ராக்கெட் எப்படி இயங்குகிறது?

PSLV ராக்கெட் ஒரு செயற்கைக்கோளையோ அல்லது சந்திரயானையோ எப்படி பூமியின் ஈர்ப்பு விசையை எதிர்த்தபடி மேலே தூக்கிக்கொண்டு செல்கிறது? ஒரு சுற்றுப்பாதையில் சென்றுகொண்டிருக்கும் விண்கலம் அல்லது செயற்கைக்கோளின் இயல்பு வேகத்தை எப்படி செயற்கையாக மாற்றுகிறார்கள்?

இவை இரண்டுமே ஜெட் விமானங்கள் எப்படி இயங்குகின்றனவோ அதே முறையில்தான் இயங்குகின்றன.

ஒரு நுண்துளை (nozzle) வழியாக அதிக அழுத்தமுள்ள பாய்மம் (fluid) ஒன்று பீய்ச்சப்படும்போது, அதற்கு எதிர்வினை ஒன்று இருக்கும். நாம் வீட்டிலேயே செய்து பார்க்கக்கூடிய ஒன்று பலூனை எடுத்து அதில் காற்றை நிரப்பி, வாயைக் கட்டாமல் சட்டென்று விட்டுவிடுவது. பலூனின் வாய் வழியாக காற்று வெளியேறும்போது பலூன் முன்னோக்கி (சற்றே கன்னா பின்னாவென்று சுருண்டபடி) பாயும். இது நியூட்டனின் மூன்றாவது விதியிலிருந்து வருவது. ஒவ்வொரு வினைக்கும் ஓர் எதிர்வினை உண்டு.

படகு ஓட்டும்போது, துடுப்பால் தண்ணீரை வலிந்து பின்னோக்கித் தள்ளுகிறீர்கள். படகு முன்னோக்கிச் செல்கிறது. அதேபோல படகில் மண்ணெண்ணெய் அல்லது டீசலால் இயங்கும் சிறு புரொபெல்லரை (உந்துகருவி) பொருத்துகிறீர்கள். புரொபெல்லர் சுழன்று தண்ணீரைப் பின்னோக்கித் தள்ளுகிறது. இதனால் விசைப்படகு முன்னோக்கி முன்னேறுகிறது.

இதேபோலத்தான் ஜெட் விமானத்திலும் நடக்கிறது. ஜெட் எஞ்சினில் நிறைய எரிபொருள் இருக்கும். எஞ்சினின் முன்புறத்தில் ஒரு சுழலி இருக்கும். சுழலி சுற்றும்போது வெளியிலிருந்து காற்றை உள்ளே இழுக்கும். அந்தக் காற்று அழுத்தப்படும். அதில் எரிபொருள் கலக்கப்படும். பற்றவைக்கப்படும். எரிபொருள் எரிந்து, எக்கச்சக்கமாக கரியமில வாயுவை உருவாக்கும். இந்தக் கரியமில வாயு வெளியேறுவதற்கு பல நுண்துளைகள் ஜெட் எஞ்சினின் பின்பக்கம் இருக்கும். இந்த நுண்துளைகள் வழியே வெகு வேகமாக வெளியேறும் வாயுக்கள், ஜெட் எஞ்சினைக் கடுமையான வேகத்தில் முன் நோக்கிச் செலுத்தும். இதனால் ஜெட் எஞ்சினும் அதோடு இணைந்த விமானமும் முன்னோக்கிப் பாயும். இந்தப் பாய்ச்சலை வான் நோக்கிய பாய்ச்சலாக மாற்றுவது (உயரத்தில் செலுத்துவது) எப்படி என்பதை பறவைகள் எப்படிப் பறக்கின்றன என்பதை விளக்கும்போது குறிப்பிட்டுள்ளேன்.

சரி, ராக்கெட் வடிவமைப்பில் என்ன வித்தியாசம்? ஜெட் விமானங்கள் பற்றகு உயரம் காற்று மண்டலத்துக்குள்ளாகவேதான் உள்ளது. சுற்றிலும் உள்ள காற்றில் இருந்து கிடைக்கும் ஆக்சிஜன் இருந்தால்தான் எரிபொருள் எரியும். ஆனால், ராக்கெட்டோ, காற்று மண்டலத்தை விட்டு அப்பால் செல்கிறது. அந்த உயரத்தில் சுற்றிலும் ஆக்சிஜன் என்பது மருந்துக்கும் கிடையாது. அப்படியென்றால் எரிபொருள் எரிய என்ன செய்வது?

