سوخت موشک نوعی پیشرانش است که برای تولید رانش برای موشک ها و سایر وسایل نقلیه فضایی استفاده می شود. انواع مختلفی از سوخت موشک وجود دارد، اما همه آنها بر اساس یک اصل اساسی کار می کنند: سوزاندن سوخت و اکسید کننده برای تولید گازهای داغ که از نازل خارج می شوند و رانش ایجاد می کنند.
سوخت موشکها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: سوخت جامد و سوخت مایع. هر کدام از این انواع سوخت‌ها ویژگی‌های منحصر به فردی دارند که آنها را برای کاربردهای خاصی مناسب می‌سازد.
فهرست مطالب مقاله
سوخت موشک به منزله نیروی محرکه ای است که باعث حرکت و بلند شدن موشک از زمین می گردد.در گذشته و در ساخت اولین موشک های جهان به عنوان سوخت از باروت استفاده می کردند. باروت بعد از انفجار پیدا کردن در محفظه احتراق تولید انرژی میکند و این انرژی تولید شده خود عاملی برای حرکت موشک به سمت جلو خواهد بود.یکی از عوامل اصلی در سرعت موشک استفاده از نازل صحیح در آن است.
با پیشرفته شدن علم و فناوری در زمینه های متعدد و گوناگون مانند ساخت موشک ها، می توانیم عنوان کنیم که رفته رفته علم در زمینه ساخت موشک ها به جایگاه بهتری از روز های قبل خود خواهد رسید. یکی از مواردی که در این زمینه و در زمینه طراحی به صرفه این محصولات کارایی خواهد داشت، ارائه بهترین سوخت موشک بالستیک(سوخت جامد) خواهد بود.
در این مقاله به بررسی انواع سوخت‌های موشکی و تفاوت‌های میان آنها می‌پردازیم، که شامل سوخت جامد، مایع و هیبریدی و پیشرانش است. همچنین، تأثیر آنها بر عملکرد و کارایی موشکها را نیز مورد توجه قرار می‌دهیم.
سوخت موشک چند نوع دارد؟
انتخاب نوع سوخت برای موشک بستگی به کاربرد، مأموریت، هزینه، قابلیت اطمینان و سایر فاکتورهای مهم دارد. هر نوع سوخت مزایا و معایب خاص خود را دارد که باید با دقت بررسی شود.
موشک با سوخت جامد ( Solid-propellant rocket) موشکی است که نیروی محرکه آن از خروج گازهای داغ ناشی از سوختن یک ماده جامد تأمین میشود. ساختمان موشک‌های با سوخت جامد ساده و نگهداری آنها آسان بوده و از این رو کاربردهای گسترده‌ای در عرصه‌های نظامی و غیرنظامی دارند.
اولین موشک‌های ساخته شده در جهان که با سوخت جامد و از نوع باروت بودند توسط چینی‌ها، هندی‌ها، مغول‌ها و ایرانی‌ها از سده ۱۳ میلادی در جنگ‌ها استفاده می‌شدند.
تمام موشک‌های مورد استفاده در جهان تا قرن ۲۰ میلادی نوعی موشک سوخت جامد یا پودری بودند تا اینکه موشک‌های سوخت مایع با توان کنترل بیشتر مصرف سوخت معرفی شدند. امروزه به دلیل سادگی نسبی و قابلیت اطمینان بالا، از موشک‌های سوخت جامد بیشتر در کاربردهای نظامی و در بوسترهای فضاپیماها استفاده میشود.
امکان کنترل جریان سوخت در موشک‌های با سوخت جامد وجود ندارد، بدین معنی که بر خلاف موشک سوخت مایع هنگامی که عمل احتراق در موشک شروع شود نمی‌توان آن را کند یا متوقف ساخت. بسیار خطرناک نیز می‌باشد و دارای حساسیت بالایی است.
ولی در حالت کلی سوخت موشکها را می توان به چهار دسته اصلی تقسیم بندی کرد.
1.سوخت جامد
سوخت جامد در موشکها از یک ترکیب مستحکم و فشرده از اکسیدکننده و سوخت استفاده میکند که درون یک محفظه احتراق قرار گرفته و به صورت یک بلوک واحد می‌سوزد.
