چگونه موتورهای موشک کار می کنند
اما بزرگترین مشکل همه این است که انرژی کافی برای دریافت یک سفینه فضایی از زمین به دست می آورد. این جایی است که موتورهای موشکی وارد می شوند
گالری تصویر موشک
موتورهای موشک، از یک طرف، بسیار ساده هستند که شما می توانید موشک های مدل خود را بسیار ارزان بسازید و پرواز کنید (برای اطلاعات بیشتر لینک های مربوط به آخرین صفحه مقاله را ببینید). از سوی دیگر، موتورهای موشک (و سیستم های سوخت رسانی آن) بسیار پیچیده هستند که فقط سه کشور در حال حاضر در مدار زمین قرار دارند. در این مقاله، ما به موتورهای موشک نگاه خواهیم کرد تا بدانند چگونه کار می کنند، و همچنین برای درک برخی از پیچیدگی های اطراف آنها.
هنگامی که اکثر مردم در مورد موتورها یا موتورها فکر می کنند، آنها در مورد چرخش فکر می کنند. به عنوان مثال، یک موتور بنزینی مجزا در یک ماشین، انرژی چرخشی را برای رانندگی چرخ ها تولید می کند. یک موتور الکتریکی انرژی روتاری را برای هدایت یک فن یا چرخاندن یک دیسک تولید می کند. یک موتور بخار برای انجام همان کار استفاده می شود، مانند یک توربین بخار و بیشتر توربین های گاز است.
موتورهای موشک اساسا متفاوت هستند. موتورهای موشک موتورهای واکنش هستند. اصل اساسی موتور موشک، اصل نیوتنی معروف است که “به هر عمل واکنش برابر و برابر است.” یک موتور موشک توده ای را در یک جهت پرتاب می کند و از واکنش حاصل می شود که در نتیجه به سوی دیگر حرکت می کند.
این مفهوم “توده پرتاب و بهره برداری از واکنش” در ابتدا ممکن است دشوار باشد، زیرا به نظر نمی رسد که اتفاق می افتد. به نظر می رسد موتورهای موتوری در مورد شعله و سر و صدا و فشار، نه “چیزهای پرتاب”. بیایید به چند نمونه نگاه کنیم تا یک تصویر بهتر از واقعیت بدست آوریم:
اگر شما تا به حال یک تفنگ ساچمهای، به ویژه یک تفنگ ساچمهای ۱۲ گانه شلیک کردید، پس شما می دانید که “ضربه” زیادی دارد. این است که وقتی اسلحه شلیک می کنید، شانه های خود را با نیروی زیادی وارد می کنید. این ضربه یک واکنش است. تفنگ ساچمه ای در حدود یک اونس فلز در یک جهت حدود ۷۰۰ مایل در ساعت تیراندازی می کند و شانه شما با واکنش ضربه می زند. اگر اسلحه های غلتکی پوشیدید یا وقتی اسلحه شلیک می کردید روی اسکیت بورد می نشستید، این اسلحه مانند یک موتور موشک عمل می کرد و با چرخاندن در جهت مخالف واکنش نشان می داد.
اگر تا کنون آب اسپری بزرگ شلنگ آتش را دیده اید، ممکن است متوجه شده باشید که نیروی زیادی برای نگه داشتن شلنگ وجود دارد (گاهی اوقات دو یا سه آتش نشان با شلنگ را مشاهده خواهید کرد). شلنگ مانند یک موتور موشک عمل می کند. شلنگ آب را در یک جهت پرتاب می کند و آتش نشان ها از قدرت و وزن خود برای مقابله با واکنش استفاده می کنند. اگر آنها اجازه خروج از شلنگ را می دادند، با نیروی فوق العاده ای روبرو می شدند. اگر آتش نشانان همه بر روی اسکیت بورد ایستاده بودند، شلنگ آنها را به سرعت با سرعت حرکت می داد!
