راكت فضايي

يكي از ديرينه‌ترين آرزوهاي بشر در طول زمان سفر به فضا بوده است. البته سالها اين موضوع آرزويي دست نيافتني و افسانه‌اي فرض مي‌شده است تا اينكه بالأخره اين انسان معجزه‌گر به نيروي عقل و خرد و خلاقيت خويش توانست به كره‌ي ماه گام نهد و اين آرزوي ديرين خود را به عمل تبديل كند.قدرتي كه اينبار به ياري بشر آمد تا با آن فضا را فتح كند،قدرتي به نام راكت بود.
یك راكت، وسیله، موشك و یا هواپیمایی است كه با بیرون دادن گاز از ته خود به جلو حركت می كند. راكت ها بیشتر برای مقاصد نظامی، حمل ماهواره ها به مدارها، سفرهای فضایی و برای پژوهش دیگر سیارات استفاده می شوند.

راكت ها پیشینه ای طولانی دارند و در برخی از كتاب ها، حتی تاریخ هزار ساله برای آنها ثبت شده است. راكت ها وسایلی بودند كه انسان را در قرن ۲۱ برای اولین بار به كره ماه رساندند و هم اكنون هم توریسم فضایی تنها با كمك این وسایل انجام می شود.

تاریخچه

كلمه راكت از كلمه Rocchetta ایتالیایی گرفته شده كه نام یك ترقه بسیار ابتدایی است كه توسط موراتوری در سال ۱۳۷۹ ساخته شد.نخستین فناوری های ساخت راكت توسط چنگیزخان مغول هنگامی كه روسیه و قسمت هایی از شرق و مركز اروپا را فتح كرد ابداع شد. البته خود چنگیزخان هم هنگامی كه شمال چین را فتح كرد از طریق چینی ها به این فناوری رسید و به سرعت متخصصین راكت سازی چینی را به استخدام خود درآورد و برای اولین بار در سال ۱۲۴۱ میلادی در جنگ سجو از تسلیحات راكت مانندی استفاده کرد.

البته در آن زمان راکت به معنی وسیله ای بود که با مواد منفجره پرتاب می شد و بدون هدایت مسیرش را طی می کرد. مسلمانان هم برای اولین بار در دنیا و به دست خودشان راكت ساختند و علیه شاه لوئیس نهم فرانسوی در سال۱۲۶۸ میلادی استفاده كردند.

اما دو دانشمند یكی از بلوك شرق و دیگری از بلوك غرب بودند كه با ساختن راكت هایی عصر فضا را رقم زدند. كورولوف از شوروی و فون براون دانشمند نازی بعد از جنگ به استخدام آمریكا درآمدند. از تلاش های موازی آنها بود كه الان سفرهای فضایی میسر شده. آن دو همیشه آرزو داشتند كه با هم همكار بودند.
اما دست رسی به فضا پیچیدگی و مشکلات خاص خود را دارد. راه یابی به فضا پیچیده است، چرا که باید با بسیاری از مشکلات روبرو شد. مثلا: وجود خلا در فضا ، مشکلات گرما و حرارت ، مشکل ورود مجدد به زمین ، مکانیک مدارها ، ذرات و باقی مانده‌های فضا ، تابشهای کیهانی و خورشیدی و طراحی امکانات برای ثابت نگه داشتن اشیاء در بی وزنی.

ولی بزرگترین مشکل ایجاد انرژی لازم برای بالا بردن فضاپیما از زمین است که برای درک این موضوع باید به بررسی طرز کار موتورهای موشک پرداخت.
اولين بار موتور راكت توسط آلماني‌ها براي پرتاب بمبها به سوي دشمن در جنگ جهاني دوم بكار گرفته شد. اين موتورها با سوخت جامد كار مي‌كردند كه امروزه نيز با گذشت چندين دهه باز هم مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

