റോക്കറ്റുകൾ ഗുരുത്വാകർഷണത്തെ കീഴടക്കുന്നത് എങ്ങനെ?
റോക്കറ്റുകൾ ഗുരുത്വാകർഷണത്തെ കീഴടക്കുന്നത് എങ്ങനെ?
Table of Contents
ഭൗമസീമകൾ ഭേദിക്കുന്ന മനുഷ്യന്റെ കുതിപ്പ്
ആകാശത്തേക്ക് ഉയർന്നുപൊങ്ങുന്ന ഒരു ബഹിരാകാശ റോക്കറ്റിന്റെ (Rocket Launch) കാഴ്ച ഏതൊരു മനുഷ്യനിലും ആവേശവും അത്ഭുതവും ഉണർത്തുന്ന ഒന്നാണ്. ടൺ കണക്കിന് ഭാരമുള്ള കൂറ്റൻ ലോഹക്കൂടുകൾ, കത്തുന്ന ഇന്ധനത്തിന്റെ പ്രകാശജ്വാലകളും പുകപടലങ്ങളും സൃഷ്ടിച്ച് അറ്റമില്ലാത്ത ബഹിരാകാശത്തേക്ക് കുതിച്ചുയരുമ്പോൾ, അവിടെ ജയിക്കപ്പെടുന്നത് ഭൂമിയുടെ അതിശക്തമായ ഗുരുത്വാകർഷണ ബലമാണ്. നൂറ്റാണ്ടുകളായി മനുഷ്യൻ സ്വപ്നം കണ്ട ഈ പ്രതിഭാസത്തിന് പിന്നിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്നത് കേവലം സാങ്കേതികവിദ്യ മാത്രമല്ല, ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിന്റെ ഏറ്റവും മനോഹരമായ നിയമങ്ങളിലൊന്നായ ഓർബിറ്റൽ മെക്കാനിക്സ് (Orbital Mechanics) ആണ്.
എന്തുകൊണ്ടാണ് ഒരു റോക്കറ്റ് കുത്തനെ മുകളിലേക്ക് മാത്രം പറന്നുയരാതെ, ഒരു നിശ്ചിത ഉയരത്തിലെത്തുമ്പോൾ വശങ്ങളിലേക്ക് ചരിഞ്ഞ് സഞ്ചരിക്കുന്നത്? എന്തുകൊണ്ടാണ് ബഹിരാകാശ നിലയത്തിലുള്ള സഞ്ചാരികൾ ഭാരമില്ലായ്മ (Weightlessness) അനുഭവിക്കുന്നത്? ഈ ചോദ്യങ്ങൾക്കെല്ലാം ഉത്തരം നൽകുന്നത് നക്ഷത്രങ്ങളുടെയും ഗ്രഹങ്ങളുടെയും ചലനങ്ങളെ ഭരിക്കുന്ന ഗണിതശാസ്ത്ര തത്ത്വങ്ങളാണ്. ഭൗമ ഉപരിതലത്തിൽ നിന്ന് വിക്ഷേപിക്കപ്പെടുന്ന ഒരു വസ്തുവിന് എങ്ങനെയാണ് ഭൂമിയുടെ ആകർഷണവലയത്തിൽ നിന്ന് രക്ഷപ്പെടാൻ സാധിക്കുന്നത് എന്നത് തികച്ചും ശാസ്ത്രീയമായ ഒരു അത്ഭുതമാണ്.
ഒരു കല്ല് മുകളിലേക്ക് എറിഞ്ഞാൽ അത് തിരികെ ഭൂമിയിൽ തന്നെ വീഴുന്നു. എന്നാൽ കൂടുതൽ ബലം കൊടുത്ത് എറിഞ്ഞാൽ അത് കൂടുതൽ ദൂരത്തേക്ക് പോകുന്നു. എങ്കിൽ, എത്ര ശക്തമായി എറിഞ്ഞാലാണ് ആ കല്ല് തിരികെ വരാതെ ഭൂമിയെ ചുറ്റാൻ തുടങ്ങുന്നത്, അല്ലെങ്കിൽ ഭൂമിയുടെ അതിരുകൾ ഭേദിച്ച് അന്യഗ്രഹങ്ങളിലേക്ക് കുതിക്കുന്നത്? ഈ ചിന്തയിൽ നിന്നാണ് റോക്കറ്റ് ശാസ്ത്രത്തിന്റെ തുടക്കം. നാം ഇന്ന് ഉപയോഗിക്കുന്ന ഉപഗ്രഹങ്ങൾ, ഉപഗ്രഹ ആശയവിനിമയം, കാലാവസ്ഥാ പ്രവചനം, ചൊവ്വാ ദൗത്യങ്ങൾ എന്നിവയെല്ലാം തന്നെ പ്രവർത്തിക്കുന്നത് ഓർബിറ്റൽ മെക്കാനിക്സിന്റെ അടിസ്ഥാനത്തിലാണ്.
ഈ ലേഖനത്തിലൂടെ റോക്കറ്റുകൾ എങ്ങനെയാണ് ഗുരുത്വാകർഷണത്തെ മറികടക്കുന്നത് എന്നും, ബഹിരാകാശത്ത് ഭ്രമണപഥങ്ങളിൽ പ്രവേശിക്കുന്നതിനായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ശാസ്ത്രീയ തത്ത്വങ്ങൾ ഏതൊക്കെയാണെന്നും വളരെ ലളിതമായും എന്നാൽ ആഴത്തിലും നമുക്ക് പരിശോധിക്കാം. ഐസക് ന്യൂട്ടന്റെ വിപ്ലവാത്മക ചിന്തകൾ മുതൽ ഐഎസ്ആർഒയുടെയും നാസയുടെയും അത്യാധുനിക റോക്കറ്റ് സാങ്കേതികവിദ്യ വരെ ഈ ശാസ്ത്ര യാത്രയിൽ നമ്മൾ ചർച്ച ചെയ്യും.
