تاریخچه:
همان گونه که در قرون گذشته پرواز و سفر در زیر آب از رویا های انسان بوده
یکی دیگر از موضوعاتی که ذهن انسان را به خود مشغول کرده بود
سفر به فضا بود و در نهایت این تفکر منجر به ساخت موشک های بالستیک شد
۱۸۵۷ تا ۱۹۳۵
آقای کنستانتین اودور دوش تزیلکوسکی
که در سال های ۱۸۵۷ تا ۱۹۳۵ در روسیه زندگی میرد مطالعات فراوانی در زمینه پرواز به فضا انجام داد
و او را اولین و یکی از برترین تئوریسین های فضایی میشناسند او کار عملی انجام نداد
و تمام تحقیقاتش تئوری بود وی در این زمینه به نتایج بسیار ارزشمندی و محاسباتی در این زمینه انجام داد
که سالها بعد شوروی با استفاده از همان اطلاعات اولین موشک های بالستیک و راکت های فضایی خود را توسعه داد
دهه ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰
و در دهه ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ میلادی در ایالات متحده مهندس رابرت گودارد در زمینه راکتی فعالیت های با ارزشی انجام داد
فعالیت های گودارد برخلاف فعالیت های تزیلکوسکی بیشتر عملی بود
و چند راکت سوخت مایع و جامد و چند آزمایش موفق هم داشت ولی دولت ایالات متحده از وی پشتیبانی نکرد
و گاهی هم رسانه ها در آن زمان به مسخره کردن رابرت گودارد پرداختند
دهه ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰
و در دهه ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰ یک مهندس هوافضای آلمانی بنام ورنر فون براون کار طراحی موشک بالستیک را تمام کرد
وی که آرزوی سفربه فضاوساختن فضاپیما در ذهن خودداشت راکت A4 را طراحی کرد
که بعد ها وی۲ نام گرفت این موشک بالستیک که از نوع سوخت مایع تک مرحله ای بود
و دارای برد ۳۲۰ کیلومتر و ده کیلومتر خطا بود این موشک توسط آلمان نازی چندین بار بسمت لندن شلیک شد
در نهایت با شکست رایش فاشیستی روس ها و آمریکایی ها مدارک و دانشمندان موشکی آلمان را غنیمت گرفتند
۱۹۴۹
که دراین بین فون براون به آمریکاپناهنده شد و درسال ۱۹۴۹ یک راکت وی۲غنیمت گرفته شده در نیومکزیکو آمریکا به فضا پرتاب شد
و اولین عکس را از فضا گرفت و ورنر فون براون در آمریکا کار موشک را ادامه داد و پدر موشکی آمریکا شد
وی موشک ساترن ۵ را طراحی کرد و با آن فضاپیمای آپولو ۱۱ با دو سرنشین را به کره ماه رساند.
درست است که موشک های بالستیک برای سفر و رساندن محموله به فضا در وحله اول در نظر گرفته شده بودند
ولی از همان اول کار نقش نظامی پیدا کردند و در نهایت در طول جنگ سرد موشک های قاره پیما با چند کلاهک اتمی هم ساخته شدند
که وحشت یک جنگ اتمی تمام عیار را بر روی سر ملت ها سایه انداخت.
مسائل فنی و طراحی :
موشک های بالستیک از لحاظ برد به چند دسته تقسیم میشوند
به موشک بالستیک تا برد ۵۰۰ کبلومتر تاکتیکی و از ۵۰۰ تا ۱۵۰۰ کیلومتر کوتاه برد و از ۱۵۰۰ تا ۳۵۰۰ کیلومتر میانبرد
و از ۳۵۰۰ تا ۵۵۰۰ کیلومتر بلندبرد و از ۵۵۰۰ کیلومتر به بالا قاره پیما میگویند .
و از لحظ سوخت هم کلا موشک های بالستیک به دو نوع تقسیم میشوند
نوع اول موشک های سوخت مایع و نوع دوم موشک های سوخت جامد هستند
اولین موشک بالستیک در جهان از نوع سوخت مایع بود که منظور همان راکت V2 است
موشک های سوخت مایع همانطور که از نامش پیداست سوخت آنها بصورت مایع و قابل پمپاژ شدن است
و موشک های سوخت مایع دارای دو مخزن یکی برای اکسیدکننده که کار اکسیژن را برای احتراق در خارج از جو انجام میدهد
و از اکسید کننده ها میتوان به اسید نیتریک ، اکسیژن مایع اشاره کرد و در مخزن دیگر خود سوخت موشک قرار میگیرد
که به عنوان مثال میتواند الکل اتانول ، دی متیل هیدرازین یا هیدروژن مایع و نفت سفید باشد .
