అంతరిక్ష విజ్ఞానశాస్త్రం - ప్రాథమిక భౌతికశాస్త్ర అంశాలు

గురుత్వాకర్షణ శక్తి - థ్రస్ట్‌

గురుత్వాకర్షణ శక్తిని ఛేదించి అంతరిక్షంలోకి ప్రవేశించడం తొలితరం అంతరిక్ష పరిశోధకులకు కష్టంగా ఉండేది. గురుత్వాకర్షణ శక్తిని అధిగమించడానికి థ్రస్ట్‌ అనే చోదక శక్తి ఉపయోగపడుతుందని వారు గ్రహించారు. దీంతో థ్రస్ట్‌ను అంతరిక్ష నౌకలు, రాకెట్‌లలో వాడటం మొదలుపెట్టారు.

ఏదైనా వస్తువుపై బలాన్ని లంబంగా ప్రయోగించినప్పుడు, అది ఆ వస్తువును బలంగా ముందుకు తోస్తుంది. దీన్నే థ్రస్ట్‌ అంటారు. గురుత్వాకర్షణ శక్తిని  అధిగమిస్తూ, బలంగా తోసే చోదక శక్తినే థ్రస్ట్‌గా భావిస్తారు. 

విశ్వంలోకి ప్రయోగించే అంతరిక్ష నౌక లేదా రాకెట్‌లోని భాగాలన్నిటి బరువు కంటే థ్రస్ట్‌ భారం ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఈ అధిక బరువు అంతరిక్ష నౌకను బలంగా తోయడానికి ఉపయోగపడుతుంది.

రాకెట్‌ ఇంజిన్లలో అధిక మొత్తంలో ఇంధనాన్ని మండిస్తే, అది పైకి వెళ్లడానికి కావాల్సిన చోదక శక్తి లభిస్తుంది. ఇంధనం దహనమైనప్పుడు వేడి గాలి వెలువడుతుంది. వాయువులపై ఉత్పన్నమైన వేడి అధిక ఒత్తిడిని కలిగిస్తుంది. దీంతో రాకెట్‌లో ఉన్న వాయువులు అధిక వేగంతో రాకెట్‌కు ఉన్న రంధ్రం లేదా నాజిల్‌ ద్వారా బయటకు వెళ్తాయి. ఇలా రాకెట్‌ను ముందుకు నడిపే చోదక శక్తినే థ్రస్ట్‌గా పిలుస్తారు. ఇది రాకెట్‌ను భూ ఉపరితలం నుంచి పైకి లేపడానికి ఉపయోగపడుతుంది.

భారలేమి లేదా శూన్య భారం ((Zero Gravity or Zero-G) 

ఒక వస్తువు లేదా వ్యక్తి తన భారాన్ని పాక్షికంగా లేదా పూర్తిగా కోల్పోయినట్లు అనుభూతి చెందడాన్ని భారలేమి లేదా శూన్యభారంగా పేర్కొంటారు.

ఆ స్థితిలో వస్తువు లేదా వ్యక్తిపై గురుత్వాకర్షణ బలం ప్రభావం లేకపోవటం వల్ల ఆ అనుభూతి కలుగుతుంది. దీన్నే ‘సున్నా గురుత్వాకర్షణ’ లేదా ‘జీరో గ్రావిటీ’గా పిలుస్తారు.

ఉదా: అంతరిక్షంలో తేలియాడే వ్యోమగాములు. అంతరిక్ష కేంద్రంలో పనిచేసే వ్యోమగాములు గురుత్వాకర్షణ బలంలో తేడాల వల్ల లేదా గురుత్వాకర్షణ బలాన్ని తటస్థం చేయడానికి భారరహిత స్థితిని పొందుతారు.

పలాయన వేగం 

ఒక వస్తువు భూమి గురుత్వాకర్షణ బలాన్ని తప్పించుకునే కనీస వేగాన్ని పలాయన వేగం అంటారు. వస్తువు 11 కి.మీ./సె. వేగాన్ని అధిగమిస్తే దాన్ని పలాయన వేగంగా పరిగణిస్తారు.

భూమి పలాయన వేగం  జు’ = 11.2 కి.మీ./సె. 

అంతరిక్షంలోకి వెళ్లే రాకెట్లు లేదా వాహక నౌకల వేగం 11 కి.మీ./సె. చేరాక, వాటి వేగాన్ని పెంచి ఉపగ్రహాన్ని నిర్దేశిత కక్ష్యలో విడిచిపెడతారు. 