هنگامی که شما یک بالون را منفجر کرده و اجازه دهید آن را به طوری که آن را پرواز در سراسر اتاق قبل از بیرون از هوا، شما ایجاد یک موتور موشک است. در این مورد، چه چیزی پرتاب می شود مولکول های هوا داخل بالون است. بسیاری از مردم معتقدند که مولکولهای هوا هر چیزی را وزن نمی کنند، اما آنها را انجام می دهند (صفحه ای از هلیوم را برای دریافت تصویر بهتر از وزن هوا ببینید). وقتی آنها نازل بالون را پرتاب می کنند، بقیه بالون در جهت مخالف واکنش می دهند.
بعد، ما به سناریوی دیگری خواهیم پرداخت که توضیح می دهد عمل و واکنش: بیس بال فضا.
اکشن و واکنش: سناریو بیس بال فضا
تصور کنید وضعیت زیر: شما یک کت و شلوار کت و شلوار دارید و در فضا در کنار شاتل فضایی شناور هستید؛ شما اتفاق می افتد که یک بیس بال در دست داشته باشید
اگر بیس بال را پرتاب کنید، بدن شما با حرکت در جهت مخالف توپ، واکنش نشان می دهد. چیزی که سرعت حرکت بدن شما را کنترل می کند، وزن بیس بال است که شما پرتاب می کنید و میزان شتاب که به آن اعمال می کنید. جرم ضرب شده توسط شتاب نیرو است (f = m * a). نیرویی که برای بیس بال اعمال می شود، نیروی واکنش یکسان برای بدن شما برابر است (m * a = m * a). بنابراین بیایید بگوییم که بیس بال وزن یک پوند است و بدن شما به همراه لباس فضایی وزن ۱۰۰ پوند دارد. شما بیس بال را با سرعت ۳۲ فوت در ثانیه (۲۱ مایل در ساعت) پرتاب می کنید. به این معناست که شما بیس بال ۱ پوند را با بازوی خود تسریع می کنید تا سرعت آن ۲۱ مایل در ساعت باشد. بدن شما واکنش نشان می دهد، اما وزن آن ۱۰۰ برابر بیشتر از بیس بال است. بنابراین، آن را به یک صد سرعت بیس بال، و یا ۰٫۳۲ فوت در ثانیه (۰٫۲۱ مایل در ساعت) حرکت می کند.
اگر میخواهید بیس بال خود را بیشتر بسازید، شما دو گزینه دارید: جرم را افزایش دهید یا شتاب را افزایش دهید. شما می توانید بیس بال سنگین تر پرتاب کنید یا تعداد توپ های پایه را یک بار دیگر (افزایش جرم) پرتاب کنید، یا می توانید بیس بال را سریعتر پر کنید (افزایش شتاب در آن). اما این همان چیزی است که می توانید انجام دهید.
یک موتور موشک به طور کلی توده ای را در قالب یک گاز فشار بالا پرتاب می کند. موتور یک جسم گاز را در یک جهت می گیرد تا یک واکنش را در جهت مخالف ایجاد کند. این جرم از وزن سوختی که موتور راکت می سوزد، می آید. فرایند سوزاندن سوخت جرمی به طوری که از نازل موشک به سرعت بالا می آید، سرعت می گیرد. واقعیت این است که سوخت هنگامی که سوختگی می شود به سوخت جامد یا مایع تبدیل می شود، جرم آن را تغییر نمی دهد. اگر شما یک پوند سوخت موشک را بسوزانید، یک پوند اگزوز از نازل به شکل یک درجه حرارت بالا و با سرعت بالا بیرون می آید. فرم تغییر می کند، اما جرم نیست. روند سوزاندن جرم را تسریع می کند.
