راکٹ کیسے کام کرتے ہیں: انجن کی ٹیکنالوجی اور خلائی لانچ کے طریقے کی وضاحت

ہر مداری لانچ، حکومتی خلائی ایجنسی کی بھاری لانچ گاڑی سے لے کر تجارتی سیٹلائٹ کی سواری تک، ایک سو سال سے پہلے بیان کردہ ایک جیسی بنیادی فزکس پر منحصر ہے۔ یہ سمجھنا کہ ایک راکٹ کا انجن کیسے تھرسٹ پیدا کرتا ہے، لانچ گاڑیوں کو کیوں مراحل میں تقسیم کیا جاتا ہے، اور مدار تک پہنچنا اور مکمل طور پر زمین سے فرار ہونا کیا الگ کرتا ہے، اس سے سمجھ آتی ہے کہ راکٹ سائنس انجینرنگ کے سب سے مشکل مسائل میں سے ایک کیوں رہتی ہے۔

ہر لانچ کے پیچھے کی فزکس

ناسا کے Glenn Research Center کے مطابق، راکٹ کی تھرسٹ نیوٹن کے حرکت کے تیسرے قانون کے مطابق پیدا ہوتی ہے: انجن ایک طرف سے نکلنے والی گیس کو تیز کرتا ہے، اور ایک برابر لیکن مخالف قوت راکٹ کو دوسری طرف دھکیلتی ہے۔ ایندھن اور آکسیڈائزر کو دہن کے کمرے میں ملایا جاتا ہے اور جلایا جاتا ہے، جس سے گرم، اعلیٰ دباؤ والی گیس پیدا ہوتی ہے جو نوزل کے ذریعے نکالی جاتی ہے تاکہ بہاؤ تیز ہو۔

ناسا کے Glenn Research Center کہتے ہیں کہ نتیجے میں آنے والی تھرسٹ تین عوامل پر منحصر ہے: نکلنے والی گیس کا بڑے پیمانے پر بہاؤ کی شرح، اس کی باہر نکلنے کی رفتار، اور نوزل کی باہر نکلنے پر دباؤ، جو F = ṁVe + Ae(pe − p0) کے طور پر ظاہر کیا جاتا ہے۔ نوزل کے سب سے تنگ نقطے کو گلا کہا جاتا ہے، یہ وہ جگہ ہے جہاں نکلنے والی گیس آواز کی رفتار تک پہنچتی ہے، جو بڑے پیمانے پر بہاؤ کی شرح کو طے کرتی ہے؛ گلے اور باہر نکلنے کے درمیان تناسب پھر باہر نکلنے کی رفتار اور دباؤ کا تعین کرتا ہے۔

یہی ناسا کا ذریعہ یہ بیان کرتا ہے کہ راکٹ کہاں کام کرتے ہیں جبکہ جیٹ انجن کہاں نہیں کریں اس کی اہم وجہ: ٹربائن انجن اور پروپیلرز اپنی کام کرنے والی سیال کے طور پر فضائی ہوا پر منحصر ہیں، جبکہ ایک راکٹ اپنا آکسیڈائزر اپنے ساتھ لے کر جاتا ہے اور اس لیے خلاء میں تھرسٹ پیدا کر سکتا ہے۔

مائع ایندھن اور ٹھوس ایندھن کے انجن

ناسا کے Glenn Research Center دو اہم انجن کے خاندانوں کی وضاحت کرتے ہیں۔ ایک مائع راکٹ انجن میں، ایندھن اور آکسیڈائزر کو الگ الگ مائع کی شکل میں ذخیرہ کیا جاتا ہے اور دہن کے کمرے میں پمپ کیا جاتا ہے، جو جلانے کو کنٹرول کرنے، روکنے اور کبھی کبھی دوبارہ شروع کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ ایک ٹھوس راکٹ میں، پروپیلنٹس پہلے سے ملے ہوئے ہیں اور ایک ٹھوس سلنڈر میں دبے ہوئے ہیں؛ جلانے کے بعد، ایک ٹھوس موٹر کو کیسنگ کو تباہ کیے بغیر بند نہیں کیا جا سکتا۔

سمتھسونیان کے National Air and Space Museum کی وضاحت 'How Things Fly' میں کہا گیا ہے کہ ٹھوس ایندھن اکثر راکٹ کی سب سے پہلی آتش روزی کے لیے پسند کیا جاتا ہے کیونکہ یہ مستقل طور پر جلتا ہے اور میکانکی طور پر سادہ اور مستحکم ہے، جبکہ مائع ایندھن اس تھرسٹ کو فراہم کرتا ہے جو پرواز کے دوران ایڈجسٹ اور کنٹرول کیا جا سکتا ہے، جو بعد کے زیادہ درست طریقے سے منیجڈ مراحل کے لیے بہتر ہے۔