سوخت جامد موشک از ترکیبات شیمیایی مختلفی تشکیل شده است که در حالت جامد قرار دارند . مواد سوخت معمولاً شامل پلی‌اکریلات‌ها، نایلون، گلیسرین و یا مواد مشابه هستند که انرژی را در هنگام احتراق تولید می‌کنند. مواد اکسید کننده معمولاً شامل نیترات‌های آمونیوم، کلرات‌ها، پرکلرات‌ها و یا هیپوکلرات‌ها می‌باشند که در فرایند احتراق به عنوان اکسید کننده عمل می‌کنند.
این مواد با هم ترکیب شده و به صورت بلوک‌ها یا قرص‌ها در مخازن مخصوص نگهداری می‌شوند تا در زمان استفاده، احتراق شوند و انرژی لازم برای پرواز موشک تولید کنند.
بیشتر موشک‌های نظامی را موشک‌های با سوخت جامد تشکیل می‌دهند.در عرصه غیرنظامی یکی از پرکاربردترین موارد مصرف این موشکها استفاده از آنها به عنوان راکت‌های کمکی برای حمل شاتل‌ها به فضا است. همچنین راکت‌ها و فشفشه‌هایی که در آتش‌بازی به کار می‌روند نیز از سوخت جامد بهره می‌گیرند. این نوع سوخت به خاطر ساختار و ویژگی‌های خاص خود، مزایا و معایب مشخصی دارد:
مزایای سوخت جامد
- سادگی ساخت و استفاده: سوخت‌های جامد نیاز به سیستم‌های پمپاژ پیچیده ندارند، که ساخت و نگهداری موشکها را ساده‌تر میکند.
- قابلیت اطمینان بالا: به دلیل نبود قطعات متحرک و پیچیدگی‌های کمتر سیستم، سوخت‌های جامد اغلب قابل اطمینان‌تر از سوخت‌های مایع هستند.
- ذخیره‌سازی طولانی‌مدت: سوخت جامد می‌تواند برای مدت‌ها بدون نیاز به تعمیر یا تعویض ذخیره شود، که برای موشک‌های نظامی بسیار مهم است.
معایب سوخت جامد
- کنترل رانش محدود: بار سوختی که روشن شده، قابل توقف یا تنظیم نیست و این محدودیت در کنترل رانش و دقت موشک اثر می‌گذارد.
- دامنه کاربرد محدود: به دلیل کنترل رانش محدود، این سوخت‌ها بیشتر برای ماموریت‌هایی با مسیر مشخص و برنامه‌ریزی شده قبلی استفاده می‌شوند، نظیر موشک‌های نظامی و برخی پرتاب‌های فضایی.
- درجه حرارت و فشار بالا: سوخت‌های جامد حرارت و فشار بالایی تولید می‌کنند که می‌تواند به ساختار موشک فشار آورده و نیازمند مواد با دوام بالا باشد.
2.سوخت مایع
کنستانتین تسیولکوفسکی روسی، پدر علوم راکتی، اولین کسی بود که اصول راکت‌های پیشران مایع را در کتاب خود تحت عنوان تحقیق و بررسی پیرامون فضای بین‌سیاره‌ای با استفاده از وسایل عکس‌العملی، در سال ۱۸۹۶، مطرح کرد.
سال‌ها بعد و بر پایه همین تئوری‌ها برای اولین بار رابرت گودارد آمریکایی در ۱۶ مارس ۱۹۲۶، یک راکت سوخت مایع را آزمایش کرد که توانست طی ۵/۲ ثانیه پرواز، حدود ۴۰ پا از زمین بلند شود. موشک وی۲ ارتش آلمان در جنگ جهانی دوم اولین نمونه عملیاتی و کاربردی یک راکت پیشران مایع به عنوان موتور یک موشک بود. سوخت این راکت ساده، الکل و ماده اکسیدکننده آن، اکسیژن مایع بود.