ന്യൂട്ടന്റെ പീരങ്കിയുണ്ട: ഓർബിറ്റൽ ചലനത്തിന്റെ ഗണിതശാസ്ത്ര രൂപം
ഓർബിറ്റൽ മെക്കാനിക്സ് മനസ്സിലാക്കാൻ ഏറ്റവും മികച്ച വഴി സർ ഐസക് ന്യൂട്ടൻ പതിനേഴാം നൂറ്റാണ്ടിൽ അവതരിപ്പിച്ച ഒരു സാങ്കൽപ്പിക പരീക്ഷണം (Thought Experiment) ആണ്. ഇത് ‘ന്യൂട്ടൻസ് കാനൺബോൾ’ (Newton’s Cannonball) എന്നറിയപ്പെടുന്നു. ഒരു ഉയർന്ന മലമുകളിൽ ഒരു പീരങ്കി വച്ചിരിക്കുന്നതായി സങ്കൽപ്പിക്കുക. ഈ പീരങ്കിയിൽ നിന്ന് ഒരു പീരങ്കിയുണ്ട തിരശ്ചീനമായി (horizontally) വെടിവയ്ക്കുന്നു. ഗുരുത്വാകർഷണം കാരണം, അത് കുറച്ചു ദൂരം മുന്നോട്ട് പോയ ശേഷം വക്രരേഖയിൽ സഞ്ചരിച്ച് ഭൂമിയിൽ പതിക്കും.
ഇനി, പീരങ്കിമരുന്നിന്റെ അളവ് കൂട്ടി പീരങ്കിയുണ്ട കൂടുതൽ വേഗത്തിൽ തൊടുത്തുവിട്ടാൽ എന്ത് സംഭവിക്കും? അത് ഭൂമിയുടെ വക്രതയ്ക്ക് (curvature) അനുസൃതമായി കൂടുതൽ ദൂരേക്ക് പറന്നുയരുകയും, ഒടുവിൽ ഭൂമിയിൽ വീഴുകയും ചെയ്യും. എന്നാൽ, ഈ വേഗത ഒരു നിശ്ചിത പരിധിയിൽ (ഏകദേശം സെക്കൻഡിൽ 7.8 കിലോമീറ്റർ) എത്തിയാൽ സംഭവിക്കുന്നത് ഒരു അത്ഭുതമാണ്. പീരങ്കിയുണ്ട ഭൂമിയിലേക്ക് താഴാൻ ശ്രമിക്കുന്ന അതേ നിരക്കിൽ തന്നെ ഭൂമിയുടെ ഉപരിതലവും വക്രമായി താഴേക്ക് മാറുന്നു! അതായത്, പീരങ്കിയുണ്ട ഭൂമിയിലേക്ക് വീണുകൊണ്ടിരിക്കുകയാണ്, എന്നാൽ അത് ഒരിക്കലും ഭൂമിയിൽ തൊടുന്നില്ല.
ഈ അവസ്ഥയ്ക്കാണ് ‘ഓർബിറ്റ്’ അല്ലെങ്കിൽ ഭ്രമണപഥം എന്ന് പറയുന്നത്. സാങ്കേതികമായി പറഞ്ഞാൽ, ഒരു വസ്തു ഒരു ഗ്രഹത്തിനു ചുറ്റും ഭ്രമണം ചെയ്യുമ്പോൾ, അത് നിരന്തരം ആ ഗ്രഹത്തിലേക്ക് വീണുകൊണ്ടിരിക്കുകയാണ് (Free fall). എന്നാൽ അതിനുള്ള അതിവേഗത്തിലുള്ള തിരശ്ചീന വേഗത (Horizontal velocity) കാരണം അത് ഗ്രഹത്തിന്റെ ഉപരിതലത്തിൽ സ്പർശിക്കാതെ അതേ ഉയരത്തിൽ നിലനിൽക്കുന്നു. ഈ വേഗതയെയാണ് ‘ഓർബിറ്റൽ വെലോസിറ്റി’ (Orbital Velocity) എന്ന് വിളിക്കുന്നത്.
ഇവിടെ ഭാരമില്ലായ്മ അനുഭവപ്പെടുന്നതിന്റെ കാരണവും വ്യക്തമാണ്. അന്താരാഷ്ട്ര ബഹിരാകാശ നിലയത്തിലെ (ISS) സഞ്ചാരികൾ ഭൂമിയിൽ നിന്ന് ഏകദേശം 400 കിലോമീറ്റർ മാത്രം ഉയരത്തിലാണ് കഴിയുന്നത്. അവിടെ ഭൂമിയുടെ ഗുരുത്വാകർഷണം പൂജ്യമല്ല, മറിച്ച് ഉപരിതലത്തിലുള്ളതിന്റെ 90 ശതമാനത്തോളം ഉണ്ട്. എന്നാൽ നിലയവും അതിനുള്ളിലുള്ള സഞ്ചാരികളും ഒരുപോലെ ഭൂമിയിലേക്ക് സ്വതന്ത്രമായി വീണുകൊണ്ടിരിക്കുന്നതുകൊണ്ടാണ് (Free fall) അവർക്ക് ഭാരമില്ലായ്മ അനുഭവപ്പെടുന്നത്. റോക്കറ്റുകൾ നമ്മുടെ അന്തരീക്ഷം കടന്ന് ഉപഗ്രഹങ്ങളെ ഇത്തരത്തിലുള്ള ഭ്രമണപഥങ്ങളിൽ എത്തിക്കുകയാണ് ചെയ്യുന്നത്.
