سوخت های مایع و جامد موشک ها

باروت (چیزی که امروزه به آن پودر سیاه میگوییم) برای اولین بار در حدود نه قرن پیش در چین اختراع شد و به سرعت در ساخت ترقه ها و دیگر مواد آتش بازی مورد استفاده قرار گرفت.
قطعا زمینه اولیه موشک که ما میدانیم در سال ۱۲۶۴ بنا شده است.این پودر که در ابتدا مادر امپراطور را وحشت زده کرد در جشنواره او را سربلند نگه داشت. زمانی که اولین پرواز موشک انجام شد زیاد موفقیت آمیز نبود اما این اولین بار بود که در ارتش چین در میانه ی قرن چهاردهم استفاده شد.

سوخت جامد موشک شامل سوخت و اکسیدکننده است که با هم به خوبی به صورت پودر مخلوط شده اند و سپس به صورت کیک جامد فشرده شده است. هنگامی که باروت روشن می شود می سوزد تا همه ی آن تمام شود.در پودر سیاه موشک کربن سوخت است و پتاسیوم نیترات اکسید کننده است. گوگرد به عنوان سوخت دوم و همچنین کاتالیز عمل می کند. واکنش هارا. در آریان ۵ پودر آلومینیم تقویت کننده ی سوخت جامد، آمونیم پر کلرات به عنوان اکسید کننده و پلی بوتادی ان به عنوان چسب برای به هم چسباندن مخلوط به کار می رود.

توجه: سعی نکنید هیچ کدام از این پیشروان موشک را بسازید . آنها بسیار انفجاری و حادثه ساز هستند حتی با کوچک ترین حرکت و جنبشی میتوانند موجب آسیب دیدگی یا مرگ بشوند.ساخت آنها در بسیاری از کشورهای دنیا غیر قانونی است.

تا اوایل قرن بیستم موتور موشک ها هیچوقت بیشتر از چند درصد موثر نبودند.مشکل اینجاست که در یک موشک ساده برای پیش راندن موشک از اختلاف فشار درون جایگاه سوختن و هوای خارج استفاده می شود.

نتیجه این که مقدار عظیمی از فشار بالا دمای بالای دهانه به بیرون پرتاب می شود و مقدار زیادی انرژی به شکل فشار و گرمای گاز به هدر می رود.

وقتی پیشگام آمریکایی موشک، رابرت گودارد (ROBERT GODDARD) ایده ای را از نیروی توربین بخار آب برای موتور راکت بکار برد این فناوری دگرگون شد. این دانش بخشی از دانش فیزیک است که فراتر از فیزیک پیش دانشگاهی است اما با ایجاد تنگنایی در خروجی گاز (معمولا به آن گلوگاه میگویند) باعث میشود که به فشار گاز به موشک شتاب بالایی ببخشد و گاز با صدا خارج شود. در واقع گاز درون موشک تحت فشار قرار می گیرد و پس از خارج شدن آن از موشک منبسط می شود و موشک را با شتاب به جلو می راند.

برای روشن تر شدن مطلب موارد زیر را در نظر داشته باشید:

-موشک با پرتاب جرم به سمت عقب کار میکند. هرچه جرم سریع تر خارج شود فشار بیشتری حاصل می شود.
-داخل مخزن سوخت، دما و فشار بسیار بالا است .
-اگر گاز اجازه گسترش داشته باشد فضای بیشتری را اشغال میکند بنابر این با شتاب برای رسیدن به فضای مناسب پخش می شود. و ما از همین ویژگی در حرکت موشک ها استفاده می کنیم
-یکی از چیز های خوب در مورد راکت این است که مهم نیست دما و فشار گاز خروجی چقدر است. و این به شتاب موشک کمک نمی کند.
– دهانه خروجی به گاز اجازه ی گسترش و سرد شدن را می دهد و در همین حال صدای گاز خروجی را کاهش می دهد.

زمانی که گاز خروجی نازل را ترک می کند دمای آن کمتر از زمانی سوختن است و در سرعت فراصوت به حدود ۵ کیلومتر بر ساعت می رسد. ممگن است به نظر عجیب برسد اما فشار دهانه ی خروجی، کمتر از فشار جو است.

