धरती से उठने वाला हर रॉकेट भौतिकी की एक ही पंक्ति पर चलता है, जिसे 3 सदियों से भी पहले लिखा गया था: हर क्रिया के बराबर और उलटी प्रतिक्रिया होती है। रॉकेट द्रव्यमान, यानी गरम गैस, को बहुत तेज़ी से पीछे फेंकता है और गैस उसी बल से रॉकेट को आगे धकेलती है। यही पूरा राज है। रॉकेट प्रोपेलर या जेट की तरह हवा पर धक्का नहीं देता। वह अपना ईंधन और ऑक्सीकारक ख़ुद लेकर चलता है और अंतरिक्ष के निर्वात में भी उतना ही अच्छा काम करता है, जहाँ धक्का देने के लिए आसपास कुछ नहीं होता। पूरा काम न्यूटन का तीसरा नियम करता है। एक रॉकेट से दूसरे रॉकेट में जो बदलता है, वह नियम नहीं, ईंधन है। आप क्या जलाते हैं और कैसे जलाते हैं, इससे तय होता है कि वाहन प्रक्षेपण पट्टी से 600-टन का ढेर उठा सकता है या ग्रहों के बीच की ख़ाली जगह में उपग्रह को रोज़ कुछ मीटर आगे बढ़ा सकता है।
यह चुनाव अब सिर्फ़ अभियांत्रिकी नहीं, जीवंत नीति प्रश्न भी है। आधी सदी से अंतरिक्ष यान का काम काज ईंधन हाइड्राज़ीन रहा है। यह बेहद भरोसेमंद है और बेहद ज़हरीला भी। अब भारतीय अंतरिक्ष अनुसंधान संगठन समेत अंतरिक्ष एजेंसियाँ इसे सुरक्षित “हरित” प्रणोदकों से बदलने की दौड़ में हैं। साथ ही ज़हरीले भंडारणयोग्य ईंधनों की जगह साफ़ केरोसीन जलाने वाले इंजन और आग के बजाय बिजली से आयन तेज़ करने वाले इंजन भी बन रहे हैं। UPSC अभ्यर्थी के लिए रॉकेट प्रणोदन ईंधन नामों की सूखी तालिका नहीं रहा। यह भारत की अंतरिक्ष महत्वाकांक्षाओं, आत्मनिर्भरता और वैश्विक “हरित अंतरिक्ष” आंदोलन के बीच बैठता है। एक भौतिकी नियम, एक मुख्य संख्या और इंजन प्रकारों का साफ़ नक्शा लिख सकने वाला अभ्यर्थी यहाँ अलग दिखता है।
प्रणोदन कैसे काम करता है: थ्रस्ट, विशिष्ट आवेग और एक नियम
पहले इंजन को समझिए, फिर वाहन तक जाइए। हर रॉकेट इंजन के भीतर प्रणोदक तेज़ी से चलने वाली गैस में बदलता है और नॉज़ल से बाहर निकलता है। इससे पैदा होने वाले बल को थ्रस्ट (thrust) कहते हैं। यह 2 चीज़ों पर निर्भर है: हर सेकंड कितना द्रव्यमान बाहर फेंका जा रहा है और कितनी गति से। थ्रस्ट रॉकेट को गुरुत्वाकर्षण के ख़िलाफ़ उठाता है। अगर थ्रस्ट वज़न से ज़्यादा हो, रॉकेट ऊपर जाता है। लेकिन सिर्फ़ कच्चा थ्रस्ट इंजन की अच्छी नाप नहीं है। फ़िज़ूल इंजन प्रणोदक बहुत तेज़ी से खाकर भी बड़ा थ्रस्ट दे सकता है। इंजीनियर जिस संख्या को देखते हैं, वह विशिष्ट आवेग (specific impulse) है, जिसे Isp लिखते हैं और सेकंड में मापते हैं। इसे रॉकेट की ईंधन बचत समझिए: हर सेकंड जलाए गए प्रणोदक की एक इकाई से कितना थ्रस्ट मिलता है। विशिष्ट आवेग जितना ज़्यादा, ईंधन के हर किलोग्राम से उतना ज़्यादा धक्का। उसी टैंक से आप ज़्यादा तेज़ जा सकते हैं या ज़्यादा पेलोड ले जा सकते हैं।