به هرحال ساختن يك موتور، بدون هيچ عضو دواري كه در وسايل نقليه موجود مورد استفاده‌اند، به گونه‌اي كه قادر باشد با سرعتي بسيار بالا از كمند جاذبه زمين گريخته و به ديگر نقاط فضا برود آنچنان ساده و معمولي نيست و داراي پيچيدگي‌هاي خاص خود مي‌باشد كه بحث درباره‌ي هر جزء آن و نوشتن از هر كدام، مطالعات زيادي را مي‌طلبد. ولي در اين مقاله ما بيشتر به كليات و معرفي نحوه عملكرد موتور راكت به صورت تئوري مي‌پردازيم كه اميد است مورد استفاده قرار گيرد.
فنون پرتاب راكت جهت بررسي و آشنايي كامل با آن ساليان زيادي مطالعه و پرداختن به مباحث زيادي را مي‌طلبد كه ما در اين مقاله سعي به پرداختن به همه‌ي جزئيات آن را نداريم.

اين مقاله در برگيرنده توابع اوليه و اصلي مطالعه‌ي تئوري راكت با آدرس‌دهي قوانين فيزيكي حاكم بر حركت و پيش‌رانش، پارامترهاي مهم اجرا و عملكرد در راكت، تكنيك‌هاي مختلف پيش‌رانش در راكت، و انواع سوخت و پيش‌رانهاي مورد استفاده در راكت مي‌باشد.
مختصري درباره‌ي پيش‌رانش(جرم عكس العملي)
راكت‌ها نيز همانند ساير انواع پيش‌رانهاي ديگر هستند كه مطابق قانون سوم نيوتن با تبادل ممنتم توسط تعدادي جرم عكس‌العملي و با مصرف انرژي توليد نيروي پرتاب و حركت به جلو مي‌كنند.
ولي راكت‌ها از آن نظر كه جرم عكس‌العملي مورد نياز خود را با خود حمل مي‌كنند با ساير انواع وسايل نقليه متفاوتند. بنابراين بي‌نياز به محيط اطراف بوده و مستقل از آن عمل مي‌كنند. (Self contained)
ساير انواع وسايل نقليه جهت تأمين جرم عكس‌العملي به محيط اطراف خود نيازمندند. اتومبيل‌ها از زمين استفاده مي‌كنند و هواپيماها و قايق‌ها از آب و قايق‌هاي بادباني از باد. راكتهايي كه اغلب با آنها آشنايي داريم، راكتهاي شيميايي هستند كه جرم عكس‌العملي آنها مخلوط سوخت و اكسيژن مي‌باشد. در راكتهاي شيميايي، جرم عكس‌العملي همان منبع انرژي نيز هست. راكتهاي شيميايي معمل، آن دسته از موتورهاي احتراق داخلي هستند كه مخلوط سوخت و اكسيژن را در يك محفظه احتراق سوزانده و گاز توليدي با گرما و فشار زياد را به سوي يك نازل شتاب مي‌دهند. ولي در راكتهاي الكتريكي و هسته‌اي كه در ادامه درباره آن صحبت خواهد شد، پيش‌ران (جرم

عكس‌العملي) اساساً جرمي راكد و فاقد نيروي جنبش مي‌باشد كه توسط موتور به آن حرارت و شتاب داده مي‌شود و سوخت و پيشران جداي از هم عمل مي‌كنند.
همانند ساير وسايل نقليه، راكتها شامل يك سري اجزاء اساسي مشابهي مانند يك ساختمان كه در آن يك سري تيرهاي حمال (framework) تعبيه شده است و ساير اجزاء را در خود جاي داده و محافظت مي‌كند، سيستم رانش كه نيروي لازم را جهت حركت وسيله نقليه فراهم مي‌كند، منبع انرژي تهيه توان لازم براي نيرو بخشيدن به سيستم نقليه، سيستم راهبري جهت كنترل جهت، و در نهايت و مهمتر از همه «در حقيقت دليل اصلي داشتن سيستم حمل و نقل» بار مفيد؛ مي‌باشند. (نمونه‌هايي از بار مفيد از قرار زير مي‌باشد:
مسافران، اسباب و ادوات يا منابع علمي و وسايل مورد نياز در سفر؛ وقتي كه يك راكت به عنوان جنگ‌افزار جهت تخريب هدف مورد استفاده قرار مي‌گيرد و ما آن را موشك مي‌ناميم بار مفيد آن كلاهك مي‌باشد.)
فيزيك راكت
همان طور كه مي‌دانيد آقاي اسحاق نيوتن، قوانين اصلي حركت را ثبت كرده است كه اين قوانين وسيله‌اي است كه ما آناليز قوانين حركت راكتها را با آن انجام مي‌دهيم.
اين قوانين براي آناليز اوليه حركت همه وسايل نقليه با محرك راكت اعمال مي‌شوند. بر جت‌هاي گازي كه براي كنترل وضعيت بكار مي‌روند، راكتهاي كوچك كه براي مراحل مختلف جدايي موشك بكار مي‌روند، براي تصحيحات حفظ مسير گلوله‌ها و براي راكتهاي بزرگ كه جهت حمل ماهواره به مدار زمين استفاده مي‌شوند و …
قانون اول نيوتن: (اينرسي)

