موشکهای فضایی و اصول اولیه طراحی موشک ها

[spow 44,195]

موشکهای فضایی مانند موشکهای آتش بازی عمل می‌کنند. سوخت با ماده‌ای به نام اکسنده که حاوی گاز تسریع کننده احتراق یعنی اکسیژن است، ترکیب می‌شود. آنگاه این ترکیب که یک پیشران محسوب می‌شود، می‌سوزد و گازهای داغی را تولید می‌کند، این گازها منبسط شده ، از طریق یک دماغه خارج و باعث می‌شوند موشک به طرف بالا حرکت کند. این واکنش برای اولین بار در قرن هفدهم توسط دانشمند انگلیسی ، اسحاق نیوتن ، در قانون سوم حرکتش بیان شد. او اظهار داشت که برای هر عملی (خروج گازها در اینجا) عکس العملی است مساوی و مخالف جهت آن (در اینجا ، حرکت موشک).

نیرویی که یک موشک را به طرف جلو حرکت می‌دهد، نیروی پیشران نامیده می‌شود. قدرت نیروی پیشران به سرعت خارج شدن گاز خروجی بستگی دارد. نیروی پیشران به موشک شتاب داده ، باعث افزایش سرعت آن می‌شود. مقدار شتاب نیز بستگی به جرم موشک دارد. هر چه موشک سنگینتر باشد، برای رسیدن به فضا ، به نیروی پیشران بیشتری نیاز است. تا وقتی که موتورهای موشک ، روشن و در حال تولید نیروی پیشران هستند، شتاب فضا پیما نیز هر لحظه زیادتر می‌شود.

 

موتور موشک یا از پیشران مایع استفاده می‌کند یا جامد ، اما بعضی اوقات ، یک موشک کامل ممکن است. در مراحل مختلف از هر دو نوع پیشران استفاده کند. کارشناسان موشکهایی را پیشنهاد کرده‌اند که از انرژی اتمی به عنوان سوخت استفاده می‌کنند، چرا که آنها از نظر مصرف انرژی بسیار مقرون به صرفه‌اند. اما ترس از خطر استفاده از سوخت اتمی مانع استفاده از این موشکها شده است.

 

 

 

 

 

موشکهایی با سوخت پیشران جامد

 

سوختهای پیشران از یک نوع سوخت و یک اکسنده تشکیل شده‌اند. برای روشن شدن موشک ، کافی است یک جرقه کوچک سوخت پیشران آنرا آتش بزند. سوخت آتش گرفته تا آخرین قطره می‌سوزد. گازهای حاصل از سوخت پیشران را از طریق دماغه انتهایی موشک خارج می‌شوند. اولین موشکها را احتمالا در قرن یازدهم میلادی در کشور چین ساخته‌اند. آنها موشکهایی بودند که از سوخت پیشران جامد استفاده می‌کردند. سوخت موشک یک نوع باروت بود که از مخلوطی از نیترات پتاسیم ، زغال چوب و سولفور تشکیل شده بود.

 

موشکهایی که از سوخت پیشران جامد استفاده می کنند، اغلب به عنوان موشکهای تقویت کننده‌ای استفاده می‌شوند که نیروی اولیه موشکهای بزرگتر را تأمین می‌کنند. موشکهای بزرگتر خود از سوخت پیشران مایع استفاده می‌کنند. بزرگترین موشکهای مصرف کننده سوخت جامد با 45 متر ارتفاع جزء موشکهای تقویت کننده شاتل فضایی ایالات متحده محسوب می‌شوند. آنها حاوی 586500 کیلوگرم (2/1 میلیون پوند) سوخت پیشران هستند که بطور متوسط 13 میلیون تن (5/3 میلیون پوند نیرو) نیروی پیشران را تولید می‌کنند.

 

این موشکها را طوری طراحی کرده‌اند که بعد از اتمام سوخت و افتادن در دریا ، از دریا بیرون کشیده شده ، دوباره برای مأموریتهای بعدی سوختگیری می‌شوند. ساخت موشکهایی که از سوخت جامد استفاده می‌کنند چندان دشوار نیست. آنها مقدار زیادی نیروی پیشران را در یک مدت زمان کم تولید می‌کنند. تنها ایراد این نوع موشکها این است که بعد از روشن شدن به راحتی خاموش نمی شوند. به عبارت دیگر ، نمی‌توان آن را به آسانی تحت کنترل درآورد.

