دانلود تحقیق راکت فضایی

راکت فضایی
یکی از دیرینه‌ترین آرزوهای بشر در طول زمان سفر به فضا بوده است.

البته سالها این موضوع آرزویی دست نیافتنی و افسانه‌ای فرض می‌شده است تا اینکه بالأخره این انسان معجزه‌گر به نیروی عقل و خرد و خلاقیت خویش توانست به کره‌ی ماه گام نهد و این آرزوی دیرین خود را به عمل تبدیل کند.قدرتی که اینبار به یاری بشر آمد تا با آن فضا را فتح کند،قدرتی به نام راکت بود.

یک راکت، وسیله، موشک و یا هواپیمایی است که با بیرون دادن گاز از ته خود به جلو حرکت می کند.

راکت ها بیشتر برای مقاصد نظامی، حمل ماهواره ها به مدارها، سفرهای فضایی و برای پژوهش دیگر سیارات استفاده می شوند.

راکت ها پیشینه ای طولانی دارند و در برخی از کتاب ها، حتی تاریخ هزار ساله برای آنها ثبت شده است.

راکت ها وسایلی بودند که انسان را در قرن 21 برای اولین بار به کره ماه رساندند و هم اکنون هم توریسم فضایی تنها با کمک این وسایل انجام می شود.

تاریخچه

کلمه راکت از کلمه Rocchetta ایتالیایی گرفته شده که نام یک ترقه بسیار ابتدایی است که توسط موراتوری در سال 1379 ساخته شد.نخستین فناوری های ساخت راکت توسط چنگیزخان مغول هنگامی که روسیه و قسمت هایی از شرق و مرکز اروپا را فتح کرد ابداع شد.

البته خود چنگیزخان هم هنگامی که شمال چین را فتح کرد از طریق چینی ها به این فناوری رسید و به سرعت متخصصین راکت سازی چینی را به استخدام خود درآورد و برای اولین بار در سال 1241 میلادی در جنگ سجو از تسلیحات راکت 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 راکت ساختند و علیه شاه لوئیس نهم فرانسوی در سال1268 میلادی استفاده کردند.

اما دو دانشمند یکی از بلوک شرق و دیگری از بلوک غرب بودند که با ساختن راکت هایی عصر فضا را رقم زدند.

کورولوف از شوروی و فون براون دانشمند نازی بعد از جنگ به استخدام آمریکا درآمدند.

از تلاش های موازی آنها بود که الان سفرهای فضایی میسر شده.

آن دو همیشه آرزو داشتند که با هم همکار 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.

اولین بار موتور راکت توسط آلمانی‌ها برای پرتاب بمبها به سوی دشمن در جنگ جهانی دوم بکار گرفته شد.

این موتورها با سوخت جامد کار می‌کردند که امروزه نیز با گذشت چندین دهه باز هم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

به هرحال ساختن یک موتور، بدون هیچ عضو دواری که در وسایل نقلیه موجود مورد استفاده‌اند، به گونه‌ای که قادر باشد با سرعتی بسیار بالا از کمند جاذبه زمین گریخته و به دیگر نقاط فضا برود آنچنان ساده و معمولی نیست و دارای پیچیدگی‌های خاص خود می‌باشد که بحث درباره‌ی هر جزء آن و نوشتن از هر کدام، مطالعات زیادی را می‌طلبد.

ولی در این مقاله ما بیشتر به کلیات و معرفی نحوه عملکرد موتور راکت به صورت تئوری می‌پردازیم که امید است مورد استفاده قرار گیرد.

فنون پرتاب راکت جهت بررسی و آشنایی کامل با آن سالیان زیادی مطالعه و پرداختن به مباحث زیادی را می‌طلبد که ما در این مقاله سعی به پرداختن به همه‌ی جزئیات آن را نداریم.