यह एक संख्या दुनिया के हर प्रणोदन तंत्र को चुपचाप क्रम देती है। ठोस प्रणोदक नीचे हैं, करीब 260–275 सेकंड Isp के साथ। पृथ्वी पर भंडारणयोग्य द्रव, यानी ज़हरीले लेकिन भरोसेमंद ईंधन जो सालों तक टैंक में रह सकते हैं, करीब 280–315 सेकंड देते हैं। केरोसीन और द्रव ऑक्सीजन जलाने वाले अर्ध-क्रायोजेनिक इंजन 300–350 सेकंड तक पहुँचते हैं। द्रव हाइड्रोजन और द्रव ऑक्सीजन जलाने वाले क्रायोजेनिक इंजन रासायनिक चार्ट में सबसे ऊपर, 450–460 सेकंड तक, पहुँचते हैं। भारत का द्रव प्रणोदन प्रणाली केंद्र (LPSC) यही सीमा बताता है। विद्युत प्रणोदन इन सबको पीछे छोड़ता है। इसका विशिष्ट आवेग कई हज़ार सेकंड हो सकता है, लेकिन इसकी क़ीमत भी है, जिस पर आगे आएँगे।
पकड़ यह है कि विशिष्ट आवेग और थ्रस्ट एक-दूसरे के उलटे खिंचते हैं। सबसे ईंधन-किफ़ायती इंजन आम तौर पर नरम थ्रस्ट देते हैं। सबसे ताक़तवर इंजन ईंधन-भूखे होते हैं। कोई एक इंजन भारी रॉकेट को पट्टी से उठाने और अंतरिक्ष में ईंधन बचाकर चलने, दोनों में सर्वश्रेष्ठ नहीं है। इसलिए रॉकेटों को चरणों में बनाया जाता है। अलग-अलग इंजन एक के ऊपर एक लगाए जाते हैं। हर इंजन उड़ान के एक चरण के लिए तैयार होता है और काम पूरा होने पर छोड़ दिया जाता है। ताक़तवर लेकिन प्यासा इंजन रॉकेट को ज़मीन से खींचता है। हल्का और किफ़ायती इंजन ऊपरी वायुमंडल में काम संभालकर कक्षा तक पहुँचाता है। प्रणोदन समझने का मतलब है कि कोई रॉकेट सिर्फ़ एक तरह का इंजन इस्तेमाल नहीं करता। वह रिले टीम इस्तेमाल करता है।
इंजनों का पूरा परिवार: ठोस बूस्टर से आयन ड्राइव तक
थ्रस्ट और विशिष्ट आवेग समझ लेने पर इंजनों का क्रम साफ़ हो जाता है। ठोस-प्रणोदक रॉकेट सबसे सरल हैं। ईंधन और ऑक्सीकारक को रबड़ जैसे ब्लॉक में पहले से मिला दिया जाता है, कुछ-कुछ विशाल पटाखे जैसा। इन्हें जला दीजिए और यह अंत तक तेज़ी से जलते हैं। इन्हें थ्रॉटल नहीं कर सकते, बंद नहीं कर सकते और फिर से चालू नहीं कर सकते। बदले में कच्चा थ्रस्ट और तुरंत तैयारी मिलती है। इसी वजह से ये उड़ान भरने के हिंसक शुरुआती सेकंड में साइड पर लगे बूस्टर के लिए आदर्श हैं और ज़्यादातर मिसाइलों में भी इस्तेमाल होते हैं। द्रव-प्रणोदक इंजन ईंधन और ऑक्सीकारक अलग रखते हैं और पंप से दहन कक्ष में भेजते हैं। इसलिए इन्हें थ्रॉटल, बंद और फिर से चालू किया जा सकता है। नियंत्रण बेहतर है, लेकिन मशीनरी जटिल होती है। द्रव इंजनों के भीतर परिवार इस बात से बँटते हैं कि वे क्या जलाते हैं।
पृथ्वी पर भंडारणयोग्य द्रव सामान्य तापमान पर द्रव रहते हैं और सालों तक टैंक में रखे जा सकते हैं। लंबे इंतज़ार के बाद आदेश पर जलने वाले उपग्रह के ऊपरी चरणों और यान पर लगे इंजनों के लिए यह अच्छा है। क्लासिक जोड़ी हाइड्राज़ीन-प्रकार ईंधन और नाइट्रोजन टेट्राऑक्साइड की है। इनमें कई मेल हाइपरगॉलिक (hypergolic) होते हैं, यानी ईंधन और ऑक्सीकारक मिलते ही चिंगारी या प्रज्वलक के बिना ख़ुद जल उठते हैं। अंतरिक्ष यान के लिए यह भरोसा बहुत क़ीमती है, लेकिन ईंधन बहुत ज़हरीले हैं। क्रायोजेनिक (cryogenic) इंजन उलटी दिशा में जाते हैं। वे करीब माइनस 250°C के द्रव हाइड्रोजन और माइनस 183°C के द्रव ऑक्सीजन जलाते हैं। रासायनिक