پیشرفتهای چشمگیر بشر در علم فضانوردی باعث شده است تا امروز بتوانیم ماهواره‌ها و فضاپیماهای پیشرفتهای را به فضا پرتاب کنیم. اما شاید برای بسیاری از ما این سوال مطرح باشد که موشک‌ها چگونه کار می‌کنند؟ چرا به این همه سوخت نیاز دارند؟ و ماهواره‌ها چگونه در مدار زمین باقی می‌مانند؟ در این مقاله قصد داریم به زبان ساده و علمی، نحوه پرتاب موشک، اصول فیزیکی آن، و عملکرد مدار ماهواره‌ها را بررسی کنیم.
موشک چگونه به فضا پرتاب می‌شود؟
موشک‌ها وسیله‌ای هستند که با استفاده از سوخت پیشران، قادرند نیروی لازم برای غلبه بر جاذبه زمین را تولید کنند. در واقع، تمام نیروی لازم برای حرکت به سمت بالا از ترکیب سوخت و اکسیدکننده در موتور موشک تأمین می‌شود. این سوخت هنگام سوختن حجم زیادی از گازهای داغ را تولید می‌کند که از انتهای موتور با فشار زیاد به بیرون رانده می‌شوند. این فرایند نیرویی به نام رانش (Thrust) ایجاد می‌کند.
قوانین نیوتن و پرتاب موشک
اصل اساسی کارکرد موشک‌ها بر اساس قانون سوم نیوتن است که می‌گوید: “هر عمل، عکس‌العملی برابر و در جهت مخالف دارد.” وقتی گازهای داغ از انتهای موشک به بیرون پرتاب می‌شوند (نیروی عمل)، موشک نیز در جهت مخالف، یعنی به سمت بالا، حرکت می‌کند (نیروی عکس‌العمل).
چرا موشک‌ها به سوخت زیادی نیاز دارند؟
برای غلبه بر نیروی گرانش زمین، موشک باید مقدار بسیار زیادی انرژی تولید کند. به همین دلیل، بخش عمده‌ای از وزن موشک را سوخت آن تشکیل می‌دهد.
هرچه فضاپیما بزرگ‌تر و سنگین‌تر باشد، به موشک‌های بزرگ‌تری با سوخت بیشتر نیاز دارد. همچنین، برای رسیدن به فضا، موشک باید به سرعت فرار (Escape Velocity) برسد؛ این سرعت در حدود ۱۷۸۰۰ مایل در ساعت (تقریباً ۲۸۶۰۰ کیلومتر در ساعت) است تا بتواند در مدار باقی بماند و دوباره به زمین سقوط نکند.
مراحل پرتاب موشک
احتراق اولیه: موتورهای مرحله اول روشن می‌شوند و گازهای پرانرژی از عقب موشک خارج می‌شوند.
بلند شدن از زمین: موشک به سمت آسمان حرکت می‌کند و شتاب می‌گیرد.
رهاسازی مرحله اول: پس از اتمام سوخت مرحله اول، آن قسمت جدا می‌شود.
روشن شدن مرحله دوم: موتورهای بعدی روشن می‌شوند تا به ارتفاع و سرعت بالاتری برسند.
رهاسازی فضاپیما یا ماهواره: در ارتفاع مناسب، محموله (ماهواره یا فضاپیما) از موشک جدا می‌شود و وارد مدار مورد نظر می‌شود.
چرا ماهواره‌ها در مدار می‌مانند؟
وقتی ماهواره از موشک جدا می‌شود، دارای سرعت خاصی است که از آن به عنوان سرعت مداری یاد می‌شود. این سرعت به گونه‌ای تنظیم می‌شود که بین نیروی گرانش زمین و نیروی گریز از مرکز حاصل از حرکت ماهواره تعادل برقرار شود. این تعادل باعث می‌شود ماهواره در مدار خود باقی بماند.
مثال: ایستگاه فضایی بین‌المللی و ماهواره‌های دورمدار
ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) در ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری از سطح زمین با سرعت حدود ۲۷۵۰۰ کیلومتر در ساعت حرکت می‌کند. این سرعت بالا به دلیل نزدیکی زیاد به زمین است که جاذبه قوی‌تری را حس می‌کند.
ماهواره‌های ژئواستیشنری که در ارتفاع حدود ۳۶۰۰۰ کیلومتر قرار دارند، با سرعتی بسیار کمتر (حدود ۱۰۸۰۰ کیلومتر در ساعت) حرکت می‌کنند. چون در فاصله بیشتری هستند، نیروی گرانش کمتری را تجربه می‌کنند.
چرا ماهواره‌ها سقوط نمی‌کنند؟
برخلاف تصور، ماهواره‌ها به دلیل سرعت افقی بالا و نبود مقاومت هوا در فضا، در یک مسیر منحنی دائماً به دور زمین می‌چرخند. آن‌ها دائماً در حال “سقوط” هستند، اما چون زمین گرد است و سرعت افقی آن‌ها زیاد است، به جای برخورد به زمین، به دور آن می‌چرخند.
آیا موشک بدون سوخت هم حرکت می‌کند؟
در فضا، وقتی سوخت موشک تمام می‌شود، دیگر نیروی رانش وجود ندارد. اما اگر موشک یا فضاپیما با سرعت کافی در حال حرکت باشد و نیروی مقاومتی وجود نداشته باشد، طبق قانون اول نیوتن به حرکت خود ادامه می‌دهد.
آینده پرتاب‌های فضایی
با پیشرفت تکنولوژی، شرکت‌هایی مانند SpaceX و Blue Origin، تلاش دارند هزینه پرتاب را کاهش دهند. استفاده از موشک‌های قابل استفاده مجدد (Reusable Rockets) یکی از راهکارهای نوآورانه در این مسیر است. همچنین توسعه سوخت‌های سبک‌تر، سیستم‌های هدایت هوشمند و پرتاب‌های الکترومغناطیسی در دستور کار قرار دارد.