در کل راکت های سوخت مایع تشکیل شده از بخش های زیر هستند :
مخزن سوخت و مخزن اکسید کننده و توربوپمپ و اتاقک احتراق و خروجی و نازل :
حال برای درک کامل سبک کارکرد موشک های سوخت مایع به بررسی نحوه کارکرد راکت V2 میپردازیم
در راکت V2 از اکسیژن مایع به عنوان اکسید کننده و از الکل اتانول له عنوان سوخت استفاده میشود
که در دو مخزن جداگانه نگهداری میشود حال سیستمی بنام توبوپمپ وجود دارد
که کارش انتقال سوخت و اکسید کننده به اتاقک احتراق است در راکت V2 توربوپمپ بدین شکل کار میکند
که در مخزنی سدیم پر منگنات و آب اکسیژنه نگهداری میشود که این دو با یکدیگر واکنش نشان داده
و گاز های حاصل از واکنش از توربینی عبور میکند که توربین را با دور ۴۰۰۰۰ دور در دقیقه مبچرخاند
و این باعث انتقال سوخت و اکسید کننده از مخزن به اتاقک احتراق میشود
که سوخت و اکسید کننده با سرعت ۱۲۵ لیتر بر ثانیه توسط انژکتور ها بعد از گزراندن از فیلتر به اتاقک احتراق میرسد
و سوخت و اکسید کننده بصورت بسیار ریز شده همانند پودر در اتاقک احتراق میریزد
و با یکدیگر مخلوط میشود و شمع ها با جریان الکتریکی در یافتی از ژنراتور و باطری جرقه میزنند
و احراق انجام میشود و سپس گاز های داغ حاصله از نازل که از نوع همگرا واگرا است خارج میشوند
و خروجی موتور راکت های سوخت مایع در فاز آخر بشکل یک قیف است که برای تک محور کردن گاز های خروجی بکار میرود
و زمانی که دبی سوخت ورودی و گاز خروجی برابر شود احتراق به تعادل میرسد
و در نتیجه در آخر کار گاز های داغ از خروجی موتور خارج شده
و با توجه به قانون سوم نیوتن که هر عملی عکس العملی دارد رانش در جهت بالا ایجاد میشود
یا به عبارتی با تبدیل نیروی ترمودینامیکی گاز به جنبشی نیروی تراست بوجود می آید
یا به شکل دیگر هم میتوان گفت که با انبساط گاز های خروجی در حین خارج شدن رانش فراهم میشود .
فرمول بدست آوردن رانش بصورت زیر می باشد :
F=W÷g (V2-V1)+A (P2-P1)
Fنیروی رانش
W وزن سیال هوا
gشتاب ثقل زمین
V2 سرعت خروجی
V1 سرعت ورودی
P1 فشار ورودی
P2 فشار خروجی
A مساحت سطح ورودی
و همچنین فرمول های زیر هم برای خاصیت ترمودینامیکی گاز های خروجی صدق میکند
◇U=U2-U1
دلتا U برابر است با انرژی پتانسیل ثانویه منهای اولیه
Q=W +U
گرما برابر است با مجموع کار و انرژی پتانسیل
واکنش شیمیایی احتراق و گاز خروجی:
CO+1/2O2=CO2
و همچنین فرمول زیر برای گرما
Q=MC◇T
مزایا و معایب سوخت مایع
راکت های سوخت مایع دارای مزایا و معایب خودشان هستند
از مزایای آن میتوان به قدرت بیشتری که نسبت به سوخت جامد فراهم میکند اشاره کرد
ولی از معایب آن میتوان به هزینه بر و سخت بودن طراحی راکت سوخت مایع و معمولا اکسید کننده سمی اسیدی یا ناپایدار است
بنابریان سوختگیری بسیار مشکل است و در راکت های سوخت مایع اولیه گاهی چند ساعت طول میکشید
و چون اکسید کننده اسیدی است و باعث خورده شدن مخزن میشود بنابراین موشک بعد از فرآیند سوختگیری باید شلیک شود.
سوخت جامد
نوع دیگر موشک های بالستیک سوخت جامد است همانطور که از اسم پیداست
در این نوع راکت ها سوخت بصورت جامد و غیر قابل پمپاژ میباشد سوخت های جامد به دو نوع همگن و ناهمگن تقسیم میشوند
نوع همگن به نوعی از سوخت های جامد میگویند که در آن سوخت و اکسید کننده از یک نوع ملکول بهره میبرند
مثل نیتروسلولوز و نیتروگلیسیرین و نوع دیگر ناهمگن است که سوخت و اکسید کننده از یک نوع ملکول بهره نمیبرند سوخت فشرده شده است
که به آن گرین میگیند و اکسید کننده همانند پودر در سوخت پخش شده اکسید کننده ها معمولا مواد های با علامت های اختصار شیمیایی زیر هستند :
AN,AP,NP,KP,KN,RDX,HMX
شناخته میشوند وبرای تنظیم ضربه ویژه و چگالی در گرین ذرات فلز همانند آلومینیوم مخلوط میکنند.
