Showing posts with label అంతరిక్ష యానం. Show all posts
Showing posts with label అంతరిక్ష యానం. Show all posts
రాకెట్ నిర్మాణంలో దశలు ఉంటాయని,
అలా పలు దశలు ఉండే సంకీర్ణ రాకెట్ లు అధిక వేగాన్ని సాధించగలుగుతాయని ఇంతకు ముందు చెప్పుకున్నాం.
ఇప్పుడు రాకెట్ గమనం మీదకి ధ్యాస మళ్లిద్దాం.
ఓ సంకీర్ణ రాకెట్ నేల నుండి బయల్దేరి, నింగికి ఎగసి, కక్ష్య లోకి ప్రవేశించేటంత
వరకు గల మధ్యంతర దశలు ఏంటి? ఈ వివరాలు పరిశీలిద్దాం.
లాంచ్ పాడ్ కి కక్ష్యకి మధ్య
జరిగే వ్యవహారంలో ఎన్నో మధ్యంతర దశలు ఉంటాయి. అవి
-
లాంచ్ కి పూర్వ దశ (pre-launch stage)
-
లిఫ్ట్ ఆఫ్ (lift off)
-
నిలువు గమనం (vertical rise)
-
వాలు గమనం (pitchover)
-
ఆరోహణం (ascent)
-
మొదటి దశ అంతరించడం (first stage)
-
మరింత ఆరోహణం (ascent)
-
రెండవ దశ అంతరించడం (second stage)
-
మరింత ఆరోహణం (ascent)
-
మూడవ దశ అంతరించడం (third stage)
రాకెట్ ని లాంచ్ సైట్ (launch
site) కి తరలించడంతో ‘లాంచ్ కి పూర్వ దశ’ మొదలవుతుంది.
ఈ తరలింపు లాంచి కి సుమారు రెండు వారాల ముందు జరుగుతుంది. రాకెట్ బయల్దేరేటప్పుడు జరిగే
కౌంట్ డౌన్ (countdown) తో ఈ దశ ముగుస్తుంది.
లాంచ్ కి సిద్ధం అవుతున్న మన PSLV
మొదటి దశ యొక్క శక్తితో రాకెట్
భూమి ఉపరితలం నుండి పైకి లేస్తుంది. లాంచ్ టవర్ కి తగలకుండా రాకెట్ నిటారుగా పైకి కదులుతుంది.
రాకెట్ కి లాంచ్ టవర్ ని దాటడానికి కొన్ని సెకనులు పడుతుంది.
లాంచ్ టవర్ ని దాటగానే
exhaust nozzle లు కొంచెం పక్కకి తిరుగుతాయి. ఆ కారణంగా నిటారుగా కదిలే రాకెట్ కొద్దిగా
వాలుతుంది. ఇలా పూర్తిగా నిటారుగా కాకుండా కాస్త వాలు దిశలో ప్రయాణించడానికి ఒక కారణం
వుంది.
అంతరిక్షం కేసి ఎగయబోతున్న రాకెట్
గమనానికి అడ్డుపడే బలాలు రెండు ఉన్నాయి. ఒకటి భూమి గురుత్వం. రెండవది వాయుమండలంలోని
గాలి వల్ల రాకెట్ మీద కలిగే ఈడ్పు (drag). గాలి వల్ల కలిగే ఈడ్పుని తగ్గించుకోవాలంటే
రాకెట్ వీలైనంత త్వరగా వాయుమండలాన్ని దాటుకుని అంతరిక్షంలోకి ప్రవేశించాలి. అంటే వీలైనంత
నిటారుగా ఎగుర్తూ వాయుమండలాన్ని త్వరగా దాటాలి.
కాని రాకెట్ యొక్క లక్ష్యం భూమి చుట్టూ కక్ష్యలోకి
ప్రవేశించడం అయితే నేలకి సమాంతరంగా ఎగరాలి. కనుక క్రమంగా నిలువు దిశకి దూరం అవుతూ నేలకి
సమాంతరంగా ఎగరాలి. అలా కాకుండా నిలువుగా ఎగుర్తూ పోతే ఏదో ఒక దశలో రాకెట్ ఇంధనం అంతా
హరించుకుపోతుంది. అప్పుడా రాకెట్ కి భూమి కక్ష్యలోకి ప్రవేశించడానికి కావలసిన ద్రవ్యవేగం
(momentum) ఉండదు. వేగం పూర్తిగా సున్నా అయిపోయిన
రాకెట్ పైకి విసిరిన రాయిలా దబ్బున నేల మీద పడుతుంది.