എന്താണ് പലായന വേഗം?
ഭൂമിയുടെ ചുറ്റും ഭ്രമണം ചെയ്യുക എന്നതും, ഭൂമിയുടെ ആകർഷണത്തിൽ നിന്ന് പൂർണ്ണമായി രക്ഷപ്പെട്ട് മറ്റ് ഗ്രഹങ്ങളിലേക്ക് പോവുക എന്നതും രണ്ട് വ്യത്യസ്ത കാര്യങ്ങളാണ്. ഭൂമിയുടെ ഗുരുത്വാകർഷണ വലയം അനന്തത വരെ നീളുന്ന ഒന്നാണ്, എന്നാൽ നിശ്ചിത വേഗത കൈവരിച്ചാൽ ഒരു വസ്തുവിന് ഭൂമിയുടെ ആകർഷണത്തിൽ നിന്ന് എന്നന്നേക്കുമായി പുറത്തുപോകാൻ സാധിക്കും. ഈ കുറഞ്ഞ വേഗതയെയാണ് ‘പലായന വേഗം’ അല്ലെങ്കിൽ ‘എസ്കേപ്പ് വെലോസിറ്റി’ (Escape Velocity) എന്ന് വിളിക്കുന്നത്.
ഭൂമിയുടെ ഉപരിതലത്തിൽ നിന്ന് ഒരു വസ്തുവിന് നൽകേണ്ട പലായന വേഗം സെക്കൻഡിൽ ഏകദേശം 11.2 കിലോമീറ്റർ ആണ് (മണിക്കൂറിൽ ഏകദേശം 40,320 കിലോമീറ്റർ). ഒരു വസ്തുവിന് ഈ വേഗത നൽകാൻ കഴിഞ്ഞാൽ, ഇന്ധനത്തിന്റെ സഹായമില്ലാതെ തന്നെ ഭൂമിയുടെ ഗുരുത്വാകർഷണത്തെ മറികടന്ന് സൂര്യന്റെ ഭ്രമണപഥത്തിലേക്ക് കടക്കാൻ അതിന് സാധിക്കും. എന്നാൽ വസ്തുവിന്റെ പിണ്ഡം (Mass) എത്രയായാലും ഈ വേഗത മാറ്റമില്ലാതെ തുടരും. ഒരു ചെറിയ കല്ലിനായാലും, ഭീമാകാരമായ ഒരു റോക്കറ്റിനായാലും ഭൂമിയിൽ നിന്നുള്ള പലായന വേഗം സെക്കൻഡിൽ 11.2 കിലോമീറ്റർ തന്നെയാണ്.
പലായന വേഗം കണക്കാക്കുന്നത് പ്രധാനമായും രണ്ട് ഘടകങ്ങളെ ആശ്രയിച്ചാണ്: ആകാശഗോളത്തിന്റെ പിണ്ഡവും (Mass) അതിന്റെ ആരവും (Radius). പിണ്ഡം കൂടുതലുള്ള ഗ്രഹങ്ങളിൽ പലായന വേഗം കൂടുതലായിരിക്കും. ഉദാഹരണത്തിന്, വൻകിട ഗ്രഹമായ വ്യാഴത്തിൽ (Jupiter) പലായന വേഗം സെക്കൻഡിൽ 59.5 കിലോമീറ്ററാണ്. എന്നാൽ ചന്ദ്രനിൽ ഇത് സെക്കൻഡിൽ വെറും 2.38 കിലോമീറ്റർ മാത്രമാണ്. അതുകൊണ്ടാണ് അപ്പോളോ ദൗത്യങ്ങളിൽ ചന്ദ്രനിൽ നിന്ന് തിരികെ വരാൻ വളരെ ചെറിയ റോക്കറ്റുകൾ മാത്രം ആവശ്യമായി വന്നത്.
എന്നാൽ പ്രായോഗിക തലത്തിൽ, ഒരു റോക്കറ്റ് ഭൂമിയിൽ നിന്ന് വിക്ഷേപിക്കുമ്പോൾ ഒരൊറ്റ നിമിഷം കൊണ്ട് സെക്കൻഡിൽ 11.2 കിലോമീറ്റർ വേഗത കൈവരിക്കാറില്ല. കാരണം അന്തരീക്ഷ വായുവുമായുള്ള ഘർഷണം മൂലം ഉണ്ടാകുന്ന അമിതമായ ചൂട് റോക്കറ്റിനെ കത്തിച്ചുകളയും. അതിനാൽ, റോക്കറ്റുകൾ അന്തരീക്ഷത്തിന്റെ കട്ടി കുറഞ്ഞ ഭാഗങ്ങളിലേക്ക് പതുക്കെ ഉയരുകയും, അതിനുശേഷം ത്വരണം വർദ്ധിപ്പിച്ച് ഘട്ടം ഘട്ടമായി ഈ വേഗത കൈവരിക്കുകയുമാണ് ചെയ്യുന്നത്.
