کاروتک

تکنولوژی و علمی

تلویزیون و سینما

تلویزیون کاروتک

موشک‌های فضایی و شاتل‌ها در حال حاضر تنها راه ما برای رسیدن به فضا هستد؛ اما دقیقا چگونه کار می‌کنند؟ با کارو تک در بررسی نحوه کارکرد موشک‌های فضایی همراه باشید.

موشک‌ها بهترین راه گونه ما برای فرار از جو زمین و رسیدن به فضا هستند. اما روند کار کردن آن‌ها به‌هیچ‌وجه ساده نیست.

موشک‌ها چگونه پرتاب می‌شوند؟

نویسندگان و مخترعان قرن‌ها رویای کاوش در جهان را در فراسوی زمین داشتند، اما چالش‌های واقعی سفر به فضا در قرن نوزدهم به‌صورت عملی آشکار شد؛ پروازهای آزمایشی با بالون نشان دادند که اتمسفر زمین در ارتفاعات بالا بسیار متفاوت است. بنابراین حتی قبل از این‌که پرواز با موتور به واقعیت تبدیل شود، مهندسان می‌دانستند که دستگاه‌هایی که با فشار دادن به محیط اطراف مانند هوا (مانند بال‌ پرنده‌ها) نیروی رو به جلو یا رو به بالا ایجاد می‌کنند، هیچ شانسی در فضا نخواهد داشت.

مشکل دیگر این بود که موتورهای احتراقی (ماشین‌هایی مانند موتورهای بخار یا بنزینی که با سوزاندن سوخت در اکسیژن جو زمین نیرو تولید می‌کنند) در فضای بدون هوا نیز از کار می‌افتند.

اما خوش‌بختانه، دستگاهی که مشکل تولید نیرو بدون محیط اطراف را حل می‌کرد، قبلاً اختراع شده بود؛ در واقع این دستگاه، همان موشک بود. موشک‌ها که در ابتدا به عنوان سلاح‌های جنگی یا تجهیزات آتش‌بازی استفاده می‌شدند، نیرویی را در یک جهت تولید می‌کنند که به آن رانش می‌گویند و بر اساس اصل عمل و واکنش، دود اگزوز منتشر شده توسط مواد شیمیایی انفجاری با سرعت زیاد از پشت راکت به بیرون رانده می‌شود. ناسا توضیح می‌دهد که در نتیجه موشک بدون توجه به محیط اطراف خود، در جهت دیگر رانده می‌شود.

کلید استفاده از موشک در فضا، حمل ماده شیمیایی به نام اکسیدان است که می‌تواند همان نقش اکسیژن در هوای زمین را ایفا کند و سوخت را قادر به احتراق کند.

اولین کسی که ایده موشک‌ها را برای سفر در فضا در سال 1903 مطرح کرد، معلم مدرسه و دانشمند آماتور روسی، کنستانتین تسیولکوفسکی بود. او لخظه پرتاب را را به عنوان یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها شناسایی کرد؛ لحظه‌ای که موشک باید همه چیز را از جمله سوخت و اکسیدانی که برای رسیدن به فضا نیاز دارد حمل کند. زیرا وزن موشک بسیار زیاد است و نیروی رانش زیادی فقط برای حرکت آن لازم است.

همان‌طور که موشک شروع به حرکت می‌کند، جرم خود را از طریق موتور (همان اگزوز) به بیرون می‌ریزد؛ بنابراین وزن آن کاهش می‌یابد و همان مقدار رانش تأثیر بیش‌تری در شتاب بخشیدن به ادامه راه موشک خواهد داشت. تسیولکوفسکی طرح‌های موشکی مختلفی را ارائه کرد و به این نتیجه رسید که کارآمدترین تئوری، یک وسیله نقلیه پرتاب عمودی با چندین قسمت مجزا است. هر کدام از این قسمت‌ها یک موشک مستقل هستند که می‌توانند تا قبل از تمام شدن سوخت تا حدی با موشک اصلی همراه باشند و سپس جدا می‌شوند. این ایده که امروزه نیز به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد، میزان جرم اضافه‌ای را که موشک باید باید تا آخر به فضا منتقل کند، کاهش می‌دهد.