వాహాకనౌకలు గురుత్వాకర్షణ బలం నుంచి తప్పించుకుని అంతరిక్షంలోకి ప్రవేశిస్తాయి. 

రాకెట్లు కక్ష్య నుంచి బయటికి ప్రయాణించే వేగాన్ని పలాయన వేగంగా పేర్కొంటారు.

ఇంధనాలు 

ఒక వాహనాన్ని లేదా అంతరిక్ష నౌకను ముందుకు నడిపించడానికి కావాల్సిన శక్తిని ఇచ్చే పదార్థాలను ఇంధనాలుగా పేర్కొంటారు. అంతరిక్ష రంగంలో రాకెట్లను, ఉపగ్రహాలను ముందుకు నడిపించే పదార్థాలను ఇంధనాలుగా పిలుస్తారు. 

రాకెట్లలో ఘన ఇంధనాలుగా పొడి రసాయనాలను(dry chemicals) ఉపయోగిస్తారు. ద్రవహైడ్రోజన్‌ (LH₂) లేదా  కిరోసిన్‌ను ద్రవ ఆక్సిజన్‌ (LOX) అనే ఆక్సిడైజర్‌తో కలిపి ద్రవ ఇంధనాలుగా వాడతారు.

ఇంధనం నిర్దిష్ట ప్రేరణ (Specific Impulse) ఆధారంగా దాని ప్రభావాన్ని అంచనా వేస్తారు. నిర్దిష్ట ప్రేరణ ఇంధన సామర్థ్యంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. 

ఒక సెకను కాలంలో కిలోగ్రామ్‌ ఇంధనాన్ని మండించినప్పుడు ఉత్పన్నమయ్యే లేదా వాహకనౌకపై పడే అధిక ఒత్తిడి లేదా చోదకశక్తిని ఇంధన సామర్థ్యం అంటారు.

నిర్దిష్ట ప్రేరణ ఆధారంగానే ఇంధనాలను విభజిస్తారు. ఇది ఘన ఇంధనాల కంటే ద్రవ ఇంధనాల్లోనే ఎక్కువగా ఉంటుంది. 

ద్రవ ఇంధనాలు అధిక ఇంధన సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటాయి. అందుకే రాకెట్‌ లేదా వాహకనౌకలను ప్రయోగించే ముందు మాత్రమే వాటిలో ద్రవ ఇంధనాలను నింపుతారు.

క్రయోజెనిక్‌ ఇంధనాలు

‘క్రయోజెనిక్స్‌’ అనేది ‘క్రయోస్‌’ అనే గ్రీకు పదం నుంచి వచ్చింది. ‘క్రయోస్‌’ అంటే ‘చల్లని లేదా అతి శీతల ఘనీభవన స్థితిలో పదార్థాలను ఉత్పన్నం చేయటం’ అని అర్థం.

అతి తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల్లో పదార్థాలను ఉత్పన్నం చేయడం; అతిశీతల ఘనీభవన స్థితిలో ఉత్పన్నమైన లేదా ఉన్న పదార్థాల స్థితిని, వాటి ప్రవర్తనను అధ్యయనం చేయడాన్ని క్రయోజెనిక్స్‌ అంటారు.

సాధారణంగా అంతరిక్ష వాహక నౌకల్లో లేదా రాకెట్లలో క్రయోజెనిక్‌ ఇంధనాలను ఉపయోగిస్తారు.

ఇంధనాలను క్రయోజెనిక్‌ స్థితిలోకి మార్చడం కష్టం. సాధారణ ఇంధనాలను అతి తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఉపయోగించడం అత్యంత క్లిష్టమైన చర్య. 

ఉదా: ఆక్సిజన్‌ -297⁰F/ -183⁰C వద్ద ద్రవీభవనం చెందుతుంది. హైడ్రోజన్‌ 253⁰C వద్ద ద్రవ రూపంలోకి మారుతుంది. 

అంతరిక్ష నౌకల్లో ద్రవరూప ఆక్సిజన్‌ను ఆక్సిడైజర్‌గా, ద్రవరూప హైడ్రోజన్‌ను ఇంధనంగా ఉపయోగిస్తారు. 

