یکی از عجیب ترین کشفیات انسان دسترسی به فضا است که پیچیدگی و مشکلات خاص خود را دارد. راه‌یابی به فضا پیچیده است، چرا که باید با بسیاری از مشکلات روبرو شد.
مثلا:
- وجود خلا در فضا
- مشکلات گرما و حرارت
- مشکل ورود مجدد به زمین
- مکانیک مدارها
- ذرات و باقی مانده‌های فضا
- تابش‌های کیهانی و خورشیدی
- طراحی امکانات برای ثابت نگه داشتن اشیا در بی وزنی
ولی بزرگترین مشکل ایجاد انرژی لازم برای بالا بردن فضاپیما از زمین است که برای درک این موضوع باید به بررسی طرز کار موتورهای موشک پرداخت. در یک دیدگاه ساده، می‌توان موتورهای موشک را به آسانی و با هزینه‌ای نسبتا کم طراحی کرد و حتی آن را به پرواز درآورد اما اگر بخواهیم مسئله را در سطح کلان بررسی کنیم با مشکلات و پیچیدگی‌های بسیاری مواجه هستیم و این موتورهای موشک (و به خصوص سیستم سوخت آنها) آنقدر پیچیده است که تا به حال تنها سه کشور توانسته‌اند با استفاده از این فناوری انسان را در مدار زمین قرار دهند.
طرز کار و پیچیدگی‌های آنها
عموما وقتی کسی درباره موتورها فکر می‌کند، خود به خود مطالبی درباره چرخش برایش تداعی می شود. برای مثال حرکت متناوب پیستون در موتور بنزینی که انرژی چرخشی برای به حرکت در آوردن چرخ‌ها را تولید می‌کند. و یا موتور الکتریکی که با تولید میدان الکتریکی که با تولید میدان مغناطیسی نیروی چرخشی برای پنکه یا سی‌دی‌رام تولید می‌کنند. موتور بخار هم به طور مشابه کار می‌کنند.
ولی موتور موشک از لحاظ ساختار متفاوت است. موتور موشک‌ها موتورهای واکنشی هستند.اساس کار موتور موشک برپایه قانون معروف نیوتون است که می‌گوید:
"برای هر کنش واکنشی وجود دارد به مقدار مساوی ولی درجهت مخالف آن".
موتور موشک نیز جرم را در یک جهت پرتاب می‌کند و از واکنش آن در جهت مخالف سود می‌برد.
البته تصور این اصل (پرتاب جرم و سود بردن از واکنش) ممکن است در ابتدا کمی عجیب به نظر بیاید، چرا که در عمل بسیار متفاوت می‌نمایاند. انفجار، صدا و فشار چیزهایی است که در ظاهر باعث حرکت موشک می‌شود و نه "پرتاب جرم".
بگذارید تا با بیان چند مثال بهتر از واقعیت را روشن کنیم:
- اگر تا به حال با اسلحه (به خصوص سایز بزرگ آن) shotgun شلیک کرده باشید، متوجه می‌شوید که ضربه بسیار قوی‌ای، با نیروی بسیار زیاد به شانه شما وارد می‌کند. یک اسلحه مقدار 1 انس فلز را به یک جهت و با سرعت 700 مایل در ساعت شلیک می‌کند و در واکنش شما را به عقب حرکت می‌دهد.
- اگر تا به حال شیر آتش‌نشانی را دیده باشید، متوجه می‌شوید که برای نگه داشتن آن باید نیروی بسیار زیادی را صرف کنید (اگر دقت کرده باشید گاهی 2 یا 3 آتش‌نشان یک شیر را نگه می دارند) که در این جا شیر آتش‌نشانی مثل موتور موشک عمل می‌کند. شیر آتش نشانی، آب را در یک جهت پرتاب می‌کند و آتش‌نشان‌ها از نیرو و وزن خود استفاده می‌کنند تا در برابر واکنش آن مقاومت کنند. اگر آنها اجازه بدهند تا شیر رها شود، شیر به این طرف و آن طرف پرتاب می‌شود. حال اگر آتش‌نشان‌ها روی یک اسکیت برد ایستاده باشند شیر آتش‌نشانی آنها را با سرعت زیادی به عقب می‌راند.
