انسان‌ها در عرصه اکتشافات فضایی به دستاوردهای خارق‌العاده‌ای نائل شده‌اند و با مأموریت‌هایی نظیر وویجر 1 (Voyager 1)، به دوردست‌ترین نقاط فضا نیز دست یافته‌اند. با این حال، هیچ یک از این موفقیت‌ها بدون وجود موشک‌ها امکان‌پذیر نبود. موشک‌ها نقشی محوری و اساسی در قرار دادن ماهواره‌ها، مدارگردها و فضانوردان در فضا ایفا می‌کنند. این وسیله قدرتمند، پس از انجام وظیفه خود، به صورت مرحله‌ای جدا شده و قطعات آن در فضا رها می‌شوند (که البته منجر به ایجاد زباله‌های فضایی می‌گردد که اگر به درستی دفع نشوند، ممکن است روزی برای انسان‌ها خطرناک باشند).
در واقع، موشک‌ها به عنوان وسیله اصلی حمل و نقل برای انتقال افراد و محموله‌ها به مقصد فضا عمل می‌کنند. با این وجود، موتورهای موشک بسیار غیرمتعارف بوده و تفاوت‌های اساسی با موتورهای هواپیما، خودرو و سایر موتورهای رایج دارند. اگر چه موشک‌ها نیز مانند سایر موتورها برای ایجاد حرکت، سوخت را می‌سوزانند، اما یک تفاوت بنیادین در نحوه عملکرد آن‌ها وجود دارد. موتورهای سنتی برای ایجاد حرکت، چرخ‌ها یا توربین‌ها را به گردش درمی‌آورند، در حالی که موتورهای موشک سوخت را می‌سوزانند و از نیروی واکنش ناشی از خروج گازهای داغ برای به حرکت درآوردن فضاپیما به سمت بالا استفاده می‌کنند.
گازهای خروجی عظیمی که در هنگام پرتاب موشک مشاهده می‌کنید، در واقع مسئول اصلی پیش‌رانش آن هستند. از آنجایی که عملکرد موشک‌ها مبتنی بر سوزاندن سوخت بسیار اشتعال‌پذیر است، دمای عملکرد آن‌ها می‌تواند به سرعت از 2200 درجه سانتی‌گراد (4000 درجه فارنهایت) تا 2760 درجه سانتی‌گراد (5000 درجه فارنهایت) افزایش یابد! این دماهای بسیار بالا نیازمند طراحی‌های مهندسی پیچیده و استفاده از مواد خاصی است که بتوانند این حرارت شدید را تحمل کنند.
علاوه بر این، موشک‌ها می‌توانند از انواع مختلف سوخت مانند سوخت جامد، مایع و ترکیبی استفاده کنند که هر کدام مزایای منحصربه‌فردی برای پیش‌رانش ارائه می‌دهند. انتخاب نوع سوخت بستگی به عوامل مختلفی از جمله میزان نیروی رانش مورد نیاز، مدت زمان احتراق، سهولت ذخیره‌سازی و ملاحظات ایمنی دارد. سوخت‌های جامد معمولاً در زمینه ذخیره‌سازی و استفاده ساده‌تر هستند اما قابلیت کنترل کمتری دارند، در حالی که سوخت‌های مایع امکان کنترل دقیق‌تر میزان رانش را فراهم می‌کنند اما پیچیدگی‌های بیشتری در سیستم سوخت‌رسانی دارند. سوخت‌های ترکیبی نیز تلاش می‌کنند تا مزایای هر دو نوع سوخت را با هم ترکیب کنند.
نیروی رانش ناشی از احتراق سوخت، موشک را به پرواز درمی‌آورد
احتمالاً قانون سوم نیوتن در حرکت را از دروس علوم دبیرستان به خاطر دارید که بیان می‌کند: “هر کنشی، واکنشی دارد مساوی و در جهت مخالف آن.” عملکرد موشک‌ها نیز بر همین اصل استوار است؛ سوزاندن سوخت موشک، “کنش” است و بلند شدن موشک از زمین، “واکنش” متعاقب آن به شمار می‌رود. نیروی واکنش، که به آن نیروی رانش (Thrust) نیز گفته می‌شود، معمولاً در اصطلاحات علمی با واحد پوند یا نیوتن اندازه‌گیری می‌شود. میزان نیروی رانش تعیین می‌کند که موشک با چه شتابی می‌تواند از جا کنده شده و بر نیروی گرانش زمین غلبه کند.