آغاز عصر فضا را می‌توان ثمره پیشرفت بشر در طراحی و ساخت راکت‌های سوخت مایع دانست. اولین پرتابگرهای قدرتمند تاریخ مانند ساترن-۵ آمریکایی و انرگیای روسی با سامانه راکتی پیشران مایع کار می‌کردند. در این سامانه‌ها معمولاً از کروسین یا هیدروژن به عنوان سوخت و از اکسیژن مایع به عنوان اکسیدکننده استفاده می‌شد.
سوخت مایع موشک از ترکیبات شیمیایی مختلفی تشکیل شده است که در حالت مایع قرار دارند و در فرایند احتراق موشک استفاده می‌شوند. این ترکیبات شامل مواد سوخت و مواد اکسید کننده می‌شوند.
مواد سوخت: مواد سوخت معمولاً شامل هیدروژن، هیدروکربن‌ها (مثل متان، متانول، و هیدروکسیل آمونیوم)، هیدروکسیل آمونیوم پرکسید، و گلیسرول می‌باشند. این مواد به عنوان منبع اصلی انرژی در هنگام احتراق عمل می‌کنند.
مواد اکسید کننده: مواد اکسید کننده عموماً شامل اکسیژن مایع، اکسیژن فلورید، ازکسید نیتروژن، و نیترات‌های مختلف (مانند نیترات آمونیوم، نیترات پتاسیم و نیترات نیکل) می‌باشند. این مواد به عنوان اکسید کننده در فرایند احتراق عمل می‌کنند و با مواد سوخت واکنش می‌دهند تا انرژی تولید شود.
به طور کلی و خلاصه سوخت مایع در موشکها از دو جزء اصلی تشکیل شده است: اکسیدکننده و سوخت، که در مخازن جداگانه نگهداری می‌شوند و در محفظه احتراق با یکدیگر ترکیب می‌شوند. این نوع سوخت به دلیل خصوصیات خاص خود دارای مزایا و معایبی است که در انتخاب نوع سوخت برای مأموریت‌های مختلف فضایی تأثیرگذار است.
مزایای سوخت مایع
- کنترل پذیری بالا: سوخت‌های مایع امکان تنظیم دقیق رانش را در طول پرواز فراهم می‌کنند، به این معنا که می‌توان در هر لحظه جریان سوخت به محفظه احتراق را تغییر داد یا متوقف کرد.
- بازده بالا: سوخت‌های مایع معمولاً بازده ترمودینامیکی بالاتری نسبت به سوخت‌های جامد دارند، که منجر به بهبود کارایی و قابلیت افزایش بیشتر سرعت موشک میشود.
- انعطاف‌پذیری در طراحی: امکان استفاده از ترکیبات مختلف سوخت و اکسیدکننده برای بهینه‌سازی عملکرد برای شرایط مختلف پرواز وجود دارد.
معایب سوخت مایع
- پیچیدگی سیستم: سوخت مایع نیاز به سیستم‌های پمپاژ و ترکیب دقیق دارد، که این موارد می‌توانند سیستم را پیچیده و در معرض خطر نشت یا خرابی قرار دهند.
- نیاز به تعمیر و نگهداری بالا: به دلیل وجود سیستم‌های پمپاژ و اتصالات بین مخازن سوخت و اکسیدکننده، نیاز به بررسی‌های مکرر و تعمیرات احتمالی افزایش می‌یابد.
- خطرات ایمنی: سوخت‌ها و اکسیدکننده‌های مایع می‌توانند بسیار فرار و قابل اشتعال باشند، که این خود خطر آتش‌سوزی و انفجار را در صورت نشت یا تصادف افزایش می‌دهد.
در نهایت، انتخاب بین سوخت مایع و سوخت جامد بسته به نیازها و شرایط مختلف مأموریت و همچنین ملاحظات اقتصادی و ایمنی انجام میشود.
3.سوخت هیبریدی
سوخت هیبریدی یک ترکیب از سوخت‌های مایع و جامد است که به صورت ترکیبی در موشکها استفاده میشود. این نوع سوخت با استفاده از مزایای هر دو نوع سوخت، سعی در رفع معایب آنها دارد. در زیر به بررسی مزایا و معایب سوخت هیبریدی می‌پردازیم:
مزایای سوخت هیبریدی
کنترل پذیری بالا: سوخت هیبریدی، مانند سوخت‌های مایع، امکان کنترل دقیق رانش را فراهم میکند و می‌تواند در طول پرواز به سرعت و جهت موشک تغییر دهد.
