बार जब एक अंतरिक्ष यान पहले से कक्षा में या गहरे अंतरिक्ष में है, रासायनिक प्रणोदन लंबी यात्रा के लिए हमेशा सबसे कुशल विकल्प नहीं होता है। कई जांच इसकी बजाय विद्युत प्रणोदन का उपयोग करते हैं, जो एक प्रणोदक को ionize करता है — आमतौर पर xenon गैस — और परिणामी चार्ज कणों को सौर पैनलों द्वारा संचालित विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके thruster से बाहर त्वरित करता है। NASA की Jet Propulsion Laboratory इन प्रणालियों से थ्रस्ट को अत्यंत कोमल के रूप में वर्णित करती है: Psyche asteroid-belt मिशन के मामले में, इसके ion thrusters द्वारा उत्पादित दबाव आपके हाथ में तीन सिक्कों को पकड़ने के दबाव की तुलना में है, यहां तक कि पूर्ण शक्ति पर भी।

यह सूक्ष्म थ्रस्ट पृथ्वी से कुछ भी उठाने के लिए पर्याप्त नहीं है, लेकिन अंतरिक्ष के घर्षण रहित वातावरण में इसे महीनों के लिए लगातार लागू किया जा सकता है, धीरे-धीरे गति बढ़ाते हुए। JPL रिपोर्ट करता है कि Psyche के सौर-विद्युत thrusters पहले से ही अंतरिक्ष यान को लगभग 84,000 miles प्रति घंटे तक धकेल दिया है और अंततः इसे लगभग 124,000 mph में लाएगा — यह दिखाते हुए कि क्यों ion प्रणोदन को लॉन्च के बजाय अंतरिक्ष cruise के लिए आरक्षित रखा जाता है, जहां रासायनिक इंजनों की कहीं अधिक थ्रस्ट मिनटों में गुरुत्वाकर्षण और वायुमंडलीय खिंचाव को दूर करने के लिए आवश्यक है।