ద్రవరూప ఇంధనాలను ఎక్కువ మొత్తంలో చిన్న ట్యాంకుల్లో నిల్వ చేస్తారు. 

 ఘన రూపంలో లేదా సాధారణ స్థితిలో ఉన్న ఇంధనాలను అతి శీతల ఉష్ణోగ్రతల వద్ద చల్లార్చి, వాటిని కుదిస్తారు. దీంతో వాటి సాంద్రత అధికంగా పెరుగుతుంది. ఈ విధంగా వీటిని అధిక మొత్తంలో చాలా చిన్న ట్యాంకుల్లో సైతం నిల్వ చేయొచ్చు. 

సాధారణంగా ఘన ఇంధనాలను(Solid Propellants) గృహ, పారిశ్రామిక అవసరాలకు ఉపయోగిస్తారు.

ఉదా: బొగ్గు

ప్రాథమికంగా రూపొందించిన రాకెట్లలో ప్రాచీన యుద్ధాల్లో వాడిన ‘గన్‌ పౌడర్‌’ను ఉపయోగించారు.

సాధారణంగా అంతరిక్ష రంగంలో క్రయోజెనిక్‌ దశ చివరిగా ఉంటుంది. ఈ దశలో అతిశీతల ఉష్ణోగ్రత వద్ద అధిక మొత్తంలో ఉన్న ఇంధనాలను ఉపయోగించి, ఎక్కువ బరువున్న ఉపగ్రహాలను నిర్దేశిత కక్ష్యలోకి పంపుతారు. దీన్నే క్రయోజెనిక్‌ అప్పర్‌ స్టేజ్‌గా పిలుస్తారు.

భారతదేశంలో క్రయోజెనిక్‌ సాంకేతికత:

క్రయోజెనిక్‌ ఇంధనాలను అంతరిక్ష నౌకల్లో ఉపయోగించడం అత్యంత అధునాతన ప్రక్రియ. మనదేశం ఈ ఇంధన సాంకేతికతను రష్యా, అమెరికా నుంచి దిగుమతి చేసుకునేది. ఇది అత్యంత ఖర్చుతో కూడుకున్నది, సంక్లిష్టమైంది.

క్రయోజెనిక్‌ సాంకేతికతలో స్వయం సమృద్ధి సాధించే లక్ష్యంతో ప్రభుత్వం 1987లో తిరువనంతపురం సమీపంలోని మహేంద్రగిరిలో లిక్విడ్‌ ప్రొపల్షన్‌ సిస్టం సెంటర్‌ను (LPSC) ఏర్పాటు చేసింది. 

భారత ప్రభుత్వం 1994లో GSLV రాకెట్లకు కావాల్సిన క్రయోజెనిక్‌ అప్పర్‌ స్టేజ్‌(CUS) ప్రాజెక్టుకు అనుమతిచ్చింది. 

మనదేశంలో 2010 నాటికి సొంత సాంకేతికతతో క్రయోజెనిక్‌ ఇంజిన్లు తయారయ్యాయి.

2014లో GSAT14 ఉపగ్రహాన్ని భారత్‌ విజయవంతంగా ప్రయోగించింది. దీనికి ఉపయోగించిన క్రయోజెనిక్‌ ఇంజిన్‌ను అత్యంత చవకగా, అతి తక్కువ కాలంలో రూపొందించారు. దీంతో స్వయం సమృద్ధి కలిగిన క్రయోజెనిక్‌ సాంకేతికత ఉన్న ఆరు దేశాల జాబితాలో భారత్‌ కూడా చేరింది. ఆ దేశాలు - అమెరికా, రష్యా, జపాన్, భారత్, ఫ్రాన్స్, చైనా.

క్రయోజెనిక్‌ సాంకేతికతతో 30004000 కేజీల (3 - 4 టన్నుల్శు బరువున్న GSLV రాకెట్లను జియో సింక్రోనస్‌ కక్ష్యల్లో ప్రవేశపెట్టొచ్చు.

GSLV MK III వాహక నౌకలో ఈ క్రయోజెనిక్‌ సాంకేతికతను ఉపయోగించి 4000 కేజీల వరకు బరువున్న పేలోడ్లను పంపొచ్చు. 

రాకెట్‌ ఇంజిన్‌ పనిచేసే సూత్రాలు

రాకెట్‌ ఇంజిన్లలో మొదటగా రసాయనశక్తి (Chemical Energy), గతిశక్తిగా (Kinetic Energy) మారుతుంది.