هر شيئي تمايل به ادامه حركت يكنواخت خود در خط راست دارد. مگر اينكه توسط اعمال يك نيرو مجبور به تغيير وضعيت شود.

قانون دوم نيوتن: (ممنتم)
وقتي كه يك نيرو به جسمي وارد مي‌شود، تغييرات زماني ممنتم، هم جهت با نيروي اعمال شده مي‌باشد.
قانون سوم نيوتن: (عمل و عكس‌العمل)

براي هر عملي عكس‌العملي برابر او نظر بزرگي و مخالف از جهت مي‌باشد.
با تحليل كردن اين سه قانون در تئوري راكتها مي‌توان نحوه رانش آن را تفسير و ساده سازي كرد:
براي مثال قانون اول ميگويد كه موتورهاي بايد نيروي تراست «پرتاب» كافي براي غلبه بر نيروي جاذبه زمين و راكت پرتاب شده را ايجاد كنند. موتورها بايد قادر باشند كه حركت وسيله نقليه را آغاز نموده و براي رسيدن به سرعت مطلوب، شتاب لازم را به آن بدهند. به گفته ديگر پرتاب راكت موتورها بايد پوندتراست (pounds of Thrust) بيشتري نسبت به وزن آن ايجاد كنند. (درباره نيروي تراست در آينده صحبت خواهد شد.)
هنگام اعمال قانون دوم نيوتن بايد مجموع كل نيروهاي اعمال شده بر بدنه‌ي راكت را در نظر بگيريم. كه نيروي شتاب نهايي حاصل از نيروي اعمال شده خالص روي راكت مي‌باشد. اين به آن معني است كه اگر ما يك راكت به وزن ۲۰۰۰۰۰۰lbf را به طور عمودي از زمين پرتاب كنيم و موتور آن داراي نيروي Thrust ۲۵۰۰۰۰lbf باشد، نيروي خالص پرتاب برابر با ۵۰۰۰۰lbf است كه اختلاف بين نيروي Thrust موتور و وزن راكت مي باشد.در اينجا نيروي گرانش برخلاف جهت نيروي تراست عمل مي‌كند. در هنگام بكار انداختن راكت تا رسيدن به مقصد، نيروهاي اعمال شده بر راكت متغيير مي‌باشد. نيروي گرانش در حال كاهش مي‌باشد چرا كه جرم راكت به دليل مصرف سوخت در حال كاهش مي‌باشد و همچنين نيروي گرانش نيز با ارتفاع كاهش مي‌يابد. هنگامي كه راكت از ميان

جو عبور مي‌كند نيروي drug به دليل كاهش سرعت افزايش يافته و با افزايش ارتفاع به دليل كاهش دانيسته كاهش مي‌يابد.( در مدتي كه تراست باقي مانده ثابت باشد، پروفيل شتاب با تغيير نيروهاي وارد بر راكت تغيير مي‌كند. در نمودار ترم (Max Q) به بالاترين فشار سازنده ناشي از drag حاصل از اتمسفر اشاره دارد.) تأثير غالب در نهايت به اين ترتيب مي‌باشد كه شتاب برحسب يك نرخ افزايش، افزايش مي‌يابد، جرم راكت در حال افزايش مي‌باشد. پايين بودن شتاب و سرعت هنگام پرتاب ناشي از نيروي خالص پايين و جرم بالاي راكت در اين زمان مي‌باشد. هنگامي كه