కనుక రాకెట్ తన దిశని క్రమంగా
నేలకి సమాంతర దిశగా తిప్పుకుంటూ, తగినంత వేగాన్ని నిలుపుకుంటూ ముందుకు దూసుకుపోవాలి.
తగినంత ఎత్తులో, తగినంత వేగంతో కదిలే రాకెట్ ని గురుత్వం వ్యతిరేకించకపోగా, సహాయపడుతుంది.
కనుక నేలకి సమాంతరంగా తిరుగుతున్నరాకెట్ ని ఒక విధంగా గురుత్వమే తన వైపుకి తిప్పుకుంటోంది
అనుకోవచ్చు. అందుకే ఇలాంటి తిరుగుడుని ‘గురుత్వ భ్రమణం’ (gravity turn) అంటారు. ఈ దశలో
రాకెట్ వేగంలో గాని, గమన దిశలో గాని ఏవైనా తేడా వచ్చిందంటే రాకెట్ లో ఉండే ‘సంచాలక
మరియు నియంత్రణ వ్యవస్థలు’ (guidance and
control systems) రాకెట్ దిశకి కావలసిన సవరణలు చేసి రాకెట్ ని మళ్లీ నిర్ణీత దిశలోకి
తీసుకొస్తాయి.
(ఇంకా వుంది)
Image courtesy: ISRO
రాకెట్ వేగాన్ని నియంత్రించే
కారకాలు ఏమిటి?
రాకెట్ లోంచి బయటికి వచ్చే వాయువులు
ఎంత వేగంగా వస్తే రాకెట్ అంత వేగంగా ముందుకు దూసుకుపోతుంది. అంటే అలాంటి వాయువులని
ఉత్పన్నం చేసే ఇంధనాలని రాకెట్ లో వాడాలన్నమాట. హైడ్రోజెన్, ఆక్సిజన్ వాయువులని ఇంధనంగా
వాడినప్పుడు వాటి కలయిక వల్ల అత్యధిక వేగం
గల బహిష్కృత వాయువులు (exhaust gases) రాకెట్ లోంచి బయటికి వస్తాయి.
వాయు ఇంధనాలని వాడినా సంక్షిప్తం
ఉండేందుకు గాను వాటిని ద్రవ రూపంలో మోసుకుపోతారు. కాని హైడ్రోజెన్ తో వచ్చిన చిక్కేంటంటే
అది అత్యంత తేలికైన వాయువు కనుక ద్రవ రూపంలో కూడా అది ఎంతో ఘనపరిమాణాన్ని ఆక్రమిస్తుంది.
అంటే దాన్ని కలిగి వుండే టాంకులు మరీ పెద్దవై ఉండాలన్నమాట. హైడ్రోజెన్ తో మరో చిక్కేంటంటే
అది ద్రవ రూపంలో ఉండాలంటే దాన్ని -253 డిగ్రీల
సెంటిగ్రేడ్ కన్నా తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉంచాలి. వాయువులని అంత తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద
ఉంచడానికి రాకెట్ లో ప్రత్యేక యంత్రాంగం కావలసి వస్తుంది. ఈ బాదరబందీలు లేకుండా ఉండాలంటే
హైడ్రజీన్ (hydrazine) మరియు నైట్రిక్ ఆసిడ్ ల మిశ్రమాన్ని వాడొచ్చు. ఈ ద్రవాలు నీటి
కన్నా బరువైనవి. కనుక వీటిని కాస్త చిన్న టాంకులలో ఉంచొచ్చు. వాటి వినియోగంలో కూడా ప్రత్యేక సమస్యలేవీ రావు.