تسیولکوفسکی معادله پیچیده‌ای ابداع کرد که نیروی رانش لازم برای هر مانور موشکی را نشان می‌داد؛ در واقع، این معادله محاسبه می‌کرد که چه مقدار نیروی رانش برای پرتاب موشک و رساندن آن به فضا لازم است. او متوجه شد که پیشرانه‌های موشک‌های انفجاری زمان او برای تامین انرژی یک موشک فضایی بسیار ناکارآمد هستند و استدلال کرد که سوخت‌های مایع و اکسیدان‌هایی مانند هیدروژن مایع و اکسیژن مایع در نهایت برای رسیدن به مدار و فراتر از آن مورد نیاز خواهند بود. اگرچه او زنده نماند تا آثارش به رسمیت شناخته شوند، اما اصول تسیولکوفسکی هنوز زیربنای صنعت موشک مدرن است.

موشک‌ها چگونه هدایت می‌شوند؟

راکت‌های فضایی یا همان موشک‌ها، باید با ظرافت نیروها را متعادل و کنترل کنند تا بتوانند از جو زمین به فضا بروند.

یک موشک با استفاده از یک انفجار کنترل شده روی زمین نیروی رانش اولیه خود را تولید می‌کند. سپس گازهای منبسط شده ناشی از انفجار از طریق دریچه یا اگزوی که در پشت قرار دارد به بیرون رانده می‌شوند. البته این دریچه به‌گونه‌ای طراحی شده است که گاز داغ و پرفشار ایجاد شده در اثر احتراق را به جریانی هدایت کند که با سرعت‌های مافوق صوت خارج شوند.

قانون سوم حرکت نیوتن بیان می‌کند که هر عملی دارای یک واکنش برابر، اما در جهت مخالف است؛ به‌طور مثال شما هر وقت به دیوار مشت می‌زنید، دست‌تان درد می‌گیرد. زیرا دیوار نیز به شما نیرو وارد می‌کند. این موضوع دقیقا در نحوه‌ی ایجاد نیروی رانش اولیه موشک صدق می‌کند؛ نیروی که دریچه موشک به سمت بیرون می‌راند باید توسط نیرویی برابر و مخالف که موشک را رو به جلو هل می‌دهد متعادل شود. به‌طور خاص، این نیرو بر روی دیواره بالایی محفظه احتراق تأثیر می‌گذارد؛ اما از آن‌جایی که موتور موشک در هر مرحله یک شکل نیست، می‌توانیم فکر کنیم که این نیرو روی کل بدنه موشک تأثیر می‌گذارد.

اگرچه نیروهایی که در هر دو جهت عمل می‌کنند با هم برابر هستند، اما اثرات قابل مشاهده آن‌ها به دلیل یکی دیگر از قوانین نیوتن متفاوت است؛ این قانون توضیح می‌دهد چگونه اجسام با جرم بیش‌تر به نیروی بیش‌تری نیاز دارند تا به مقدار معینی شتاب برسند. بنابراین در حالی که نیروی عمل به سرعت توده کوچکی از گاز خروجی را در هر ثانیه به سرعت‌های مافوق صوت شتاب می‌دهد، نیروی واکنش شتاب بسیار کم‌تری را در جهت مخالف موشک ایجاد می‌کند؛ زیرا جرم موشک بسیار بیش‌تر است.

با افزایش سرعت موشک، حفظ جهت حرکت با جهت رانش بسیار مهم است. هر موشک به تنظیمات تدریجی برای هدایت آن به سمت یک مسیر مداری نیاز دارد؛ اما یک ناهماهنگی کوچک می‌تواند باعث شود موشک از کنترل خارج شود. اکثر راکت‌ها، از جمله سری فالکون و تیتان و موشک ماه Saturn V، با استفاده از موتورهای گیمبالی هدایت می‌شوند که به‌گونه‌ای نصب شده‌اند که کل موتور موشک بتواند بچرخد و جهت رانش را لحظه‌به‌لحظه تغییر دهد. البته روش‌های دیگری برای حفظ جهت حرکت وجود دارد؛ به‌طور مثال یکی دیگر از این روش‌ها پره‌های خارجی برای منحرف کردن گازهای خروجی هنگام خروج از موتور موشک هستند.