इंजनों में किफ़ायत सबसे अच्छी होती है, इसलिए ऊँची कक्षा में भारी उपग्रह पहुँचाने वाले ऊपरी चरणों के लिए इनका इस्तेमाल होता है। लेकिन अति-ठंडे द्रव रखना मुश्किल है, इसलिए रॉकेट को ईंधन भरकर लंबे समय तक खड़ा नहीं रख सकते। अर्ध-क्रायोजेनिक इंजन बीच का रास्ता लेते हैं। वे सामान्य तापमान पर रखे जा सकने वाले केरोसीन को क्रायोजेनिक द्रव ऑक्सीजन के साथ जलाते हैं। पूरे क्रायोजेनिक से कम झंझट, हाइड्रोजन से ज़्यादा थ्रस्ट और घनत्व तथा भंडारणयोग्य ईंधनों से कम ज़हरीला धुआँ मिलता है।
फिर वे इंजन आते हैं जो आग का इस्तेमाल लगभग नहीं करते। विद्युत (आयन) प्रणोदन आम तौर पर सौर पैनलों की बिजली से ज़ेनॉन जैसी गैस को आयनित करता है। विद्युत या चुंबकीय क्षेत्र आवेशित कणों को बहुत तेज़ी से बाहर फेंकते हैं। थ्रस्ट बहुत कम होता है, कई बार काग़ज़ की शीट के वज़न से भी कम। इसलिए आयन इंजन पृथ्वी से रॉकेट को उठा नहीं सकता। लेकिन प्रणोदक इतना कम खर्च करता है और विशिष्ट आवेग हज़ारों में होता है कि महीनों या सालों तक चलता रह सकता है। धीरे-धीरे बहुत वेग बनता है। इसलिए गहरे अंतरिक्ष के प्रोब और कक्षा में उपग्रह को जगह पर रखने के लिए यह पसंदीदा इंजन है। सीमा पर नाभिकीय-तापीय प्रणोदन है। इसमें नाभिकीय रिएक्टर हाइड्रोजन को अति-गरम करके बाहर फेंकेगा और सबसे अच्छे रासायनिक इंजनों की किफ़ायत लगभग दोगुनी कर सकता है। अभी यह ज़्यादातर ड्राइंग बोर्ड पर है, लेकिन मंगल की भविष्य की चालक दल वाली उड़ानों के लिए इसे क़रीब से देखा जा रहा है।
भारत के चरण: S200, L110, C25 और नया अर्ध-क्रायोजेनिक इंजन
रिले-टीम का विचार भारत के अपने रॉकेटों में सबसे साफ़ दिखता है। चरण नाम याद रखना फ़ायदेमंद है, क्योंकि वे पूरी रणनीति बता देते हैं। भारत के सबसे बड़े उपग्रहों को ले जाने और गगनयान चालक दल उड़ाने वाला भारी-लिफ़्ट वाहन लीजिए। पहला धक्का 2 S200 साइड बूस्टर देते हैं। ये दुनिया के सबसे बड़े ठोस रॉकेट मोटरों में हैं। हर बूस्टर में करीब 205 टन मिश्रित ठोस प्रणोदक भरा है। उड़ान भरते समय जलते हैं, करीब 140 सेकंड तक कच्चा थ्रस्ट देते हैं और फिर अलग हो जाते हैं। इनके नीचे और पीछे L110 मुख्य चरण जलता है। इसमें करीब 110 टन पृथ्वी पर भंडारणयोग्य प्रणोदक है और जुड़वाँ विकास इंजन इसे शक्ति देते हैं। ठोस ईंधन के जल चुकने के बाद यही भंडारणयोग्य और फिर से चालू होने वाला काम काज संभालता है। अंतिम चढ़ाई C25 क्रायोजेनिक ऊपरी चरण करता है। स्वदेशी CE-20 इंजन से चले यह करीब 28 टन द्रव हाइड्रोजन और द्रव ऑक्सीजन ले जाता है और उपग्रह को लक्ष्य कक्षा में ठीक जगह डालता है। शुरुआत हिंसक हो तो ठोस, बीच में द्रव और समापन किफ़ायती चाहिए तो क्रायोजेनिक। तीन नामों में चरणबद्ध प्रणोदन की पूरी तर्क आ जाती है।