سوخت توسط موتور سوزانده مي‌شود، شتاب و سرعت هر دو افزايش پيدا مي‌كنند. (كاهش جرم راكت و افزايش نيروي خالص) در اولين مرحله پاياني خرج شتاب افت شديدي پيدا مي‌كند كه در اين نقطه شتاب تنها ناشي از محيط و گرانش و دراگ مي‌باشد و بطور كلي برخلاف جهت حركت هست. در مرحله دوم احتراق و شتاب سرعت افزايش دوباره پيدا مي كند .
از آنجا كه افزايش در سرعت و شتاب بسيار بالايي اتفاق مي افتد در مرحله فوق موتور يا موتور هاي راكت سوخت بيشتري مي سوزانند.
هنگامي كه راكت به سرعت مورد نظر (از نظر جهت و مقدار) مي‌رسد و همچنين به ارتفاع مورد نظر در مأموريت، اعمال نيروي تراست به پايان مي‌رسد. در اين حالت شتاب افت پيدا مي‌كند و نيروي خالص وارد بر موشك ناشي از محيط و بيشتر وزن آن مي‌باشد. پس از پايان تراست و يا خرج موشك راكت شروع به پرواز آزاد مي‌نمايد. براي يك راكت داراي سه تا چهار مرحله تغييرات مشابهي و شتاب و سرعت در هر مرحله ظاهر مي‌شود. در هنگام رخ دادن هر مرحله سرعت افزايش پيدا مي‌كند تا اين كه به ماكزيمم مورد نياز براي مأموريت فضايي برسد.
هنگامي كه راكت در يك مدار قرار گرفت گفته مي‌شود كه در شرايط بي‌وزني قرار دارد. در حققت نيروي وزن برداشته نشده است و راكت بطور دائم در حال سقوط آزاد مي‌باشد و همواره به طرف زمين شتاب‌دهي مي‌شود ولي از آنجا كه شتاب هنوز هم وابسته به مجموع نيروهاي اعمال شده بر راكت (نيروي خالص) مي‌باشد. جهت حفظ موقعيت در يك مدار خاص بايد با نيروي گرانش مقابله شود. اما در حال سقوط آزاد ما نيازي به مقابله مداوم با نيروي گرانش نداريم و نيروي ممنتم راكت

اين وظيفه را برعهده دارد. چرا كه در آن وضعيت مطابق قانون اول نيوتن راكت مايل به حفظ حركت خود مي‌باشد و هيچ نيرويي جهت تغيير اين وضعيت در آن نقطه موجود نيست و راكت به مسير خود در يك مدار ادامه مي‌دهد(هنگامي كه مدار حركت راكت سطح زمين را قطع نمي‌كند گفته مي‌شود كه نيروي گرانش با نيروهاي داخلي متوازن شده است.)
براي بيان قانون سوم نيوتن براي راكت بايد اتفاقاتي كه در موتور راكت مي‌افتد را در نظر گرفت. همه‌ي راكتها نيرويThrust را با پرتاب ذره‌هايي به بيرون توليد مي‌كنند كه اين ذره‌ها با سرعت زياد

