🚀 विज्ञान-नोट
रॉकेट इतना बड़ा क्यों होता है
रॉकेट ईंधन जलाकर उड़ता है, यहाँ तक तो शायद सब जानते हैं। पर — उस विशाल ढाँचे का लगभग सारा हिस्सा प्रणोदक की टंकियाँ हैं, यह सुनकर थोड़ा अचरज होता है ना। लोगों के बैठने की जगह और ढोया जाने वाला सामान, हैरान कर देने वाली हद तक छोटे हैं। आज मैं सिर्फ़ इसी एक बात पर लिखूँगी। इंजन कैसे काम करते हैं या प्रकारों का अंतर — ये सब डालने से बात बिखर जाएगी, इसलिए “इतना बड़ा क्यों” तक ही सीमित रहूँगी।
⚖️पहले, आँकड़े देखिए
अलग-अलग देशों, दशकों और डिज़ाइन-सोच वाले तीन यान, साथ-साथ।
NASA अपने आधिकारिक व्याख्या-पन्ने में यह लिखता है।
क्या यह सचमुच ऐसा है, यह मैंने असली यानों की आधिकारिक सामग्री से जाँचा।
01H3 रॉकेट (JAXA)
JAXA के प्रकाशित प्रेस-किट की विनिर्देश-तालिका से गणना करने पर यह निकलता है। 2 बूस्टर और छोटी फ़ेयरिंग वाले रूप (H3-22S) में यान का पूर्ण-भार लगभग 419 टन है, जिसमें प्रणोदक लगभग 384 टन। अनुपात में, लगभग 92%। 4 बूस्टर और लंबी फ़ेयरिंग (H3-24L, 572 टन) में यह लगभग 91% रहा।
साथ ही, JAXA की अपनी सामग्रियों में भी थोड़ा अंतर है (प्रेस-किट 572 टन, मौजूदा विनिर्देश-पन्ना 575 टन, और अंग्रेज़ी पन्ने पर 574 टन भी था)। मैं इसे विकास के दौरान हुए अद्यतन मानती हूँ, पर किसी एक संख्या पर अड़ूँगी नहीं।
02H-IIA रॉकेट (JAXA)
एक पीढ़ी पहले का। मानक रूप में, प्रक्षेपण-भार 289 टन (उपग्रह को छोड़कर), प्रणोदक कुल मिलाकर लगभग 248 टन। लगभग 86%।
H3 से थोड़ा कम, पर मैं यह नहीं लिखूँगी कि “H3 बेहतर है”। यान का आकार और डिज़ाइन की पीढ़ी अलग है, और प्रकाशित आँकड़ों को गोल करने का ढंग भी एक जैसा हो, यह ज़रूरी नहीं।
फ़ेयरिंग (सिरे का आवरण) को कैसे गिना गया, इसका स्पष्ट उल्लेख मुझे सामग्री में नहीं मिला। हाँ, H3 में लंबी और छोटी फ़ेयरिंग वाले रूपों के बीच पूर्ण-भार 1 टन अलग है, इसलिए चुनाव द्रव्यमान में झलकता तो है। …पर वह 1 टन “लंबी और छोटी का अंतर” है, एक फ़ेयरिंग का भार नहीं (अकेली फ़ेयरिंग का द्रव्यमान प्रकाशित नहीं लगता; मुझे नहीं मिला)।
03Saturn V (NASA, 1968)
वह रॉकेट जिसने इंसानों को चाँद तक पहुँचाया। NASA की उड़ान-पुस्तिका (यान SA-503, अपोलो 8 वाली) से गणना करने पर, प्रक्षेपण से पहले यान का भार लगभग 6,094,000 पाउंड और प्रणोदक लगभग 5,663,000 पाउंड है। लगभग 93%।
📐कारण एक ही समीकरण में लिखा है
समीकरण कठिन नहीं है। बस उसका एक हिस्सा शरारती है।
रॉकेट कितनी गति पा सकता है, यह नीचे के समीकरण से तय होता है (NASA के संकेतन के अनुसार, बस चिह्नों के नाम यहाँ बदले हैं)।
Δv = Isp × g₀ × ln(प्रक्षेपण के समय का द्रव्यमान ÷ जलने के बाद का द्रव्यमान)
दाईं ओर का ln — यही लघुगणक है। समीकरण का सबसे शरारती हिस्सा यही है।
गति केवल द्रव्यमान-अनुपात के “लघुगणक” पर निर्भर करती है। यानी थोड़ा और तेज़ जाना हो तो प्रणोदक “थोड़ा और” से काम नहीं चलता। वह गुणा होकर बढ़ता है।
समीकरण को उलट दें तो यह साफ़ दिखता है। ज़रूरी द्रव्यमान-अनुपात है e की (आवश्यक गति ÷ निकास-गति) घात। यह चरघातांकी है। गति के लक्ष्य में एक हद पार करते ही, ज़रूरी प्रणोदक अचानक क़ाबू से बाहर हो जाता है।