கூடவே எரிபொருளை எரிக்கத் தேவையான ஆக்சிஜனையும் எடுத்துச் செல்லவேண்டும். இது மேற்கொண்டு சுமையை அதிகரிக்கும்! ஆனால் வேறு வழியில்லை. கீழே அமெரிக்க ராக்கெட் ஒன்றின் படம் உள்ளது.
பி.எஸ்.எல்.வி மட்டுமல்ல, சந்திரயானில் உள்ள எஞ்சினும் இப்படித்தான். அதில் எரிபொருளும் உண்டு. கூடவே ஆக்சிஜனும் உண்டு.

இந்த எரிபொருள் எப்படி இருக்கும்? இது திட வடிவில், தூளாக இருக்கலாம். அல்லது திரவமாக இருக்கலாம் (பெட்ரோல் போல). அல்லது வாயு எரிபொருள் ஒன்றை மிக அழுத்தத்திலும் மிகக்குறைவான வெப்பத்திலும் (அதாவது கடுங்குளிரிலும்) திரவமாக்கிச் சேர்த்து வைக்கலாம். நீர்மமாக்கப்பட்ட வாயு எரிபொருள்தான் மிக மிக அதிகச் செயல்திறன் கொண்டது. ஹைட்ரஜனை கடுங்குளிரில், கடும் அழுத்தத்தில் திரவமாக்கி, அத்துடன் ஆக்சிஜனையும் அதேபோல திரவமாக்கி எரிபொருளாகவும் ஆக்சிஜனேற்றியாகவும் எடுத்துச் செல்வதுதான் ஒரு ராக்கெட்டுக்கு மிக அதிக சக்தியைத் தரும். அந்த எஞ்சினுக்கு கிரையோஜீனிக் எஞ்சின் என்று பெயர்.

சந்திரயானில் இருப்பது கிரையோஜீனிக் எஞ்சின் கிடையாது. திரவ எரிபொருள் ஒன்றையும் ஆக்சிஜன் வழங்கி திரவம் ஒன்றையும் எடுத்துச் செல்கிறது.

***

சரி. சந்திரயான் எப்படி போகும் வழியில் வேகத்தை அதிகரிக்கும் அல்லது குறைக்கும்?

ஒரு குறிப்பிட்ட நீள்வட்டப்பாதையில் செல்லும் எந்தப் பொருளுக்கும் என்று ஒரு குறிப்பிட்ட வேகம் இருக்கும். இதைக் கொடுக்கக்கூடிய சமன்பாடு இந்தப் பதிவில் உள்ளது. ஒரே அண்மை நிலை உள்ள, ஆனால் இருவேறு தொலைவு நிலைகள் உள்ள இரண்டு பாதைகளை எடுத்துக்கொள்ளுங்கள்.

இங்கே சிறிய பாதையிலிருந்து பெரிய பாதைக்குச் செல்ல, அண்மை நிலை வரும்போது, அதன் வேகத்தை அதிகரிக்கவேண்டும். அப்படிச் செய்தால் அது சுற்றும் பாதையின் தொலைவு நிலை அதிகமாகும். இதை, கீழ்க்கண்ட சமன்பாட்டை வைத்தே பார்க்கலாம்.
இங்கே G என்பது மாறாத ஓர் எண். m என்பது நடுவில் இருக்கும் கனமான பொருளின் எடை. பூமியைச் சுற்றிவரும்போது பூமியின் எடை. சந்திரனைச் சுற்றி வந்தால் சந்திரனின் எடை. a என்பது நீள்வட்டப்பாதையின் semi major axis. அதாவது அண்மை நிலை, தொலைவு நிலை ஆகியவற்றுடன் பூமியோ சந்திரனோ எதைச் சுற்றுகிறதோ அதன் விட்டத்தையும் கூட்டி, அதை இரண்டால் வகுத்தால் வரும் தொகை. சிறிய நீள்வட்டத்தைச் சுற்றும்போது அண்மை நிலையில் இருக்கும் வேகம், பெரிய நீள்வட்டத்தைச் சுற்றும்போது இருப்பதைவிடக் குறைவாக இருக்கும். இந்த வேகங்களைத் துல்லியமாகக் கணக்கிடலாம். இதிலிருந்து வேக மாறுதலையும் துல்லியமாகக் கணக்கிடலாம்.