از نازل‌هاي آنها خارج مي‌شوند. اثر تخليه گاز خروجي بصورت يك نيروي عكس العملي ظاهر مي شود كه Thrust ناميده مي شود و در جهت خلاف جهت گازها از خروجي راكت عمل مي‌كند. راكت با اين ذرات تبادل ممنتم كرده و توليد پيش‌رانش مي‌كند.
اين قانون سوم نيوتن است كه اساس كار همه سيستم‌هاي رانش را شرح مي‌دهد.بطور اساسي موتور راكت وسيله‌اي است جهت خروج ذرات كوچك ماده با سرعت بالا براي توليد نيروي تراست به وسيله‌ي مبادله ممنتم. هنگامي كه از مواد مايع و جامد شيميايي به عنوان سوخت استفاده مي‌شود، ذرات خروجي از مولكول‌هاي گاز تشكيل شده‌اند.
علوم پيشرفته جديد در حال بحث‌هاي تجربي و تئوري بر روي موتورهايي مي‌باشند كه از يون‌هاي (ذرات اتم شكسته شده)، ذرات هسته‌اي و حتي دسته كردن اشعه الكتروني (فتون‌ها) به عنوان پيشران يا جرم عكس‌العملي استفاده مي‌كنند.
براي يك پيشران دو بخش لازم مي‌باشد: ماده و انرژي. ماده همان جرم عكس‌العملي مي‌باشد كه منبع تبادل ممنتم است وقتي كه راكت اين جرم را با مصرف انرژي و با سرعت زياد به بيرون پرتاب مي‌كند، راكت و سوختهاي باقيمانده يك افزايش نيروي ممنتم در خلاف جهت پرتاب ذره‌ها دريافت كرده و به جلو رانده مي‌شوند.
سناریوی توپ بیسبال در فضا
شرایط فوق را تصور کنید، مثلا شما لباس فضانوردان را پوشیده‌اید و در فضا در کنار فضاپیما معلق مانده‌اید و چندین توپ بیسبال در دست دارید. حال اگر شما توپ بیسبال را پرتاب کنید، واکنش آن بدن شما را به جهت مخالف توپ حرکت می‌دهد. سرعت شما پس از پرتاب توپ به وزن توپ شتاب وارده بستگی دارد. همانطور که می دانیم حاصلضرب جرم در شتاب برابر نیرو است، یعنی:F=m.a

همچنین هر نیرویی که شما به توپ وارد کنید، توپ نیز نیرویی مساوی ولی در جهت مخالف به بدن شما وارد می‌کند که همان واکنش است. پس می‌توان گفت: m.a = m.a. حال فرض می‌کنیم که توپ بیسبال ۱ کیلو گرم وزن داشته باشد و وزن شما و لباس فضایی هم ۱۰۰ کیلوگرم باشد. پس با این حساب اگر شما توپ بیسبال را با سرعت ۲۱ متر در ساعت پرتاب کنید.

یعنی شما با دست خود به یک توپ بیسبال ۱ کیلو گرمی ، شتابی وارد کرده‌اید که سرعت ۲۱ متر در ساعت گرفته است. واکنش آن روی بدن شما تأثیر می‌گذارد، ولی وزن بدن شما ۱۰۰ برابر توپ بیسبال است. پس بدن شما با ۱۰۰/۱ سرعت توپ بیسبال (یا ۰٫۲۱ متر بر ساعت) به عقب