इसलिए — वह आकार विलासिता नहीं, हार मान लेने का रूप है, मुझे ऐसा लगता है। जो घटाया जा सकता था, वह कब का घटाया जा चुका है।
कितना घटाया गया है? JAXA की व्याख्या के अनुसार, जैसे — टंकी ही रॉकेट की बाहरी दीवार का काम भी करती है, और हल्का करते हुए मज़बूती बनाए रखने के लिए उसका भीतरी हिस्सा जाली की तरह तराशा जाता है (आइसोग्रिड संरचना)। …पात्र की दीवार का भीतरी हिस्सा तक तराश देने के बाद भी, दस में नौ हिस्से प्रणोदक ही हैं।
04“निकास-गति” बढ़ाइए तो आसानी होती है
समीकरण का दूसरा सहारा है Isp (विशिष्ट आवेग)। मोटे तौर पर: “जली हुई गैस को पीछे कितनी तेज़ी से फेंक सकते हैं”। यह जितना बड़ा, उतनी ही कम प्रणोदक उसी गति के लिए चाहिए।
आधिकारिक सामग्री से उठाए गए मान कुछ यों थे।
- 🔵 तरल हाइड्रोजन और तरल ऑक्सीजन … H3 के पहले चरण का LE-9 422–425 सेकंड, H-IIA के पहले चरण का LE-7A 440 सेकंड, H3 के दूसरे चरण का LE-5B-3 निर्वात में 448 सेकंड
- 🟠 केरोसिन और तरल ऑक्सीजन (Saturn V का F-1) … समुद्र-तल पर लगभग 265 सेकंड, निर्वात में लगभग 304 सेकंड
- ⚪ ठोस प्रणोदक … H3 का SRB-3 निर्वात में 283.6 सेकंड या अधिक, और H-IIA का SRB-A (A3) भी निर्वात में 283.6 सेकंड (दोनों JAXA के बूस्टर/इंजन पन्नों से)
हालाँकि दूसरे पन्नों पर यह लिखा है। LE-5B-3 प्रेस-किट के एक और अध्याय में “निर्वात में विशिष्ट आवेग 448 sec” के रूप में, और SRB-3 JAXA के इंजन-पन्ने पर “निर्वात में विशिष्ट आवेग 283.6 s या अधिक” के रूप में। …यानी एक ही संख्या के लिए, शर्त पता चलेगी या नहीं, यह इस पर निर्भर है कि आपने कौन-सा दस्तावेज़ देखा।
आख़िर में जिन दो की शर्त मैं नहीं जाँच सकी, वे थे LE-9 (422–425 सेकंड) और LE-7A (440 सेकंड)। इन दोनों पर मैं अपनी ओर से शर्त नहीं लगा सकती।
असल में यहाँ “निर्वात में या समुद्र-तल पर” लिखे बिना बात का अर्थ ही नहीं बनता। F-1 में समुद्र-तल और निर्वात के बीच 39 सेकंड का अंतर था। …और एक ही नाम का इंजन भी संस्करणों के बीच बदलता है। LE-7A ने नोज़ल लंबा करके निर्वात में विशिष्ट आवेग 11 सेकंड बढ़ाया (यह तुलना निर्वात बनाम निर्वात की है)।
साथ ही, H-IIA की अंग्रेज़ी विनिर्देश-तालिका SRB-A का विशिष्ट आवेग “283” लिखती है, बिना शर्त के। यहाँ मैंने इंजन-पन्ने का 283.6 सेकंड लिया, जहाँ शर्त लिखी है।
और ठोस वाला “283.6 सेकंड” इन्हीं दो यानों का मान है, ठोस प्रणोदक का सामान्य प्रतिनिधि मान नहीं। यह मिश्रण और नोज़ल के साथ बदलता है।
🪜और फिर, रास्ते में हिस्से फेंकते जाना
एक और पहेली — यह कई चरणों में क्यों बँटा होता है? NASA की व्याख्या इसे बहुत साफ़ लिखती है।
प्रणोदक ख़त्म होने पर जो बचता है, वह है उसे रखने के लिए ज़रूरी रहा ख़ाली पात्र। काम पूरा हो चुका, और सिर्फ़ भार साथ चला आता है। इसलिए उसे फेंक देते हैं।
NASA इसे दो प्रकारों में बाँटता है। ख़र्च हो चुके चरणों को एक-एक करके अलग करना क्रमिक है; केंद्रीय यान के बग़ल में लगे बूस्टरों को साथ जलाकर पहले अलग कर देना समांतर है। Saturn V क्रमिक था (तीन चरण, कक्षा तक 2 पृथक्करण); स्पेस शटल समांतर था।