വിക്ഷേപണത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന തത്ത്വം
വായുയില്ലാത്ത ശൂന്യകാശത്ത് ഒരു റോക്കറ്റിന് എങ്ങനെ മുന്നോട്ട് പോകാൻ കഴിയുന്നു? വിമാനം വായുവിനെ തള്ളിമാറ്റിയാണ് പറക്കുന്നത്, എന്നാൽ ബഹിരാകാശത്ത് വായുവില്ല. ഇതിനുള്ള ഉത്തരം ന്യൂട്ടന്റെ മൂന്നാം ചലന നിയമത്തിലാണ്: ‘ഏതൊരു ക്രിയയ്ക്കും തുല്യവും വിപരീതവുമായ ഒരു പ്രതിക്രിയ ഉണ്ടായിരിക്കും’ (Every action has an equal and opposite reaction). റോക്കറ്റ് അതിന്റെ പിന്നിലൂടെ വാതകങ്ങളെ അതിവേഗത്തിൽ പുറന്തള്ളുമ്പോൾ, ആ പുറന്തള്ളൽ ബലം റോക്കറ്റിനെ മുന്നോട്ട് തള്ളുന്നു (Thrust).
ഈ ആശയത്തെ ഒരു ഗണിതശാസ്ത്ര സമവാക്യത്തിലേക്ക് മാറ്റിയത് റഷ്യൻ ശാസ്ത്രജ്ഞനായ കോൺസ്റ്റന്റൈൻ സിയോൾകോവ്സ്കി (Konstantin Tsiolkovsky) ആണ്. 1903-ൽ അദ്ദേഹം പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ‘സിയോൾകോവ്സ്കി റോക്കറ്റ് ഇക്വേഷൻ’ (Tsiolkovsky Rocket Equation) ആണ് ബഹിരാകാശ യാത്രാ ശാസ്ത്രത്തിന്റെ ആണിക്കല്ല്. ഈ സമവാക്യം ഒരു റോക്കറ്റിന്റെ വേഗതയിലെ വ്യത്യാസം (Δv അല്ലെങ്കിൽ Delta-v), ഇന്ധനത്തിന്റെ നിർഗ്ഗമന വേഗത (Exhaust velocity), റോക്കറ്റിന്റെ തുടക്കത്തിലെയും ഒടുക്കത്തിലെയും പിണ്ഡങ്ങൾ തമ്മിലുള്ള അനുപാതം എന്നിവയെ തമ്മിൽ ബന്ധിപ്പിക്കുന്നു.
റോക്കറ്റ് സമവാക്യം മുന്നോട്ടുവെക്കുന്ന ഏറ്റവും വലിയ വെല്ലുവിളി ‘ടയറണി ഓഫ് ദി റോക്കറ്റ് ഇക്വേഷൻ’ (Tyranny of the Rocket Equation) എന്നറിയപ്പെടുന്നു. അതായത്, റോക്കറ്റിന് കൂടുതൽ വേഗത വേണമെങ്കിൽ കൂടുതൽ ഇന്ധനം വേണം. എന്നാൽ കൂടുതൽ ഇന്ധനം നിറയ്ക്കുമ്പോൾ റോക്കറ്റിന്റെ ഭാരം വർദ്ധിക്കുന്നു! ഈ ഭാരക്കൂടുതൽ കാരണം ഇന്ധനം ഉയർത്താൻ വീണ്ടും കൂടുതൽ ഇന്ധനം ആവശ്യമായി വരുന്നു. ഫലത്തിൽ, ഒരു സാധാരണ റോക്കറ്റിന്റെ ആകെ ഭാരത്തിന്റെ 85 മുതൽ 90 ശതമാനം വരെയും കേവലം ഇന്ധനം (Propellant) മാത്രമായിരിക്കും.
റോക്കറ്റിൽ നാം അയക്കുന്ന യഥാർത്ഥ വസ്തുവിനെ (ഉപഗ്രഹം അല്ലെങ്കിൽ സഞ്ചാരികൾ അടങ്ങിയ പേടകം) ‘പേലോഡ്’ (Payload) എന്ന് വിളിക്കുന്നു. റോക്കറ്റിന്റെ ആകെ ഭാരത്തിന്റെ 2 മുതൽ 4 ശതമാനം വരെ മാത്രമായിരിക്കും ഈ പേലോഡിന്റെ ഭാരം! ബാക്കി സിംഹഭാഗവും ഇന്ധനവും അത് സംഭരിക്കുന്ന കൂറ്റൻ ടാങ്കുകളുമാണ്. ഈ ഭാരപ്രതിസന്ധി മറികടക്കാൻ ശാസ്ത്രജ്ഞർ കണ്ടെത്തിയ ഏറ്റവും മികച്ച തന്ത്രമാണ് ‘സ്റ്റേജിംഗ്’ (Staging).
സ്റ്റേജിംഗ് അഥവാ ബഹുഘട്ട റോക്കറ്റ് വിപ്ലവം
ഒരു റോക്കറ്റ് ഒറ്റഭാഗമായി നിർമ്മിച്ച് ബഹിരാകാശത്ത് എത്തിക്കുക എന്നത് പ്രായോഗികമായി അസാധ്യമാണ്. ഇതിന് പരിഹാരമായാണ് റോബേർട്ട് ഹച്ചിംഗ്സ് ഗൊദാർദ് എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ബഹുഘട്ട റോക്കറ്റുകൾ (Multi-stage Rockets) എന്ന ആശയം വികസിപ്പിച്ചത്. ഇന്ന് കാണുന്ന എല്ലാ സാറ്റലൈറ്റ് ലോഞ്ച് വെഹിക്കിളുകളും (PSLV, GSLV, Saturn V, Falcon 9) ഈ തത്ത്വത്തിലാണ് പ്രവർത്തിക്കുന്നത്.