क्रायोजेनिक तकनीक वह हिस्सा है जिसे भारत ने सबसे मुश्किल से साध लिया। यह संघर्ष ख़ुद परीक्षा-योग्य है। 1990 के दशक में मिसाइल उपयोग के डर से प्रतिबंध व्यवस्था ने तकनीक देने से मना किया। भारत को क्रायोजेनिक इंजन शून्य से बनाना पड़ा। वर्षों की नाकामियों के बाद स्वदेशी क्रायोजेनिक चरण ने आख़िर सफल उड़ान की। आज CE-20 सिद्ध इंजन है और भारत उन गिने-चुने देशों में है जो सबसे कठिन रासायनिक इंजन बना सकते हैं। भारत का छोटा काम काज PSLV भी चरणबद्ध कहानी दोहराता है। इसमें ठोस और द्रव चरण बारी-बारी होते हैं और उसका चौथा चरण कक्षा में फिर से चालू होकर उपग्रहों को अलग-अलग ऊँचाइयों पर छोड़ सकता है।
अब सीमा अर्ध-क्रायोजेनिक इंजन है और मौजूदा खबर का बड़ा हिस्सा यहीं है। भारत SE-2000 नाम का ताक़तवर इंजन बना रहा है जो केरोसीन और द्रव ऑक्सीजन जलाता है। इसे ऑक्सीकारक-समृद्ध चरणबद्ध-दहन चक्र में करीब 2,000 किलोन्यूटन थ्रस्ट देने के लिए बनाया गया है। यही माँग वाला चक्र दुनिया के सबसे उन्नत इंजनों में इस्तेमाल होता है। 2025 तक महेंद्रगिरि के ISRO प्रणोदन परिसर में इंजन ने गरम परीक्षणों की शृंखला पार की और शक्ति स्तर क़दम दर क़दम बढ़ाया। आगे चलकर यह अर्ध-क्रायोजेनिक इंजन नया SC120 मुख्य चरण चलाएगा और ज़हरीले, भंडारणयोग्य L110 की जगह लेगा। इससे ज़्यादा थ्रस्ट, ऊँचा पेलोड, कम लागत और ज़हरीले भंडारणयोग्य ईंधनों के बजाय केरोसीन-ऑक्सीजन का साफ़ धुआँ मिलेगा। यह भारत के Next Generation Launch Vehicle की योजनाबद्ध प्रणोदन रीढ़ है, जो मौजूदा बेड़े के बाद आने वाला भारी पुन: प्रयोज्य रॉकेट है।
हरित प्रणोदन क्यों ज़रूरी है और भारत क्या कर रहा है?
अब उस बदलाव पर आइए जो पूरे विषय को वर्तमान से जोड़ती है। अंतरिक्ष उड़ान का गंदा राज यह है कि उसका सबसे भरोसेमंद ईंधन ज़हर है। हाइड्राज़ीन और उसके रिश्तेदार 50 साल से ज़्यादा समय से उपग्रहों और अंतरिक्ष यान थ्रस्टरों के मानक एक-प्रणोदक रहे हैं। एक ही द्रव को उत्प्रेरक के ऊपर भेजने पर वह भरोसेमंद तरीके से गरम गैस में टूट जाता है और आदेश पर जलता है। उपग्रह को सही दिशा में मोड़ने और कक्षा थामे रखने वाले छोटे थ्रस्टरों के लिए यह आदर्श है। लेकिन हाइड्राज़ीन अत्यंत ज़हरीला, कैंसरकारी और संक्षारक है। अंतरिक्ष यान में ईंधन भरने में कर्मचारियों को पूरे सुरक्षा सूट, बड़े सुरक्षा क्षेत्र और धीमी, महँगी प्रक्रियाएँ चाहिए। इसलिए “हरित अंतरिक्ष” आंदोलन, यानी ज़मीन और कक्षा दोनों में अंतरिक्ष उड़ान को साफ़ और सुरक्षित बनाने की कोशिश, हाइड्राज़ीन को बदलने को मुख्य लक्ष्य मानती है। हरित प्रणोदक का मतलब आसमान में धुआँ साफ़ करना भर नहीं। यह ऐसा ईंधन है जिसे लोग सुरक्षित तरीके से संभाल सकें, जिसे प्रक्रिया सस्ती हो और जो कई बार बेहतर प्रदर्शन भी करे।