موتور‌های موشک‌ چگونه کار می‌کنند؟

موتورهای موشک‌های مدرن تغییرات زیادی با اولین موشک‌های تولیدشده دارند. موشک‌های جامد نسبتا ساده که اغلب به‌عنوان تقویت‌کننده برای ایجاد نیروی رانش بیش‌تر در هنگام پرتاب استفاده می‌شوند، هم‌چنان بر همان اصل اولیه مشتعل کردن لوله‌ای حاوی ترکیبی قابل احتراق از سوخت و اکسیدان تکیه دارند. پس از احتراق، یک موشک جامد تا زمانی که سوخت آن تمام شود به سوختن ادامه می‌دهد، اما سرعت از بین رفتن سوخت (و در نتیجه میزان رانش) را می‌توان با تغییر میزان سطح در معرض اشتعال در زمان‌های مختلف در هنگام پرواز موشک کنترل کرد.

این کار را می‌توان با مدیریت مخلوط سوخت و اکسیدان با شکاف توخالی در مرکز که در امتداد طول موشک قرار دارد، انجام داد. بسته به مشخصات این شکاف که برای مثال ممکن است دایره‌ای یا ستاره‌ای شکل باشد، میزان سطح در معرض دید در طول پرواز تغییر می‌کند.

راکت‌های گسترده‌تر با سوخت مایع بسیار پیچیده‌تر هستند. به‌طور معمول، آن‌ها شامل یک جفت مخزن سوخت (هر کدام برای سوخت و اکسیدان) هستند که از طریق لوله‌ها به یک محفظه احتراق متصل می‌شوند. توربوپمپ‌های پرسرعت که توسط سیستم‌های موتور مستقل خود رانده می‌شوند نیز برای رساندن پیشران مایع به داخل محفظه از طریق یک سیستم تزریق مورد‌استفاده قرار می‌گیرند.

در داخل محفظه احتراق از یک مکانیزم خاص برای شروع احتراق استفاده می‌شود؛ این مکانیزم ممکن است یک جت گاز با دمای بالا، یک جرقه الکتریکی یا یک انفجار آتش‌سوزی باشد. احتراق سریع بسیار مهم است. اگر اجازه داده شود که مخلوط سوخت یا اکسیدان بیش‌از‌حد در محفظه احتراق ایجاد شود، اشتعال تأخیری شکل می‌گیرد. اشتعال تأخیری می‌تواند موجب انفجار تمام بدنه موشک شود و رویدادی فاجعه‌بار را برای مهندسان و دانشمندان به بار بیاورد.

طراحی دقیق موشک‌هایی که بر پایه سوخت مایع هستند بسته به میزان سوخت موردنیاز و سایر نیازها می‌تواند بسیار متفاوت باشد. برخی از کارآمدترین گازهای مایع مانند هیدروژن فقط در دماهای بسیار پایین (در حدود منفی 423 درجه فارنهایت یا منفی 253 درجه سانتی‌گراد) پایدار هستند. پس از بارگیری گاز مایع روی موشک، سوخت باید در مخازن بسیار عایقی ذخیره شود. اما به‌طور کلی، نحوه کارکرد موشک‌هایی که سوخت مایع دارند بسیار پیچیده است؛ به‌طور مثال، همین‌که دمای مخزن باید به چیزی حدود منفی 253 درجه سانتی‌گراد برسد، خودش یک فرآیند بسیار طولانی و پیچیده است.

موشک‌ها چگونه بین سیارات مختلف سفر می‌کنند؟

موشک‌ها کلید کاوش در منظومه شمسی ما هستند، اما چگونه از مدار زمین به اعماق فضا می‌روند؟

اولین مرحله هر پرواز فضایی شامل پرتاب از سطح زمین به مداری نسبتاً کم در حدود 124 مایل (200 کیلومتر) بالاتر است. تا این ارتفاع، گرانش تقریباً به همان شدتی است که در سطح زمین وجود دارد؛ اما اصطکاک ناشی از جو فوقانی زمین بسیار کم است. بنابراین اگر بالاترین قسمت موشک به اندازه کافی سریع حرکت کند، می‌تواند یک مسیر ثابت دایره‌ای یا بیضوی را در جایی که کشش گرانش وجود دارد حفظ کند.