این مقاله در برگیرنده توابع اولیه و اصلی مطالعه‌ی تئوری راکت با آدرس‌دهی قوانین فیزیکی حاکم بر حرکت و پیش‌رانش، پارامترهای مهم اجرا و عملکرد در راکت، تکنیک‌های مختلف پیش‌رانش در راکت، و انواع سوخت و پیش‌رانهای مورد استفاده در راکت می‌باشد.

مختصری درباره‌ی پیش‌رانش(جرم عکس العملی)
راکت‌ها نیز همانند سایر انواع پیش‌رانهای دیگر هستند که مطابق قانون سوم نیوتن با تبادل ممنتم توسط تعدادی جرم عکس‌العملی و با مصرف انرژی تولید نیروی پرتاب و حرکت به جلو می‌کنند.

ولی راکت‌ها از آن نظر که جرم عکس‌العملی مورد نیاز خود را با خود حمل می‌کنند با سایر انواع وسایل نقلیه متفاوتند.

بنابراین بی‌نیاز به محیط اطراف بوده و مستقل از آن عمل می‌کنند.

(Self contained)
سایر انواع وسایل نقلیه جهت تأمین جرم عکس‌العملی به محیط اطراف خود نیازمندند.

اتومبیل‌ها از زمین استفاده می‌کنند و هواپیماها و قایق‌ها از آب و قایق‌های بادبانی از باد.

راکتهایی که اغلب با آنها آشنایی داریم، راکتهای شیمیایی هستند که جرم عکس‌العملی آنها مخلوط سوخت و اکسیژن می‌باشد.

در راکتهای شیمیایی، جرم عکس‌العملی همان منبع انرژی نیز هست.

راکتهای شیمیایی معمل، آن دسته از موتورهای احتراق داخلی هستند که مخلوط سوخت و اکسیژن را در یک محفظه احتراق سوزانده و گاز تولیدی با گرما و فشار زیاد را به سوی یک نازل شتاب می‌دهند.

ولی در راکتهای الکتریکی و هسته‌ای که در ادامه درباره آن صحبت خواهد شد، پیش‌ران (جرم عکس‌العملی) اساساً جرمی راکد و فاقد نیروی جنبش می‌باشد که توسط موتور به آن حرارت و شتاب داده می‌شود و سوخت و پیشران جدای از هم عمل می‌کنند.

همانند سایر وسایل نقلیه، راکتها شامل یک سری اجزاء اساسی مشابهی مانند یک ساختمان که در آن یک سری تیرهای حمال (framework) تعبیه شده است و سایر اجزاء را در خود جای داده و محافظت می‌کند، سیستم رانش که نیروی لازم را جهت حرکت وسیله نقلیه فراهم می‌کند، منبع انرژی تهیه توان لازم برای نیرو بخشیدن به سیستم نقلیه، سیستم راهبری جهت کنترل جهت، و در نهایت و مهمتر از همه «در حقیقت دلیل اصلی داشتن سیستم حمل و نقل» بار مفید؛ می‌باشند.

(نمونه‌هایی از بار مفید از قرار زیر می‌باشد:
مسافران، اسباب و ادوات یا منابع علمی و وسایل مورد نیاز در سفر؛ وقتی که یک راکت به عنوان جنگ‌افزار جهت تخریب هدف مورد استفاده قرار می‌گیرد و ما آن را موشک می‌نامیم بار مفید آن کلاهک می‌باشد.)
فیزیک راکت
همان طور که می‌دانید آقای اسحاق نیوتن، قوانین اصلی حرکت را ثبت کرده است که این قوانین وسیله‌ای است که ما آنالیز قوانین حرکت راکتها را با آن انجام می‌دهیم.

این قوانین برای آنالیز اولیه حرکت همه وسایل نقلیه با محرک راکت اعمال می‌شوند.

بر جت‌های گازی که برای کنترل وضعیت بکار می‌روند، راکتهای کوچک که برای مراحل مختلف جدایی موشک بکار می‌روند، برای تصحیحات حفظ مسیر گلوله‌ها و برای راکتهای بزرگ که جهت حمل ماهواره به مدار زمین استفاده می‌شوند و ...

