موتورهای موشک چگونه کار می‌کنند؟

انسان‌ها با ماموریت‌هایی مانند وویجر 1، دستاوردهای شگفت‌انگیزی در اکتشافات فضایی داشته‌اند و به دوردست‌ترین نقاط فضا رسیده‌اند. با این حال، هیچ‌کدام از این‌ها بدون موشک‌ها امکان‌پذیر نبود. اما موتورهای موشک چگونه کار می‌کنند؟ برای پاسخ به این سوال با اِروتِک همراه باشید.

موشک‌ها نقشی محوری در قرار دادن ماهواره‌ها، مدارگردها و فضانوردان در فضا ایفا می‌کنند. آن‌ها پس از انجام وظیفه‌شان در مراحل مختلف جدا می‌شوند (که باعث ایجاد زباله‌های فضایی شده که اگر به درستی دفع نشوند، ممکن است روزی مردم را نابود کنند)، و به عنوان وسیله‌ای برای حمل و نقل افراد و بار به فضا عمل می‌کنند. با این حال، موتورهای موشک، غیرمعمول و بسیار متفاوت از موتورهای هواپیما، خودرو و سایر موتورهای رایج هستند. در حالی‌که موشک‌ها نیز مانند سایر موتورها سوخت را برای حرکت می‌سوزانند، یک تفاوت اساسی وجود دارد. موتورهای سنتی برای حرکت، چرخ‌ها یا توربین‌ها را می‌چرخانند، در حالی‌که موتورهای موشک سوخت را می‌سوزانند و از نیروی واکنش برای پرتاب فضاپیما به سمت بالا استفاده می‌کنند.

گازهای خروجی از موشک که در هنگام پرتاب موشک می‌بینید، مسئول پرتاب موشک هستند. از آنجایی‌که موشک‌ها با سوزاندن سوخت بسیار قابل اشتعال کار می‌کنند، دمای عملیاتی می‌تواند به سرعت از 2000 تا 2500 درجه سانتی‌گراد افزایش یابد. علاوه بر این، موشک‌ها می‌توانند با انواع مختلفی از سوخت مانند سوخت جامد، مایع و ترکیبی کار کنند که هر کدام مزایای متمایزی برای پیشرانش ارائه می‌دهند.

رانش ناشی از سوختن سوخت، موشک را بلند می‌کند

شاید قانون سوم نیوتن را از دوران مدرسه به یاد داشته باشید که می‌گوید “هر عملی، عکس‌العملی مساوی و مخالف دارد”. موشک‌ها با سوزاندن سوخت موشک عمل می‌کنند – عمل – و بلند شدن، عکس‌العمل بعدی است. نیروی عکس‌العمل، که به عنوان رانش نیز شناخته می‌شود، معمولاً بر حسب پوند یا نیوتن در اصطلاحات علمی اندازه‌گیری می‌شود.

اگر این گیج‌کننده به‌نظر می‌رسد، اجازه دهید آن را با یک قیاس ساده درک کنیم. اگر تا به حال با اسلحه شلیک کرده‌اید یا کسی را در حال انجام این کار دیده‌اید، شاید بدانید که چقدر مهم است که اسلحه را محکم نگه دارید تا از آسیب ناشی از لگد جلوگیری کنید. در این حالت، نیروی عمل هنگام کشیدن ماشه به گلوله وارد می‌شود. در عوض، گلوله نیز نیروی عکس‌العملی به اسلحه وارد می‌کند و باعث لگد زدن آن می‌شود. در حالی‌که لگد اسلحه یک حرکت ناخواسته است، موشک‌ها از نیروی عکس‌العمل برای بلند کردن خود در برابر گرانش استفاده می‌کنند.

موشک حاوی مقدار زیادی سوخت است که در هنگام بلند شدن مشتعل می‌شود. با سوختن سوخت جامد یا مایع، به گاز تبدیل شده و از پشت موشک خارج می‌شود. خروج گازهای پرسرعت، نیروی عکس‌العملی به موشک وارد می‌کند و باعث حرکت آن در جهت مخالف می‌شود.

طراحی موشک پیچیده است!

علم موشک واقعاً چقدر پیچیده است؟! طراحی موشک بسیار پیچیده است و شامل محاسبات دقیق برای وزن، سوخت، مسیر و موارد دیگر است. با وجود اینکه موشک‌ها سیستم‌های اضافی متعددی دارند، حتی کوچک‌ترین خطاها منجر به ماموریت‌های فضایی ناموفق متعددی مانند موشک کایروس ژاپن و موارد دیگر شده است.

چالش دیگر در طراحی موشک، در نظر گرفتن شتاب متغیر است. طبق قانون دوم نیوتن، نیرو برابر است با جرم ضربدر شتاب – همان نیرو شتاب بیشتری را در جرم کمتر ایجاد می‌کند. با خروج مداوم سوخت سوزان از موشک، موشک در طول سفر سبک‌تر می‌شود و باعث می‌شود با همان رانش سریع‌تر شتاب بگیرد. در حال حاضر، موشک‌ها فقط 1 درصد وزن بار را در مقایسه با وزن کلی فضاپیما در هنگام بلند شدن حمل می‌کنند. تفاوت عظیم بین بار (وزن ثابت) و سوخت (وزن متغیر)، برنامه‌ریزی مسیر موشک را دشوارتر می‌کند. علاوه بر این، موشک‌ها به سیستم‌های خنک‌کننده پیچیده‌ای نیاز دارند تا دمای مطلوب و یکپارچگی ساختاری را در هنگام سوختن سوخت تضمین کنند.

منبع: Slashgear