अगली पीढ़ी के द्रव ईंधन 2 ऊर्जावान लवणों के इर्द-गिर्द बन रहे हैं। पहला है अमोनियम डाइनाइट्रामाइड, या ADN। दूसरा है हाइड्रॉक्सिलअमोनियम नाइट्रेट, या HAN। पानी, मेथनॉल और दूसरे अवयवों के साथ इन्हें एक ही एक-प्रणोदक में मिलाया जाता है। ये हरित ईंधन हाइड्राज़ीन की तुलना में संभालने में बहुत कम ज़हरीले हैं और ज़्यादा धक्का देते हैं। सबसे जाना-पहचाना ADN-आधारित मिश्रण LMP-103S है। इसका विशिष्ट आवेग हाइड्राज़ीन से करीब 6% ज़्यादा और घनत्व करीब 24% ज़्यादा है। यह 2 दर्जन से ज़्यादा उपग्रहों पर उड़ चुका है और अंतरिक्ष में इस्तेमाल होने वाला पहला हरित आयनिक-द्रव प्रणोदक था। HAN-आधारित एक-प्रणोदक भी हाइड्राज़ीन से ज़्यादा घनत्व और विशिष्ट आवेग तथा बहुत कम विषैलापन देते हैं। एक चेतावनी याद रखिए। ये हरित ईंधन जादू से नहीं जलते। इन्हें अभी भी उत्प्रेरक तल और ऊँचा कक्ष तापमान चाहिए। ये सुरक्षित और सघन हैं, निर्वात में ख़ुद चालू नहीं।
भारत इस दौड़ में पूरी तरह शामिल है। ISRO और उसके केंद्र करीब 2018 से हरित प्रणोदन पर काम कर रहे हैं। इसमें हरित ठोस सूत्र भी हैं, जहाँ ग्लाइसिडिल एज़ाइड पॉलीमर ईंधन और अमोनियम डाइनाइट्रामाइड ऑक्सीकारक है। HAN-आधारित और ADN-आधारित द्रव एक-प्रणोदक भी बनाए जा रहे हैं ताकि हाइड्राज़ीन को बदला जा सके। भारत का अपना गगनयान मानव-अंतरिक्ष उड़ान कार्यक्रम बड़ा चालक रहा है, क्योंकि अंतरिक्ष यात्री उड़ाने के लिए चालक मॉड्यूल के थ्रस्टरों में सबसे सुरक्षित ईंधन चाहिए। भारतीय स्टार्टअप भी जुड़ चुके हैं। बेंगलुरु की Bellatrix Aerospace हरित एक-प्रणोदक थ्रस्टर बना रही है जिन्हें PSLV प्रायोगिक मंच पर कक्षा में दिखाया गया है। हरित बदलाव आयातित विचार भर नहीं है। यह भारत की व्यापक अंतरिक्ष आत्मनिर्भरता का हिस्सा है। अर्ध-क्रायोजेनिक केरोसीन इंजन और पुन: प्रयोज्य अगली पीढ़ी के रॉकेट के साथ यह साफ़, सस्ता और अधिक सक्षम प्रणोदन के एक ही लक्ष्य के 3 चेहरे हैं।
विद्युत प्रणोदन इसी हरित कहानी का हिस्सा है। आयन इंजन रासायनिक दहन के बजाय सौर बिजली इस्तेमाल करता है और प्रणोदक बहुत कम खाता है। इसलिए गहरे अंतरिक्ष मिशनों की लंबी, धैर्य वाली जलन और उपग्रहों को गठन में रखने के लिए यह साफ़ तथा चौंकाने वाली किफ़ायत वाला है। पृथ्वी से रॉकेट को पट्टी पर उठा नहीं सकता और कभी नहीं कर पाएगा। इसका थ्रस्ट भारी-लिफ़्ट उड़ान भरने के लिए बहुत नरम है। लेकिन जिन मिशनों के लिए यह उपयुक्त है, उनमें महीनों या वर्षों की किफ़ायत कच्ची ताक़त से ज़्यादा मायने रखती है। तीन धागे साथ रखिए: ऊपर जाते हुए अर्ध-क्रायोजेनिक केरोसीन इंजन, अंतरिक्ष यान थ्रस्टरों के लिए हरित एक-प्रणोदक और लंबी यात्रा के लिए विद्युत ड्राइव। अगले दशक में रॉकेट प्रणोदन की दिशा कुछ ऐसी ही दिखती है।
आपके मुख्य परीक्षा उत्तर के लिए
यह GS3 के विज्ञान और तकनीक, विकास और अनुप्रयोग तथा उच्च तकनीक में स्वदेशीकरण और आत्मनिर्भरता वाले हिस्सों से जुड़ा बहुपयोगी विषय है। अंतरिक्ष मिशन प्रश्नों, भारत की अंतरिक्ष उपलब्धियों और साफ़, टिकाऊ तकनीक की बड़ी विषय-वस्तु से भी यह जुड़ता है। परीक्षक वही चाप पुरस्कार देता है जो इस लेख में है: एक भौतिकी नियम से उत्तर शुरू करें, इंजनों को एक संख्या से क्रम दें और तकनीक को भारत के मौजूदा कार्यक्रमों तथा वैश्विक हरित-अंतरिक्ष धक्के से जोड़ दें।
उत्तर कैसे बनाएँ?