راکٹ کو مراحل میں کیوں بنایا جاتا ہے

ایک راکٹ کی رفتار کی صلاحیت اور اس کی بڑے پیمانے کے درمیان رشتہ Tsiolkovsky راکٹ مساوات سے منظم ہوتا ہے، جو پہلی بار 1903 میں شائع ہوا تھا۔ The Planetary Society کے خلاصے کے مطابق، کل رفتار میں تبدیلی (delta-v) جو ایک راکٹ حاصل کر سکتا ہے برابر ہے اس کی نکلنے والی گیس کی رفتار ضارب اس کے بڑے پیمانے کے تناسب کا قدرتی لوگرتھم — ابتدائی ایندھن سے بھرے بڑے پیمانے کو حتمی، جلے ہوئے بڑے پیمانے سے تقسیم کیا گیا۔

چونکہ یہ رشتہ لوگرتھمی ہے، The Planetary Society نوٹ کرتے ہیں کہ ایک بار جب مطلوبہ رفتار کا تناسب تقریباً تین یا چار سے آگے بڑھتا ہے، تو ہر اضافی رفتار کے اضافے کے لیے درکار اضافی بڑے پیمانے میں تیزی سے اضافہ ہوتا ہے۔ اضافی ایندھن کو خود تیز کرنا ضروری ہے، تو رفتار میں اضافے بڑے پیمانے میں غیر متناسب طور پر مہنگے ہو جاتے ہیں۔

اسٹیجنگ اس مسئلے کا حصہ حل کرتی ہے۔ سمتھسونیان کی وضاحت کے مطابق، ایک بار جب ایک مرحلہ اپنا ایندھن جلا دے، تو اس کی ڈھانچہ اور انجن اب مفید تھرسٹ فراہم نہیں کرتے اور بجائے اس کے وہ اضافی وزن بن جاتے ہیں جو راکٹ کو سست کر دیتے ہیں، تو لانچ گاڑیاں ہر خرچ شدہ مرحلے کو الگ کر دیتی ہیں تاکہ باقی راکٹ کو ہلکا کریں اگلے انجن کے روشن ہونے سے پہلے۔

مدار بمقابلہ مکمل طور پر زمین سے فرار

مدار تک پہنچنا زمین کی کشش ثقل سے بالکل نکل جانے جیسا نہیں ہے۔ Georgia Tech کی خبریں سروس زمین کی فرار رفتار — کم سے کم رفتار جو کسی اور پروپلشن کے بغیر مستقل طور پر سیارے سے دور جانے کے لیے درکار ہے — 25,020 میل فی گھنٹے، یا تقریباً 40,000 کلومیٹر فی گھنٹے کے طور پر دیتی ہے۔

کم زمین کی مدار میں سیٹلائٹس اور کریوڈ اسپیس کریفٹ اس اعداد و شمار سے بہت کم رفتار سے سفر کرتے ہیں۔ Georgia Tech وضاحت کرتا ہے کہ مداری اشیاء کو پہلو کی رفتار کے ساتھ لانچ کیا جاتا ہے، تو جیسے کشش ثقل انہیں زمین کی طرف مسلسل کھینچتی ہے، ان کی رفتار انہیں سیارے کے ارد گرد گزار دیتی ہے بجائے اس کے اندر، انہیں مسلسل زمین کے ارد گرد گرنے دیتے ہوئے بجائے نیچے کی طرف۔ یہ وجہ ہے کہ، ذریعے نوٹ کرتے ہوئے، ہزاروں سیٹلائٹس مکمل فرار رفتار سے بہت کم رفتار پر کامیابی سے مدار میں ہیں۔

دوبارہ استعمال: Falcon 9 کی مثال

جدید لانچ گاڑیاں تیزی سے ہارڈویئر کو بازیافت کرنے اور دوبارہ لانچ کرنے کا مقصد رکھتی ہیں بجائے اس کے اسے ضائع کریں۔ SpaceX کے ذریعے چلائی جانے والی Falcon 9 پر Wikipedia کی داخلے کے مطابق، گاڑی کا پہلا مرحلہ نو Merlin 1D انجنوں کے ذریعے چلتا ہے جو مائع آکسیجن اور RP-1 کیروسین کو جلاتے ہیں، ایک ترتیب میں جو کمپنی Octaweb کہتی ہے۔

یہی ذریعہ کہتا ہے کہ اوپری مرحلے سے الگ ہونے کے بعد، پہلا مرحلہ گرڈ فنس استعمال کرتا ہے جو الگ ہونے کے بعد ہوا کے حرکیات کے کنٹرول کے لیے تیار ہوتے ہیں، اور چار توسیع پذیر لینڈنگ ٹانگوں کے ساتھ، زمین پر یا سمندر میں خود مختار ڈرون جہاز پر اترنے کے لیے۔ جیسے کہ اکتوبر 13، 2026 تک، داخلے کے مطابق، انفرادی Falcon 9 بوسٹرز ہر ایک 37 بار تک اڑے تھے۔