راکت چیست و چگونه کار می کند؟

/ بلاگ / راکت چیست و چگونه کار می کند؟

زیردسته‌ای برای این دسته‌بندی وجود ندارد

جنگ‌افزارها
تاریخ‌شناسی
مشاهیر
نجوم

راکت چیست و چگونه کار می کند؟

کلمه راکت می‌تواند معانی مختلفی داشته باشد. اما در حقیقت بعد از شنیدن این کلمه بیشتر مردم به یک وسیله نقلیه بلند، باریک و گرد فکر می‌کنند و در نهایت به راکتی فکر می‌کنند که به فضا پرتاب می‌شود. اما در حقیقت منظور از راکت نوعی موتور است. این کلمه همچنین می‌تواند به معنای وسیله نقلیه‌ای باشد که از این موتور استفاده می‌کند.

به بیانی دیگر باید گفت راکت هر نوع دستگاه پیشرانه جت حامل پیشرانه‌های جامد یا مایع است که هم سوخت و هم اکسید کننده مورد نیاز برای احتراق را تأمین می‌کند. این اصطلاح معمولاً برای هر یک از وسایل نقلیه مختلف از جمله راکت‌های آتش بازی، موشک‌های هدایت شونده و تمام ابزاری که در پروازهای فضایی مورد استفاده قرار می‌گیرند و پرتاب می‌شوند و توسط هر وسیله پیشران مستقل از جو اداره می‌شوند به کار می‌رود.

-راکت‌ها چگونه کار می‌کنند؟

آیا تا به حال توجه کرده‌اید که اگر هوا را از یک بالون خارج کنید چه اتفاقی می‌افتد؟ هوا از یک طرف از بالون خارج می‌شود و بالون در جهت مخالف حرکت می‌کند. راکت‌ها تقریباً به همین روش کار می‌کنند. گازهای خروجی که با سرعت زیاد از نازل موتور خارج می‌شوند راکت را به سمت جلو سوق می‌دهند.
اکثر لانچرهای مدرن مانند «آریان پنج» (Ariane 5) در اروپا بسیار پیچیده هستند و صدها تن وزن در هنگام بلند شدن دارند. بیشتر این وزن سوخت و شامل هیدروژن مایع و اکسیژن مایع است.

راکت‌ها برای غلبه بر جاذبه زمین یا گرانش به سوخت زیادی نیاز دارند. آن‌ها فقط وقتی به سرعتی معادل 28٬000 کیلومتر در ساعت می‌رسند می‌توانند وارد مدار شوند.
بیشتر راکت‌ها از دو یا سه مرحله تشکیل شده‌اند. وقتی یک مرحله تمام سوخت خود را مصرف کرد برای خلاص شدن از وزن غیر قابل استفاده جدا می‌شود و سقوط می‌کند (معمولاً در اقیانوس و به دور از مناطق پرجمعیت) یا در جو زمین می‌سوزد.

پرتابگرهای بزرگ غالباً از راکت‌هایی که در مرحله اول قرار دارند، بوست و شتاب بیشتری دریافت می‌کنند. این راکت‌ها غالباً از سوخت جامد یا مایع استفاده می‌کنند و معمولاً پس از اتمام مرحله خود جدا شده و باز می‌گردند.

-موتور راکت چگونه کار می‌کند؟

مانند اکثر موتورها راکت‌ها نیز سوخت می‌سوزانند. اکثر موتورهای راکتی سوخت را به گاز داغ تبدیل می‌کنند و موتور بنزین را از پشت خود خارج می‌کند و در نتیجه گاز باعث حرکت راکت به جلو می‌شود.
موتور راکت با موتور جت متفاوت است. موتور جت برای کار به هوا نیاز دارد در حالی که موتور راکت به هوا احتیاج ندارد و هر آنچه را که لازم دارد با خود حمل می‌کند. ویژگی مهم این موتور این است که یک موتور راکت در فضا جایی که هوا وجود ندارد کار می‌کند.

موتورهای راکتی دو نوع اصلی دارند. بعضی از راکت‌ها از سوخت مایع استفاده می‌کنند، برای مثال موتورهای اصلی مدارگرد شاتل فضایی از سوخت مایع استفاده می‌کنند. همچنین سایوز روسی نیز از سوخت‌های مایع استفاده می‌کند.
برخی دیگر از راکت‌ها از سوخت جامد استفاده می‌کنند. در کنار شاتل فضایی دو جسم سفید وجود دارد که شتاب‌دهنده موشک یا راکت است. این بوسترها یا شتاب‌دهنده‌ها از سوخت جامد استفاده می‌کنند. وسایل آتش بازی و موشک‌ها و راکت‌های مدل نیز با استفاده از سوخت جامد پرواز می‌کنند.