نیروی پیش برنده

 

شاتل فضایی ایالات متحده از موشکهای تقویت کننده عظیم الجثه‌ای برخوردار است که از سوخت پیشران جامد استفاده می کنند. این پیشران از پر کلرات آمونیم به عنوان اکسنده و پودر آلومینیوم به عنوان سوخت تشکیل شده است.

موشکهای با سوخت مایع

 

 

موشکهایی که از آنها در پروازهای فضایی استفاده می‌شود، از سوخت پیشران مایع بهره می برند. سوخت و اکسنده که در مخزنهای جداگانه‌ای نگهداری می‌شوند، هر دو مایع هستند. پمپهای قدرتمندی آنها را به محفظه احتراق می‌برند؛ در آنجا آنها باهم ترکیب شده ، شروع به تولید گازهای خروجی می‌کنند. گازهای مذکور نیز به نوبه خود از دماغه انتهایی موشک خارج می‌شوند. بعضی از موشکها از یک ماده قابل اشتعال سریع برای شروع احتراق استفاده می‌کنند. سوخت پیشران سایر موشکها هگام ترکیب سوخت و اکسنده شروع به احتراق می‌کند.

فرآیند احتراق پیشران مایع

 

اکسنده و سوخت باهم ترکیب می‌شوند و در محفظه احتراق شروع به سوختن می‌کنند. سپس گازهای خروجی حاصل از فرآیند احتراق از دماغه خارج و به عنوان نیروی پیشران ، موشک را به طرف جلو حرکت می‌دهند.

 

 

 

 

 

 

 

مراحل مختلف یک موشک

 

برای سفر به فضا ، یک موشک چند مرحله‌ای مورد نیاز است. هر کدام از این مراحل یک موشک جداگانه محسوب می‌شود که هم دارای منبع سوخت است و هم موتور. بسته به وزن محموله ماهواه ، از موشکهای تقویت کننده‌ای در کنار مراحل مختلف موشک برای افزایش نیروی موتورها استفاده می‌شود. مرحله اول ، کل موشک را از زمین بلند می‌کند و به محض اتمام سوخت از بقیه موشک جدا شده، به زمین سقوط می‌کند. آنگاه موتور مرحله دوم روشن می‌شود. بخاطر وزن سبکتر موشک در این مرحله ، شتاب موشک نیز بیشتر می‌شود؛ این سیر صعودی شتاب با جدا شدن هر مرحله از موشک ادامه می‌یابد. مرحله پایانی موشک قسمت حامل ماهواره را به فضا و به طرف مقصدش حمل می کند.

دید کلی

 

امروزه تعداد متنوعی از موشکها موجود است و اغلب آنها اختلاف عمده‌ای باهم دارند. با این وصف ، موشکها در قسمتهای اصلی تشکیل دهنده شبیه به هم هستند. هر موشک از چهار قسمت اصلی به نام سازه (AIRFAME) ، سیستم هدایت موشک (GUIDANCE SYSTEM) ، کلاهک یا سرجنگی (WarHead) ، بخش پیشران Prou plision unit) یا موتور که نیروی لازم را برای هدایت موشک به جلو و سمت هدف تامین می‌نماید، تشکیل شده است.

اجزای اصلی موشک

بدنه موشک

 

قطعات بدنه موشک شامل اسکلت که الحاق کننده یا محافظ و نگهدارنده سایر قسمتهای موشک می‌باشد و در واقع اتصال قسمتهای مختلف موشک و استواری آن در حین پرواز در هوا به این قسمت متکی است. شاسی ، خود از بخشهای دیگر به نام بدنه اصلی موشک (Missils Main Body) با بالها و بالچه‌ها تشکیل شده است. سیستم هدایت ، موشک را به سوی هدف یا محوطه آن سوق می‌دهد.

 

وقتی موشک به شعاع مشخصی از هدف رسید، سرجنگی که قسمت از موشک و حاوی مقدار مشخصی از مواد منفجره می‌باشد ، منفجر و باعث انهدام و صدمه زدن به هدف می‌شود. بدنه اصلی موشک معمولا به شکل لوله از جنس محکم و از فلز سبک مانند آلومینیوم با دیگر فلز است که در مقابل درجه حرارت زیاد و فشارهای بالا (که در حین پرواز در هوا به موشک وارد می‌شود.) مقاوم باشد، ساخته می‌شود.