സ്റ്റേജിംഗ് എന്നാൽ റോക്കറ്റിനെ ഒന്നിൽക്കൂടുതൽ ഭാഗങ്ങളായി (Stages) വിഭജിക്കുക എന്നതാണ്. ഓരോ ഘട്ടത്തിലും അതിന്റേതായ എഞ്ചിനുകളും ഇന്ധന ടാങ്കുകളും ഉണ്ടാകും. വിക്ഷേപണ സമയത്ത് ഒന്നാം ഘട്ടത്തിലെ എഞ്ചിനുകൾ പ്രവർത്തിക്കുന്നു. ഇന്ധനം തീർന്നു കഴിഞ്ഞാൽ, ഉപയോഗശൂന്യമായ ആ കൂറ്റൻ ഇന്ധന ടാങ്കും എഞ്ചിനും റോക്കറ്റിൽ നിന്ന് വേർപെട്ട് താഴേക്ക് പതിക്കുന്നു. ഇതോടെ റോക്കറ്റിന്റെ ഭാരം ഗണ്യമായി കുറയുന്നു. തുടർന്ന് രണ്ടാം ഘട്ടത്തിലെ എഞ്ചിനുകൾ ജ്വലിക്കാൻ തുടങ്ങുന്നു.
ഉദാഹരണത്തിന്, ഇന്ത്യയുടെ വിശ്വസ്ത വിക്ഷേപണ വാഹനമായ പിഎസ്എൽവി (PSLV) നാല് ഘട്ടങ്ങളുള്ള ഒരു റോക്കറ്റാണ്. ഒന്നാം ഘട്ടവും മൂന്നാം ഘട്ടവും കട്ടികൂട്ടിയ ഖര ഇന്ധനവും (Solid fuel), രണ്ടാം ഘട്ടവും നാലാം ഘട്ടവും ദ്രാവക ഇന്ധനവും (Liquid fuel) ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഭാരം കുറയുന്നതിനനുസരിച്ച് റോക്കറ്റിന് വേഗത വർദ്ധിപ്പിക്കാൻ വളരെ എളുപ്പമാകുന്നു. സ്റ്റേജിംഗ് സാങ്കേതികവിദ്യ ഇല്ലായിരുന്നുവെങ്കിൽ മനുഷ്യന് ഒരിക്കലും ചന്ദ്രനിൽ കാലുകുത്താനോ ചൊവ്വയിലേക്ക് പേടകങ്ങൾ അയക്കാനോ സാധിക്കുമായിരുന്നില്ല.
ആധുനിക കാലത്ത് സ്പേസ് എക്സ് (SpaceX) പോലുള്ള കമ്പനികൾ ആദ്യഘട്ട എഞ്ചിനുകൾ കടലിൽ വീണു നശിച്ചുപോകാതെ തിരികെ ഭൂമിയിൽ സുരക്ഷിതമായി ഇറക്കുന്ന ‘റീയൂസബിൾ റോക്കറ്റ്’ (Reusable Rockets) സാങ്കേതികവിദ്യ വികസിപ്പിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഇത് ബഹിരാകാശ യാത്രയുടെ ചെലവ് വലിയ തോതിൽ കുറയ്ക്കാൻ സഹായിച്ചു. എങ്കിലും, സ്റ്റേജിംഗ് എന്ന അടിസ്ഥാന ഭൗതികശാസ്ത്ര തത്ത്വം മാറ്റമില്ലാതെ തുടരുന്നു.
കേപ്ലറുടെ നിയമങ്ങളും ബഹിരാകാശ പാതകളും
റോക്കറ്റ് അന്തരീക്ഷം ഭേദിച്ച് ഉയർന്ന ശേഷം, പേലോഡിനെ കൃത്യമായ ഭ്രമണപഥത്തിൽ എത്തിക്കുന്നതിന് യോഹാനസ് കേപ്ലർ (Johannes Kepler) 17-ാം നൂറ്റാണ്ടിൽ ആവിഷ്കരിച്ച ഗ്രഹചലന നിയമങ്ങളാണ് ഉപയോഗിക്കുന്നത്. ഓർബിറ്റൽ മെക്കാനിക്സിന്റെ മാതാവ് എന്ന് വിളിക്കാവുന്നത് കേപ്ലറുടെ മൂന്ന് നിയമങ്ങളെയാണ്.
കേപ്ലറുടെ ഒന്നാം നിയമപ്രകാരം, ഏതൊരു ഉപഗ്രഹത്തിന്റെയും ഭ്രമണപഥം പൂർണ്ണമായ വട്ടത്തിലല്ല (Circle), മറിച്ച് ഒരു ദീർഘവൃത്തത്തിലാണ് (Ellipse). ഈ ദീർഘവൃത്തത്തിന്റെ ഒരു ഫോക്കസിൽ (Focus) കേന്ദ്ര ഗോളം (ഉദാഹരണത്തിന് ഭൂമി) സ്ഥിതിചെയ്യുന്നു. അതിനാൽ, ഒരു ഉപഗ്രഹം ഭൂമിയെ ചുറ്റുമ്പോൾ അത് ഭൂമിയോട് ഏറ്റവും അടുത്തുവരുന്ന ഒരു ബിന്ദുവും (Perigee), ഏറ്റവും അകലെയാകുന്ന ഒരു ബിന്ദുവും (Apogee) ഉണ്ടാകും.
