افچنگ دیار اهل دل ... دیار دلداران

براساس تعریف فدراسیون بین‌المللی هوانوردی، خط کارمن (Karman Line) در ارتفاع 100 کیلومتری از سطح متوسط دریاها به عنوان مرز بین هوا و فضا در نظر گرفته شده است. دلیل انتخاب این ارتفاع به عنوان مرز بین هوا و فضا این است که بالاتر از آن غلظت جو به علت کاهش ناگهانی دما به قدری کاهش می‌یابد که می‌توان از نیروی پسای ناشی از برخورد مولکول‌های جو با شیء پرنده صرف‌نظر کرد.

از طرف دیگر، طبق تعریف رسمی ایالات متحدة امریکا فردی که موفق به پرواز در ارتفاعی بیش از 80 کیلومتر از سطح زمین شود، حائز عنوان فضانورد خواهد شد. این ارتفاع جایی است که لایة مزوسفر (Mesosphere) پایان می‌یابد. اما مهندسان طراح هوافضا، هنگام طراحی یا شبیه‌سازی بازگشت اجرام به جو زمین، گذر از ارتفاع 120 کیلومتری را عبور از مرز فضا به جو می‌شناسند. سرعت بسیار زیاد اجسام در بازگشت به جو دلیل تفاوت دیدگاه این دسته از مهندسان با گروه اول است: در سرعت‌های بسیار زیاد، جو رقیق موجود در فاصلة بین ارتفاع 120 تا 100 کیلومتری، پسای اتمسفری زیادی تولید می‌کند.
راکت کاوش یکی از متداول‌ترین سامانه‌هایی است که برای رشد و توسعة فناوری‌های جدید، در فضا به کار می‌رود. به دلیل سادگی و ارزان بودن این راکت‌ها در مقایسه با راکت‌های مداری و فضاپیماها، بسیاری از کشورها از این راکت‌ها استفاده می‌‌کنند. به‌ویژه، کشورهایی که فناوری و امکان پرتاب راکت‌های مداری را ندارند می‌‌توانند با استفاده از این راکت‌ها در تحقیقات فضایی نقشی فعال ایفا کنند.

راکت‌های کاوش عموماً از دو قسمت اصلی تشکیل می‌شوند:
موتور: برای رساندن محموله تا ارتفاع مورد نظر
محمولة آزمایشگر: شامل تجهیزات مختلف برای انجام آزمایش‌ها
اکثر موتورهای استفاده‌شده در راکت کاوش، موتورهای نظامی است که باعث کاهش هزینة استفاده از این راکت‌ها شده است. از جملة علل به‌کارگیری راکت‌های کاوش می‌توان موارد زیر را نام برد:

1. هزینة پایین
2. محمولة آنها می‌تواند در مدت زمانی کوتاه تعویض شود؛
3. تنها وسیله‌ای است که می‌توان از آن برای اندازه‌گیری در ارتفاع بین حداکثر ارتفاع پروازی بالن (در حدود 30 مایل یا 48 کیلومتر) و حداقل ارتفاع پروازی ماهواره‌ها (100 مایل یا 161 کیلومتر) استفاده کرد.

بخش‌های اصلی یک راکت کاوش

مقایسة ویژگی‌های روش‌های مختلف ایجاد شرایط جاذبة ناچیز

آزمایش‌های راکت کاوش اطلاعات مختلفی را در زمینه‌های متفاوت تهیه می‌کند، از قبیل:

• فرایندهای فیزیکی و رویدادهای شیمیایی رخ‌داده در اتمسفر
• تشعشعات طبیعی اطراف زمین
• اطلاعاتی راجع به خورشید، ستاره‌ها، کهکشان‌ها و ...

علاوه بر این، راکت‌های کاوش راه‌های اقتصادی برقراری ارتباط بین ابزارآلات آزمایشی مهندسی و وسایل استفاده‌شده بر روی ماهواره‌ها و دیگر فضاپیماها را قبل از به‌کارگیری در فعالیت‌های پرهزینه فراهم می‌آورد. همچنین به دلیل هزینة کم و زمان کوتاه مأموریت، راکت‌های کاوش وسایل باارزشی برای تحقیقات علمی دانشگاهی به حساب می‌آیند.

پروفیل پروازی راکت‌های ویژة آزمایش جاذبة ناچیز

سیستم پیشرانش راکت‌های کاوش
در هر سیستم پیشرانش، یک سیال مؤثر توسط سیستم شتاب می‌گیرد که واکنش این شتاب تولید نیرویی در سیستم است. یکی از این سیستم‌های پیشرانش، موتورهای راکتی‌اند که بیشترین کاربرد آنها در پرتاب موشک‌هاست. بررسی معادلة تراست نشان می‌دهد که مقدار تراست تولیدشده به جرم جریان میانی و سرعت گازهای خروجی موتور بستگی دارد.
در یک موتور راکتی، مخلوط سوخت و منبع فراهم‌کنندة اکسیژن (اکسنده) در محفظة احتراق می‌سوزند. نتیجة احتراق، تولید گازهای داغی است که به منظور شتاب بخشیدن به جریان و تولید تراست از میان یک نازل می‌گذرد. در یک راکت، گاز شتاب‌گرفته یا سیال کاری، خروجی داغ تولیدشده در حین احتراق است. این سیال با آنچه در یک هواپیمای جت (با موتور توربینی) یا ملخی است تفاوت دارد. موتورهای توربینی یا ملخ‌ران از هوای اتمسفر به عنوان سیال کاری استفاده می‌کنند، اما راکت‌ها از احتراق گازهای اگزوز استفاده می‌کنند. از آنجا که در فضای خارج از جو زمین هوا یا اتمسفری وجود ندارد، توربین‌ها و ملخ‌ها ـ برخلاف راکت‌ها ـ در این فضا کار نمی‌کنند.
انواع راکت‌ها
در یک تقسیم‌بندی کلی، راکت‌ها به دو دستة اصلی راکت‌های سوخت جامد و راکت‌های سوخت مایع تقسیم می‌شوند.
راکت‌های سوخت مایع

شماتیک موتور راکت‌های سوخت مایع

در این نوع، عامل‌های محرکه شامل سوخت یا همان اکسیدشونده، و اکسنده ـ که به صورت مایع و جدا از هم نگهداری می‌شوند ـ به داخل محفظة احتراق پمپ می‌شوند و در آنجا پس از ترکیب با یکدیگر، می‌سوزند.
در یک راکت سوخت مایع می‌توان تراست را با قطع جریان عامل‌های محرکه، قطع، کم یا زیاد کرد ولی در یک راکت سوخت جامد، برای این کار باید موتور را از بین برد. راکت‌های سوخت مایع به دلیل پمپ‌ها و مخازن حاوی عوامل محرکه، پیچیده‌تر، سنگین‌تر و گران‌ترند و عامل‌های محرکه در فاصلة زمانی کوتاهی پیش از عملیات پرتاب به داخل محفظة مربوطه در راکت منتقل می‌شوند؛ این در حالی است که کاربرد و استفاده از یک راکت سوخت جامد بسیار راحت‌تر است و عامل‌های محرکة آن می‌توانند مدت‌ها قبل از عملیات پرتاب در راکت قرار گیرند.
راکت‌های سوخت جامد

شماتیک موتور راکت‌های سوخت جامد

در یک راکت سوخت جامد، عامل‌های محرکه به صورت مخلوط‌شده با یکدیگر در سیلندری مقاوم قرار می‌گیرند که بر روی آن سوراخی تعبیه شده است. در این راکت‌ها اگر احتراق آغاز گردد، تا سوختن و مصرف تمام عوامل محرکه ادامه خواهد یافت. این راکت‌ها در پرتابه‌های »هوا به هوا«، »هوا به زمین«، راکت‌های مدل و ... به کار می‌روند.
نحوة محاسبة تراست
نحوة محاسبة تراست در هر دو نوع راکت یکسان است. احتراق، مقادیر زیادی گاز خروجی ـ با فشار و دمای بالا ـ تولید می‌کند. مقدار گازهای خروجی تولیدشده به مساحت جبهة شعله بستگی دارد و بر همین اساس طراحان موتور از شکل‌های مختلف سوراخ تعبیه‌شده بر روی محفظة احتراق برای کنترل میزان تراست یک موتور خاص بهره می‌برند. گازهای داغ خروجی از میان یک نازل گذشته و به سیال شتاب می‌دهند؛ به این ترتیب، طبق قانون سوم حرکت نیوتن، تراست تولید می‌شود.
مقدار تراست تولیدی یک راکت همچنین به طرح نازل بستگی دارد. کوچک‌ترین مقطع در نازل، گلوگاه نازل نامیده می‌شود. اگر انسداد جریان داغ خروجی در گلوگاه رخ دهد، عدد ماخ در گلوگاه برابر یک شده و نسبت جرم جریان ( ) با مساحت گلوگاه معلوم می‌شود. به این ترتیب، نسبت مساحت از گلوگاه نازل تا خروجی (Ae)، سرعت خروجی (Ve) و فشار خروجی (pe) نیز به دست می‌آید. در بعضی از طرح‌ها فشار خروجی فقط با فشار گازهای آزاد برابر است. بنابراین ما باید از معادلة تراست تعمیم‌یافته برای توصیف تراست سیستم استفاده کنیم. اگر فشار گازهای آزاد را باp0 نشان دهیم آنگاه معادلة تراست F از رابطة زیر به دست خواهد آمد:

یادآوری می‌شود که در معادلة تراست، به دلیل چشم‌پوشی از تأثیر هوا بر وسیله، از جرم گازهای آزاد و سرعت آنها صرف‌نظر می‌شود. از آنجا که عامل اکسنده با دیگر عوامل محرکه مخلوط است، راکت‌های سوخت جامد می‌توانند در شرایط خلأ نیز تراست تولید کنند.

منبع:آرشیو ویژه نامه خبرهای هوافضایی