رانش
“قدرت” یک موتور موشک نامش رانش آن است. محور در “پوند رانش” در ایالات متحده اندازه گیری می شود. و در نیوتون تحت سیستم متریک (۴٫۴۵ نیوتن راندگی برابر است با ۱ پوند رانش). یک پوند رانش مقدار رانش است که برای جلوگیری از جابجایی یک پوند در برابر نیروی جاذبه روی زمین لازم است. بنابراین در زمین، شتاب گرانش ۳۲ فوت در ثانیه در ثانیه (۲۱ مایل در ساعت در ثانیه) است. اگر شما در یک فضای با یک کیسه baseballs شناور بودید و شما یک بس بال در ثانیه دور از شما در ۲۱ مایل در ساعت پرتاب، baseballs شما تولید معادل ۱ پوند از رانندگی است. اگر شما توپ پایینی را در ۴۲ مایل در ساعت پرتاب کردید، پس شما ۲ پوند رانندگی خواهید داشت. اگر شما آنها را در ۲،۱۰۰ مایل در ساعت (شاید با تیراندازی آنها از نوعی اسلحه بیس بال) پرتاب کنید، سپس شما تولید ۱۰۰ پوند رانندگی و غیره.
یکی از مسائل خنده دار راکت ها این است که اشیائی که موتور می خواهد آن را بچرخاند، واقعا وزن دارد و موشک باید آن وزن را در اطراف حمل کند. بنابراین بیایید بگوئیم که شما می خواهید برای یک ساعت ۱۰۰ پوند رانندگی را با پرتاب یک بیس بال هر ثانیه با سرعت ۲۱۰۰ مایل در ساعت، تولید کنید. این بدان معنی است که شما باید با ۳۶۰۰ توپ پایه ۱ پوند (با ۳۶۰۰ ثانیه در یک ساعت) شروع کنید یا ۳،۶۰۰ پوند از توپ پایه. از آنجا که شما تنها ۱۰۰ پوند وزن خود را در فضولت خود می گیرید، می توانید ببینید که وزن سوخت شما کوتوله وزن حمل بار (شما) است. در واقع وزن سوخت ۳۶ برابر بیشتر از بار مصرف است. و این بسیار رایج است. به همین دلیل است که شما باید یک موشک بزرگ برای گرفتن یک فرد کوچک در فضا در حال حاضر – شما باید حمل مقدار زیادی از سوخت.
شما می توانید معادله وزن را به وضوح در شاتل فضایی ببینید. اگر تاکنون شاتل فضایی را دیده اید، می دانید که سه قسمت وجود دارد:
اربیت
مخزن بزرگ خارجی
دو تقویت کننده موشک جامد (SRBs)
Orbiter 165000 پوند وزن دارد. مخزن خارجی وزن دارد ۷۸٫ ۱۰۰ پوند خالی است. دو تقویت کننده موشک جامد هر کدام ۱۸۵۰۰۰ پوند را خالی می کنند. اما پس از آن شما باید در سوخت بارگذاری کنید. هر SRB دارای ۱٫۱ میلیون پوند سوخت. مخزن خارجی دارای ۱۴۳ هزار گالن اکسیژن مایع (۱،۳۵۹،۰۰۰ پوند) و ۳۸۳،۰۰۰ گالن هیدروژن مایع (۲۲۶،۰۰۰ پوند) است. کل وسایل نقلیه – شاتل، مخزن خارجی، روکش تقویت کننده راکت جامد و تمام سوخت ها – وزن کل ۴،۴ میلیون پوند در راه اندازی است. ۴/۴ میلیون پوند برای به دست آوردن ۱۶۵۰۰۰ پوند در مدار یک تفاوت بسیار بزرگ است! عادلانه است، این مدار نیز می تواند بار حمل و نقل ۶۵،۰۰۰ پوند (تا ۱۵x60 فوت در اندازه) حمل کند، اما هنوز هم یک تفاوت بزرگ است. سوخت تقریبا ۲۰ برابر بیشتر از اوربیت وزن می کند [منبع: کتابچه راهنمای اپراتور شاتل فضایی].