உதாரணத்துக்கு சந்திரனை, சந்திரயான் சுற்றுகிறது என்று வைத்துக்கொள்வோம். சந்திரனின் நிறை 7.36 x 10²² kg. ஈர்ப்பு மாறிலி G என்பது 6.67 x 10^-11 m³ kg^-1 s^-2. சந்திரயான் 200 - 7,502 கி.மீ பாதையில் சுற்றுகிறது என்று வைத்துக்கொள்வோம். சந்திரனின் விட்டம் 3475 கி.மீ. அப்படியானால் இந்தப் பாதையில் a = (200+7502+3475)/2 = 5588.5 கி.மீ. இந்தப் பாதையில் சுற்றும்போது, அண்மை நிலையில் (200 கி.மீ) இருந்தால் அப்போது r = 3475/2 + 200 = 1937.5 கி.மீ.

இவை அனைத்தையும் மேலே உள்ள சமன்பாட்டில் போட்டால் கிடைப்பது: அண்மை நிலை வேகம் = விநாடிக்கு 2.05 கி.மீ.

இப்பொது தொலைவு நிலையை சுமார் 250 கி.மீ என்று குறைக்கவேண்டும். அப்படியானால், 200-250 கி.மீ பாதைக்கான a என்ன? = (200+250+3475)/2 = 1962.5 கி.மீ. r என்பது முன்போலவே 1937.5 கி.மீ. இதை சமன்பாட்டில் நிரவினால் கிடைப்பது, வேகம் = விநாடிக்கு 1.6 கி.மீ.

அதாவது அண்மை நிலை (200 கி.மீ) வரும்போது, அதற்கு இருக்கும் வேகம் விநாடிக்கு 2.05 கி.மீ. இதனை விநாடிக்கு 1.6 கி.மீ என்று குறைக்கவேண்டும். பிரேக் எதுவும் கிடையாது, பிடிப்பதற்கு. எனவே எரிபொருள் எஞ்சினை இயக்கி, போகும் வழி எதுவோ அந்தத் திசையில் எரிந்த வாயுக்களை வெளியேற்றுவார்கள்.

எவ்வளவு நேரம் இந்த மோட்டாரை இயக்குவது? எவ்வளவு எரிபொருளை எரிப்பது? இது சற்றே கடினமான கணக்கு. இதற்கு சந்திரயானின் நிறை என்ன என்று தெரியவேண்டும். அந்த மோட்டாரின் உந்துசக்தி என்ன என்று தெரியவேண்டும். அதைக்கொண்டு, எவ்வளவு நேரம் எரிபொருளை எரிக்கவேண்டும் என்று கணக்கிடவேண்டும். அதை நாம் இங்கே பார்க்கவேண்டாம்.

மற்றொன்று: இவ்வாறு மோட்டாரை இயக்கி வேகத்தைக் குறைப்பது ஒரு நொடியில் நிகழ்ந்துவிடாது. உதாரணமாக, தொலைவு நிலையை 7502 கி.மீலிருந்து 250 கி.மீக்கு மாற்ற மோட்டாரை 866 விநாடிகள் இயக்கவேண்டியிருந்தது. இதற்குள் சந்திரயான் தனது சுற்றுப்பாதையில் குறைந்தபட்சம் 1400 கி.மீ தூரம் நகர்ந்திருக்கும் என்று ஞாபகம் வைத்துக்கொள்ளுங்கள்! இதனால் என்ன ஆகும் என்றால் அதன் பாதையில் அண்மை நிலையிலும் சற்றே மாற்றம் நிகழ்ந்திருக்கும். அதனால்தான் இந்தப் பாதையில் அண்மை நிலை 200 கி.மீ என்பதிலிருந்து 187 கி.மீ என்று ஆகிவிட்டது.