بالهای موشک (Wings)

 

بالها در اطراف و بیرون بدنه اصلی قرار گرفته‌اند و نیروی اصلی جهت پرواز در هواست تامین می‌نماید. لبه جلویی بالها به لبه مقاوم ، لبه عقبی آن به لبه فرار (Trailing EDGE) و بالای آن تیپ (TIP) گفته می‌شود.

بالکهای موشک (FINS)

 

بالکها کوچکتر از بالها بوده و بطور معمول در قسمت عقب موشک قرار می‌گیرند، ولی در بعضی از موشکها در قسمت جلو بدنه طراحی شده است. هدف از به کارگیری بالک ، متعادل نگهداشتن موشک و تامین پدیداری آن (انطباق محور موشک با زاویه حرکت) ، در مسیر پرواز می‌باشد به همین علت به بالکها ، تثبیت کننده نیز اطلاق می‌شود.

سیستم هدایت و کنترل موشک (Guidance and control system)

 

سیستم هدایت یکی از بخشهای عمده موشک است و کار هدایت موشک از محل روانه‌ سازی و پرتاب تا بخشی از مسیر و یا هدف را به عهده دارد. بعضی از موشکها از هدایتهای مختلفی ، در قسمتهای مسیر استفاده می‌کنند. سیستمهای هدایت جهت انجام وظایف مربوط ، دارای قسمتهای زیر می‌باشد

هدایت حساسه

 

این قسمت به انواع مختلف انرژی نظیر حرارت ، روشنایی ، امواج الکترومغناطیسی ، صدا و یا حرکت مکانیکی را تشخیص می‌دهند. این وسایل (حساسه‌ها) انرژی دریافتی را تجزیه و تحلیل کرده و به شکلی بکارگیری در می‌آورند و آنها را به قسمتهای مربوطه نظیر شتاب ‌سنجها به کامپیوتر ارجاع می‌دهند.

کامپیوتر

 

اطلاعات را از حساسه‌ها دریافت و آنها را پردازش می‌نمایند. خروجی به نحوی است که قابل دریافت و واکنش مناسب بوسیله قسمتهای کنترل باشد. این قسمت در واقع مغز موشک تلقی می‌شود. زیرا اطلاعات لازم برای قسمتهای داخلی و سطوح کنترل از این بخش صادر می‌شود.

کلاهک یا سرجنگی

 

سرجنگی که به آن کلاهک جنگی گفته می‌شود، از مهمترین بخشهای موشک بوده و هدف از طراحی موشک یا راکت ، (به عنوان تسلیحات نظامی) در واقع رساندن این قسمت به هدف و یا نزدیک آن است که با انجام عمل هدف آسیب یا منهدم می‌شود. اغلب محل قرار گرفتن این بخش جلو مورد نظر است. در صورتی که وقتی بحث کلاهک جنگی در اینگونه سلاحها باشد، محلی غیر از دماغه موشک مورد نظر است.

 

این بخش در موشک‌ها اکتشافی یا عملی شامل تجهیزاتی است که برای مثال به منظور جمع‌آوری اطلاعات جوی ، عکسبرداری جمع‌آوری اطلاعات علمی و سرانجام عملیاتی نظیر قرار دادن ماهواره در مدار زمین می‌باشد که به علت اهمیت این بخش شاخه علمی به نام «بالستیک انتهایی» بوجود آمده و موضع آن طراحی سرجنگی‌های مختلفی با توجه به اهداف متفاوت است.

انواع سرجنگی متعارف

 

* سرجنگی انفجاری

* سرجنگی متلاشی یا ترکشی

* سرجنگی با خرج شکل‌دار

 

پیشران (موتور)

 

موتور یکی از بخشهای عمده موشک است که نسبت به سایر قسمت‌ها هزینه و دقت زیادی صرف تکمیل آن شده است. کار این قسمت ایجاد نیروی محرکه لازم (برای اینکه موشک مسافت مشخصی را طی نماید) می‌باشد. انواع موتور موشکها با توجه به سوخت و مکانیزم طراحی و ساختشان به قسمتهای مختلف تقسیم می‌شود.

 

تعداد زیادی از موتورهای موشک برای تولید نیرو اکسیژن مصرف می‌کنند این اکسیژن ممکن است مستقیما از اتمسفر که پرواز می‌کنند دریافت کنند و یا از اکسیژن تحت فشار که با خود حمل می‌کنند و یا از اکسیژن مواد سوختی (سوخت جامد) دریافت می‌کنند. این عامل سبب می‌شود که موشکها در خارج از جو نیز حرکت کنند.