حرکت می‌کند. حال اگر شما می خواهید از توپ بیسبال خود قدرت بیشتری بگیرید، شما دو انتخاب دارید: افزایش جرم یا افزایش شتاب وارده. شما می‌توانید یا یک توپ سنگین‌تر پرتاب کنید و یا اینکه شما می‌توانید توپ بیسبال را سریعتر پرتاب کنید (شتاب آن را افزایش دهید)، و این دو تنها کارهایی است که می‌توانید انجام دهید.
یک موتور موشک نیز بطور کلی جرم را در قالب گازهای پر فشار پرتاب می‌کند؛ موتور گاز را در یک جهت به بیرون پرتاب می کند تا از واکنش آن در جهت مخالف سود ببرد. این جرم از مقدار سوختی که در موتور موشک می سوزد بدست می‌آید. عملیات سوختن به سوخت شتاب می دهد تا از دهانه خروجی موشک با سرعت زیاد بیرون بیاید. وقتی سوخت جامد یا مایع می‌سوزد و به گاز تبدیل می‌شود، جرم آن تغییر نمی‌کند بلکه تغییر در حجم آن است. یعنی اگر شما مقدار یک کیلو سوخت مایع موشک را بسوزانید مقدار یک کیلو جرم با حجمی بیشتر ، از دهانه خروجی موشک با دمای بالا و سرعت زیاد خارج می‌شود. عملیات سوختن ، جرم را شتاب می‌دهد.
نیروی پرتاب
قدرت موتور یک موشک را نیروی پرتاب آن می‌گویند. نیروی پرتاب در آمریکا به صورت (پوند) ponds of thrust و در سیستم متریک با واحد نیوتون شناخته شده است (هر ۴٫۴۵ نیوتون نیروی پرتاب برابر است با ۱ پوند نیروی پرتاب). هر یک پوند نیروی پرتاب (۴٫۴۵ نیوتون) مقدار نیروی است که می‌تواند یک شی ۱ پوندی (۴۵۳٫۵۹ گرم) را در حالت ساکن مخالف نیروی جاذبه زمین نگه دارد. بنابراین در روی زمین شتاب جاذبه ۲۱ متر در ثانیه در ثانیه (۳۲ فوت در ثانیه در ثانیه) است
پارامترهاي مؤثر در عملكرد راكت
تعدادي از پارامترهاي مهم و مؤثر بر عملكرد راكت وجود دارند كه وقتي همه‌ي آنها را با هم در نظر بگيريم تمام عملكرد راكت را شرح مي‌دهند:
۱ـ نيروي تراست (Thrust)
2ـ ضربه مخصوص (Specific Impulse)
3ـ نسبت جرم (Mass Ratio)
تراست (Thrust)
تراست در حقيقت ميزان نيرويي است كه راكت توليد مي‌كند. ميزان تراست در امتداد جرم راكت شتاب را تعيين مي‌كند. نوع مأموريت ميزان تراست و شتاب مورد نياز و قابل قبول را معين مي‌كند به عنوان نمونه پرتاب از زمين براي يك نسبت وزن خالص مثلاً ۱.۵ تا ۱.۷ نيازمند به يك نيروي تراست خاص مي‌باشد كه بايد محاسبه گردد. به محض اين كه راكت در مدار قرار گرفت و ممنتم حركت، نيروي گرانش را متعادل كرد. يك نيروي تراست بسيار كوچك‌تر براي مانورهاي بعدي كافي مي‌با

شد.
ضربه مخصوص (Isp):
ضربه مخصوص بيانگر ميزان بازدهي سوخت مي‌باشد. بصورت رياضي، ضربه مخصوص بصورت نيروي تراست توليد شده بر وزن سوخت مصرفي در هر ثانيه تعريف مي‌شود بنابراين Isp در حقيقت روش اندازه‌گيري ديگري براي سرعت خروجي راكت مي‌باشد.ضربه مخصوص روش معمول سنجش سوخت و پيش‌رانش و عملكرد سيستم و تا اندازه‌اي مشابه معكوس سوخت ويژه در اتومبيل‌ها و هواپيماهاي معمولي مي‌باشد. ضربه ويژه بيشتر عملكرد راكت را بهتر مي‌كند.
ضربه ويژه را مي‌توان با استفاده از بهينه از انرژي سوخت‌ها بهبود بخشيد كه اين به اين معني است كه نيروي تراست بيشتري به ازاي هر پوند سوخت مصرف شده به دست آيد.
ما مي‌توانيم ضربه ويژه را بصورت ميزان تراستي كه هر پوند سوخت در هر ثانيه توليد مي‌كند نيز تصور كنيم.
نسبت جرم (MR):
از آنجا كه موتور راكت بطور مداوم سوخت‌ها را مصرف مي‌كند جرم آن با گذشت زمان كاهش مي‌يابد. پس اگر نيروي تراست ثابت بماند، شتاب راكت افزايش مي‌يابد تا كه به بالاترين مقدار خود در مرحله ي Cut Off موتور برسد. (مرحله‌اي كه يك موتور به كار خود پايان داده و از راكت جدا و منفجر شده و موتور بعدي شروع بكار مي‌كند).
هدف از راكت، قرار دادن يك بار مفيد در يك مكان مخصوص با سرعتي خاص مي‌باشد كه اين مكان و سعت مورد نظر وابسته به مأموريت آن است. ما مي‌توانيم انرژي‌هاي مورد نياز براي اين مأموريت را با تغيير سرعت (rV) كه راكت استفاده مي‌كند معادل‌گيري كنيم. براي يك راكت (rV) ايده‌آل مورد استفاده وابسته به Isp (سرعت خروجيVe ) و نسبت جرم مي‌باشد.
. هر چه راكت قادر باشد كه نسبت به «نسبت وزن خشك» خود (وزن بدون سوخت داخلي) سوخت بيشتري حمل كند در نهايت به سرعت بيشتري دسترسي پيدا خواهد كرد. نسبت جرم بيان كننده رابطه جرم سوخت با جرم راكت بدون سوخت مي‌باشد و ميزان بيشتر نسبت جرم ميزان بيشتر عمق راكت را نتيجه مي‌دهد.
افزايش وزن بار مفيد راكت كاهش نسبت جرم و بنابراين پايين آمدن ماكزيمم ارتفاع و شعاع عملياتي را به همراه دارد. براي مثال: افزايش يك پوند بار مفيد، بالاترين ارتفاع اندازه‌گيري شده راكت را ممكن است به اندازه ۱۰۰۰۰ feet كاهش دهد.براي باز كردن بهتر مسئله بهتر است بدانيم براي گريز از جاذبه زمين به سرعتي نياز دارم كه سرعت فرار نام دارد اين سرعت براي هر