سادگی و ایمنی: مقایسه با سوخت‌های مایع، سوخت هیبریدی دارای خطرات کمتری است و از لحاظ ایمنی بیشتری برخوردار است. همچنین، نیاز به سیستم‌های پیچیده پمپاژ و تغذیه کمتری دارد که باعث سادگی عملیاتی میشود.
بازده بالا: سوخت هیبریدی می‌تواند بازدهی بالاتری نسبت به سوخت‌های جامد داشته باشد و در نتیجه کارایی بیشتری در تولید نیرو و رانش ایجاد کند.
معایب سوخت هیبریدی
هزینه بالا: توسعه و تولید سوخت‌های هیبریدی ممکن است هزینه بیشتری نسبت به سوخت‌های مایع یا جامد داشته باشد که می‌تواند از دسترسی گسترده‌تر به این تکنولوژی را برای برخی از کاربردها محدود کند.
پیچیدگی فنی: استفاده از ترکیبی از دو نوع سوخت ممکن است به پیچیدگی فنی بیشتری نسبت به استفاده از یک نوع سوخت منجر شود و نیاز به مطالعه و توسعه تکنولوژی‌های جدید برای بهره‌برداری بهینه از سوخت هیبریدی را ایجاد کند.
نگهداری و تعمیرات: سیستم‌های پمپاژ و تغذیه سوخت هیبریدی همچنان نیازمند نگهداری و تعمیرات دوره‌ای هستند که می‌تواند هزینه‌های اضافی را ایجاد کند.
با توجه به این ویژگی‌ها، سوخت هیبریدی می‌تواند برای برخی از کاربردهای مختلف، به عنوان یک گزینه متوازن و مناسب مورد استفاده قرار گیرد، به خصوص در مواردی که نیاز به کنترل دقیق رانش و ایمنی بالا وجود دارد.
4.سوخت پیشرانش
سوخت پیشرانش یا پیشرانه‌های الکتریکی، به ویژه برای موشکها و فضاپیماهای کوچکتر که نیاز به رانش مداوم و طولانی‌مدت دارند، استفاده میشود.
این نوع پیشرانه‌ها معمولا از گازهای نجیب مانند زنون یا کریپتون بهره می‌برند. در این سیستم‌ها، گاز مورد نظر تحت تاثیر میدان الکتریکی قرار گرفته و یونیزه میشود. سپس، این یون‌ها توسط یک میدان الکتریکی قوی شتاب داده شده و از نازل خارج می‌شوند تا رانش ایجاد کنند.
این فرآیند معمولا در دمای پایین‌تری نسبت به سوخت‌های موشکی سنتی اتفاق می‌افتد و گازهای داغ نمی‌سازد، بلکه به صورت یونیزه شده گازها را به سمت خارج هل می‌دهد.
مزایای پیشرانه‌های الکتریکی
کارایی بالای انرژی: پیشرانه‌های الکتریکی به میزان قابل توجهی کاراتر از پیشرانه‌های سنتی با سوخت شیمیایی هستند، زیرا آنها می‌توانند سرعت خروجی بیشتری برای گازهای پیشرانه فراهم کنند، که باعث میشود با مقدار کمتری سوخت بیشترین بهره‌وری را داشته باشند.
مصرف سوخت کمتر: به دلیل کارآمدی بالا، این سیستم‌ها نیاز به مقدار کمتری سوخت دارند، که منجر به سبک‌تر شدن کلی فضاپیما و کاهش هزینه‌های پرتاب میشود.
مناسب برای ماموریت‌های طولانی مدت: این پیشرانه‌ها برای ماموریت‌های بین‌سیاره‌ای یا عملیات‌های طولانی مدت در فضا ایده‌آل هستند، زیرا می‌توانند برای مدت‌ها فعال بمانند بدون اینکه نیاز به سوخت زیادی داشته باشند.