قانون اول نیوتن: (اینرسی)
هر شیئی تمایل به ادامه حرکت یکنواخت خود در خط راست دارد.

مگر اینکه توسط اعمال یک نیرو مجبور به تغییر وضعیت شود.

قانون دوم نیوتن: (ممنتم)
وقتی که یک نیرو به جسمی وارد می‌شود، تغییرات زمانی ممنتم، هم جهت با نیروی اعمال شده می‌باشد.

قانون سوم نیوتن: (عمل و عکس‌العمل)
برای هر عملی عکس‌العملی برابر او نظر بزرگی و مخالف از جهت می‌باشد.

با تحلیل کردن این سه قانون در تئوری راکتها می‌توان نحوه رانش آن را تفسیر و ساده سازی کرد:
برای مثال قانون اول میگوید که موتورهای باید نیروی تراست «پرتاب» کافی برای غلبه بر نیروی جاذبه زمین و راکت پرتاب شده را ایجاد کنند.

موتورها باید قادر باشند که حرکت وسیله نقلیه را آغاز نموده و برای رسیدن به سرعت مطلوب، شتاب لازم را به آن بدهند.

به گفته دیگر پرتاب راکت موتورها باید پوندتراست (pounds of Thrust) بیشتری نسبت به وزن آن ایجاد کنند.

(درباره نیروی تراست در آینده صحبت خواهد شد.)
هنگام اعمال قانون دوم نیوتن باید مجموع کل نیروهای اعمال شده بر بدنه‌ی راکت را در نظر بگیریم.

که نیروی شتاب نهایی حاصل از نیروی اعمال شده خالص روی راکت می‌باشد.

این به آن معنی است که اگر ما یک راکت به وزن ۲۰۰۰۰۰۰lbf را به طور عمودی از زمین پرتاب کنیم و موتور آن دارای نیروی Thrust ۲۵۰۰۰۰lbf باشد، نیروی خالص پرتاب برابر با ۵۰۰۰۰lbf است که اختلاف بین نیروی Thrust موتور و وزن راکت می باشد.در اینجا نیروی گرانش برخلاف جهت نیروی تراست عمل می‌کند.

در هنگام بکار انداختن راکت تا رسیدن به مقصد، نیروهای اعمال شده بر راکت متغییر می‌باشد.

نیروی گرانش در حال کاهش می‌باشد چرا که جرم راکت به دلیل مصرف سوخت در حال کاهش می‌باشد و همچنین نیروی گرانش نیز با ارتفاع کاهش می‌یابد.

هنگامی که راکت از میان جو عبور می‌کند نیروی drug به دلیل کاهش سرعت افزایش یافته و با افزایش ارتفاع به دلیل کاهش دانیسته کاهش می‌یابد.( در مدتی که تراست باقی مانده ثابت باشد، پروفیل شتاب با تغییر نیروهای وارد بر راکت تغییر می‌کند.

در نمودار ترم (Max Q) به بالاترین فشار سازنده ناشی از drag حاصل از اتمسفر اشاره دارد.) تأثیر غالب در نهایت به این ترتیب می‌باشد که شتاب برحسب یک نرخ افزایش، افزایش می‌یابد، جرم راکت در حال افزایش می‌باشد.

پایین بودن شتاب و سرعت هنگام پرتاب ناشی از نیروی خالص پایین و جرم بالای راکت در این زمان می‌باشد.

هنگامی که سوخت توسط موتور سوزانده می‌شود، شتاب و سرعت هر دو افزایش پیدا می‌کنند.

(کاهش جرم راکت و افزایش نیروی خالص) در اولین مرحله پایانی خرج شتاب افت شدیدی پیدا می‌کند که در این نقطه شتاب تنها ناشی از محیط و گرانش و دراگ می‌باشد و بطور کلی برخلاف جهت حرکت هست.

در مرحله دوم احتراق و شتاب سرعت افزایش دوباره پیدا می کند .