وسيله اي مقداري خاص محاسبه مي شود كه با يكي از روابط فيزيكي كه آن را ذكر خواهيم كرد بدست مي آيد، از همين رابطه سرعت مورد نياز براي غلبه به جاذبه زمين براي فضاپيماهاي مختلف را بدست مي آورند. در اين رابطه داريم :
اين فرمول عبارت مي شود از :- Ve كه همان سرعت فرار نام دارد كه بر حسب متر بر ثانيه محاسبه مي شود.- G ثابت جهاني گرانش است كه مقدار آن برابر ۱۱-۱۰ * ۶٫۶۷ مي باشد.- M جرم جسم بزرگ بر حسب كيلوگرم مي باشد.- d نيز فاصله مورد نظر بر حسب متر مي باشد

فنون پيش‌رانش

 

در نتيجه‌ي آنچه در مورد پارامترهاي عملكرد راكت گفته شد، ديديم كه ما علاقمنديم كه نيروي تراست را به ميزان كارآمدي ممكن ايجاد كنيم. براي ايجاد نيروي تراست نيازمند به مبادله ممنتم با مقداري ماده پيش‌ران (جرم عكس‌العملي) هستيم. هر راهي كه ما بتوانيم اين كار را به نحو مناسب انجام دهيم مي‌توانيم به عنوان فن پيش‌رانش انتخاب كنيم. ما مي‌خواهيم كه گزينه‌اي را انتخاب كنيم كه مجموع هزينه مأموريت را كاهش دهد در حالي كه همچنان مأموريت با موفقت انجام شود.
ما بيشتر با سيستم راكتهاي شيميايي آشنايي داريم. اگرچه راههاي ديگري نيز جهت توليد نيروي پيش‌رانش براي راكتها وجود دارد. دو راه اصلي جهت توليد پيش‌رانش و شتاب دادن به ماده پيش‌ران وجود دارد كه از قرار زير مي‌باشند:

۱ـ انبساط ترموديناميكي
۲ـ شتاب‌دهي الكتروستاتيكي الكترومغناطيسي

۱) انبساط ترموديناميكي:
انبساط ترموديناميكي مكانيزمي است كه ما با آن مأنوس‌تر هستيم. همه‌ي سيستم‌هاي شيميايي ما اين روش را براي شتاب‌دهي پيش‌ران بكار مي‌برند. اگر چه ما مي‌توانيم از انرژي هسته‌اي يا الكتريكي نيز براي گرم كردن پيش‌ران استفاده كنيم.
در روش انبساط ترموديناميكي ما سوخت را گرم مي‌كنيم تا به گازي با دما و فشار بالا تبديل شود. سپس اجازه مي‌دهيم كه گاز در يك مسير كنترل شده انبساط پيدا كند تا انرژي پتانسيل گرمايي آن به انرژي جنبشي مورد نياز كه نيروي تراست را توليد مي‌كند تبديل شود. ساختمان اساسي كه جهت ايجاد اين مقدار گاز و مهار انرژي گرمايي آن بكار گرفته شده است بسيار ساده و اغلب داراي هيچ قسمت متحركي نيست.
موتور راكتي كه از انبساط ترموديناميكي استفاده مي‌كند، يك اختلاف فشار بين محفظه احتراق و محيط اطراف بجود مي‌آورد و همين اختلاف فشار هست كه به گاز فشار لازم را مي‌دهد. يك موتور راكت معمولاً در يك فشار بالاي محفظه كار مي‌كند كه ديناميت‌هاي گاز آن را شرايط آماده به انفجار مي‌نامند كه اين فشار به محيط تخليه مي‌شود. مهندس سوئدي Carl G.P Delray نشان داد كه براي فشار در شرايط آماده به انفجار براي تغيير بهينه اين مقدار انرژي گرمايي براي گازها به انرژي شيميايي، گازها بايد از ميان يك نازل كه آنها را به طرف يك گلوگاه همگرا مي‌كند (مقطعي داراي كمترين سطح مقطع) و سپس آنها را به سمت بيرون واگرا مي كند عبور داده شوند.
۲) پيش‌رانش الكتريكي
راكتهاي الكتروستاتيكي و الكترومغناطيسي اساساً متفاوت با راكتهاي شيميايي در رابطه با محدوديت اجرائي‌شان مي‌باشند. از آنجايي كه در راكتهاي شيميايي مقدار انرژي محدود مي‌شود به رفتار شيميايي پيشران كه در مورد آنها منبع توليد انرژي نيز مي‌باشد اين نوع از راكتها تحت عنوان «انرژي محدود» انرژي پيشران بسيار بالاتري ممكن مي‌شود.
به علاوه اگر محدوديت‌هاي دمايي جداره‌هاي جامد را بتوان بي‌اهميت كرد. اين امر بهبود بيشتري را در اين راستا بوجود خواهد آورد. اين كار را مي‌توان با هدايت الكتروستاتيكي
يا الكترومغناطيسي ماده پيشران انجام داد بدون اين كه لزوماً دماي مايع افزوده شود.
هيچ محدوديتي بر روي انرژي جنبشي كه ما مي‌توانيم به ماده پيشران بدهيم در اين روش نخواهد بود. به هرحال نرخ تبديل از انرژي هسته‌اي يا خورشيدي به انرژي جنبشي ماده پيشران با جرم تجهيزات مبدل محدود مي‌شود. نظر به اين كه اين جرم در حقيقت بخش بزرگي از جرم كل وسيله نقليه را داراست، راكت‌هاي الكتريكي اصولاً توان محدود خوانده مي‌شوند.
راكت‌هاي الكتروستاتيكي / مغناطيسي انرژي الكتريكي را مستقيماً به انرژي جنبشي ماده پيشران تبديل مي‌كنند بدون اين كه لازم باشد دماي سيال عامل بالا برده شود. به اين علت ضربه ويژه با محدوديت‌هاي دمايي مربوط به مصالح جاداره‌ها محدود نمي‌شود و امكان دسترسي به سرعت

خروجي بسيار بالايي اگر چه به قيمت مصرف برق زياد وجود دارد. به دليل سنگين بودن تجهيزات تبديل انرژي، راكت‌هاي الكتريكي داراي تراست پايين هستند به اين علت كه اين نوع راكتها بيشتر در آن دسته از مأموريت‌هايي كاربرد دارند كه در آنها نيروي گرانيتي تا حد امكان با نيروهاي اينرسي خنثي شده باشد. ماده پيشران در راكت‌هاي الكتريكي شامل دو مورد زير مي‌باشد:
ـ ذرات مجزاي باردار شده كه توسط نيورهاي الكتروستانيكي شتاب‌دهي مي‌شوند.
ـ جريان شار هدايت شده الكتريكي (پلاسما) كه در يك ميدان الكترومغناطيسي شتاب‌دهي مي‌شود.