و در راکت های سوخت جامد مخزن سوخت همان اتاقک احتراق است گرین در اتاقک احتراق قرار میگیرد
و با شمع ها از همانجا میسوزد و هرچه سطح سوختن سوخت بیشتر باشد رانش بیشتر و هرچه سطح سوختن کمتر رانش فراهم شده کمتر میباشد
و احتراق صورت میگیرد و گاز حاصله از خروجی خارج میشود و باعث رانش میشود .
راکت های سوخت جامد دارای مزایا و معایب خویش هستند
از مزایای آن میتوان به راحتی طراحی آن کم هزینه بودن و همچنین میتوان راکت های سوخت جامد را برای مدتها شاید
تا بیست سال انبار کرد ولی از معایب آن میتوان به اینکه رانش کمتری نسبت به سوخت مایع فراهم میکند
و زمانی که احتراق شروع شد نمی توان از آن جلوگیری کرد و باید تا انتها بسوزد و نمی توان جلوی آن را گرفت .
حال به بحث اینکه چرا بعضی از موشک ها چند مرحله ای هستند میرسیم مثلا موشکی مثل مینوتمن سوخت جامد سه مرحله ای است .
از زمانی که راکت شلیک میشود و سوختش در حال مصرف شدن و کمتر شدن است
پس خود به خود نسبت با سبکتر شدن راکت رانش آن بیشتر شده و بردش بیشتر میشود
حال با ساختن راکت در دو استیج با جدا کردن استیج اول وزن راکت بازم کاهش میابد
و سرعتش بیشتر افزایش میابدبردش بیشتر می شود .
هدایت و کنترل:
بعضی موشک ها دارای بالچه هایی برای پایداری در جهت های رول پیتچ و یاو میباشند
و دارای بالچه های متحرک کوچکتر هم میباشند کلا سیستم کنترل موشک های بالستیک بصورت اینرسی است
یعنی با ژیروسکوب هدایت میشوند ژیروسکوب یک قطعه ای است که همانند چرخ است
و حول محور دواری میچرخد وبیشتر وزنش بر روی رینگ آن است و این قطعه نشان میدهد
که موشک چقدر از مسیر خود منحرف شده و سپس پتانسیومتر که با ولتاژ حاصل شده توسط ژنراتور کار میکند
سرووموتور هارا به راه انداخته و موشک را هدایت و به سر جای خود بازمیگرداند
امروزه از فناوری GPS هم در هدایت موشک ها استفاده میشود در طراحی موشک باید در نظر داشته باشیم
که هرچه بدنه موشک کوچکتر باشد بهتر است چون سبکتر بوده
و مساحتی که ایجاد اصطحکاک میکند وباید خنک شود کمتر است بدنه موشک باید از موادی ساخته شود
که هم سبک باشد و هم مقاوم و معمولا بدنه موشک از جنس فایبرگلاس و تیتانیوم است .
طراحی دماغه موشک به دو نوع است یا نوک تیز که برای موشک های بالستیک فراصوتی بکار میرود
یا کمانی که برای موشک های هایپرسونیک (سرعت بالای ۵ ماخ ) بکار میرود دلیلش هم امواج صوتی هستند
امواج صوتی در سرعت های بالای صوت ایجاد درگ میکنند در سرعت های فراصوت امواج صوتی قائم نسبت به کمانی درگ کمتری تولید میکنند
بنابراین دماغه موشک های فراصوتی را بصورت نوک تیز طراحی میکنیم که امواج صوتی بصورت قائم باشند
و برای موشک های هایپر سونیک چون امواج صوتی به بدنه نزدیکتر شده بنابریان در اینجا دیگر موج های شو ک صوتی قائم مناسب نیست
بنابراین دماغه را بصورت کمان طراحی کرده تا موج های صوتی حاصل هم بصورت کمان باشد .
گاهی اوقات در دماغه موشک ها چیزی مشابه آنتن وصل میشود دلیلش این است
که سطح تخت این آنتن ایجاد درگ کرده و باعث میشود
که حجم هوای بین سطح تخت و دماغه کمتر شده بنابراین اصطحکاک هوا کم شده و درگ کاهش میابد .