بسیاری از فضاپیماها و ماهواره‌ها بیش‌تر از این ارتفاع بالا نمی‌روند. اما آن‌هایی که قرار است زمین را به‌طور کامل ترک کنند و منظومه شمسی را کاوش کنند، برای رسیدن به سرعت خروج از جو زمین نیاز به افزایش شتاب بیش‌تری دارند؛ شتابی که در آن موشک توسط گرانش به عقب کشیده نشود.

سرعت موردنیاز برای فرار از سطح زمین 6.9 مایل در ثانیه یا 11.2 کیلومتر بر ثانیه است که حدود 50٪ سریع‌تر از سرعت معمول اجسام در آن ارتفاع است. بعد از این‌که موشک از جو زمین خارج شد، به سمت سیاره و مقصد موردنظر هدایت می‌شود و روی سطح آن به آرامی فرود می‌آید؛ البته موارد بسیار زیادی در فرود فضاپیما از جمله سیاره موردنظر نقش دارند که از قبل همه‌ی آن‌ها توسط دانشمندان و فضانوردان بررسی شده است. بعد از فرود موشک، خدمه‌ی آن به کاوش در مقصد می‌پردازند.

برای برگشت نیز اغلب موشک‌ها ابتدا با یک انفجار رانش زمان‌بندی‌شده به مدارهای بلند یا بیضوی در بالای سیاره هدایت می‌شوند. پرواز بین سیاره‌ای موشک در چنین مداری می‌تواند از صدها تا هزاران مایل متغیر باشد و سرعت آن نیز متفاوت خواهد بود. در نهایت زمانی که فضاپیما به زمین نزدیک‌تر می‌شود و به نقطه‌ای به‌نام «حضیض» می‌رسد، سرعت آن بیش‌تر می‌شود و مجددا وارد جو زمین می‌شود و در خانه خود فرود می‌آید.

با این حال، با کمال تعجب، سوزاندن سوخت موشک مهمی که برای خروج به فضای بین سیاره‌ای استفاده می‌شود، معمولاً زمانی انجام می‌شود که فضاپیما نزدیک به حضیض باشد. این موضوع به دلیل اثر Oberth است؛ ویژگی غیرمنتظره معادلات موشک که به این معنی است که موشک زمانی که با سرعت بالاتر حرکت می‌کند کارآمدتر است.

یکی از راه‌های درک این موضوع این است که سوزاندن سوخت فضاپیما به موتور اجازه می‌دهد تا نه تنها از انرژی شیمیایی، بلکه از انرژی جنبشی خود نیز استفاده کند. در حالت تعادل، رانش مورد‌نیاز موشک برای رسیدن به سرعت خروج از جو از ارتفاع کم با سرعت بالاتر کم‌تر از آن است که برای فرار از ارتفاع بالا در هنگام حرکت با سرعت کم‌تر لازم است.

مهندسان پروازهای فضایی و برنامه‌ریزان ماموریت اغلب از اصطلاحی به‌نام «Delta-v»استفاده می‌کنند که برای انجام یک مانور پروازی خاص، مانند تغییر در مسیر مدار، لازم است. به بیان دقیق، اصطلاح Delta-v به‌معنای تغییر در سرعت است؛ اما مهندسان آن را به‌طور خاص به‌عنوان اندازه‌گیری مقدار ضربه یا نیروی رانش در طول زمان موردنیاز برای انجام یک مانور استفاده می‌کنند. به‌طور کلی، موشک‌ها بر اساس یک آزمایش Delta-v برنامه‌ریزی می‌شوند تا میزان نیروی رانشی و میزان منابع سوخت موردنیاز فضاپیما مشخص شود.

ارسال یک فضاپیما از یک سیاره به سیاره دیگر با حداقل نیازهای Delta-v شامل هدایت آن به یک مدار بیضی شکل به دور خورشید است که به آن «مدار انتقال هوهمان» می‌گویند. فضاپیما در امتداد بخشی از مسیر بیضوی حرکت می‌کند که شبیه یک مسیر مارپیچی بین مدارهای دو سیاره است و نیازی به رانش بیش‌تر در طول سفر خود ندارد. پس از رسیدن به مقصد خود، ممکن است از جاذبه به تنهایی برای ورود به جو سیاره هدف خود استفاده کند؛ البته ممکن است نیاز به یک انفجار موشک در جهت مخالف داشته باشد که معمولاً با چرخاندن فضاپیما به اطراف و توسط موتور انجام می‌شود.