از آنجا که افزایش در سرعت و شتاب بسیار بالایی اتفاق می افتد در مرحله فوق موتور یا موتور های راکت سوخت بیشتری می سوزانند.

هنگامی که راکت به سرعت مورد نظر (از نظر جهت و مقدار) می‌رسد و همچنین به ارتفاع مورد نظر در مأموریت، اعمال نیروی تراست به پایان می‌رسد.

در این حالت شتاب افت پیدا می‌کند و نیروی خالص وارد بر موشک ناشی از محیط و بیشتر وزن آن می‌باشد.

پس از پایان تراست و یا خرج موشک راکت شروع به پرواز آزاد می‌نماید.

برای یک راکت دارای سه تا چهار مرحله تغییرات مشابهی و شتاب و سرعت در هر مرحله ظاهر می‌شود.

در هنگام رخ دادن هر مرحله سرعت افزایش پیدا می‌کند تا این که به ماکزیمم مورد نیاز برای مأموریت فضایی برسد.

هنگامی که راکت در یک مدار قرار گرفت گفته می‌شود که در شرایط بی‌وزنی قرار دارد.

در حققت نیروی وزن برداشته نشده است و راکت بطور دائم در حال سقوط آزاد می‌باشد و همواره به طرف زمین شتاب‌دهی می‌شود ولی از آنجا که شتاب هنوز هم وابسته به مجموع نیروهای اعمال شده بر راکت (نیروی خالص) می‌باشد.

جهت حفظ موقعیت در یک مدار خاص باید با نیروی گرانش مقابله شود.

اما در حال سقوط آزاد ما نیازی به مقابله مداوم با نیروی گرانش نداریم و نیروی ممنتم راکت این وظیفه را برعهده دارد.

چرا که در آن وضعیت مطابق قانون اول نیوتن راکت مایل به حفظ حرکت خود می‌باشد و هیچ نیرویی جهت تغییر این وضعیت در آن نقطه موجود نیست و راکت به مسیر خود در یک مدار ادامه می‌دهد(هنگامی که مدار حرکت راکت سطح زمین را قطع نمی‌کند گفته می‌شود که نیروی گرانش با نیروهای داخلی متوازن شده است.) برای بیان قانون سوم نیوتن برای راکت باید اتفاقاتی که در موتور راکت می‌افتد را در نظر گرفت.

همه‌ی راکتها نیرویThrust را با پرتاب ذره‌هایی به بیرون تولید می‌کنند که این ذره‌ها با سرعت زیاد از نازل‌های آنها خارج می‌شوند.

اثر تخلیه گاز خروجی بصورت یک نیروی عکس العملی ظاهر می شود که Thrust نامیده می شود و در جهت خلاف جهت گازها از خروجی راکت عمل می‌کند.

راکت با این ذرات تبادل ممنتم کرده و تولید پیش‌رانش می‌کند.

این قانون سوم نیوتن است که اساس کار همه سیستم‌های رانش را شرح می‌دهد.بطور اساسی موتور راکت وسیله‌ای است جهت خروج ذرات کوچک ماده با سرعت بالا برای تولید نیروی تراست به وسیله‌ی مبادله ممنتم.

هنگامی که از مواد مایع و جامد شیمیایی به عنوان سوخت استفاده می‌شود، ذرات خروجی از مولکول‌های گاز تشکیل شده‌اند.

علوم پیشرفته جدید در حال بحث‌های تجربی و تئوری بر روی موتورهایی می‌باشند که از یون‌های (ذرات اتم شکسته شده)، ذرات هسته‌ای و حتی دسته کردن اشعه الکترونی (فتون‌ها) به عنوان پیشران یا جرم عکس‌العملی استفاده می‌کنند.

برای یک پیشران دو بخش لازم می‌باشد: ماده و انرژی.

ماده همان جرم عکس‌العملی می‌باشد که منبع تبادل ممنتم است وقتی که راکت این جرم را با مصرف انرژی و با