تمام این سوخت ها از شاتل فضایی با سرعت نزدیک به ۶۰۰۰ مایل بر ساعت (سرعت معمول اکتشاف راکت برای موشک های شیمیایی بین ۵،۰۰۰ تا ۱۰،۰۰۰ مایل در ساعت) پرتاب می شود. SRB ها حدود دو دقیقه رانندگی می کنند و حدود ۳/۳ میلیون پوند رانندگی را در هر زمان پرتاب می کنند (متوسط ۲٫۶۵ میلیون پوند در طول سوختگی). سه موتور اصلی (که از سوخت در مخزن خارجی استفاده می کنند) حدود هشت دقیقه سوختند و ۳۷۵۰۰۰ پوند رانندگی در طول سوختگی ایجاد می کنند.
موشک جامد سوخت: مخلوط سوخت
موتورهای راکت سوخت جامد اولین موتورهای تولید شده توسط انسان بودند. آنها سالها پیش در چین اختراع شده اند و از آن زمان به بعد استفاده شده اند. خط “خیره کننده قرمز موشک” در سرود ملی (که در اوایل دهه ۱۸۰۰ نوشته شده است) در مورد راکت های کوچک سوخت جامد سوختی است که برای حمل بمب یا دستگاه های آتش زا استفاده می شود. بنابراین شما می توانید ببینید که موشک های استفاده شده اند در حالی که برخی از آنها حذف شده است.
ایده یک موشک جامد سوخت ساده است. آنچه شما می خواهید انجام دهید این است ایجاد چیزی است که بسیار سریع می سوزد اما منفجر نمی شود. همانطور که احتمالا آگاه هستید، باروت منفجر می شود. باروت ۷۵ درصد نیترات، ۱۵ درصد کربن و ۱۰ درصد گوگرد را تولید می کند. در یک موتور موشک، شما نمی خواهید یک انفجار – شما می خواهم قدرت را آزاد تر به طور مساوی در طول زمان. بنابراین شما می توانید ترکیب را به ۷۲ درصد نیترات، کربن ۲۴ درصد و گوگرد ۴ درصد تغییر دهید. در این حالت، به جای باروت، یک سوخت ساده راکت می گیرید. این نوع مخلوط به سرعت در حال سوختن است، اما اگر به درستی بارگیری نشود، منفجر نخواهد شد. در اینجا یک بخش متداول است:
در سمت چپ، موشک قبل از احتراق را می بینید. سوخت جامد در سبز نشان داده شده است. این استوانه ای است، با یک لوله در وسط میانی. هنگامی که سوخت را روشن می کنید، آن را در امتداد دیوار لوله سوزاند. وقتی که سوختگی می شود، آن را به طرف گردن می سوزاند تا سوختن تمام سوخت ها باشد. در یک مدل کوچک موشکی یا در یک موشک کوچک بطری، سوختگی ممکن است یک یا دو دقیقه طول بکشد. در شاتل فضایی SRB حاوی بیش از یک میلیون پوند سوخت، سوختگی حدود دو دقیقه طول می کشد.
موشک جامد سوخت: پیکربندی کانال
هنگامی که شما در مورد پیشرفته راکت های جامد سوخت مانند شاتل تقویت کننده موشک ها خواندن، شما اغلب چیزهایی مانند:
مخلوط سوخت در هر موتور SRB ساختار یک پرکلرات آمونیوم (اکسید کننده، ۶۹٫۶ درصد وزن)، آلومینیوم (سوخت و ۱۶ درصد)، اکسید آهن (یک کاتالیزور، ۰٫۴ درصد)، یک پلیمر (یک چسب که با هم نگه مخلوط، ۱۲٫۰۴ درصد)، و یک اپوکسی (۱٫۹۶ درصد). پروانه ای یک سوراخ سوراخ دار به شکل ۱۱ نقطه ای در بخش موتور جلو و یک سوراخ سوراخ مخروطی دو طرفه در هر یک از بخش های پشتی و بسته شدن پشتی است. این پیکربندی باعث می شود تا در هنگام احتراق، رانندگی بالا باشد و پس از بلند شدن، تقریبا تا ۵۰ ثانیه پس از خاموش شدن، رانش را کاهش می دهد تا از فشار بیش از حد در طول حداکثر فشار دینامیکی جلوگیری شود. [منبع: ناسا]
این پاراگراف نه تنها در مورد مخلوط سوخت بلکه در مورد تنظیم کانال حفاری شده در مرکز سوخت بحث می کند. “سوراخ سوراخ ۱۱ نقطه ای ستاره ای” ممکن است چنین شبیه باشد:
ایده این است که سطح سطح کانال را افزایش دهد، در نتیجه افزایش سطح سوختگی و در نتیجه راندگی. با سوختن سوخت، شکل به یک دایره تبدیل می شود. در مورد SRB ها، این موتور باعث می شود که موتور اولیه و محوری پایین تر در وسط پرواز پرواز کند.