ద్రవ ఇంధనాలు వాడే రాకెట్ ఇంజెన్లలో
కిరోసిన్, పెట్రోల్, టర్పెంటైన్, పరాఫిన్ మొదలైన పదార్థాలు వాడుతారు. వాటికి పర్ క్లోరిక్
ఆసిడ్, హైడ్రోజెన్ పెరాక్సయిడ్ మొదలైన ఆక్సిడెంట్లు కలుపుతారు.
ఇలాంటి రసాయనిక ఇంధనాల వల్ల
సుమారు 2.5 కిమీ/సెకను వేగం గల బహిష్కృత వాయువులు
పుడతాయి. అయితే ఈ వేగాన్ని ఇంకా పెంచాల్సిన అవసరం వుంది.
రాకెట్ వేగాన్ని మరింతగా పెంచడానికి
మరో చిట్కా వుంది. రాకెట్ లాంచ్ లో బూస్టర్
రాకెట్ (booster rocket) అనే అదనపు రాకెట్
దశని వాడుతారు. దీని ప్రోద్బలం వల్ల రాకెట్ ఒక నిర్ణీత ఎత్తు వరకు లేచి, ఒక నిర్ణీత
వేగాన్ని చేరుకున్న తరువాత బూస్టర్ రాకెట్ అసలు రాకెట్ నుండి వేరు పడి పారాచూట్ సహాయంతో
భూమిని చేరుకుంటుంది. ఇంధనం అంతా పూర్తిగా హరించుకుపోయిన ఖాళీ బూస్టర్ రాకెట్ ముఖ్య
రాకెట్ నుండి వేరు పడడం వల్ల ముఖ్య రాకెట్ బరువు తగ్గుతుంది. ముఖ్య రాకెట్ లో ఉన్న
ఇంధనం సహాయంతో అది మరింత అధిక వేగాలని చేరుకునే అవకాశం వుంది.
ఈ విధంగా పలు దశలు గల రాకెట్
ల రూపకల్పన ద్వారా రాకెట్ లో అత్యధిక వేగాలని సాధించడానికి వీలయ్యింది. ఇలా పలుదశలు
గల రాకెట్ ని సంకీర్ణ రాకెట్ (composite rocket) అంటారు (చిత్రం).
(Image: http://www.suntrek.org/solar-spacecraft/satellites-rockets/how-rockets-work.shtml)
అయితే రసాయనిక ఇంధనాలతో సాధించగల
వేగాలకి ఒక పరిమితి వుంది. అంత కన్నా అధిక వేగాలని సాధించేందుకు గాని పరమాణు శక్తి
(atomic energy) ని వాడాలనే ఆలోచన ఎప్పటి నుంచో
వుంది. కేంద్రక చర్యలలో అతి తక్కువ సమయాలలో అత్యధిక శక్తి వెలువడుతుంది. ఆ శక్తితో
ఓ ద్రవాన్ని వాయువుగా మార్చి, ఆ వాయువుని అత్యధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్దకి చేరేలా వేడెక్కించడానికి
వీలవుతుంది. అలా వేడెక్కిన బహిష్కృత వాయువులు అత్యధిక వేగం వద్ద రాకెట్ లోంచి బయటికి
వస్తాయి. ఇలాంటి ఏర్పాటులో వాడే ద్రవాన్ని ‘ప్రొపెల్లంట్’ (propellant) అంటారు. ఆ చర్యకి
శక్తిని ప్రసాదించే కేంద్రక పదార్థాన్ని “ఇంధనం” అంటారు.
