چند دلیل برای این وجود دارد:
وزن موتورها بسیار کمتر از مخازنی است که به آنها سوخت می دهد. داشتن یک موتور اضافی در شروع پرتاب بهتر از مخازن سوخت غیر ضروری در پایان است.
«موتورهای کافی» برای بلند شدن سریع از زمین، وقتی در هوا هستید به «موتورهای بسیار زیاد» تبدیل می‌شود. چرا؟ شما جرم زیادی را از دست داده اید (با سوزاندن پیشرانه) اما همچنان همان نیروی رانش را تولید می کنید. بنابراین، شتاب فوق العاده ای خواهید داشت. شتاب فوق العاده دو اثر بد دارد:
حرکت بسیار سریع در قسمت پایین جو باعث کشش فوق العاده ای می شود. کشیدن بیهوده است (انرژی زیادی را از دست می دهید) و در بدترین حالت می تواند اوضاع را بسیار داغ کند.
شتاب فوق العاده به این معنی است که همه چیز (از جمله مخزن سوخت عظیم شما) باید بسیار قوی باشد تا تحت "وزن" خود فرو نرود (و "وزن" بسیار افزایش یافته هر مرحله / بار بالای آن!). قوی کردن چیزها خیلی سنگین است.
موتورهایی که برای بلند شدن از زمین مناسب هستند با موتورهایی که برای سفر در خلاء فضا مناسب هستند کاملاً متفاوت هستند. بنابراین، داشتن دو نوع موتور متفاوت کارآمدتر است. (این می تواند به معنای اندازه، شکل و نوع پیشرانه موتور متفاوت باشد.)
سلب مسئولیت: امروزه این موضوع در مورد الکترونیک مدرن کمتر مطرح است، اما قبلاً مرتبط بود: نیازهای برق (برای رایانه ها، سیستم های کنترل، آنتن های رادیویی، و غیره) برای بخشی از یک موشک که فقط باید 9 را صرف کند، بسیار متفاوت است. دقایقی وارد مدار زمین و بخشی که ممکن است روزها، هفته‌ها یا حتی ماه‌ها را صرف قایقرانی در فضا بکند.
به طور خلاصه، اساساً ساخت دو وسیله نقلیه متفاوت کارآمدتر است: یک مرحله بالا که برای پرواز در فضا بهینه شده است زیرا بار محموله را به سرعت مورد نیاز برای ماندن در مدار سرعت می بخشد و یک مرحله پایین تر که برای پرتاب قسمت بالایی بهینه شده است. وارد یک مدار زیر مداری بالا شوید. با این فلسفه، صرفه جویی در وزن ناشی از دور انداختن مرحله پایین همیشه ارزش آن را دارد.پس چرا فقط از 1 مرحله استفاده نمی کنید؟
چون نمی دانیم چگونه این کار را انجام دهیم.
اینکه ما نمی دانیم چگونه یک مرحله را به مدار بسازیم، نتیجه معادله موشک تسیولکوفسکی و این واقعیت است که مقداری ساختار برای مهار پیشران لازم است. معادله موشک این را حکم می کند
$\frac{\Delta v}{v_e} = \ln\left(\frac{m_0}{m_1}\right) \tag{1}$
یا
$\frac{m_0}{m_1} = \exp\left(\frac{\Delta v}{v_e}\right) \tag{2}$
جایی ک
Δv تغییر در سرعت وسیله نقلیه است،
ve سرعت موثر اگزوز از موشک است،
m1 جرم خشک وسیله نقلیه است و
m0 جرم مرطوب اولیه وسیله نقلیه (جرم خشک به اضافه جرم پیشرانه) است.
نمایی در معادله (2) به اندازه کافی بد است. به دلیل نگرانی های ساختاری بدتر می شود. ما نمی دانیم چگونه یک فضاپیما بسازیم که جرم اولیه آن 99 درصد پیشران باشد. اکثر وسایل نقلیه پرتاب حدود 90٪ در هنگام پرتاب پیشران هستند. تعداد کمی در هنگام پرتاب تا 94 درصد پیشرانه دریافت می کنند.
در برخی موارد، افزودن پیشرانه بیشتر به معنای مخازن پیشران بزرگتر و ساختار بیشتر برای پشتیبانی از جرم اضافی پیشران اضافی و مخازن بزرگتر است. این بدان معنی است که اگر یک حد بالایی در نسبت جرم پیشرانه وجود داشته باشد، یک حد بالایی مربوط به نسبت Δv/ve وجود دارد:
$\frac{\Delta v_\text{max}}{v_e} = \ln\left(\frac 1 {1-\alpha}\right) \tag{3}$
جایی که
Δvmax حداکثر تغییر ممکن در سرعت و
α حداکثر نسبت جرم پیشرانه ممکن به جرم کل است.
برای یک وسیله نقلیه پرتاب معمولی که در ابتدا حدود 90٪ پیشرانه از نظر جرم دارد، این منجر به حداکثر Δv حدود 2.3 برابر سرعت اگزوز می شود. با توجه به اینکه Δv به مدار پایین زمین حدود 11 کیلومتر بر ثانیه است (حدود 9.4 کیلومتر در ثانیه بدون توجه به تلفات نیروی پسا و گرانش، به اضافه 1.6 کیلومتر در ثانیه دیگر پس از محاسبه این اثرات)، یک موشک تک مرحله ای برای چرخش به مدار زمین باید دارای اگزوز باشد. سرعت حدود 4790 متر بر ثانیه هیچ موتور موشک شیمیایی وجود ندارد که این سرعت اگزوز را داشته باشد.
ترفندهایی برای دور زدن این محدودیت وجود دارد. یکی این است که همان کاری را که هواپیماهای جت انجام می دهند انجام دهید: اکسید کننده را از جو بگیرید. این یک رویا برای چندین دهه بوده است. هیچ کس نمی داند چگونه آن را انجام دهد. دیگری استفاده از تقویت کننده های جانبی است که پس از اتمام دور انداخته می شوند. برخی شاتل فضایی را "یک و نیم" مرحله برای چرخش وسیله نقلیه به دور می نامند. این کاملاً درست نبود زیرا قطع اصلی موتور درست زیر سرعت مداری رخ می داد.
ترفند دیگر استفاده از وسیله نقلیه چند مرحله ای است. مرحله اول وسیله نقلیه را بیشتر به سمت Δv و ارتفاع مورد نظر می برد، مرحله دوم یا کار را تمام می کند یا حداقل کمی بیشتر انجام می دهد. یک مزیت جانبی استفاده از رویکرد چند مرحله ای این است که مراحل بالا می توانند از موتورهای بهینه شده برای عملیات خلاء استفاده کنند. موتور خلاء مورد استفاده در سطح دریا به احتمال زیاد خود را از هم می پاشد. با توجه به دو موتور تقریباً یکسان به جز اینکه یکی در سطح دریا ایمن است در حالی که دیگری برای عملیات خلاء بهینه شده است، موتور بهینه شده با خلاء ناگزیر سرعت اگزوز بالاتری خواهد داشت.
یک مثال افراطی از یک وسیله نقلیه چند مرحله ای، پشته پرتاب Saturn V بود که اساساً یک وسیله نقلیه شش مرحله ای بود. دور انداختن قطعات وسیله نقلیه بعد از اینکه دیگر مورد نیاز نیستند راهی برای فرار نسبی از ظلم معادله موشک است.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا
