مقدمه

پس از گذشت تقریبا نیم سده از پرتاب نخستین موشک به فضا ، فناوری های به کار رفته در ساخت موتورهای موشک ، دست خوش دگرگونیهایی گشته است. موتورهای سوخت مایع و سوخت جامد از این جمله هستند. در حال حاضر جدیدترین فناوری بکار رفته در ساخت موتور موشک ، موتور یونی است که از حالت چهارم ماده ، یعنی پلاسما بهره می‌برد. جالب است بدانید که ایده‌ پیشرانش الکتریکی از همان ابتدا توسط وارنرفن براون در دهه 1930 شکل گرفت؛ ولی او کارش را با سامانه‌های پیشران شیمیایی آغاز کرد.

موشکهای مرسوم همان موشکهایی هستند که وقتی به صحنه پرتاب شاتل فضایی یا مأموریت آپولو فکر می‌کنید در ذهنتان نقش می‌بندد. دود شعله بسیار بسیار عظیمی از گازها بر می‌خیزد. موشکهای مرسوم مقادیر بسیار عظیمی نیروی پرتاب تولید می‌کنند تا اجسام را در فضا قرار دهند و مانند هواپیمای جت ، آتش بازی و یا بادکنک رها شده ، از پدیده‌ای موسوم به پیشرانش استفاده می‌کنند. در اصل موشک به دلیل خروج مواد با فشار زیاد همچون گازهای داغ از عقب آن ، به سمت جلو حرکت می‌کند. گازها از سوختن در مجاورت اکسیژن یا ماده دیگری به نام اکسید کننده شکل می‌گیرند. یون ، یک اتم یا مولکول باردار است. علت باردار بودن ، آن است که تعداد الکترونها در اتم یا مولکول با تعداد پروتونها برابر نیست.

پیشران چیست؟

اساس کار موشکها قانون سوم نیوتن است: هر کنشی ، واکنشی برابر و در جهت مخالف دارد. برای اینکه موشکها به سمت جلو خیز بردارند، باید چیزی به سمت عقب خیز بردارد. آن چیز، پیشران است. پیشران ماده است که از عقب راکت فضاپیما با فشار خارج می‌شود و باعث رانش به سمت جلو یا نیروی پرتاب می‌شود. غالبا ، پیشران نوعی سوخت است که با یک اکسید کننده می‌سوزد تا حجم زیادی از گازهای بسیار داغ تولید کند. این گازها منبسط می‌شوند؛ تا جایی که با شدت از عقب موشک خارج شوند و نیروی پرتاب یا پیشرانش تولید کنند. گاهی اوقات پیشران نمی‌سوزد، و بطور مستقیم از فضاپیما خارج می‌شود و تولید نیروی پرتاب یا پیشرانش می‌کند. در رانش یونی ، پیشران از اتمهای باردار الکتریکی ساخته شده است که بر اساس خاصیت مغناطیسی از عقب فضاپیما خارج می‌شوند. برای پیشرانه‌های کوچکتر ، یک گاز متراکم از عقب فضاپیما خارج می‌شود.

یونها چگونه شتاب می‌گیرند؟

یونها رفتار مغناطیسی دارند. مانند یک آهنربا جذب چیزهایی با بار مخالف می‌شوند و از چیزهایی که بار موافق دارند دفع می‌شوند. سامانه الکتریکی پیشرانش یونی در دی اس 1 از این اصل جهت شتاب دادن به یونها بهره می‌برد. یک یون مثبت به سمت یک شی با بار منفی شتاب می‌گیرد و از شی با بار مثبت دور می‌شود. مقدار نیروی جاذبه و دافعه بستگی به اختلاف بار اشیای جذب شونده و دفع شونده دارد. هر چه این اختلاف -که اختلاف پتانسیل خوانده می‌شود- بیشتر باشد، یونها سریعتر حرکت می‌کنند و هر چه شی بار بیشتری داشته باشد، یون سعی می‌کند سریعتر به سمت آن حرکت کند.