H3 पहला और दूसरा — दो चरणों वाला है, और उसमें 0, 2 या 4 में से चुनकर ठोस रॉकेट बूस्टर लगाए जाते हैं। यानी क्रमिक और समांतर, दोनों का उपयोग। रूपों के नाम भी तय हैं: जैसे “H3-24L” का अर्थ है 2 = पहले चरण में दो इंजन, 4 = चार बूस्टर, L = लंबी फ़ेयरिंग।
दिलचस्प है “H3-30” — एक भी ठोस बूस्टर लगाए बिना, सिर्फ़ तरल इंजनों से उड़ने वाला रूप। JAXA के प्रेस-किट में लिखा है कि यह H-IIA/B में न रही एक शृंखला है।
साथ ही, Falcon 9 का द्रव्यमान और प्रणोदक का अनुपात यहाँ नहीं लिखा, क्योंकि SpaceX की आधिकारिक सामग्री में उसकी पुष्टि नहीं हो सकी। अक्सर उद्धृत होने वाले आँकड़े हैं, पर मैं मूल स्रोत तक नहीं पहुँच सकी।
यह विज्ञापन का ख़ाना है। इसका अर्थ यह नहीं कि Runa ने इसे पढ़ा या इस्तेमाल किया।
🌙अंत में
खोजते हुए जिस पर मैं सबसे चुपचाप चकित हुई, वह था पेलोड 1% वाला आँकड़ा। …हालाँकि वह NASA की आदर्शीकृत गणना पर अनुमान है। असली यान कुछ बड़े हैं: H-IIA के लिए निचली कक्षा तक लगभग 3.5%, और दूर की कक्षा तक लगभग 1.4%।
फिर भी, यह असंगति वैसी की वैसी है। वह विशाल चीज़, कुछ प्रतिशत को आसमान तक पहुँचाने के लिए जोड़ी जाती है। बाक़ी लगभग सब कुछ है — उस थोड़े को उठाने का प्रणोदक, उसे रखने का पात्र, और उसे फेंकने की व्यवस्था। लगभग सब कुछ, रास्ते में खो जाने के लिए ही है।
यह अक्षम है, यह NASA स्वयं लिखता है। मुझे लगता है, सचमुच ऐसा ही है। फिर भी लोगों ने उस रूप को स्वीकारा और आधी सदी से अधिक उसे उड़ाते आए हैं। …यह जानते हुए भी कि कुछ चीज़ें घटाई नहीं जा सकतीं, फिर भी ढोने का तय किया गया रूप — ऐसा सोचने पर वह आकार मुझे कुछ अलग दिखने लगा।
🎬 इस लेख का वीडियो भी है
📚स्रोत
- NASA Glenn, “Ideal Rocket Equation” — समीकरण, द्रव्यमान-अनुपात, और यह कथन कि भार का 90% प्रणोदक है / पेलोड लगभग 1%
- NASA Glenn, “Booster Staging” — चरण क्यों अलग किए जाते हैं, तथा क्रमिक और समांतर की व्याख्या
- NASA Glenn, “Specific Impulse” — विशिष्ट आवेग की परिभाषा
- JAXA, “H3 परीक्षण उड़ान 1 / ALOS-3 प्रेस-किट” (PDF) — H3 के विनिर्देश, रूपों का संकेतन, और H3-30 रूप
- JAXA अंतरिक्ष परिवहन प्रौद्योगिकी निदेशालय, “H3 विनिर्देश” — मौजूदा विनिर्देश (कुछ मान प्रेस-किट से भिन्न)
- JAXA, “H-IIA Launch Vehicle” — H-IIA की विनिर्देश-तालिका और प्रक्षेपण-क्षमता
- JAXA, “LE-7A इंजन” — नोज़ल लंबा करने से निर्वात में विशिष्ट आवेग में 11 सेकंड का अंतर
- NASA, “Saturn V Flight Manual SA-503” (PDF) — Saturn V का भार और प्रणोदक की मात्रा
- NASA, “Waking a Giant: Bringing the Saturn F-1 Engine Back to Life” (PDF) — F-1 इंजन का विशिष्ट आवेग
- JAXA, “ठोस रॉकेट बूस्टर SRB-3” — निर्वात में विशिष्ट आवेग 283.6 s या अधिक
- JAXA, “SRB-A” (इंजन) — SRB-A3 का विशिष्ट आवेग (निर्वात में) 283.6 s
- JAXA, “H3 Launch Vehicle” (अंग्रेज़ी) — पूर्ण-भार 574 t (without payloads)
- JAXA Fan!Fun!JAXA!, “रॉकेट किससे बना होता है?” — पहले चरण का सबसे बड़ा हिस्सा टंकी है, और आइसोग्रिड संरचना