ईंधन सूची से नहीं, भौतिकी से शुरू कीजिए। बताइए कि प्रणोदन न्यूटन के तीसरे नियम पर चलता है और प्रदर्शन विशिष्ट आवेग से मापा जाता है। फिर इंजन परिवारों को किफ़ायत के क्रम में रखिए: ठोस, पृथ्वी पर भंडारणयोग्य द्रव, अर्ध-क्रायोजेनिक, क्रायोजेनिक और विद्युत। नाभिकीय-तापीय को सीमा की तरह जोड़िए। भारत के चरणों को जीवंत उदाहरण बनाइए: S200 ठोस, L110 द्रव और C25 क्रायोजेनिक। मौजूदा विकास के रूप में SE-2000 अर्ध-क्रायोजेनिक इंजन लिखिए। अंत में हरित प्रणोदन बताइए: हाइड्राज़ीन क्यों जाना चाहिए, HAN और ADN क्या देते हैं और विद्युत प्रणोदन कहाँ बैठता है। नियम, माप, प्रकार, भारतीय उदाहरण और हरित बदलाव का यही क्रम लगभग हर प्रणोदन प्रश्न का उत्तर बना देता है।
इन आम गलतियों से बचें
यह मत कहिए कि रॉकेट हवा पर धक्का देता है। वह निर्वात में भी न्यूटन के तीसरे नियम से चलता है। विद्युत प्रणोदन उड़ान भरने के लिए इस्तेमाल हो सकती है, यह मत लिखिए। उसका थ्रस्ट बहुत कम है और यह क्लासिक जाल है। क्रायोजेनिक को अर्ध-क्रायोजेनिक से न मिलाएँ। क्रायोजेनिक में द्रव हाइड्रोजन और द्रव ऑक्सीजन हैं, अर्ध-क्रायोजेनिक में केरोसीन और द्रव ऑक्सीजन। ईंधन अलग है और दोनों की ज़रूरत भी अलग। हरित एक-प्रणोदक को अंतरिक्ष में ख़ुद जलने वाले मत बताइए। इन्हें टूटने के लिए उत्प्रेरक और गर्मी अब भी चाहिए।
एक छोटा उत्तर-ढाँचा
प्रणोदन = न्यूटन का तीसरा नियम, प्रदर्शन विशिष्ट आवेग (Isp) से → ठोस (~260–275 सेकंड, तुरंत थ्रस्ट, थ्रॉटल नहीं) → पृथ्वी पर भंडारणयोग्य द्रव (हाइपरगॉलिक, ज़हरीला, फिर से चालू) → अर्ध-क्रायोजेनिक केरोसीन-द्रव ऑक्सीजन (~300–350 सेकंड, साफ़) → क्रायोजेनिक द्रव हाइड्रोजन-द्रव ऑक्सीजन (~450–460 सेकंड, सबसे अच्छा रासायनिक Isp) → विद्युत/आयन (Isp हज़ारों में, थ्रस्ट बहुत कम, गहरा अंतरिक्ष) → नाभिकीय-तापीय सीमा → भारत: S200 + L110 + C25 चरण, SE-2000 अर्ध-क्रायो परीक्षण में → हरित प्रणोदन: ज़हरीले हाइड्राज़ीन की जगह HAN/ADN एक-प्रणोदक (LMP-103S: करीब 6% ऊँचा Isp, करीब 24% सघन), विद्युत ड्राइव साफ़ लेकिन कम-थ्रस्ट।
डायग्राम या फ़्लोचार्ट का विचार
इंजनों को विशिष्ट आवेग के आधार पर खड़ी पट्टी में क्रम दीजिए। सबसे नीचे ठोस, फिर भंडारणयोग्य, अर्ध-क्रायो और क्रायोजेनिक रखें। विद्युत को चार्ट के ऊपर अलग खींचकर “बहुत ऊँचा Isp, बहुत कम थ्रस्ट” लिखिए। साथ में S200 / L110 / C25 नामांकित 3-चरण रॉकेट बनाइए। इससे इंजन प्रकारों की रिले एक नज़र में समझ आएगी।
संतुलित निष्कर्ष की एक लाइन
अंकों के लिए उपयोगी पंक्ति यह है: “रॉकेट प्रणोदन भौतिकी के एक नियम को कई इंजनों में व्यक्त करती है। ज़हरीले भंडारणयोग्य ईंधनों से अर्ध-क्रायोजेनिक, विद्युत और हरित एक-प्रणोदक तंत्रों की ओर भारत का बढ़ना दिखाता है कि अंतरिक्ष उड़ान का भविष्य सिर्फ़ थ्रस्ट से नहीं, बल्कि इस बात से भी मापा जाएगा कि थ्रस्ट कितनी सफ़ाई और आत्मनिर्भरता के साथ पैदा की जाती है।”
आँकड़ों को रटने के बजाय कैसे इस्तेमाल करें?
कुछ ही एंकर काफ़ी हैं: रासायनिक इंजनों की छत क्रायोजेनिक Isp ~450–460 सेकंड, फ़र्श ठोस ~260–275 सेकंड, भारत के 3 चरण नाम S200, L110 और C25, SE-2000 का ~2,000 किलोन्यूटन और LMP-103S का हाइड्राज़ीन से करीब 6% अधिक किफ़ायती तथा 24% अधिक सघन होना। इन्हें साफ़ स्रोत के साथ रखिए, जैसे “ISRO के द्रव प्रणोदन प्रणाली केंद्र के अनुसार”।
सामान्य प्रश्न
रॉकेट प्रणोदन का मूल सिद्धांत क्या है?