کدام پیشران موٍثرتر است؟ به یاد بیاوریم که می خواهیم مواد خروجی با سرعت هرچه بیشتر بیرون پرتاب شود. می توانیم یک روش ناهنجار را انتخاب کنیم اما یک جواب مفید تر را می توانیم از معادله ی تئوری سینتیک و تئوری گاز ایده آل به دست بیاوریم:

در اینجا m جرم ذرات است، c به توان دو، سرعت ذره به توان ۲ است، k ثابت بولتزمن و T دمای گاز است . پس ریشه یعنی مربع سرعت ذرات گاز که به وسیله رابطه ی زیر داده می شود:

به عبارت دیگر ذرات گاز وقتی در دمای بالا بسوزند و جرم مولکولی پایینی داشته باشند سریع تر حرکت می کنند.
تجزیه ی کامل تر که نیازمند دانش برتری است به ما سرعت جت خروجی را می دهد:

که در اینجا γ نسبت گرمای ویژه (ثابتی میان ۱/۱ و ۱/۷ که به شیمی و دمای مواد خروجی دارد) و pها فشار در جایگاه سوختن و در بیرون موشک می باشد. آشکار است که این یک معادله ی ناجوری است اما جواب پرسش های ساده ی ما دقیقآ از همین رابطه به دست می آید.ما بالاترین دمای سوختن و کمترین جرم ذرات را در خروجی می خواهیم.

دمای سوخت جامد بالا است و بدنه را به شدت داغ می کند، همچنین به نسبت ذراتی بزرگ تولید می کند( به همین دلیل است که سوخت جامد هنگام سوختن دود غلیظی ایجاد می کند). یک راه حل این است که سوخت و عامل سوختن مایع استفاده کنیم. هیدروژن مایع در اکسیژن مایع در دمایی نزدیک ۳۰۰۰ کلوین می سوزد و محصول سوختن مولکول های آب می باشد. هیدروژن مایع چگالی پایینی دارد و به مخزنی بزرگ برای نگهداری نیاز دارد. به همین دلیل نفت سپید (سوخت هواپیما) که در اکسیژن مایع می سوزد برای پرتاب کننده ها به کار می رود و باز هم هوای خروجی آن شامل مولکول های سبک است.

مزایای استفاده از مخلوط سوخت مایع/اکسیدکننده این است که پرتاب می تواند کنترل شده انجام شود و دیگر این که موتور حتی می تواند خاموش شود و در مرحله ی بعدی دوباره روشن شود. به علاوه چگالی انرژی (ژول بر انرژی نیرو محرکه) در نتیجه ی دمای بالای سوختن، افزایش می یابد، تکانه ی ویژه (تکانه [در نیوتن ثانیه] بر کیلومتر از نیرو محرکه) بسیار بزرگ است. یک سوخت موشک جامد امروزی تکانه ی ویژه تا تقریبآ ۲۵۰۰ نیوتن ثانیه بر کیلوگرم، درحالیکه یک سوخت مایع خوب می تواند تکانه ی ویژه ای تا ۴۵۰۰ نیوتن ثانیه بر کیلوگرم ایجاد نماید. یک روش معمول برای کوتاه کردن واحدها این است که، در سطح پایه یک کیلوگرم از محرک وزنی کمی کمتر از ۱۰ نیوتن و این دو شکل با هم ساده می شوند. و این دو به شکل ۲۵۰ ثانیه و ۴۵۰ ثانیه می شوند.

بزرگترین عیب سوخت مایع این است که نیاز به پمپ، لوله کشی و مخزن جداگانه برای سوخت و اکسیدکننده دارد به این معنی است که جرم اضافه ای باید به وسیله موشک پرتاب شده حمل شود.

بسیاری از پیش رانه ها مشکلاتی در استفاده از موتورهای متفاوت سوخت موشک دارند. آراین ۵ و شاتل فضایی هر دو بیشترین نیروی موتورشان را در ارتفاعات پایین به کار می برند(اما کمترین تکانه ویژه) سوخت جامد بالا برنده و سپس از موتور های هیدروژن مایع/اکسیژن مایع در ارتفاعات بالا و در فضا بیشترین تکانه ی ویژه و کمترین نیروی موتور را به کار می برد. بزرگ ترین موشک که تاکنون ساخته شده ساترن V است که آپلو را در ماموریت ماه حمل کرد. در این پروژه در تمام مراحل از موتور مایع استفاده شد اما برای چگال تر کردن نسبی انرژی نفت چراغ و اکسیژن مایع در ارتفاعات پایین و هیدروژن مایع / اکسیژن مایع در ارتفاعات بالا و در فضا به کار گرفته شد.

برگردان به پارسی: رضا زمانی
ویرایشگر: کیان کیانی

سرچشمه:
http://www.esa.int/Education/Solid_and_liquid_fuel_rockets