​​​​​​​ రాకెట్‌ ఇంజిన్‌ ఇంధనాలకు అధిక ఒత్తిడిని కలిగించి, థ్రస్ట్‌ను సృష్టించి, అత్యంత వేగంగా ప్రయాణిస్తుంది.

​​​​​​​ రాకెట్‌ ఇంజిన్లు ప్రాథమికంగా

i) న్యూటన్‌ మూడో చలన నియమం (Newton,s third law of Motion).

ii) ద్రవ్య వేగ నిత్యత్వ నియమం(Law of conservation of momentum) పై ఆధారపడి పని చేస్తాయి.

కక్ష్యా వేగం (Orbital Velocity)

 భూమి గురుత్వాకర్షణ బలం (Gravitational Pull), ఉపగ్రహ జడత్వ చలనం(Inertia of motion) మధ్య సమతౌల్యాన్ని పాటిస్తూ ఉపగ్రహం స్థిరకక్ష్యలో తిరిగేలా కక్ష్యాబలం ఉపయోగపడుతుంది. 

ఇది సుమారు గంటకు 17,000 మీ. ఉంటుంది (సుమారు 150 మైళ్లు లేదా 242 కి.మీ. ఎత్తులో). గురుత్వాకరణ శక్తి ప్రభావం ఉపగ్రహం మీద లేకపోతే జడత్వం వల్ల అది కక్ష్యలో నుంచి బాహ్య అంతరిక్షంలోకి వెళ్లిపోతుంది.

ఉపగ్రహం మరింత నెమ్మదిగా (తక్కువ వడితో) ప్రయాణిస్తే, భూమికున్న గురుత్వాకర్షణ శక్తి కారణంగా అది మళ్లీ భూమి వైపు వస్తుంది. 

ఈ అవరోధాలను అధిగమించేందుకు ఉపగ్రహం సరైన కక్ష్యా వేగాన్ని కలిగి ఉండాలి. ఈ వేగం వద్ద ఉపగ్రహ జడత్వం భూమి గురుత్వాకర్షణను నియంత్రిస్తుంది. అది భూమి చుట్టూ దీర్ఘవృత్తాకార కక్ష్యలో తిరుగుతుంది.

కక్ష్యావేగం వల్ల ఉపగ్రహం సరళరేఖా మార్గంలో(Straight line) ప్రయాణించదు. 

భూమి కక్ష్యావేగం V₀ = 11 కి.మీ./సె. (సుమారుగా).

ఉపగ్రహాలు - గురుత్వాకర్షణ శక్తి

భూ కక్ష్యలోకి ప్రవేశపెట్టిన ఉపగ్రహాలు భూమి గురుత్వాకర్షణ శక్తి వల్ల స్థిర కక్ష్యలో ఉంటాయి. భూ గురుత్వాకర్షణ శక్తిని ఉపగ్రహాల అభికేంద్ర బలం(Centripetal force - attracted towards the center) సమానంగా ఉపయోగించుకుని భూమి లేదా ఇతర గ్రహాల చుట్టూ పరిభ్రమిస్తాయి.

​​​​​​​  ఈ విధంగా ఉపగ్రహాలు గురుత్వాకర్షణ శక్తిని ఉపయోగించుకోవడం వల్ల అవి ఇంధనం అవసరం లేకుండానే కక్ష్యలో  పరిభ్రమిస్తాయి. ఉపగ్రహాల కక్ష్యామార్గంలో మార్పు వచ్చినప్పుడు ఒక కక్ష్య నుంచి మరొక కక్ష్యకు మారడానికి లేదా అంతరిక్షంలో శకలాల(Space debris) నుంచి తప్పించుకోవడానికి అవి నిల్వ ఉన్న ఇంధనాన్ని  ఉపయోగించుకుంటాయి.

భూమి నుంచి సుమారు 36,000 కి.మీ. ఎత్తులో గురుత్వాకర్షణ శక్తి ఉండదు. దీంతో ఉపగ్రహాలు తమ కక్ష్యల్లో స్థిరంగా పరిభ్రమిస్తూ ఉంటాయి. అంటే గురుత్వాకరణ శక్తికి సమానంగా అభికేంద్ర బలం పనిచేస్తూ ఉపగ్రహాలు స్థిర కక్ష్యలో పరిభ్రమించటానికి సహాయపడుతుంది.