जब एक रॉकेट प्रक्षेपित होता है, तो आप मानवता द्वारा अब तक उत्पादित सबसे प्रभावशाली इंजीनियरिंग उपलब्धियों में से एक देख रहे होते हैं। और फिर भी अंतर्निहित भौतिकी — वो कारण जिसकी वजह से रॉकेट बिल्कुल पृथ्वी छोड़ सकते हैं — आश्चर्यजनक रूप से सरल है। ये तीन चीज़ों पर आधारित है: Newton के नियम, रसायन विज्ञान, और चीज़ों को बहुत तेज़ी से ओवरबोर्ड फेंकने का गणित।
ये गाइड समझाती है कि रॉकेट कैसे काम करते हैं, इंजन प्रज्वलित होने के क्षण से लेकर अंतरिक्ष यान कक्षा तक पहुँचने के क्षण तक, बिना भौतिकी या इंजीनियरिंग के किसी पूर्व ज्ञान के।
मूल विचार: क्रिया और प्रतिक्रिया
Sir Isaac Newton का गति का तीसरा नियम कहता है कि हर क्रिया के लिए बराबर और विपरीत प्रतिक्रिया होती है। ये एक रॉकेट इंजन का पूरा परिचालन सिद्धांत है।
जब आप ज़मीन पर धक्का देते हैं, ज़मीन वापस धक्का देती है और आप आगे बढ़ते हैं। एक रॉकेट इंजन उसी तरह काम करता है — सिवाय इसके कि रॉकेट ठोस ज़मीन के बजाय exhaust गैस के विरुद्ध धक्का देता है। इंजन प्रणोदक जलाता है, अत्यंत गर्म, उच्च-दबाव गैस बनाता है। वह गैस इंजन के पीछे से ज़बरदस्त गति से बाहर निकाली जाती है। उस निष्कासन की प्रतिक्रिया रॉकेट को आगे धकेलती है।
महत्वपूर्ण रूप से, एक रॉकेट को धक्का देने के लिए किसी चीज़ की आवश्यकता नहीं होती। ये एक रॉकेट और एक हवाई जहाज़ के इंजन के बीच मूलभूत अंतर है। हवाई जहाज़ के इंजन हवा को पीछे की ओर धकेलकर काम करते हैं — उन्हें काम करने के लिए वायुमंडल की आवश्यकता होती है। रॉकेट अपना सारा प्रणोदक (ईंधन और इसे जलाने के लिए आवश्यक oxidizer दोनों) ले जाते हैं। यही कारण है कि रॉकेट अंतरिक्ष के निर्वात में काम करते हैं, जहाँ बिल्कुल भी हवा नहीं है।
रॉकेट इंजन दक्षता का प्रमुख माप specific impulse (Isp) है — मूल रूप से प्रति सेकंड खपत प्रणोदक द्रव्यमान की प्रति इकाई आपको कितना थ्रस्ट मिलता है।
रॉकेट समीकरण: अंतरिक्ष क्यों कठिन है
यहाँ अंतरिक्ष उड़ान की मौलिक चुनौती है, Tsiolkovsky रॉकेट समीकरण द्वारा व्यक्त (1903 में प्रकाशित):
Delta-v = Isp × g₀ × ln(प्रारंभिक द्रव्यमान / अंतिम द्रव्यमान)
सरल भाषा में: एक रॉकेट जो वेग परिवर्तन हासिल कर सकता है वो इस बात पर निर्भर करता है कि इसका इंजन कितनी कुशलता से प्रणोदक जलाता है (Isp) और इसके प्रारंभिक द्रव्यमान (प्रणोदक से भरा) से अंतिम द्रव्यमान (प्रणोदक से ख़ाली) के अनुपात पर।
निम्न पृथ्वी कक्षा तक पहुँचने के लिए, एक रॉकेट को लगभग 7.8 किमी/सेकंड (लगभग 28,000 किमी/घंटा) का वेग प्राप्त करने की आवश्यकता होती है, साथ ही चढ़ाई के दौरान गुरुत्वाकर्षण नुक़सान और वायुगतिकीय खिंचाव को दूर करना — इसलिए व्यवहार में, आपको लगभग 9-10 किमी/सेकंड के delta-v की ज़रूरत होती है।