پیشرانش الکتریکی خورشیدی یا پسرانش یونی چگونه کار می‌کند؟

پیشرانش الکتریکی خورشیدی از خاصیت الکتریسیته و مغناطیس جهت راندن یک سفینه در فضا بهره می‌برد. الکتریسیته از صفحه‌های خورشیدی سفینه حاصل می‌شود و به اتمهای داخل محفظه ، بار الکتریکی مثبت می‌دهد. این اتمهای باردار توئسط میدان مغناطیسی به سمت عقب سفینه رانده و سپس توسط دافعه مغناطیسی به خارج از سفینه پرتاب می‌شوند. این مانند اتفاقی است که وقتی شما دو قطب هم نام دو آهنربا را نزدیک یکدیگر می‌کنید رخ می‌دهد؛ آنها همدیگر را دفع می‌کنند. این رگبار منظم خارج شونده از سفینه ، نیروی پرتاب لازم برای حرکت به جلوی سفینه را در فضا ایجاد می‌کند.

چرا از پیشرانش الکتریکی خورشیدی استفاده می‌شود؟

هر وسیله برای حرکت باید سوخت حمل کند، موتورهای یونی روشی ارائه می‌کنند که در آن سفینه‌های فضایی برای حرکت در فضا ، برخلاف موشکهای مرسوم نیازی به حمل مقادیر زیاد سوخت ندارند. این روش مزایای زیادی دارد. یکی این که هر چه سفینه سوخت کمتری حمل کند، سبکتر خواهد بود و راحت‌تر به فضا می‌رود. مزیت دیگر این است که چون سفینه به سوخت کمتری نیاز دارد، خیلی زود سوختش تمام نمی‌شود تا از کار بیفتد. بیشتر انرژی داخل موشک یونی توسط الکتریسیته تأمین می‌شود که می‌تواند توسط صفحه‌های خورشیدی در حین پرواز تولید شود.

خلا برای موتورهای یونی

موتورهای پیشران یونی به این دلیل کار می‌کنند که در محفظه احتراق موتور می‌توان پلاسما بوجود آورد. یعنی الکتریسیته باید در داخل محفظه جریان داشته باشد. همانطور که می‌دانید هوا عایق است؛ یعنی از جریان الکتریسیته جلوگیری می‌کند. پیشرانش یونی زمانی رخ می‌دهد که هیچ فشار هوایی در محفظه وجود نداشته باشد و با اینکه فشار هوا خیلی ناچیز باشد. فشار هوا مهم است؛ زیرا یک گاز تنها در فشارهای پایین یونیزه یا باردار می‌شود. این به آن دلیل است که هر چه هوا یا گاز بیشتری در درون محفظه باشد، الکترونهایی که باید اتمها را یونیزه کنند به جای برخورد با اتمها ، به مولکولهای هوا برخورد می‌کنند. خلا یک فضای کاملا تهی است. اگر هوایی وجود نداشته باشد، هیچ فشار هوایی نیز وجود ندارد تا الکترونها را متوقف سازد. پیشرانش یونی زمانی رخ می‌دهد که هیچ فشار هوایی در محفظه وجود نداشته باشد و یا این که فشار هوا خیلی ناچیز باشد. فشار هوا مهم است؛ زیرا یک گاز تنها در فشارهای پایین یونیزه یا باردار می‌شود. هر وسیله برای حرکت سوخت حمل کند، موتورهای یونی روشی ارائه می‌کنند که در آن سفینه‌های فضایی برای حرکت در فضا ، برخلاف موشکهای مرسوم ، نیازی به حمل مقادیر زیاد سوخت ندارند.

موتورهای یونی ، هسته‌ای نیستند.

موتور یونی بر اساس اصل باردار شدن ذرات کار می‌کند و هسته‌ای نیستند. موتورهای یونی با کنده شده الکترون از اتم کار می‌کنند، بنابراین اتمها تبدیل به ذرات باردار (یون) می‌شوند، ولی ساختار هسته آنها تغییری نمی‌کند. سپس یونها را با ایجاد یک میدان الکتریکی شتاب می‌دهند تا با سرعت زیاد از عقب موتور موشک خارج شوند. موتورهای یونی نسبت به موتورهای الکتریسیته ساکن ، بسیار ساده‌تر هستند. درست همانطور که ذرات غبار تمایل دارند که به سطوح باردار جذب شوند، در موشکهای یونی ، یونها به سمت یک میله باردار که در عقب موتور قرار دارد جذب می‌شوند و سپس به سمت بیرون به فضا شلیک می‌شوند. موتورهای یونی مقداری گاز را آن قدر گرم می‌کنند تا کاملا داغ شود و الکترونها بتوانند از اتم جدا شوند. این ماده بسیار داغ دیگر گاز نیست؛ بلکه همانطور که پیش از این گفته شد، به آن پلاسما گفته می‌شود.