موتورهای سوخت جامد دارای سه مزیت مهم هستند:
سادگی
کم هزینه
ایمنی
آنها همچنین دو معیاری دارند:
رانش را نمی توان کنترل کرد.
هنگامی که مشعل شد، موتور را نمی توان متوقف کرد و یا مجددا راه اندازی کرد.
معایب آن این است که موشک های جامد سوخت برای کارهای کوتاه مدت (مانند موشک ها) یا برای سیستم های تقویت کننده مفید هستند. هنگامی که شما نیاز به کنترل موتور دارید، باید از یک سیستم سوخت مایع استفاده کنید. ما در مورد آن و سایر امکانات در آینده یاد خواهیم گرفت.
موشک مایع
دکتر رابرت گدارد و موشک مایع خود اکسیژن بنزین در قاب که از آن در ۱۶ مارس ۱۹۲۶ از کار اخراج شد، در آبرن، ماساچوست این فقط برای ۲٫۵ ثانیه پرواز کرد، صعود ۴۱ فوت و ۱۸۴ فوت دور در یک فرود آمد پچ کلم.
دکتر رابرت گدارد و موشک مایع خود اکسیژن بنزین در قاب که از آن در ۱۶ مارس ۱۹۲۶ از کار اخراج شد، در آبرن، ماساچوست این فقط برای ۲٫۵ ثانیه پرواز کرد، صعود ۴۱ فوت و ۱۸۴ فوت دور در یک فرود آمد پچ کلم.
حسن نیت ارائه میدهد عکس ناسا
در سال ۱۹۲۶، رابرت گودارد اولین موتور موشک مایع را آزمایش کرد. موتورش از بنزین و اکسیژن مایع استفاده کرد. او همچنین بر روی برخی از مشکلات اساسی در طراحی موتور موشک، شامل مکانیسم های پمپاژ، استراتژی های خنک کننده و فرمان های رانندگی کار کرده است. این مسائل این است که موشک های مایع را بسیار پیچیده می کنند.
ایده اصلی ساده است. در بیشتر موتورهای موشک مایع، سوخت و اکسید کننده (به عنوان مثال، بنزین و اکسیژن مایع) به یک اتاق احتراق پمپ می شوند. در آنجا آنها برای ایجاد یک جریان فشار بالا و سرعت بالا از گازهای گرم سوزاندند. این گازها از طریق نازل جریان می یابند که سرعتشان را بیشتر می کند (۵ تا ۱۰ هزار مایل در ساعت) سرعت بخشیدن به سرعت را دارند و سپس موتور را ترک می کنند. نمودار بسیار ساده شده زیر اجزای اساسی شما را نشان می دهد.
این نمودار پیچیدگی های فعلی یک موتور معمولی را نشان نمی دهد (برخی از لینک های پایین صفحه را برای تصاویر خوب و شرح موتورهای واقعی ببینید). به عنوان مثال، طبیعی است که سوخت یا اکسید کننده یک گاز مایع سرد مانند مایع هیدروژن یا اکسیژن مایع باشد. یکی از مشکلات بزرگ در یک موتور موشک با سوخت مایع خنک کننده محفظه احتراق و نازل، به طوری که مایعات برودتی برای اولین بار در سراسر نقاط فوق العاده گرم گردش خنک کردن آنها. پمپ ها باید فشارهای بسیار بالایی را برای غلبه بر فشار ایجاد کنند که سوخت سوخت در اتاق احتراق ایجاد می شود. موتورهای اصلی شاتل فضایی در واقع از دو مرحله پمپاژ استفاده می کنند و سوخت را برای رانندگی پمپ های مرحله دوم استفاده می کنند. همه این پمپ ها و خنک کننده یک موتور مایع سوخت مایع را بیشتر شبیه یک پروژه لوله کشی می کند که از هر چیز دیگری رفته است – به موتورهای این صفحه نگاه کنید تا ببینید منظور من چیست.