శక్తి మూలం వేరని తప్ప మిగతా
విషయాలలో సాంప్రదాయక రసాయనిక రాకెట్ కి, ఈ కొత్త కేంద్రక ఇంధనం మీద పని చేసే రాకెట్
కి మధ్య మౌలికమైన తేడా యేమీ లేదు. అయితే కేంద్రక ఇంధనాల వినియోగంలో కొన్ని సమస్యలు
తలెత్తుతాయి. కేంద్రక చర్య వల్ల పుట్టే అత్యధిక ఉష్ణోగ్రతల మీద, పీడనాల మీద పగ్గం వేసి
అదుపు చెయ్యడం అంత సులభం కాదు. మరో సమస్య ఏంటంటే కేంద్రక చర్యల నుండే పుట్టే రేడియోధార్మిక
వికిరణాల (radioactive radiations) వల్ల మానవులకి హాని కలిగే అవకాశం వుంది. అలాంటి
వికిరణాల నుండి రాకెట్ లో ప్రయాణించే వ్యక్తులకి హాని కలగకుండా ఉండాలంటే అందుకు ప్రత్యేక
ఏర్పాట్లు కావాలి. ఉదాహరణకి పరమాణు శక్తితో కార్లని నడిపించొచ్చునన్న భావన డెబ్బై ఏళ్లకి
పైగా వుంది. కాని అలాంటి వాహనంలో పరమాణు చర్యలు జరుగుతున్న మందిరానికి కార్లో కూర్చున్న
మనుషులకి మధ్య రక్షక కవచం లాగ పని చేసే సీసపు
గోడ ఉండాలి. ఆ గోడ బరువు 50 టన్నుల దాకా ఉండాల్సి
వస్తుందని లెక్క వేశారు. ఆ కారణం చేత పరమాణు శక్తి వినియోగం వల్ల అధిక శక్తులు లభ్యమైనా,
అది వాడే యంత్రం యొక్క బరువు అపారంగా పెరిగిపోతుంది. ఈ సమస్యల వల్ల రాకెట్ లో కూడా
పరమాణు శక్తిని వినియోగించే ప్రయత్నం మందగించిందనే చెప్పాలి. అలాంటి రాకెట్ లు ఇప్పటికి
కూడా ప్రయోగాత్మదశలోనే తప్ప వాస్తవ వినియోగంలో లేవు.
(ఇంకా వుంది)
న్యూటన్ మూడవ గతి నియమం గురించి చిన్న తరగతులలో చదువుకున్నాం.
“ప్రతీ క్రియకి ఒక ప్రతిక్రియ ఉంటుంది” అని ఆ నియమం చెప్తుంది. మనం ఒక వస్తువు మీద
బలాన్ని ప్రయోగిస్తున్నప్పుడు ఆ వస్తువు వ్యతిరేక దిశలో మన మీద అంతే బలం ప్రయోగిస్తుంది.
ఒక వస్తువుని మనం తోస్తే అది మనను తిరిగి అంతే బలంతో తోస్తుంది. ఒక వస్తువుని మనం లాగితే
అది తిరిగి అంతే బలంతో మనను తన వైపు లాక్కుంటుంది.
దీన్ని అనుభూతి చెందాలంటే ఓ చిన్న రివాల్వింగ్ కుర్చీ కావాలి.
ఆ కుర్చీలో కూర్చుని పక్కనే నించున్న మనిషిని తొయ్యడానికి ప్రయత్నించండి. వారిని తొయ్యబోయి
వారిచేత తొయ్యబడినట్టు మీరే అల్లంత దూరం మీ కుర్చీతో పాటు జరుగుతారు.
ఈ భావన అర్థం కావడానికి గాలిబుడగ అరవింద్ గుప్తా ప్రదర్శిస్తున్న ఈ చిన్న ప్రయోగాన్ని చూడండి.
రాకెట్ లో కూడా ఇదే జరుగుతుంది. రాకెట్ లో ఇంధనం మండడం వల్ల
పుట్టిన వేడి వాయువులని రాకెట్ బయటికి నెట్టుతుంది. అందుకు ప్రతి క్రియగా ఆ వాయువులు
రాకెట్ ని వ్యతిరేక దిశలో నెట్టుతాయి. వాయువులు వెనక్కి కదిలితే రాకెట్ ముందుకి కదులుతుంది.
మనం ఆడుకునే దీపావళి రాకెట్ల పని తీరు ఇలాగే ఉంటుంది. అయితే
దీపావళి రాకెట్లకి నిజం రాకెట్లకి ఓ ముఖ్యమైన తేడా వుంది. దీపావళి రాకెట్ల లో వాడే
ఇంధనం పొడి ఇంధనం. అంటే ఘన రూపంలో ఉండే ఇంధనం. ఎందుకంటే పొడి మండినప్పుడు అత్యధిక పీడనం
ఉత్నన్నం అవుతుంది. ఆ పీడనాన్ని తట్టుకోడానికి రాకెట్ గోడలు మందంగా, ధృఢంగా ఉండాలి.