समस्या: रॉकेट प्रणोदक, अपनी सारी ऊर्जा के बावजूद, इस माप से बहुत कुशल नहीं हैं। तरल हाइड्रोजन और तरल ऑक्सीजन (सबसे कुशल रासायनिक प्रणोदकों में से एक) का उपयोग करने वाले रॉकेट का Isp लगभग 450 सेकंड होता है। एकल-चरण यान के साथ कक्षा के लिए आवश्यक वेग प्राप्त करने के लिए, यान के प्रारंभिक द्रव्यमान का 85% से अधिक प्रणोदक होना चाहिए।
यही कारण है कि रॉकेट इतने बड़े होते हैं और पेलोड अंश इतने छोटे होते हैं। एक Falcon 9 का प्रक्षेपण के समय वज़न 549,000 किलोग्राम होता है। निम्न पृथ्वी कक्षा में इसका पेलोड लगभग 22,800 किलोग्राम होता है — इसके प्रक्षेपण द्रव्यमान का लगभग 4%।
एक रॉकेट इंजन वास्तव में कैसे काम करता है
तरल-ईंधन वाले इंजन
अधिकांश उच्च-प्रदर्शन रॉकेट अलग-अलग टैंकों में संग्रहीत तरल प्रणोदक का उपयोग करते हैं — एक टैंक में ईंधन, दूसरे में oxidizer। सबसे आम संयोजन हैं:
- RP-1 (परिष्कृत केरोसिन) + तरल ऑक्सीजन (LOX): SpaceX Falcon 9 (Merlin इंजन), सोवियत/रूसी इंजन (RD-180), और कई अन्य द्वारा उपयोग किया जाता है। घना, संग्रहणीय, ऊर्जावान।
- तरल हाइड्रोजन (LH2) + तरल ऑक्सीजन: NASA के Space Launch System (RS-25 इंजन), यूरोपीय Ariane 5/6, और Space Shuttle Main Engines द्वारा उपयोग किया जाता है। किसी भी परिचालन प्रणोदक संयोजन का उच्चतम specific impulse (~450s)।
- तरल मीथेन + तरल ऑक्सीजन: SpaceX Raptor इंजन (Starship), Rocket Lab के Archimedes इंजन द्वारा उपयोग किया जाता है। RP-1 के घनत्व और LH2 के Isp के बीच अच्छा समझौता।
ISRO के क्रायोजेनिक इंजन: ISRO ने स्वदेशी क्रायोजेनिक इंजन (CE-7.5, CE-20) विकसित किए हैं जो LH2/LOX का उपयोग करते हैं और GSLV और LVM3 के ऊपरी चरणों को संचालित करते हैं।
एक तरल-ईंधन वाले इंजन में, प्रणोदकों को टैंकों से एक combustion chamber में turbopumps का उपयोग करके पंप किया जाता है — मूल रूप से turbine-संचालित pumps हज़ारों RPM पर चलते हैं। प्रणोदक combustion chamber में प्रज्वलित होते हैं, 3,000-3,500°C तापमान और 100-300 वायुमंडल दबाव पर combustion गैसें बनाते हैं।
ठोस-ईंधन वाले मोटर
ठोस रॉकेट मोटर (SRMs) ईंधन और oxidizer को एक ठोस प्रणोदक अनाज में मिलाते हैं जो सीधे मोटर casing में डाला जाता है। एक बार प्रज्वलित होने पर, वे प्रणोदक समाप्त होने तक लगातार जलते हैं — आप एक ठोस मोटर को throttle या बंद नहीं कर सकते।
ISRO का PSLV रॉकेट पहले चरण के रूप में एक विशाल ठोस मोटर (S139) का उपयोग करता है, जो स्ट्रैप-ऑन ठोस boosters द्वारा संवर्धित होता है।