انواع ترکیبات سوخت در موتورهای موشک مایع استفاده می شود. به عنوان مثال:
هیدروژن مایع و اکسیژن مایع – در موتورهای اصلی شاتل فضایی استفاده می شود
بنزین و اکسیژن مایع – در موشک های اولیه گودارد استفاده می شود
نفت و اکسیژن مایع – در مرحله اول از تقویت کننده های بزرگ زحل V در برنامه آپولو استفاده می شود
اکسیژن الکل و مایع – در موشک V2 آلمان استفاده می شود
تتراکسید نیتروژن / منومیتی هیدرازین – در موتورهای کاسینی استفاده می شود
آینده موتورهای موشک
این تصویر از یک موتور یونی زنون، عکس از طریق یک پورت محفظه خلاء که در آن را در آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا مورد آزمایش قرار گرفت، درخشش آبی کم رنگ شدن اتم منتشر شده از موتور متهم نشان می دهد. موتور نیروی دریایی اولین نیروی غیر شیمیائی است که به عنوان وسیله اصلی برای پرتاب یک فضاپیما استفاده می شود.
این تصویر از یک موتور یونی زنون، عکس از طریق یک پورت محفظه خلاء که در آن را در آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا مورد آزمایش قرار گرفت، درخشش آبی کم رنگ شدن اتم منتشر شده از موتور متهم نشان می دهد. موتور نیروی دریایی اولین نیروی غیر شیمیائی است که به عنوان وسیله اصلی برای پرتاب یک فضاپیما استفاده می شود.
حسن نیت ارائه میدهد عکس ناسا
ما عادت داریم که موتورهای شیمیایی شیمیایی را که سوخت آنها را برای تولید نیروی محرکه بسوزانیم ببینیم. با این وجود روش های دیگری برای تولید محرک وجود دارد. هر سیستمی که توده ای را پرتاب می کند، انجام می شود. اگر شما می توانید یک راه برای سرعت بخشیدن به baseballs به سرعت بسیار بالا، کشف یک موتور موشک موثر است. تنها مشکل با چنین رویکردی، بیس بال “اگزوز” (توپهای با سرعت بالا در آن) است که از طریق فضا عبور می کنند. این مشکل کوچک باعث طراحان موتور موشک می شود که گازها را برای محصول اگزوز مطابقت دهند.
بسیاری از موتورهای موشک بسیار کوچک هستند. به عنوان مثال، محرک های نگرشی در ماهواره ها نیازی به تولید نیروی زیاد ندارند. یک طراحی موتور معمولی که در ماهواره ها یافت می شود، از “سوخت” استفاده نمی کند – رانندگان تحت فشار نیتروژن به راحتی گاز نیتروژن را از مخزن به نازل می برند. رانندگان مانند این Skylab را در مدار نگه داشته اند، و همچنین در سیستم مانور مجهز شاتل استفاده می شود.
طرح های موتور جدید در حال تلاش برای پیدا کردن راه هایی برای سرعت بخشیدن به یون ها و یا ذرات اتمی به سرعت بسیار بالا برای ایجاد رانندگی بیشتر. فضاپیمای عمیق فضایی ناسا اولین کاربرانی بود که از موتورهای یونی برای نیروی محرکه استفاده می کردند [منبع: SPACE.com]. برای بحث بیشتر در مورد موتورهای پلاسما و یون، این صفحه را ببینید.
