موتور موشک چگونه کار می‌ کند؟؛قسمت دوم+عکس

موشک سوخت جامد: ترکیب سوخت
موتور موشک‌های سوخت جامد اولین نوع از موشک‌ها بودند که به دست انسان ساخته شدند. آن‌ها تقریبا صد سال پیش در چین اختراع شدند و تا کنون نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. بخشی از سرود ملی آمریکا که در اوایل قرن ۱۹ نوشته شده است، به استفاده از موشک برای حمل بمب یا مواد آتش‌زا اشاره دارد. پس می‌توانید ببینید که استفاده از موشک‌ها به قرن‌ها پیش بر‌می‌گردد.
ایده‌ی اصلی تولید یک موشک سوخت جامد ساده است. شما باید سوختی داشته باشید که به سرعت بسوزد؛ اما منفجر نشود. همان‌طور که شما احتمالا می‌دانید، باروت قابلیت انفجار دارد. باروت از ۷۵ درصد نیترات، ۱۵ درصد کربن و ۱۰ درصد سولفور تشکیل یافته است. ما نمی‌خواهیم که چنین سوختی در موتور موشک منفجر شود، پس باید ترکیب آن را به این طریق تغییر دهیم: ۷۲ درصد نیترات، ۲۴ درصد کربن و ۴ درصد سولفور. در این حالت سوخت شما دیگر باروت نخواهد بود، بلکه تبدیل به سوخت جامد موشک می‌شود. این نوع ترکیب شیمیایی به سرعت می‌سوزد و اگر به درستی بارگزاری شود، منفجر نمی‌شود.

در تصویر بالا در سمت چپ شما موتور موشک درست پیش از احتراق را می‌بینید. سوخت جامد با رنگ سبز نشان داده شده است. نحوه‌ی بارگذاری سوخت به صورت استوانه‌ای است که یک سوراخ طویل در میانه‌ی آن دریل شده است. زمانی که سوخت دچار حریق می‌شود، در طول سوراخ یا کانال ایجاد شده می‌سوزد. نحوه‌ی مصرف سوخت از داخل به بیرون و به سمت جداره‌ی موشک است. در یک موشک کوچک شاید مدت زمان فرایند سوختن سوخت جامد از درون به بیرون کم‌تر از یک ثانیه به طول بکشد. در رانشگر موشک‌های شاتل که حاوی میلیون‌ها کیلوگرم سوخت هستند، این فرایند دو دقیقه طول می‌کشد.

هدف از انجام این کار افزایش مساحت جانبی کانال و در نتیجه افزایش ناحیه‌ی احتراق است تا میزان پیشرانش تولیدی زیاد شود. با ادامه‌ی احتراق سوخت، سوراخ ستاره‌ای شکل تبدیل به یک دایره‌ی ساده می‌شود. در SRBها این کار باعث تولید نیروی پیشرانش زیاد در ابتدای احتراق و کاهش میزان آن در اواسط پرواز می‌شود.
موتور موشک‌های سوخت جامد چند مزیت مهم دارند: سادگی، هزینه‌ی پایین و امنیت؛ اما در کنار این‌ها دو عیب بزرگ هم دارند: نداشتن کنترل روی نیروی پیشرانش و اینکه بعد از شروع احتراق، نمی‌توان موتور را خاموش کرد یا دوباره راه‌اندازی کرد.
این ایرادات باعث می‌شود که موشک‌های سوخت جامد برای ماموریت‌های کوتاه مدت (همانند موشک‌های نظامی) یا برای سیستم‌های تقویت کننده مناسب باشند. اگر می‌خواهید که کنترل موتور را در دست داشته باشید باید از سیستم پیشرانش مایع استفاده کنید. در بخش بعدی درباره این مورد و سایر موضوعات توضیح می‌دهیم.

موشک‌های سوخت مایع

تصویر فوق، رابرت اچ. گودارد (Robert H. Goddard) و موشک سوخت اکسیژن-بنزینی او را نشان می‌دهد که در ۱۶ مارس ۱۹۲۶ پرتاب شد. این موشک تنها ۲.۵ ثانیه پرواز کرد و پس از رسیدن به ارتفاع ۱۴ متری، در یک مزرعه‌ی کلم، ۷۰ متر دورتر فرود آمد.
در سال ۱۹۲۶، رابرت گودارد اولین نفری بود که یک موشک سوخت مایع را به پرواز درآورد. موتور موشک او از اکسیژن مایع و بنزین استفاده می‌کرد. او همچنین تعدادی از مسائل اصلی در مورد طراحی موتور چنین موشک‌هایی را از قبیل مکانیزم برخواستن از زمین، سیستم خنک‌کننده و سیستم کنترل مسیر حرکت حل کرد. همین مسائل هستند که موشک‌های سوخت مایع را پیچیده می‌کنند.
ایده‌ی پشت موشک‌های سوخت مایع بسیار ساده است. در بسیاری از موتورها، سوخت و اکسیدکننده (برای مثال بنزین و اکسیژن مایع) به درون یک محفظه‌ی احتراق فرستاده می‌شوند. در طی فرایند احتراق، جریانی از گازهای بسیار داغ با سرعت زیاد ایجاد می‌شود. این گازها با حرکت درون نازل سرعت بیشتری می‌گیرند (سرعت معمول گازهای خروجی از چنین موتورهایی بین ۸۰۰۰ تا ۱۶ هزار کیلومتربرساعت است) و موتور را ترک می‌کنند. در شکل ساده‌شده‌ی زیر اصول و اجزای اصلی این فرایند را می‌توانید ببینید.

