سوخت های مایع و جامد موشک ها

زمینه اولیه موشک ها در سال ۱۲۶۴ بنا شد و سوخت های مایع و جامد موشک ها به وجود آمد باروت چیزی که امروزه به آن پودر سیاه میگویند 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 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 از این پود به عنوان سوخت موشک استفاده می شد.

سوخت های مایع و جامد موشک ها

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 به وجود آمده. 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. این مخلوط از 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 تشکیل شده است.

باید توجه داشته باشید که سعی نکنید هیچوقت هیچ کدام از این سوخت

های موشک ها را بسازید حتی با رعایت قوانین و مقررات ضروری در آزمایشگاه چون آنها بسیار انفجاری و حادثه ساز هستند حتی با کوچک ترین حرکت و جنبشی میتوانند موجب آسیب دیدگی یا مرگ بشوند به همین دلیل ساخت آن ها در بسیاری از کشورهای دنیا غیر قانونی است. تا اوایل قرن بیستم موتور موشک ها هیچوقت بیشتر از چند درصد موثر نبودند چوندر یک موشک ساده برای راه اندازی موشک از اختلاف فشار درون جایگاه سوختن و هوای خارج استفاده می شود  و 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 ایده ای را از نیروی توربین بخار آب برای موتور راکت بکار برد این فناوری دچار تحولاتی شد. این دانش بخشی از دانش فیزیک است که فراتر از فیزیک دانشگاهی است اما با ایجاد تنگنایی در خروجی گاز که معمولا به آن گلوگاه میگویند باعث می شود 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 بعد از خارج شدن آن از موشک منبسط می شود و موشک را با شتاب به جلو می راند.

نکاتی در رابطه با ساخت سوخت های مایع وجامد موشک ها

• 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 است که می سوزد و در سرعت فراصوت به حدود ۵ کیلومتر بر ساعت می رسد ممکن است به نظر عجیب برسد اما فشار دهانه ی خروجی، کمتر از فشار جو است حال سوال پیش می آید که کدام پیشران موٍثرتر است؟ باید بگوییم 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

به عبارت ساده تر 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.

معمولا 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 یا همان 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 در نتیجه ی دمای بالای سوختن، افزایش می یابد، تکانه ی ویژه 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 و فقط 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 سوخت های مایع و جامد موشک ها 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 و 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.

با کلیک برروی قسمت لینک شده می توانید محصولات شرکت مریک شیمی را ببینید که سابقه فعالیت گسترده در زمینه مواد شیمیایی و تجهیزات آزمایشگاهی را دارد.