न्यूटन का गति का तीसरा नियम, यानी हर क्रिया के बराबर और उलटी प्रतिक्रिया। रॉकेट प्रणोदक जलाकर गरम गैस को ऊँची गति से पीछे निकालता है और गैस बराबर बल से रॉकेट को आगे धकेलती है। रॉकेट ईंधन और ऑक्सीकारक दोनों साथ लेकर चलता है, इसलिए उसे आसपास की हवा की ज़रूरत नहीं। जेट इंजन से अलग वह अंतरिक्ष के निर्वात में भी काम करता है। इसकी 2 मुख्य नाप थ्रस्ट, यानी आगे का बल, और विशिष्ट आवेग, यानी प्रणोदक इस्तेमाल करने की किफ़ायत, हैं।
क्रायोजेनिक और अर्ध-क्रायोजेनिक इंजनों में क्या अंतर है?
क्रायोजेनिक इंजन द्रव हाइड्रोजन और द्रव ऑक्सीजन जलाता है। दोनों बहुत कम तापमान पर रखे जाते हैं और रासायनिक इंजनों में सबसे अधिक किफ़ायत देते हैं, करीब 450–460 सेकंड विशिष्ट आवेग। लेकिन इन्हें रखना मुश्किल है। अर्ध-क्रायोजेनिक इंजन सामान्य तापमान पर रखे जा सकने वाले केरोसीन को क्रायोजेनिक द्रव ऑक्सीजन के साथ जलाता है। इससे पूरे क्रायोजेनिक से कम भंडारण समस्या और हाइड्रोजन से ज़्यादा थ्रस्ट तथा सघन प्रणोदक मिलता है। भारत का SE-2000 इसी तरह का इंजन है और ज़हरीले भंडारणयोग्य मुख्य चरण को बदलने के लिए बनाया जा रहा है।
हरित प्रणोदन क्या है और यह क्यों ज़रूरी है?
हरित प्रणोदन अंतरिक्ष यान थ्रस्टरों में दशकों से इस्तेमाल हो रहे अत्यंत ज़हरीले और कैंसरकारी हाइड्राज़ीन की जगह ADN और HAN जैसे ऊर्जावान लवणों पर आधारित सुरक्षित ईंधन लाती है। ये संभालने में बहुत कम ज़हरीले, अक्सर सघन और ज़्यादा किफ़ायती होते हैं। ADN-आधारित LMP-103S हाइड्राज़ीन से करीब 6% ऊँचा विशिष्ट आवेग और 24% ऊँचा घनत्व देता है। इससे संभालने का जोखिम और लागत कम होती है, चालक दल वाली उड़ानों के लिए सुरक्षा बढ़ती है और व्यापक हरित-अंतरिक्ष आंदोलन को सहारा मिलता है।
क्या विद्युत (आयन) प्रणोदन पृथ्वी से रॉकेट प्रक्षेपित कर सकती है?
नहीं। विद्युत प्रणोदन आम तौर पर सौर पैनलों की बिजली से आयनित गैस को तेज़ करती है। विशिष्ट आवेग हज़ारों में होने से ईंधन किफ़ायत बहुत अधिक होती है, लेकिन थ्रस्ट बहुत कम। गुरुत्वाकर्षण को उड़ान भरते समय हराने के लिए यह पर्याप्त नहीं है। इसका इस्तेमाल लंबी अवधि के गहरे अंतरिक्ष मिशनों और कक्षा में उपग्रह को जगह पर रखने के लिए होता है, जहाँ महीनों या वर्षों की किफ़ायत कच्ची ताक़त से अधिक महत्वपूर्ण है। भारी-लिफ़्ट उड़ान भरने को ताक़तवर रासायनिक इंजन चाहिए।
अभ्यास प्रश्न
प्रीलिम्स MCQ
- रॉकेट प्रणोदन को सबसे अच्छी तरह कौन-सा सिद्धांत समझाता है? (a) बर्नूली का सिद्धांत (b) आर्किमिडीज़ का सिद्धांत (c) न्यूटन का गति का तीसरा नियम (d) न्यूटन का सार्वत्रिक गुरुत्वाकर्षण नियम उत्तर: (c) रॉकेट गरम गैस को पीछे निकालता है और बराबर तथा उलटी प्रतिक्रिया से आगे बढ़ता है। यह अंतरिक्ष के निर्वात में भी काम करता है।