-چرا راکت کار می‌کند؟

در فضا، یک موتور راکت چیزی برای فشار آوردن خلاف جهت خود را ندارد. بنابراین در حقیقت سوال اصلی این است که چگونه راکت‌ها در فضا حرکت می‌کنند؟ راکت‌ها با استفاده از قانون سوم حرکت نیوتن کار و حرکت می‌کنند. همانطور که می‌دانید سر آیزاک نیوتون دانشمند انگلیسی، سه قانون برای حرکت ذکر کرد.

او این کار را بیش از 300 سال پیش انجام داد. قانون سوم نیوتن می‌گوید که برای هر عملی، یک نیروی عکس العمل برابر و مخالف وجود دارد. راکت گازهای حاصل از سوخت خود را با فشار از طریق لوله‌هایی که در ماشین معمولی به نام اگزوز می‌شناسیم خارج می‌کند و اصطلاحاً اگزوز نیز موشک را هل می‌دهد. در حقیقت موشک گازهای خروجی حاصل از سوخت را به عقب هل می‌دهد و این گازهای خروجی باعث حرکت موشک به جلو می‌شوند.

این قاعده را می‌توان روی زمین نیز مشاهده کرد. تصور کنید شخصی روی تخته اسکیت ایستاده است و در حال پرتاب یک توپ بولینگ است. با پرتاب توپ توسط شخص توپ به جلو خواهد رفت و شخصی که روی اسکیت بورد است نیز حرکت خواهد کرد و به عقب می‌رود. از آنجا که فرد سنگین‌تر است، توپ بولینگ مسافت بیشتری را طی می‌کند.

-راکت چه زمانی اختراع شد؟

اولین راکت‌هایی که می‌شناسیم در چین و در دهه 1200 مورد استفاده قرار گرفتند. از این راکت‌های با سوخت جامد برای آتش بازی استفاده می‌کردند. ارتش‌ها همچنین از آن‌ها در جنگ‌ها استفاده می‌کردند.

با گذشت ۷۰۰ سال، مردم راکت‌های بزرگ‌تر و بهتری تولید کردند و بسیاری از این راکت‌ها برای جنگ نیز مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 1969، ایالات متحده از راکت‌ها برای کشف فضا و سیارات دیگر استفاده کرد و توانست برای اولین بار بر روی ماه فرود بیاید. «نیل آرمسترانگ» (Neil Armstrong) و «باز آلدرین» (Buzz Aldrin) دو نفری بودند که با استفاده از راکت زحل 5 بر روی سیاره ماه فرود آمدند.

-مراحل پرتاب راکت چیست؟

پرتاب و شروع به کار راکت‌های بزرگ فضایی امروزه حداقل از دو مرحله تشکیل شده است، مراحلی که در یک پوسته استوانه‌ای مشترک قرار گرفته‌اند و انجام می‌شوند. هر مرحله موتورهای مخصوص به خود را دارد که می‌تواند از نظر تعداد متفاوت باشد. مرحله اول پرتاب راکت فالکون 9 اسپیس ایکس دارای 9 موتور است در حالی که مرحله اول پرتاب راکت «آنتارس نورتراپ گرومن» (Northrop Grumman’s Antares) دو موتور دارد.

در اولین مرحله شروع به کار راکت، راکت از جو پایین خارج می‌شود که بعضی اوقات این مهم با کمک تقویت‌کننده‌ها و بوسترهای جانبی اضافی انجام می‌شود. از آنجا که در مرحله اول پرتاب و شروع به کار راکت باید کل راکت، بدنه و هرگونه سوخت استفاده نشده آن بلند شود، بزرگترین و قدرتمندترین بخش است.

هرچه موشک سریع‌تر حرکت کند، مقاومت هوا بیشتر می‌شود. اما هرچه موشک بالاتر برود جو نازک‌تر می‌شود. این دو عامل به این معنی است که در هنگام شروع به کار راکت فشار در راکت در ابتدا افزایش می‌یابد و سپس در هنگام پرتاب کاهش می‌یابد و در فشاری که به نام max q شناخته می‌شود به اوج خود می‌رسد. برای راکت‌های فالکون 9 و «آلیانس اطلس 5» (Alliance Atlas V) max q در 80 تا 90 ثانیه پس از بلند شدن، در ارتفاعی بین ۱۱٫۲ تا ۱۷٫۵ کیلومتری اتفاق می‌افتد.

هنگامی که مرحله اول پرتاب کار خود را انجام داد، راکت آن قسمت را رها کرده و مرحله دوم خود را مشتعل می‌کند. مرحله دوم وزن کمتری برای حمل و نقل دارد و نیازی به غلبه بر جو ضخیم پایین ندارد و بنابراین معمولاً فقط یک موتور دارد.