معایب پیشرانه‌های الکتریکی
- محدودیت در رانش: پیشرانه‌های الکتریکی، در مقایسه با پیشرانه‌های شیمیایی، رانش کمتری تولید می‌کنند. این محدودیت رانش ممکن است توانایی فضاپیماها را در اجرای مأموریت‌های خاص محدود کند، به ویژه در مواردی که نیاز به سرعت بالا و یا تغییرات سریع در مسیر وجود دارد.
- نیاز به منابع قدرت بالا: پیشرانه‌های الکتریکی به منابع تغذیه قدرتمند الکتریکی نیاز دارند. این منابع ممکن است حجم بزرگی از فضاپیما را اشغال کنند و وزن و هزینه‌های فضایی را افزایش دهند.
- هزینه‌های توسعه و نگهداری بالا: ساخت و توسعه پیشرانه‌های الکتریکی معمولاً هزینه بر است. علاوه بر این، نیاز به نگهداری دقیق و مداوم برای این پیشرانه‌ها می‌تواند هزینه‌های عملیاتی را افزایش دهد.
- وابستگی به منابع انرژی: پیشرانه‌های الکتریکی به منابع انرژی خارجی، مانند پنل‌های خورشیدی یا سلول‌های نوآوری انرژی، وابسته هستند. این وابستگی ممکن است در مواقعی که دسترسی به این منابع محدود است، به یک معضل تبدیل شود.
- محدودیت در زمان پرواز: برخی از پیشرانه‌های الکتریکی ممکن است برای مدت‌های طولانی از زمان پرواز، به خصوص در شرایط سخت محیط فضایی، قادر به کارکرد نباشند. این محدودیت می‌تواند محدودیت‌هایی بر روی ماموریت‌های فضایی اعمال کند.
با توجه به مزایا و معایب آنها، پیشرانه‌های الکتریکی بیشتر در ماموریت‌هایی که نیاز به حرکت پیوسته در فضا دارند استفاده می‌شوند، و برای آغاز یک ماموریت و خروج از جاذبه زمین، همچنان به سوخت‌های سنتی نیاز است.
علاوه بر این دسته بندی های اصلی، انواع دیگری از سوخت موشک نیز وجود دارد که در حال توسعه یا آزمایش هستند.
انتخاب نوع سوخت موشک برای یک موشک خاص به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله اندازه موشک، برد آن و عملکرد مورد نظر.
تفاوت سوخت جامد موشک با سوخت مایع موشک چیست؟
همانطور که عنوان نمودیم در تقسیم بندی کلی دو نوع سوخت برای شتاب دادن به موشک و متحرک نمودن آن موجود است، سوخت های مایع و جامد.
از تفاوت های این دو نوع سوخت می توانیم موارد زیر را عنوان نماییم:
- سوخت های جامد در لحظه انرژی بیشتری تولید می کند به همین دلیل برای شروع حرکت موشک از سوخت جامد استفاده می کند.
- سوخت های مایع باعث افزایش وزن موشک(به علت حمل اکسیژن برای سوختن در بیرون جو که اکسیژن وجود ندارد) خواهند شد در حالی که سوخت های جامد اینگونه نیستند.
- نیرویی که برای حرکت از یک گرم سوخت مایع ایجاد میشود بیشتر از یک گرم سوخت های جامد است.
- سوخت‌های مایع قابلیت کنترل شدن را دارا هستند در حالیکه سوخت جامد پس از فعال شدن دیگر کنترلی برای سوختن آن وجود ندارد و برای کنترل thrust موشک باید نازل را کنترل کنیم که این هزینه بالایی نسبت به سوخت مایع دارد.
- در سوخت‌های جامد و سوخت‌های جامد مرکب، سوخت و اکسیدان با هم مخلوط شده و سوخت متبلور میشود. سپس فرآیند احتراق ادامه می یابد و امروزه یکی از رایج ترین سوخت ها هستند.
- یکی از مهمترین مزایای استفاده از سوخت های جامد نسبت به سوخت های مایع، دوام این سوخت ها است. سوخت‌های مایع ماندگاری بسیار کوتاهی دارند و پس از مدتی باید تعویض شوند، اما سوخت‌های جامد چند سال ماندگاری دارند، بنابراین نگهداری از این موشکها راحت‌تر است.