ठोस सरल हैं (कोई pumps नहीं, कोई अलग टैंक नहीं), वर्षों तक तैयार संग्रहीत किए जा सकते हैं, और बहुत उच्च थ्रस्ट उत्पन्न करते हैं। उनके मुख्य नुक़सान कम दक्षता (Isp लगभग 260-270s) और नियंत्रणीयता की कमी हैं।
स्टेजिंग: रॉकेट समीकरण समस्या का चालाक समाधान
रॉकेट समीकरण की क्रूर द्रव्यमान आवश्यकताओं को देखते हुए, इंजीनियरों ने एक सुंदर समाधान विकसित किया: स्टेजिंग। एक खाली टैंक और इंजन को कक्षा तक ले जाने के बजाय, आप एक बार प्रणोदक जलने पर उन्हें छोड़ देते हैं।
एक दो-चरण रॉकेट इस तरह काम करता है:
- पहला चरण liftoff पर प्रज्वलित होता है, अधिकांश प्रणोदक जलाता है। जब पहले चरण का टैंक खाली हो जाता है, यह अलग हो जाता है और गिर जाता है।
- दूसरा चरण प्रज्वलित होता है। ये अब केवल ख़ुद को और अपने पेलोड को ले जा रहा है।
प्रसिद्ध "staging" घटना — फ़्लैश और अलगाव जो liftoff के 2-3 मिनट बाद होता है — यह पहले चरण का जेटिसन है। SpaceX Falcon 9 दो-चरण रॉकेट है। Saturn V तीन-चरण रॉकेट था। ISRO का PSLV एक चार-चरण रॉकेट है।
SpaceX का Falcon 9 और Starship के साथ नवाचार पहले चरण को पुनर्प्राप्त करना और पुन: उपयोग करना है — अलग होने के बाद इसे प्रणोदक रूप से उतारना। एक Falcon 9 पहला चरण 23 बार तक उड़ चुका है।
प्रक्षेपण पैड से कक्षा तक: चढ़ाई प्रोफ़ाइल
कक्षा तक एक रॉकेट की यात्रा सीधे ऊपर का रास्ता नहीं है। यह एक gravity turn का अनुसरण करता है:
- Liftoff और ऊर्ध्वाधर चढ़ाई: पहले कुछ सेकंड, रॉकेट प्रक्षेपण पैड को साफ़ करने के लिए सीधे ऊपर चढ़ता है।
- Pitch-over / gravity turn: रॉकेट क्षितिज की ओर झुकना शुरू करता है। ये उल्टा है — किनारे से क्यों उड़ें? क्योंकि कक्षा ऊँचाई के बारे में नहीं है; ये गति के बारे में है।
- Max-Q: अधिकतम वायुगतिकीय दबाव का क्षण, आम तौर पर liftoff के बाद 1-1.5 मिनट पर 12-15 किमी ऊँचाई पर।
- चरण अलगाव: पहला चरण अलग हो जाता है। दूसरा चरण प्रज्वलित होता है।
- MECO और SECO: एक बार जब अंतरिक्ष यान कक्षीय वेग और ऊँचाई तक पहुँच जाता है, इंजन बंद हो जाते हैं।
ये अंतिम बिंदु महत्वपूर्ण और अक्सर भ्रमित करने वाला है: कक्षा गुरुत्वाकर्षण की अनुपस्थिति नहीं है। 400 किमी ऊँचाई पर, पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण सतह पर लगभग 88% मज़बूत है। कक्षा में वस्तुएँ अनिवार्य रूप से पूर्ण गुरुत्वाकर्षण का अनुभव करती हैं — लेकिन वे इतनी तेज़ी से आगे गिर रही हैं कि पृथ्वी की सतह उनके नीचे उसी दर से वक्र होती है जिस दर से वे गिरते हैं। कक्षा ग्रह के चारों ओर गिरने की निरंतर अवस्था है।