దాని వల్ల రాకెట్ బరువుగా రూపొందుతుంది. పైగా పొడి ఇంధనాన్ని వాడినప్పుడు ఒక సారి జ్వలనం
మొదలయ్యాక దాన్ని సులభంగా ఆర్పడం కుదరదు. ఇంధనం అంతా హరించుకున్న వరకు జ్వలనం సాగుతూనే
ఉంటుంది. రాకెట్ లో ప్రయాణిస్తున్నప్పుడు ఇంధనాన్ని అవసరమైనంత మేరకు మాత్రమే మండించుకుంటూ,
అక్కర్లేనప్పుడు మంటని ఆర్పుకునే వీలు ఉండాలి.
ఈ సమస్యలకి పరిష్కారంగా ద్రవ ఇంధనాలని వాడుతుంటారు.
కింద చిత్రంలో ద్రవ ఇంధనం మీద పని చేసే ఓ సరళమైన రాకెట్ నిర్మాణాన్ని
చూడొచ్చు. ఇంధులో రెండు టాంకులు ఉన్నాయి. ఒక దాంట్లో ఇంధనం (ఉదాహరణకి ఇథైల్ ఆల్కహాల్)
ఉంది. రెండో దాంట్లో ద్రవ ఆక్సిజన్ ఉంది.
రెండు పంపులు ఆ ద్రవాలని ఓ ప్రత్యేకమైన జ్వలన మందిరం (combustion
chamber) లోకి విడుదల చేస్తాయి. ఇక్కడ రెండు
ద్రవాలు రసాయనికంగా చర్య జరిపి మండుతాయి. అలా పుట్టిన వేడి వాయువులు రాకెట్ వెనుక భాగం
నుండి జువ్వని తన్నుకొస్తాయి. ఆ తాకిడికి రాకెట్ ముందుకి కదులుతుంది.
ముందుకు దూసుకుపోతున్న రాకెట్ ని దాని గమన రేఖలో స్థిరంగా
నిలపడానికి fin లు, ఇతర నియంత్రణ రెక్కలు ఉంటాయి.
ఆ రెక్కలని కదిలిస్తూ రాకెట్ తన చలన దిశలో చిన్న మార్పులు చేసుకోగలదు.
గాల్లో ఎగురుతున్నప్పుడు రెక్కలని కదిలించి గమన దిశని మార్చుకోవచ్చు
గాని, అంతరిక్షంలోకి ప్రవేశించాక, ఆ నిర్వాత సీమలో ఇక రెక్కలతో పనేముంది అని ప్రశ్నించవచ్చు.
ఈ ప్రశ్నకి సమాధానం రాకెట్ శాస్త్రంలో పురోగామి అయిన కాన్స్టాంటిక్
సియాల్కోవ్స్కీ ఆ నాడే చెప్పాడు. రెక్కలని రాకెట్ లోంచి బయటకి ప్రవహిస్తున్న మండే వాయువుల
బాటలో పెట్టమన్నాడు. అప్పుడు రెక్కల దిశ బట్టి బయటికొచ్చే వాయువుల ప్రవాహ దిశ మారుతుంది.
(ఇంకా వుంది)
అయితే ఊరికే
భూమి చుట్టూ ప్రదక్షిణ చెయ్యకుండా భూమిని శాశ్వతంగా వదిలి వెళ్ళిపోవాలంటే ఒక వస్తువు
ఎంత వేగంతో ప్రయాణించాలి. ఈ ప్రశ్నకి సమాధానం చెప్పాలంటే అసలు గురుత్వం ఎలా పని చేస్తుందో
ఓ సారి పరిశీలించాలి.
ఒక వస్తువు యొక్క
గురుత్వాకర్షణ బలం, ఆ వస్తువు నుండి దూరం పెరుగుతున్న కొద్ది వేగంగా తరిగిపోతుంది.
