آیرودینامیک موشک ها

از نظر لغوی آیرودینامیک از دو کلمه یا ریشه یونانی، آیرو به معنی هوا و دینامیک به معنی نیرو تشکیل یافته است. از آنجا که پرواز موشک یا هواپیما بر اساس اصول این علم استوار است، از این رو آنرا تئوری پرواز نیز می گویند.حال که با تعریف آیرودینامیک و مفاهیم ریشه ای کلمه آیرودینامیک آشنا شدیم مواردی از قوانین مکانیک که مطالعه آنها، درک مفاهیم پرواز را آسان می کند، معرفی می نماییم.

قوانین نیوتن

نیوتن اولین کسی بود که قوانین حرکت ذره را بیان نمود. این قوانین که کماکان در مکانیک مورد استفاده می باشد به قرار زیر است:

قوانین حرکت

الف-قانون اول

طبق این قانون اگر بر اجسام ساکن نیرو وارد شود همواره ساکن باقی می ماند. همچنین اگر به اجسامی که با سرعت ثابت در یک خط مستقیم حرکت می کنند نیرویی وارد نشود سرعتت انها همواره ثابت می ماند. به نیرویی که باعث می شود جسم در حالت سکون، ساکن و در حالت حرکت با سرعت ثابتی حرکت نماید، نیروی ماند یا اینرسی گفته می شود.

 ج-قانون سوم

این قانون که بسیار معروف است می گوید برای هر عملی عکس العملی است مساوی با آن و در جهت مخالف آن. این همان عملی است که در موتورهای عکس العملی جت و توربوجت ملاحظه شد. برای درک بهتر موضوع کافیست بادکنکی را پر از باد نموده و دهانه آن را کمی شل نماییم، در صورت رها شدن بادکنک ملاحظه می شود که هم زمان با خالی شدن باد، بادکنک حرکت نموده و جهت حرکت آن بر خلاف خروج باد است.

خروج گازهای داخل بادکنک عملیست که عکس العمل آن همان حرکت بادکنک به جلو است. چون دهانه بادکنک خیلی نرم است، لذا مسیر هوایی که از آن بیرون می آید متغیر است، در نتیجه حرکت بادکنک نیز به تبعیت از مسیر باد تغییر می نماید.

قانون جاذبه

بر طبق این قانون، هر جسم سنگین اجسام سبک اطرافش را به طرف خود جلب نموده و به وسیله اجسام سنگین تر از خود جذب می شود. نیروی کشش این نوع اجسام نیروی جاذبه نامیده می شود که مقدار آن با فرمولی قابل محاسبه است.

نیروهای وارده به موشک از نظر آیرودینامیک

از نظر آیرودینامیک موشک در حال پرواز تحت تاثیر 4 نیرو به شرح زیر قرار می گیرد:

1. نیروی جاذبه

2.  نیروی بلندشدن

3. نیروی موتور

4. نیروی پسا

نیروی جاذبه

نیروی جاذبه عبارتست از نیرویی که موشک یا سایر وسایل روی زمین را به طرف خود می کشد.

نیروی بلند شدن

نیروی بلند شدن نیروی کشش به طرف بالا می باشد و جهت آن بر خلاف نیروی جاذبه زمین است لذا وقتی نیروی بلند شدن بیشتر از جاذبه زمین باشد موشک صعود می نماید و اگر کمتر باشد موشک ارتفاع خود را نسبت به زمین کم می کند.

بالها نیروی بلند شدن را همزمان با حرکت در میان هوا فراهم می نمایند. با توجه به اینکه سطوح بالها منحنی شکل و دارای خمیدگی است و با حرکت بال در میان هوا یا عبور جریان هوا از طرف بالها بادی که از قسمت بالا و فوقانی آن عبور می نماید(به علت شکل خاص بال) سرعتش بیشتر است که از قسمت تحتانی بال عبور می کند. هر اندازه سرعت هوا یا عبور آن از سمت بالای بال افزایش پیدا کند، فشار در قسمت بالایی کم شده و مقدار آن نسبت به فشار قسمت پایین کمتر است.

به عبارت دیگر، فشار در قسمت پایین بال به طور نسبی بسیار بالاتر از بالای آن است. لدا اختلاف فشار بین قسمت بالایی و پایینی بال نهایتا باعث می شود که بال به سمت بالا کشیده شود. این نیرو(کشش بال به طرف فشار کم) همان نیروی بلند شدن می باشد.

نیروی موتور یا تراست

تراست نیرویست که به وسیله موتور ایجاد می شود و باعث حرکت موشک در هوا می شود و بالها باعث شکل گرفتن این حرکت شده و در واقع وقتی که نیروی تراست زیاد می شود سرعت حرکت هوا در جلوی موشک افزایش پیدا می کند. وقتی سرعت حرکت هوا نسبت به بال بالا می رود موشک صعود نموده و افزایش سرعت پیدا می کند.

علاوه بر قدرت موتور طراحی مجاری خروج گازهای گداخته شده حاصل از سوزش مواد، در داخل موتور نقش عمده ای در کاهش و یا افزایش سرعت موشک دارد.

الف:مجرای همگرا

دهانه ورودی این مجرا گشادتر و بازتر از دهانه خروجی است و هوا با سرعت و فشار معین از آن عبور می نماید و به مرور سرعت آن زیاد و فشارش کم می شود.

از این مجرا زمانی استفاده می شود که هدف ازدیاد سرعت باشد.

ب:مجرای واگرا:

برعکس مجرای همگرا دهانه ورودی در این مجرا کوچکتر و تنگتر از دهانه خروجی است لذا وقتی هوا با سرعت و فشار معین از آن عبور داده می شود به مرور سرعت آن کم و فشار آن بیشتر می شود. از این مجرا زمانی استفاده می شود که هدف کاستن سرعت باشد.

نیروی پسا

مولکول های هوا با قسمتهای مختلف هواپیما یا موشک برخورد کرده و از مجموعه این برخوردها، که یک جریان دائمی است نیرویی به وجود می آید که در حقیقت با نیروی رانش مقاومت یا مقابله مینماید. این نیرو به نیروی پسا معروف است.

با توجه به اینکه موجب اصلی این نیرو مقاومت هوا در برابر هواپیما یا موشک یا جسم متحرک در هواست لذا آن را نیروی مقاوم هم می گویند.هرچه سرعت موشک یا هواپیما بیشتر باشد نیروی پسای ایجاد شده و یا مقاومت نیز بیشتر می شود.

اگر نیروی رانش را به T و پسا را به D نمایش دهیم، می توانیم بگوییم که در موقع افزایش سرعت مستقیم و افقی T > Dو در موقع پرواز مستقیم و افقی با سرعت ثابت  T = Dو به هنگام کاهش سرعت T < Dمی باشد. نیروی پسا دارای اشکال مختلفی است که عبارتند از:پسای اصطکاکی، پسای انگلی، پسای فرضی، پسای جانبی و پسای موجی.آنچه در طراحی آیرودینامیک مورد نظر است کاهش نیروی پسا به حداقل آن است.

از تعریف فوق نتیجه می گیریم برای ازدیاد برد موشک و راکت ضروریست به هر ترتیب که امکان دارد از مقاومت هوا که باعث نقصان سرعت است کاسته شود این مقاومت یا نیروی پسا به عوامل زیر بستگی دارد:

1. چگالی یا وزن مخصوص هوا

2. سطح مقطع جسم پرنده

3. وزن گلوله

4. سرعت هواپیما یا موشک

5. درمورد موشک ها و راکت ها به عامل دیگری که ضریب آیرودینامیکی نامیده می شود بستگی دارد.