همچنین در این مرحله راکت‌ها فرینگ خود را نیز از دست می‌دهند، فرینگ کلاهک نوک تیز نوک راکت است که از آنچه راکت حمل می‌کند (محموله راکت) در مرحله اول پرتاب محافظت می‌کند.
از نظر تاریخی و بر اساس تجربه اکثر قسمت‌های دور انداخته شده یک راکت به زمین افتاده و در جو می‌سوزند. اما از دهه 1980 و با شاتل فضایی ناسا، مهندسان قطعات موشکی را به گونه‌ای طراحی کردند که قابل بازیابی و استفاده مجدد است.

حتی شرکت‌های خصوصی از جمله «اسپیس ایکس» (SpaceX) و «بلو اوریجین» (Blue Origin) در حال ساخت راکت‌هایی هستند که حتی قطعات جدا شده ابتدایی راکت مجدداً بتوانند به زمین برگشته و خود فرود انجام دهند. هرچه بیشتر بتوان از قطعات راکت استفاده مجدد کرد، پرتاب راکت ارزان‌تری حاصل می‌شود.

-انواع مختلف راکت کدامند؟

همانطور که اتومبیل‌ها دارای اشکال و اندازه‌های مختلف هستند، راکت‌ها نیز بسته به وظایف و ماموریت‌هایی که دارند و انجام می‌دهند متفاوت هستند.

راکت‌های صوتی که با قوس‌های بالستیک در هوا پرتاب می‌شوند، پنج تا بیست دقیقه قبل از سقوط به زمین، در هوا مسیری منحنی مانند را طی می‌کنند. این راکت‌ها اغلب برای آزمایش‌های علمی استفاده می‌شوند که به حضور طولانی مدت در فضا نیاز ندارند. به عنوان مثال، ناسا در ماه سپتامبر 2018 از یک راکت صوتی برای آزمایش چترها برای مأموریت‌های آینده مریخ استفاده کرد.

راکت‌های کلاس مداری یا اصطلاحاً ساب اوربیتال مانند راکت «نیو شپارد» (New Shepard) شرکت بلو اوریجین آنقدر قوی هستند که می‌توانند به طور موقت وارد فضا شوند، این راکت‌ها عموماً برای آزمایش‌های علمی و برای گردشگری فضایی استفاده می‌شوند. راکت‌های کلاس مداری قدرت کافی برای پرتاب اجسام به مدار زمین را دارند. بسته به اینکه فضای حمل محموله این راکت‌ها چه قدر است، این راکت‌ها می‌توانند اجسامی مانند کاوشگرهای علمی (یا اتومبیل‌های سواری اسپرت) را به آن سوی زمین بفرستند.

حمل ماهواره‌ها به مدار یا فراتر از آن به توان و قدرت زیادی نیاز دارد. برای اینکه یک ماهواره در مدار دایره‌ای هشتصد کیلومتری بالاتر از سطح زمین بماند، باید سرعت آن را به بیش از ۲۶٬۷۱۵ کیلومتر در ساعت رساند.
راکت زحل 5، قدرتمندترین راکت ساخته شده تاکنون در طول ماموریت‌های آپولو، بیش از ۱۳۶٬۰۷۷ کیلوگرم محموله را به مدار پایین زمین برد.

در حال حاضر راکت‌های «هوی فالکون» (Falcon Heavy) شرکت اسپیس ایکس و «دلتا چهار هوی» (Delta IV Heavy) شرکت «یونایتد لانچ آلیانس» «United Launch Alliance» که به اختصار ULA نامیده می‌شود، قدرتمندترین راکت‌های جهان هستند، اما پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهند که راکت‌های بزرگتر و پرقدرت‌تر نیز در حال توسعه هستند.

در حقیقت راکت فضایی ناسا به شرط عبور از تأخیرات و هزینه‌های بیش از حد خود و ساخته شدن آن، قدرتمندترین راکتی خواهد بود که تاکنون ساخته شده است. با این حال شرکت اسپیس ایکس در حال ساخت نسخه آزمایشی استارشیپ خود است، راکت عظیمی که قبلا با نام راکت «فالکون بزرگ» BFR (Big Falcon Rocket) شناخته می‌شد. همچنین روسیه نیز اعلام کرده است که قصد دارد راکت فوق سنگین خود را تا سال ۲۰۲۸ پرتاب کند.

همانطور که برخی از شرکت‌های سازنده راکت سعی در توسعه قدرت و اندازه راکت‌های خود دارند، برخی دیگر نیز برای تأمین خدمات به ماهواره‌های کوچک و ارزان قیمت که اندازه برخی کوچکتر از یک فریز است در حال توسعه راکت‌های کوچک هستند.
موشک الکترون شرکت راکت لبز می‌تواند فقط چند صد کیلوگرم را به مدار پایین زمین برساند، اما برای ماهواره‌های کوچکی که توسط این راکت حمل می‌شوند این مقدار تمام توان مورد نیاز است.