കേപ്ലറുടെ രണ്ടാം നിയമമനുസരിച്ച്, ഉപഗ്രഹം പെരിജിയിൽ (ഭൂമിയോട് അടുക്കുമ്പോൾ) അതിവേഗത്തിലും, അപോജിയിൽ (ഭൂമിയിൽ നിന്ന് അകലുമ്പോൾ) വേഗത കുറഞ്ഞും സഞ്ചരിക്കും. ഇതിനെയാണ് ‘ഏരിയൽ വെലോസിറ്റി’ (Areal Velocity) സ്ഥിരമായിരിക്കും എന്ന് പറയുന്നത്. റോക്കറ്റ് ശാസ്ത്രജ്ഞർ ഒരു ഉപഗ്രഹത്തിന്റെ ഭ്രമണപഥം മാറ്റാൻ (Orbital maneuver) ഈ തത്ത്വം വൻതോതിൽ ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നു.
ഒരു ഭ്രമണപഥത്തിൽ നിന്ന് മറ്റൊരു ഭ്രമണപഥത്തിലേക്ക് മാറാൻ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഏറ്റവും കാര്യക്ഷമമായ പാതയാണ് ‘ഹോഹ്മാൻ ട്രാൻസ്ഫർ ഓർബിറ്റ്’ (Hohmann Transfer Orbit). 1925-ൽ വാൾട്ടർ ഹോഹ്മാൻ കണ്ടെത്തിയ ഈ രീതിയിൽ, കുറഞ്ഞ ഇന്ധനം ഉപയോഗിച്ച് ഉപഗ്രഹത്തെ താഴ്ന്ന ഭ്രമണപഥത്തിൽ നിന്ന് ഉയർന്നു ഭ്രമണപഥത്തിലേക്ക് (ഉദാഹരണത്തിന് ഭൂമിയിൽ നിന്ന് ചൊവ്വയിലേക്ക്) മാറ്റാൻ സാധിക്കുന്നു. രണ്ട് തവണ എഞ്ചിൻ ജ്വലിപ്പിച്ചാണ് (Engine burn) ഈ ഭ്രമണപഥ മാറ്റം സാധ്യമാക്കുന്നത്. ഇന്ത്യയുടെ മംഗൾയാൻ ദൗത്യം ചൊവ്വയിലെത്താൻ ഉപയോഗിച്ചതും ഈ തത്ത്വമാണ്.
ഗ്രഹങ്ങളുടെ ഗുരുത്വാകർഷണം ഉപയോഗിച്ചുള്ള കപട ഇന്ധനം
സൗരയൂഥത്തിന്റെ അതിരുകൾ താണ്ടി യാത്ര ചെയ്ത വൊയേജർ 1, വൊയേജർ 2 (Voyager), നാസയുടെ കാസിനി (Cassini) എന്നീ പേടകങ്ങൾ ഇത്രയും ദൂരം സഞ്ചരിച്ചത് എങ്ങനെയാണെന്ന് ചിന്തിച്ചിട്ടുണ്ടോ? അത്രയും ദൂരത്തേക്ക് സഞ്ചരിക്കാനുള്ള ഇന്ധനം വഹിക്കാൻ ഒരു റോക്കറ്റിനും കഴിയില്ല. ഇവിടെയാണ് ശാസ്ത്രജ്ഞർ ‘ഗ്രാവിറ്റി അസിസ്റ്റ്’ (Gravity Assist) അഥവാ ‘ഗ്രാവിറ്റേഷണൽ സ്വിംഗ്-ബൈ’ (Gravitational Swing-by) എന്ന സാങ്കേതികവിദ്യ ഉപയോഗിക്കുന്നത്.
ചളിയിൽ കറങ്ങുന്ന ഒരു വീലിൽ ഒരു പന്ത് തട്ടിത്തെറിക്കുമ്പോൾ ആ പന്തിന് വീലിന്റെ വേഗത കൂടി ലഭിക്കുന്നതുപോലെ, ഒരു പേടകം ഒരു ഭീമൻ ഗ്രഹത്തിന്റെ (ഉദാഹരണത്തിന് വ്യാഴം അല്ലെങ്കിൽ ശുക്രൻ) ഗുരുത്വാകർഷണ വലയത്തിലേക്ക് കടക്കുമ്പോൾ, ഗ്രഹത്തിന്റെ ആകർഷണം പേടകത്തെ തന്നിലേക്ക് വലിച്ചടുപ്പിക്കുന്നു. പേടകം ഗ്രഹത്തെ ചുറ്റി പുറത്തേക്ക് കടക്കുമ്പോൾ, ഗ്രഹത്തിന്റെ സൂര്യനു ചുറ്റുമുള്ള ഭ്രമണവേഗതയുടെ ഒരു ചെറിയ অংশ പേടകത്തിന് ലഭിക്കുന്നു.
ഈ പ്രക്രിയയിലൂടെ പേടകത്തിന് ഇന്ധനം ഒട്ടും ഉപയോഗിക്കാതെ തന്നെ ആയിരക്കണക്കിന് കിലോമീറ്റർ വേഗത അധികമായി ലഭിക്കുന്നു! പകരം, ഗ്രഹത്തിന്റെ വേഗതയിൽ കണ്ണിൽ ചോരാത്തത്ര ചെറിയൊരു കുറവ് സംഭവിക്കുന്നു (അത് ഗണനീയമല്ല). വൊയേജർ പേടകങ്ങൾ വ്യാഴം, ശനി, യുറാനസ്, നെപ്റ്റ്യൂൺ എന്നീ ഗ്രഹങ്ങളുടെ ഗ്രാവിറ്റി അസിസ്റ്റ് ഉപയോഗിച്ചാണ് സൗരയൂഥത്തിന് വെളിയിലെത്തിയത്.