اگر این مفهوم کمی گیج کننده به نظر می‌رسد، اجازه دهید آن را با یک قیاس ساده درک کنیم. اگر تا به حال تیراندازی کرده‌اید یا کسی را در حال انجام این کار دیده‌اید، احتمالاً می‌دانید که چقدر مهم است که اسلحه را محکم نگه دارید تا از آسیب ناشی از لگد زدن آن جلوگیری شود. در این مثال، نیروی کنش هنگام کشیدن ماشه به گلوله وارد می‌شود. در مقابل، گلوله نیز نیروی واکنشی به اسلحه وارد می‌کند و باعث لگد زدن آن می‌شود. در حالی که لگد زدن اسلحه یک حرکت ناخواسته است، موشک‌ها از همین نیروی واکنش برای بلند کردن خود و غلبه بر نیروی گرانش زمین بهره می‌برند.
یک موشک حاوی مقدار بسیار زیادی سوخت است که در هنگام پرتاب مشتعل می‌شود. با سوختن سوخت جامد یا مایع، این سوخت به گاز تبدیل شده و با سرعت بسیار زیاد از قسمت عقب موشک خارج می‌شود. خروج این گازهای پرسرعت، نیروی واکنشی را به موشک وارد می‌کند و باعث حرکت آن در جهت مخالف می‌شود. هر چه میزان سوخت بیشتری سوزانده شود و سرعت خروج گازها بیشتر باشد، نیروی رانش تولید شده نیز بیشتر خواهد بود و موشک با شتاب بیشتری به سمت بالا حرکت خواهد کرد.
طراحی یک موشک، فرآیندی پیچیده و دقیق
احتمالاً عبارت “موشک که نمی‌خواهی هوا کنی!” را شنیده‌اید که برای توصیف یک کار نسبتاً ساده به کار می‌رود. اما واقعاً علم موشک چقدر پیچیده است؟ حقیقت این است که طراحی یک موشک فوق‌العاده پیچیده است و شامل محاسبات دقیق برای وزن، سوخت، مسیر حرکت و بسیاری موارد دیگر می‌شود. علیرغم اینکه موشک‌ها دارای سیستم‌های متعدد پشتیبان هستند تا در صورت بروز نقص در یک بخش، بخش‌های دیگر به کار خود ادامه دهند، حتی کوچک‌ترین اشتباهات نیز منجر به شکست‌های متعدد در مأموریت‌های فضایی شده است، مانند پرتاب ناموفق موشک کایروس (Kairos) ژاپن و موارد مشابه دیگر. این شکست‌ها نشان می‌دهند که طراحی و ساخت موشک‌ها تا چه اندازه نیازمند دقت و دانش فنی بالایی است.
یکی دیگر از چالش‌های طراحی یک موشک، در نظر گرفتن تغییرات شتاب در طول پرواز است. بر اساس قانون دوم نیوتن در حرکت، نیرو برابر است با جرم ضربدر شتاب (F=ma). بنابراین، یک نیروی یکسان، شتاب بیشتری را در جرم کوچکتر ایجاد می‌کند. با خروج مداوم سوخت در حال سوختن از موشک، جرم موشک در طول مسیر به تدریج کاهش می‌یابد و همین امر باعث می‌شود که موشک با نیروی رانش ثابت، شتاب بیشتری بگیرد. در حال حاضر، وزن محموله مفید موشک‌ها تنها حدود 1 درصد از وزن کلی فضاپیما در هنگام پرتاب را تشکیل می‌دهد! این تفاوت عظیم بین وزن محموله (که وزن ثابتی دارد) و وزن سوخت (که به طور مداوم در حال کاهش است) برنامه‌ریزی دقیق مسیر حرکت موشک را دشوارتر می‌کند.
مهندسان باید به طور مداوم میزان سوخت باقی مانده و تغییرات وزن موشک را در محاسبات خود لحاظ کنند تا اطمینان حاصل شود که موشک در مسیر درست به هدف خود می‌رسد. علاوه بر این، موشک‌ها به سیستم‌های خنک کننده پیچیده‌ای نیاز دارند تا دمای قطعات مختلف را در حین سوختن سوخت در محدوده ایمن نگه دارند و از حفظ ساختار آن‌ها اطمینان حاصل کنند. دمای بسیار بالای احتراق سوخت می‌تواند به سرعت باعث آسیب دیدن و از بین رفتن مواد سازنده موشک شود، بنابراین طراحی یک سیستم خنک کننده کارآمد یکی از جنبه‌های حیاتی در مهندسی موشک است. این سیستم‌های خنک کننده معمولاً از گردش سوخت یا مواد خنک کننده خاص در اطراف بخش‌های داغ موتور استفاده می‌کنند تا حرارت را جذب و دفع کنند.