- निम्नलिखित में से किसका विशिष्ट आवेग सबसे अधिक है? (a) ठोस प्रणोदक (b) पृथ्वी पर भंडारणयोग्य द्रव प्रणोदक (c) अर्ध-क्रायोजेनिक प्रणोदक (d) क्रायोजेनिक प्रणोदक उत्तर: (d) द्रव हाइड्रोजन और द्रव ऑक्सीजन जलाने वाले क्रायोजेनिक इंजन करीब 450–460 सेकंड तक पहुँचते हैं, जो रासायनिक प्रणोदन में सबसे अधिक है।
- भारत के भारी-लिफ़्ट प्रक्षेपण वाहन का C25 चरण किस प्रणोदक मेल का इस्तेमाल करता है? (a) केरोसीन और द्रव ऑक्सीजन (b) द्रव हाइड्रोजन और द्रव ऑक्सीजन (c) ठोस मिश्रित प्रणोदक (d) हाइड्राज़ीन और नाइट्रोजन टेट्राऑक्साइड उत्तर: (b) C25 CE-20 इंजन वाला क्रायोजेनिक ऊपरी चरण है और द्रव हाइड्रोजन तथा द्रव ऑक्सीजन जलाता है।
- विद्युत (आयन) प्रणोदन के संदर्भ में कौन-सा कथन सही है? (a) यह पृथ्वी से उड़ान भरने के लिए बहुत ऊँचा थ्रस्ट देती है (b) यह सौर बिजली से आयन तेज़ करती है, इसलिए किफ़ायत ऊँची और थ्रस्ट कम होता है (c) यह किसी प्रणोदक की ज़रूरत ख़त्म कर देती है और पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र का इस्तेमाल करती है (d) यह सिर्फ़ भारी-लिफ़्ट पहले चरण में इस्तेमाल होती है उत्तर: (b) आयन इंजन विद्युत क्षेत्रों से आयनित प्रणोदक को तेज़ करते हैं। विशिष्ट आवेग बहुत ऊँचा और थ्रस्ट बहुत कम होता है, इसलिए गहरे अंतरिक्ष तथा जगह थामे रखने वाले मिशनों में इनका उपयोग होता है, उड़ान भरने में नहीं।
- पारंपरिक हाइड्राज़ीन पर HAN-आधारित हरित एक-प्रणोदक का मुख्य लाभ क्या है? (a) वे अंतरिक्ष के निर्वात से अपने आप प्रतिक्रिया करते हैं और प्रज्वलन की ज़रूरत नहीं (b) कम विषैलेपन के साथ ऊँचा घनत्व और विशिष्ट आवेग (c) वे वायुमंडलीय ऑक्सीजन से जलते हैं, इसलिए ऑक्सीकारक नहीं चाहिए (d) वे केवल ठोस रॉकेट बूस्टर में इस्तेमाल हो सकते हैं उत्तर: (b) HAN-आधारित ईंधन ऊँचा घनत्व और विशिष्ट आवेग तथा बहुत कम विषैलापन देते हैं। लेकिन टूटने और जलने के लिए उत्प्रेरक तथा ऊँचा कक्ष तापमान अब भी चाहिए।
मुख्य परीक्षा प्रश्न
- रॉकेट प्रणोदन के मूल सिद्धांत और विशिष्ट आवेग की अवधारणा को समझाइए। ये दोनों बातें समझाने में कैसे मदद करती हैं कि प्रक्षेपण वाहन चरणों में क्यों बनाए जाते हैं? (15 अंक, 250 शब्द)
- प्रदर्शन, नियंत्रण और भंडारण के आधार पर ठोस, द्रव, क्रायोजेनिक तथा अर्ध-क्रायोजेनिक प्रणोदन तंत्रों की तुलना कीजिए। एक प्रक्षेपण वाहन में एक से अधिक प्रकार क्यों इस्तेमाल किए जाते हैं? (15 अंक, 250 शब्द)
- भारत की क्रायोजेनिक तकनीक में महारत और अर्ध-क्रायोजेनिक इंजन के विकास पर चर्चा कीजिए। ये अंतरिक्ष तकनीक में आत्मनिर्भरता के लक्ष्य को कैसे दिखाते हैं? (15 अंक, 250 शब्द)
- हरित प्रणोदन क्या है? अंतरिक्ष एजेंसियों के लिए हाइड्राज़ीन को बदलना प्राथमिकता क्यों बना है और हरित प्रणोदक बनाने में भारत के प्रयासों का आकलन कीजिए। (15 अंक, 250 शब्द)
- “विद्युत प्रणोदन सबसे हरित और किफ़ायती ड्राइव है, फिर भी रॉकेट को ज़मीन से नहीं उठा सकती।” इस दिखने वाले विरोधाभास और उन मिशनों पर चर्चा कीजिए जिनके लिए विद्युत प्रणोदन सबसे उपयोगी है। (10 अंक, 150 शब्द)