این شکل البته تمام پیچیدگی‌ها یک موتور سوخت مایع واقعی را نشان نمی‌دهد. برای مثال اغلب اکسیدکننده یا خود سوخت به صورت گازهای سردی هستند که به صورت مایع در می‌آیند؛ مانند هیدروژن مایع و اکسیژن مایع. یکی از بزرگترین مشکلات موتورهای با سوخت مایع، سرد کردن محفظه‌ی احتراق و نازل است. بنابراین ابتدا مایع سرد به دور نواحی بسیار داغ می‌چرخد تا آن‌ها را سرد کند. پمپ‌ها نیز باید فشار زیادی را برای غلبه بر فشار ایجاد شده توسط احتراق در داخل محفظه‌ی احتراق ایجاد کنند. موتور اصلی شاتل فضایی در واقع سیستم پمپاژ دو مرحله‌ای دارد و برای به حرکت در آوردن مرحله‌ی دوم از احتراق سوخت استفاده می‌کند. سیستم‌های پمپاژ و سرد کننده باعث می‌شوند که یک موتور سوخت مایع بیشتر شبیه یک پروژه‌ی لوله‌کشی بزرگ نامنظم شود.
از ترکیبات سوختی مختلفی در موتور موشک‌های سوخت مایع استفاده می‌شود. از جمله: اکسیژن مایع و هیدروژن مایع استفاده شده در موتور اصلی شاتل فضایی، بنزین و اکسیژن مایع استفاده شده در نمونه‌های اولیه موشک‌ها، نفت سفید و اکسیژن مایع استفاده شده در مرحله‌ی اول تقویت‌کننده‌های سترن ۵ در برنامه‌ی آپولو، الکل و اکسیژن مایع استفاده شده در موشک v2 آلمان، نیتروژن تتروکسید استفاده شده در موتورهای کاسینی.

نسل جدید موتور موشک‌ها
تصویر زیر مربوط به موتور یون زنون است که در یک محفظه‌ی خلا توسط آزمایشگاه پیشرانش جت (JPL) ناسا مورد آزمایش قرار گرفته است. در این تصویر رنگ آبی خارج شده از موتور مربوط به اتم‌های باردار است. موتورهای سوخت یونی اولین نوع از موتورهای سوخت غیر شیمیایی هستند که در یکی از قسمت‌های اصلی فضاپیما مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

ما به دیدن موتورهای سوخت شیمیایی عادت کرده‌ایم. موتورهایی که با سوزاندن سوخت خود نیروی پیشرانش لازم را تولید می‌کنند. با این حال روش‌های دیگری برای تولید پیشرانش وجود دارد. هر سیستمی که منجر به پرتاب سریع جرم شود، می‌تواند پیشرانش تولید کند. اگر شما روشی برای سریع پرتاب کردن توپ‌های بیس‌بال بیابید، کارتان راه می‌افتد. تنها مشکل چنین نگرشی خروجی موتور است یا همان توپ‌هایی که پرتاب می‌شود. این خروجی وارد فضا می‌شود و می‌تواند روی آن تاثیر بگذارد. به همین دلیل است که دانشمندان به استفاده از موتورهایی که خروجی آن‌ها گاز است، علاقه دارند.
بسیاری از موتورها بسیار کوچک هستند. برای مثال نیاز نیست موتورهایی که برای تنظیم ماهواره‌ها به کار می‌روند، نیروی پیشرانش زیادی تولید کنند. نوعی از موتورهای مورد استفاده در ماهواره هیچ نوع سوختی ندارند. در این موتورها گاز نیتروژن است که با سرعت از نازل‌های تعبیه شده خارج می‌شود و باعث تولید پیشرانش می‌شود. این گونه پیشرانه‌ها در سیستم مانور دستی شاتل نیز استفاده شده‌اند.
دانشمندان در تلاش هستند تا با تولید نوع جدیدی از موتورها، نیروی پیشرانش لازم را از طریق پرتاب یون‌ها یا ذرات اتمی با سرعت زیاد و با کارامدی بالا تولید کنند. فضاپیمای Deep Space-1‌ ناسا اولین وسیله‌ای بود که از موتورهای یونی برای تولید نیروی پیشرانش استفاد کرد.
مسلما فناوری موشک‌ها همانند همه‌ی زمینه‌های فنی‌ مهندسی دیگر، به‌طور دائم در حال رشد و تغییر است. ایده‌های جدید در کنار پیشرفت روزافزون فناوری‌های ساخت باعث هموارتر شدن راه سفرهای فضایی و کاهش هزینه‌های آن‌ها خواهند شد.

پایان