क्या निर्धारित करता है कि आप कितना ऊँचा जाते हैं
एक बार कक्षा में, अंतरिक्ष यान का पथ इसके वेग द्वारा निर्धारित होता है:
- निम्न पृथ्वी कक्षा (LEO): 160-2,000 किमी ऊँचाई, ~7.8 किमी/सेकंड कक्षीय वेग। ISS 408 किमी पर 7.66 किमी/सेकंड पर परिक्रमा करता है।
- मध्य पृथ्वी कक्षा (MEO): 2,000-35,786 किमी। GPS उपग्रह ~20,200 किमी पर परिक्रमा करते हैं। NavIC उपग्रह यहाँ हैं।
- भू-स्थैतिक कक्षा (GEO): ठीक 35,786 किमी ऊँचाई, कक्षीय अवधि ठीक 24 घंटे। संचार उपग्रह यहाँ रहते हैं।
- चंद्र कक्षा: चाँद ~385,000 किमी औसत दूरी पर परिक्रमा करता है।
उच्च कक्षा में जाने के लिए, आप तेज़ी लाने के लिए इंजन फायर करते हैं — विरोधाभासी रूप से, ये आपकी कक्षा को बढ़ाता है।
संख्याएँ जो इसे प्रभावशाली बनाती हैं
- एक SpaceX Falcon 9 liftoff पर 7.6 मिलियन Newton थ्रस्ट उत्पन्न करता है — 9 Merlin इंजनों से लगभग 17 लाख पाउंड बल
- SpaceX का Starship/Super Heavy लगभग 74 MN (16.6 मिलियन पाउंड) थ्रस्ट उत्पन्न करता है — अब तक उड़ाया गया सबसे शक्तिशाली प्रक्षेपण यान
- एक रॉकेट को पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण कुएँ को पूरी तरह से छोड़ने के लिए 11.2 किमी/सेकंड (पलायन वेग) तक पहुँचना चाहिए
- Saturn V, जिसने Apollo अंतरिक्ष यात्रियों को चाँद पर भेजा, ईंधन भरकर 2.8 मिलियन किलोग्राम वज़न करता था और अपने पाँच F-1 इंजनों से 34.5 MN थ्रस्ट उत्पन्न करता था
- ISRO के LVM3 का liftoff थ्रस्ट लगभग 7.4 MN है, इसकी पेलोड क्षमता LEO में 8,000 किलोग्राम है
मुख्य takeaways
- रॉकेट Newton के तीसरे नियम से काम करते हैं: पीछे की ओर निकाली गई exhaust गैस आगे थ्रस्ट बनाती है — कोई हवा की आवश्यकता नहीं
- रॉकेट समीकरण क्रूर द्रव्यमान आवश्यकताएँ निर्धारित करता है: एक रॉकेट का अधिकांश वज़न प्रणोदक होता है
- स्टेजिंग खाली टैंकों को जेटिसन करके इसे हल करता है
- कक्षा ऊपर जाने के बारे में नहीं है — ये ग्रह के चारों ओर गिरते रहने के लिए पर्याप्त तेज़ी से किनारे जाने के बारे में है
- सबसे कुशल प्रणोदक क्रायोजेनिक तरल हैं (LH2/LOX)
- पुन: प्रयोज्य पहले चरण (Falcon 9, Starship) सबसे महंगे हार्डवेयर को पुनर्प्राप्त करके प्रक्षेपण लागत में क्रांति ला रहे हैं
रॉकेट समीकरण निर्दयी है। लेकिन मानव सरलता ने इसकी बाधाओं के भीतर काम करने के तरीक़े खोजे हैं, और परिणाम ये है कि हम अब नियमित रूप से कक्षा में हज़ारों किलोग्राम भेजते हैं, drone ships पर रॉकेट उतारते हैं, और लोगों को मंगल भेजने में सक्षम वाहन बना रहे हैं। Wright Brothers के 120 साल बाद बुरा नहीं।