ഇന്ത്യയുടെ ചന്ദ്രയാൻ, മംഗൾയാൻ ദൗത്യങ്ങളും ഗ്രാവിറ്റി അസിസ്റ്റിന്റെ പരോക്ഷ രൂപങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഭാരമേറിയ റോക്കറ്റുകളുടെ കുറവ് നികത്താൻ, ഭൂമിയെ പലതവണ ചുറ്റി, ഓരോ തവണയും പെരിജിയിൽ എഞ്ചിൻ ജ്വലിപ്പിച്ച് ഭ്രമണപഥം വികസിപ്പിച്ചാണ് (Earth-bound maneuvers) ഈ പേടകങ്ങൾ ചന്ദ്രനിലേക്കും ചൊവ്വയിലേക്കും കുതിച്ചത്.
ബഹിരാകാശ യാത്രയെക്കുറിച്ചുള്ള ചില തെറ്റിദ്ധാരണകൾ
ജനപ്രിയ സിനിമകളും ശാസ്ത്ര സാഹിത്യങ്ങളും കാരണം ഓർബിറ്റൽ മെക്കാനിക്സിനെക്കുറിച്ച് നിരവധി തെറ്റിദ്ധാരണകൾ പൊതുജനങ്ങൾക്കിടയിലുണ്ട്. അവയിൽ ചിലത് ശാസ്ത്രീയമായി തിരുത്തപ്പെടേണ്ടതുണ്ട്.
- തെറ്റിദ്ധാരണ 1: അന്തരീക്ഷത്തിന് വെളിയിൽ ഗുരുത്വാകർഷണം ഇല്ല.
സത്യത്തിൽ അന്തരീക്ഷം അവസാനിക്കുന്നിടത്ത് ഗുരുത്വാകർഷണം നിൽക്കുന്നില്ല. അന്താരാഷ്ട്ര ബഹിരാകാശ നിലയം നിൽക്കുന്ന 400 കി.മീ ഉയരത്തിൽ ഭൂമിയുടെ 90% ഗുരുത്വാകർഷണവുമുണ്ട്. ഉപഗ്രഹം ഭൂമിയിലേക്ക് വീണുകൊണ്ടിരിക്കുകയും ഒപ്പം വശങ്ങളിലേക്ക് വേഗത്തിൽ സഞ്ചരിക്കുകയും ചെയ്യുന്നത് കൊണ്ടാണ് അവിടെ ഭാരമില്ലായ്മ തോന്നുന്നത്. - തെറ്റിദ്ധാരണ 2: റോക്കറ്റുകൾക്ക് ബഹിരാകാശത്ത് തള്ളാൻ വായു ആവശ്യമാണ്.
റോക്കറ്റുകൾ വായുവിൽ തള്ളിയല്ല മുന്നോട്ട് പോകുന്നത്. റിയാക്ഷൻ മാസ് (Reaction Mass) അഥവാ ജ്വലിച്ചു പുറന്തള്ളുന്ന വാതകങ്ങളുടെ പ്രതിപ്രവർത്തനം മൂലമാണ് (ന്യൂട്ടന്റെ മൂന്നാം നിയമം) അവ ശൂന്യകാശത്തിലൂടെ സഞ്ചരിക്കുന്നത്. - തെറ്റിദ്ധാരണ 3: റോക്കറ്റ് എപ്പോഴും കുത്തനെയാണ് പറക്കുന്നത്.
വിക്ഷേപണത്തിന്റെ ആദ്യ കുറച്ചു സെക്കൻഡുകൾ മാത്രമാണ് റോക്കറ്റ് കുത്തനെ ഉയരുന്നത്. അതിനുശേഷം അത് ഒരു വക്രരേഖയിൽ (Gravity turn) ചരിഞ്ഞ് ഭൂമിയുടെ കറക്കത്തിന്റെ ദിശയിലേക്ക് (കിഴക്കോട്ട്) സഞ്ചരിക്കുന്നു. കാരണം, ബഹിരാകാശത്ത് എത്തുക എന്നതിനേക്കാൾ പ്രധാനം ഭ്രമണപഥത്തിൽ നിലനിൽക്കാനുള്ള തിരശ്ചീന വേഗത (Horizontal Velocity) കൈവരിക്കുക എന്നതാണ്.
ഭാവി വിക്ഷേപണ സാങ്കേതികവിദ്യകൾ:
പരമ്പരാഗത രാസ ഇന്ധനങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ചുള്ള റോക്കറ്റുകൾക്ക് ശാസ്ത്രീയമായ ചില പരിധികളുണ്ട്. കൂടുതൽ ദൂരത്തേക്ക് അതിവേഗം സഞ്ചരിക്കാൻ പുതിയ സാങ്കേതികവിദ്യകൾ ശാസ്ത്രലോകം വികസിപ്പിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു.
അതിലൊന്നാണ് ‘അയോൺ പ്രൊപ്പൽഷൻ’ (Ion Propulsion). രാസ ഇന്ധനങ്ങൾ കത്തിക്കുന്നതിന് പകരം, സിനോൺ (Xenon) പോലുള്ള വാതകങ്ങളെ വിദ്യുത്കാന്തിക മണ്ഡലം ഉപയോഗിച്ച് അയോണീകരിക്കുകയും, ഉയർന്ന വേഗതയിൽ പുറന്തള്ളുകയും ചെയ്യുന്ന രീതിയാണിത്. ഇത് ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്ന ത്രസ്റ്റ് (Thrust) വളരെ കുറവാണെങ്കിലും, മാസങ്ങളോളം തുടർച്ചയായി പ്രവർത്തിക്കാൻ ഇതിന് കഴിയും. ഇത് പേടകത്തിന് വൻ വേഗത നൽകുന്നു. നാസയുടെ ഡീപ്പ് സ്പേസ് 1, ഡാൺ (Dawn) ദൗത്യങ്ങളിൽ ഈ സാങ്കേതികവിദ്യ വിജയകരമായി ഉപയോഗിച്ചു.