- اگر یک بادکنک را باد کنید و آن را رها کنید، بادکنک به پرواز در می‌آید، تا وقتی که هوای داخل آن به طور کامل خالی شود. پس می‌توان گفت که شما یک مقدار موتور موشک ساخته‌اید. در این جا چیزی که به بیرون پرتاب می‌شود مولکول‌های هوای درون بادکنک هستند. بسیاری از مردم فکر می‌کنند که مولکول‌های هوا اهمیتی ندارند، در حالی که اینطور نیست. هنگامی که شما به آنها اجازه می‌دهید تا از دریچه بادکنک به بیرون پرتاب شوند، بر اثر واکنش به وجود آمده بادکنک به جهت مخالف پرتاب می‌شود.
در ادامه برای درک بهتر موضوع، به مثالی دقیق‌تر اشاره می‌کنیم:
سناریوی توپ بیسبال در فضا: شرایط زیر را تصور کنید، مثلا شما لباس فضانوردان را پوشیده‌اید و در فضا در کنار فضاپیما معلق مانده‌اید و چندین توپ بیسبال در دست دارید. حال اگر شما توپ بیسبال را پرتاب کنید، واکنش آن بدن شما را به جهت مخالف توپ حرکت می‌دهد. سرعت شما پس از پرتاب توپ به وزن توپ و شتاب وارده بستگی دارد. همانطور که می‌دانیم حاصلضرب جرم در شتاب برابر نیرو است، یعنی: F=m.a
همچنین می‌دانیم که هر نیرویی که شما به توپ وارد کنید، توپ نیز نیرویی مساوی ولی در جهت مخالف به بدن شما وارد می‌کند که همان واکنش است. پس می‌توان گفت: m.a=m.a
حال فرض می‌کنیم که توپ بیسبال 1 کیلوگرم وزن داشته باشد و وزن شما و لباس فضایی هم 100 کیلوگرم باشد. پس با این حساب اگر شما توپ بیسبال را با سرعت 21 متر در ساعت پرتاب کنید. یعنی شما با دست خود به یک توپ بیسبال 1 کیلوگرمی، شتابی وارد کرده‌اید که سرعت 21 متر در ساعت گرفته است. واکنش آن روی بدن شما تاثیر می‌گذارد، ولی وزن بدن شما 100 برابر توپ بیسبال است. پس بدن شما با 1/۱۰۰ سرعت توپ بیسبال (یا 0.21 متر بر ساعت) به عقب حرکت می‌کند.
حال اگر شما می‌خواهید از توپ بیسبال خود قدرت بیش‌تری بگیرید، شما دو انتخاب دارید:
- افزایش جرم
- یا افزایش شتاب وارده
شما می‌توانید یا یک توپ سنگین‌تر پرتاب کنید و یا اینکه شما می‌توانید توپ بیسبال را سریع‌تر پرتاب کنید (شتاب آن را افزایش دهید)، و این دو تنها کارهایی است که می‌توانید انجام دهید.
یک موتور موشک نیز به طور کلی جرم را در قالب گازهای پرفشار پرتاب می‌کند؛ موتور گاز را در یک جهت به بیرون پرتاب می‌کند تا از واکنش آن در جهت مخالف سود ببرد. این جرم از مقدار سوختی که در موتور موشک می‌سوزد بدست می‌آید.
عملیات سوختن به سوخت شتاب می‌دهد تا از دهانه خروجی موشک با سرعت زیاد بیرون بیاید. وقتی سوخت جامد یا مایع می‌سوزد و به گاز تبدیل می‌شود، جرم آن تغییر نمی‌کند بلکه تغییر در حجم آن است. یعنی اگر شما مقدار یک کیلو سوخت مایع موشک را بسوزانید مقدار یک کیلو گرم با حجمی بیشتر، از دهانه خروجی موشک با دمای بالا و سرعت زیاد خارج می‌شود. عملیات سوختن، جرم را شتاب می‌دهد.
نیروی پرتاب
نیروی پرتاب: قدرت موتور یک موشک را نیروی پرتاب آن می‌گویند. نیروی پرتاب در آمریکا به صورت (پوند) ponds of thrust و در سیستم متریک با واحد نیوتن شناخته شده است (هر 4.45 نیوتون نیروی پرتاب برابر است با 1 پوند نیروی پرتاب).
هر یک پوند نیروی پرتاب (4.45 نیوتون) مقدار نیروی است که می‌تواند یک شی 1 پوندی (453.59 گرم) را در حالت ساکن مخالف نیروی جاذبه زمین نگه دارد. بنابراین در روی زمین شتاب جاذبه 21 متر در ساعت در ثانیه (32 فوت در ثانیه در ثانیه) است.
گردآورنده: دنیاها، دانشنامۀ فارسی | www.donyaha.ir