-قطعات اصلی یک راکت چه هستند؟

هر راکت از چهار قسمت اصلی تشکیل شده که شامل دماغه، باله‌ها، بدنه موشک و موتور است. دماغه راکت محموله اصلی راکت را حمل می‌کند. محموله‌های معمول راکت شامل فضانوردان، ماهواره‌ها، ابزارهای علمی و حتی مواد منفجره است. همچنین دماغه ممکن است حاوی سیستم هدایتی باشد که جهت پرواز راکت را کنترل می‌کند. برای به حداقل رساندن اصطکاک دماغه باید به شکل گرد یا گلوله مانند باشد. این ویژگی سبب می‌شود تا راکت دارای قسمت جلویی کوچک و گرد باشد.

باله راکت سبب می‌شود تا راکت به صورت مستقیم و عمودی پرواز کند. بدون باله‌ها راکت از کنترل خارج می‌شود. در هنگام ساخت راکت طراح باید عواملی مانند اندازه، شکل، تعداد و محل پره‌ها را در نظر بگیرد. باله‌ها باید همیشه در عقب راکت قرار بگیرند مگر اینکه راکت دارای یک سیستم هدایت کنترل شده رایانه‌ای باشد.
بدنه راکت پیشرانه و موتور راکت را در خود جای داده است. همچنین باله‌ها نیز به بدنه راکت متصل می‌شوند.

موتورهای راکت ترکیبی از مواد شیمیایی به نام پیشرانه را می‌سوزانند. پیشرانه از دو قسمت سوخت و اکسید کننده تشکیل شده است. بدون اکسید کننده سوخت موشک نمی‌تواند بسوزد زیرا اکسیژن در فضا وجود ندارد.
همچنین یک راکت شامل سیستم هدایت نیز است. این سیستم هدایت شامل سنسورهای بسیار پیچیده، صفحات کامپیوتری، رادارها و تجهیزات ارتباطی برای هدایت راکت در پرواز است.

روش‌های مختلفی برای کنترل راکت‌ها در پرواز وجود دارد. سیستم هدایت V2 شامل پره‌های کوچک در خروجی نازل راکت برای ایجاد انحراف رانش در موتور است. راکت‌های مدرن و امروزی معمولاً نازل را برای مانور بیشتر راکت می‌چرخانند. سیستم هدایت همچنین باید مقداری ثبات و پایداری را فراهم کند تا راکت در پرواز سقوط نکند.

همچنین در ساختار یک راکت با توجه به اینکه سوخت آن جامد است یا مایع کمی تغییرات ایجاد می‌شود. سیستم‌های سوخت مایع، پیشرانه را در مخازن خارج از محفظه احتراق حمل می‌کنند. بیشتر این موتورها از اکسید کننده مایع و سوخت مایع استفاده می‌کنند که توسط مخزن‌های مربوطه توسط پمپ‌ها منتقل می‌شوند.
در یک موتور راکت با سوخت جامد (SRM) پیشرانه متشکل از یک یا چند قطعه است که مستقیماً در جعبه موتور سوار شده‌اند که هم به عنوان مخزن پیشرانه و هم محفظه احتراق عمل می‌کنند. پیشرانه معمولاً طوری تنظیم می‌شود که بدنه موتور را از گرم شدن محافظت کند.

-از کدام سوخت در راکت استفاده می شود؟

موشک‌های مدرن تمایل به استفاده از سوخت‌های مایع، جامد و یا ترکیبی دارند. اشکال و انواع سوخت مایع راکت شامل نفت (مانند نفت سفید)، کرایوژن‌ها (مانند هیدروژن مایع) یا مواد گلخانه‌ای (مانند هیدرازین) هستند.
در بعضی موارد الکل، پراکسید هیدروژن یا اکسیدهای نیتروژن نیز می‌توانند استفاده شوند.

پیشرانه‌های جامد به دو صورت همگن و مرکب تولید می‌شوند. هر دو گروه بسیار متراکم و در دمای اتاق پایدار هستند و به راحتی ذخیره می‌شوند. سوخت جامد همگن می‌تواند یک پایه ساده مانند نیتروسلولز یا یک پایه دوتایی مانند مخلوطی از نیتروسلولز و نیتروگلیسیرین باشد. از طرف دیگر، پیشرانه‌های جامد مرکب از نمک معدنی متبلور یا ریز آسیاب شده به عنوان اکسید کننده استفاده می‌کنند.

در بیشتر موارد سوخت واقعی راکت متمایل به آلومینیوم است. سوخت و اکسیدکننده معمولاً همراه با یک چسب پلیمری نگهداری می‌شوند که در هنگام احتراق نیز مصرف می‌شود.