ఇంకా కచ్చితంగా చెప్పాలంటే ఆ వస్తువు నుండి దూరానికి వర్గ విలోమంగా (inverse
square) తగ్గుతుంది. అంటే భూమి నుండు దూరం
రెండింతలు అయితే, గురుత్వాకర్షణ బలం నాలుగింతలు తగ్గుతుంది. దూరం మూడు రెట్లు అయితే
బలం తొమ్మిది రెట్లు పడుతుంది.
భూమి ఉపరితలం
వద్ద ఒక వస్తువు ‘పరిభ్రమణ వేగం’తో కదిలితే
అది భూమి చుట్టూ వృత్తాకార కక్ష్యలో తిరిగుతూ ఉంటుందని ఇందాక చెప్పుకున్నాం. ఆ వేగం
విలువ సెకనుకి 7.9 కిమీలు. ఈ వేగాన్ని ‘ప్రథమ
ఖగోళయాన వేగం’ (first astronautical velocity) అని కూడా అంటారు. ఖగోళ యానంలో మనం పరిగణించవలసిన
వేగాలలో ఇది మొదటిది అన్నమాట. వేగం అంతకన్నా కాస్త పెంచితే ఆ వస్తువు భూమి నుండి శాశ్వతంగా
దూరం కాదు గాని దాని కక్ష్య వృత్తా కార కక్ష్యకి బదులు దీర్ఘవృత్తాకార
(elliptical) కక్ష్యకి మారిపోతుంది. వేగం
11.2 కిమీ/సెకను వరకు కూడా దీర్ఘ వృత్తాకార
కక్ష్య మాత్రమే అవుతుంది. కాని వేగం 11.2 కిమీ/సెకను
ని మించిందంటే ఇక ఆ వస్తువు భూమి యొక్క గురుత్వాకర్షణ నుండి తప్పించుకుని శాశ్వతంగా
భూమి నుండి దూరం అవుతుంది. అంటే భూమి నుండి పలాయనం అవుతుందన్నమాట. అందుకే ఈ వేగాన్ని
‘పలాయన వేగం’ (escape velocity) అంటారు. వస్తువు వేగం కచ్చితంగా 11.2 కిమీలు/సెకను అయితే దాని కక్ష్య పారాబోలా అవుతుంది.
ఈ వేగాన్ని ‘ద్వితీయ ఖగోళయాన వేగం’
(second astronautical velocity) అని కూడా అంటారు. ఖగోళ యానంలో మనం గుర్తించవలసిన రెండవ
ముఖ్యమైన వేగం ఇది. ఆ వేగం పలాయన వేగం కన్నా ఎక్కువ అయితే ఆ వస్తువు యొక్క కక్ష్య
‘హైపర్ బోలా’ అవుతుంది.
(పై చిత్రంలో
E1, E2 అని సూచించబడ్డ కక్ష్యలు దీర్ఘవృత్తాకర కక్ష్యలు. C అని సూచించబడ్డ
కక్ష్య వృత్తాకర కక్ష్య. P అన్నది పారాబోలా ఆకరంలో ఉన్న కక్ష్య. H అన్నది హైపర్ బోలా.)
భూమి ఉపరితలం
వద్ద ఒక వస్తువు యొక్క పలాయన వేగం 11.2 కిమీలు/సెకను
అన్నప్పుడు ఆ లెక్కలో సూర్యుడు ఉన్నట్టు మనం పరిగణించలేదు. కాని భూమిని వదిలి అంతరిక్షంలోకి
లోతుగా పోవాలనుకునే వాహనం సూర్యుడి గురుత్వాకర్షణని కూడా తప్పించుకోవాలి. కనుక భూమి
యొక్క ఆకర్షణే కాక సూర్యుడి ఆకర్షణ నుండి కూడా తప్పించుకోవాలంటే ఆ వస్తువు యొక్క వేగం
16.7 కిమీలు/సెకను అయ్యుండాలి. ఈ వేగాన్నే
‘తృతీయ ఖగోళయాన వేగం’ (third astronautical velocity) అంటారు.
గ్రహాంతర యానం
చెయ్యగోరే వాహనం ఈ మూడవ ఖగోళ యాన వేగాన్ని భేదించగలగాలి.