در گازها کلیه اتمها ذرات جدایی هستند که به صورت نامنظم به هر سو پرواز می‌کنند و با یکدیگر برخورد می‌کنند؛ ولی در پلاسما اتمها از تعدادی و یا همگی الکترونهای خود کنده شده‌اند و توده‌ای از یونهای مثبت هستند که در محیطی مشترک با الکترونها شناور هستند. در این محیط الکترونی ، اتمهای با بار مثبت به سمت میله‌های باردار عقب ، با شتاب به فضا پرتاب می‌شوند. موتورهای یونی به مقدارهای بسیار کم گاز ، شتابی اعمال می‌کند که با سرعت بسیار بالایی خارج شوند. برعکس ، موتورهای شیمیایی مقدارهای فراوان گاز را با سرعت کمتری به بیرون می‌رانند. در پیشرانش یونی ، مقدار ماده‌ای که از عقب موتور خارج می‌شود بسیار کوچک و ناچیز است، ولی با سرعت بسیار بالایی خارج می‌شوند. اما در پیشرانش مرسوم ، مقادیر بسیار زیادی ماده با سرعت کمتری خارج می‌شوند.

موتورهای یونی و خاصیت رادیواکتیویته

خاصیت رادیواکتیوی به معنی این است که یک اتم پایدار نباشد و به مرور زمان ذرات زیر اتمی خود یا همان اجزای کوچک خود را از دست بدهد. واپاشی رادیواکتیو زمانی اتفاق می‌افتد که ذرات زیر اتمی در اتم ، برای تغییر ماهیت کامل اتم به اندازه کافی واپاشیده شوند که به اصطلاح به آن "ایزوتوپ دختر" گفته می‌شود.
رانش یونی بر اساس باردار شدن الکتریکی اتمها کار می‌کند؛ نه تجزیه آنها. زمانی که اتمی باردار شود، به عنوان مثال الکترون بدست بیاورد یا از دست دهد، رفتارش عوض می‌شود؛ اما ماهیت خود اتم عوض نمی‌شود. این اتم پایدار است، فقط با اتمها یا یونهای دیگر واکنش کمتر یا بیشتری نشان می‌دهد. بنابراین، موتورهای یونی رادیواکتیو هم نیستند.

تفاوت موتور یونی با موتورهای مرسوم

هر دو نوع موتور ، سفینه را توسط تولید نیروی پرتاب به جلو می‌رانند. این نیروی پرتاب توسط ماده‌ای پیشران که از عقب سفینه خارج می‌شود بوجود می‌آید. موتورهای یونی با موتورهای شیمیایی (موتورهایی که با سوخت مایع یا جامد کار می‌کنند)، در چگونکی تولید نیروی پرتاب و بدست آوردن انرژی متفاوتند. موتورهای شیمیایی توسط مخلوط سوخت با یک ماده اکسید کننده کار می‌کنند. این کار باعث می‌شود که گاز منبسط شود و با فشار از عقب موتور خارج شود و نیروی پرتاب تولید کند. موتورهای شیمیایی موتورهایی با جرم محدود هستند. به این معنی که مقدار توان و نیرویی که یک موتور شیمیایی تولید می‌کند، بستگی به این دارد که موشک چه مقدار سوخت و مواد اکسید کننده بتواند حمل کند. وقتی ماده پیشران تمام شود، موشک نمی‌تواند سریعتر حرکت کند.