മറ്റൊരു വിപ്ലവാത്മക ആശയമാണ് ‘സ്പേസ് എലിവേറ്റർ’ (Space Elevator). ഭൂമിയിൽ നിന്ന് 36,000 കിലോമീറ്റർ ഉയരത്തിലുള്ള ജിയോസ്റ്റേഷണറി ഭ്രമണപഥത്തിലേക്ക് കാർബൺ നാനോട്യൂബുകൾ കൊണ്ട് നിർമ്മിച്ച അതിശക്തമായ കേബിളുകൾ ബന്ധിപ്പിച്ച്, ലിഫ്റ്റ് മാർഗ്ഗം പേടകങ്ങളെ ബഹിരാകാശത്ത് എത്തിക്കുക എന്നതാണ് ഈ സ്വപ്ന പദ്ധതി. ഇത് യാഥാർത്ഥ്യമായാൽ റോക്കറ്റ് ഇന്ധനത്തിന്റെ ചെലവില്ലാതെ പെയ്ലോഡുകൾ അന്തരീക്ഷത്തിന് പുറത്തെത്തിക്കാം.
കൂടാതെ, സോളാർ സെയിലുകൾ (Solar Sails – സൂര്യപ്രകാശത്തിലെ ഫോട്ടോണുകളുടെ സമ്മർദ്ദം ഉപയോഗിച്ച് സഞ്ചരിക്കുന്നവ), ന്യൂക്ലിയർ തെർമൽ പ്രൊപ്പൽഷൻ (Nuclear Thermal Propulsion) എന്നിവയും ഭാവിയിലെ ഓർബിറ്റൽ യാത്രകളെ കൂടുതൽ വേഗമേറിയതും ചെലവ് കുറഞ്ഞതുമാക്കാൻ സഹായിക്കുന്ന ഗവേഷണ മേഖലകളാണ്.
ഓർബിറ്റൽ മെക്കാനിക്സ് എന്നത് മനുഷ്യന്റെ ബുദ്ധിശക്തിയുടെയും പ്രകൃതിനിയമങ്ങളെ മനസ്സിലാക്കാനുള്ള ആഗ്രഹത്തിന്റെയും മനോഹരമായ തെളിവാണ്. ഭൂമിയുടെ മണ്ണിൽ ഉറച്ചുനിന്നുകൊണ്ട്, പതിനേഴാം നൂറ്റാണ്ടിൽ ന്യൂട്ടനും കേപ്ലറും കണ്ടെത്തിയ ഗണിത തത്ത്വങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച്, ഇന്ന് നമ്മൾ കോടിക്കണക്കിന് കിലോമീറ്ററുകൾക്കപ്പുറമുള്ള ഗ്രഹങ്ങളിലേക്ക് കൃത്യതയോടെ പേടകങ്ങൾ അയക്കുന്നു.
ഗുരുത്വാകർഷണം എന്ന സാർവത്രിക ബലത്തെ കീഴടക്കുകയല്ല, മറിച്ച് ആ ബലത്തെ തന്നെ ഇന്ധനവും വഴികാട്ടിയാക്കി മാറ്റുകയാണ് റോക്കറ്റ് ശാസ്ത്രം ചെയ്യുന്നത്. ഭൂമിയിലെ വിഭവങ്ങൾ പരിമിതമായിക്കൊണ്ടിരിക്കുന്ന ഈ കാലഘട്ടത്തിൽ, മനുഷ്യകുലത്തിന്റെ ഭാവി നിലനിൽപ്പിന് ബഹിരാകാശ ഗവേഷണങ്ങളും ഓർബിറ്റൽ മെക്കാനിക്സിലുള്ള ശാസ്ത്രീയ മുന്നേറ്റങ്ങളും വലിയ പങ്ക് വഹിക്കും എന്നതിൽ സംശയമില്ല.
അറിവ് പരിശോധിക്കാം (Test Your Knowledge)
1. ഭൂമിയുടെ ഉപരിതലത്തിൽ നിന്നുള്ള പലായന വേഗം (Escape Velocity) എത്രയാണ്?
ഉത്തരം കാണുക (Show Answer)
സെക്കൻഡിൽ ഏകദേശം 11.2 കിലോമീറ്റർ (11.2 km/s).
2. റോക്കറ്റുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന ‘സ്റ്റേജിംഗ്’ (Staging) സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ പ്രധാന ലക്ഷ്യം എന്താണ്?
ഉത്തരം കാണുക (Show Answer)
ഇന്ധനം തീരുന്ന ഭാഗങ്ങൾ വേർപെടുത്തി റോക്കറ്റിന്റെ ഭാരം കുറയ്ക്കുക, അതുവഴി കൂടുതൽ വേഗത കൈവരിക്കുക.
3. ബഹിരാകാശ പേടകങ്ങൾ ഇന്ധനം ഉപയോഗിക്കാതെ ഗ്രഹങ്ങളുടെ ഗുരുത്വാകർഷണം ഉപയോഗിച്ച് വേഗത കൂട്ടുന്ന രീതി ഏതാണ്?
ഉത്തരം കാണുക (Show Answer)
ഗ്രാവിറ്റി അസിസ്റ്റ് (Gravity Assist) അല്ലെങ്കിൽ ഗ്രാവിറ്റേഷണൽ സ്വിംഗ്-ബൈ (Gravitational Swing-by).