با وجود این ، موتورهای یونی متفاوت از موتورهای شیمیایی کار می‌کنند. موتورهای یونی به مقدار بسیار کوچک گاز شتابی اعمال می‌کند که با سرعت بسیار بالایی خارج شوند. برعکس ، موتورهای شیمیایی مقدارهای فراوان گاز را با سرعت کمتری به بیرون می رانند. این به آن معنی است که موتورهای یونی سوخت بسیار کمتری استفاده می کنند. موتورهای یونی ، موتورهایی با انرژی محدود هستند؛ نه با جرم محدود. بنابراین تمام شدن گاز مسأله‌ای زیاد مهمی برای آنها به حساب نمی‌آید. محدودیتی که برای موتورهای یونی وجود دارد این است که بطور معمول ، تمام برق صرف تغذیه موتور یونی می‌شود. موتورهای یونی محدود به این هستند که یک موشک چه مقدار انرژی یا برق می‌تواند حمل کند، یا اینکه صفحه‌های خورشیدی آن چه مقدار انرژی می‌توانند جمع آوری کنند.

ضربه ویژه

ضربه ویژه به معنی تغییرات اندازه حرکت بر واحد جرم برای سوخت موشک است. به عبارت دیگر زمانی که سوخت استفاده شود، میزان فشار جلو برنده چقدر است. سرعت یک موشک در مقایسه با وزنش به نیروی پرتاب بستگی دارد که تقریبا مقدار ماده پیشرانی است که از عقب موشک با سرعت خارج می‌شود. هر چه سرعت خروج پیشران از عقب موشک بیشتر باشد، موشک با سرعت بیشتری حرکت می‌کند یا بار بیشتری را می‌تواند حمل کند.
ضربه ویژه پیشران موشک ، میزان تقریبی سرعت پیشرانی است که از عقب موشک به بیرون می‌جهد. موشکی با ضربه ویژه زیاد ، نسبت به موشکی با ضربه ویژه کم ، به سوخت کمتری احتیاج دارد. هر چه ضربه ویژه زیادتر باشد به ازای مقدار سوختی که به بیرون می‌جهد، فشار بیشتری تولید می‌شود. یا به بیانی دیگر ، ضربه ویژه مشخص می‌کند که چه مقدار سوخت باید مصرف شود تا فشار مناسبی بدست آید.

وقتی یونها فضاپیما را ترک می‌کنند، چه اتفاقی برایشان می‌افتد؟

شلیک یونهای مثبت به بیرون از عقب فضاپیما ، آن را به جلو حرکت می‌دهد. در همین زمان پرتوی از الکترون با بار منفی از یک خنثی کننده کاتدی به بیرون شلیک می‌شود. چون بارهای مثبت و موتورهای گاز سرد از نظر قابلیت کنترل شبیه به سوخت مایع ، اما سبکتر و ساده‌تر هستند. این موتورها در اصل مخزنهای فشار بالایی هستند که بین حالت باز و بسته تغییر وضعیت می‌دهند. عملکرد آنها کمی شبیه اسپری رنگ است، زمانی که دریچه آن باز است، مواد تحت فشار داخل آن به بیرون می‌جهند. موتورهای یونی با موتورهای سوخت جامد و سوخت مایع تفاوت دارند. آنها موتورهایی با نیروی پرتاب پایین محسوب می‌شوند که می‌توانند برای مدتهای بسیار طولانی کار کنند. عمر موشکهای شیمیایی بطور معمول از چند ثانیه تا چند روز است، در حالی که طول عمر موتورهای یونی در هر کجا می‌تواند از چند روز تا چند ماه متغیر باشد.

نوع کاربرد مزایا معایب پیشرانه سوخت جامد بوستر اصلی ساده ، قابل اطمینان ، اجزای متحرک کم ، نیروی پرتاب بالا فاقد قابلیت روشن شدن دوباره پیشرانه سوخت مایع بوستر اصلی ، کنترل محدود قابلیت روشن شدن دوباره ، قابل کنترل ، نیروی پرتاب بالا پیچیده پیشرانه گاز سرد کنترل محدود قابلیت روشن شدن دوباره ، قابل کنترل نیروی پرتاب کم پیشرانه یونی بوستر در فضا قابلیت روشن شدن دوباره ، قابل کنترل ، ضربه ویژه بالا پیچیده

مباحث مرتبط با عنوان

• اتم
• الکتریسته
• تاریخچه موشک
• پلاسما
• شاتل فضایی
• سفینه فضایی
• فضاپیما
• موتور موشک
• موشک
• موشک با سوخت مایع
• مغناطیس
• مولکول
• میدان الکتریکی
• میدان مغناطیسی
• یون