अंतरिक्ष तक सतत पहुँच के लिए भारत द्वारा पुन: प्रयोज्यता का मार्ग

सन्दर्भ:

वाणिज्यिकरण और निजी क्षेत्र के प्रवेश ने अंतरिक्ष को एक प्रतिस्पर्धी उद्योग में बदल दिया है, जहाँ प्रक्षेपण लागत में गिरावट और उपग्रहों की बढ़ती माँग के कारण पुन: प्रयोज्यता आर्थिक रूप से आवश्यक हो गई है।

अंतरिक्ष क्षेत्र में तेजी से हो रही वृद्धि के कारण

• राज्य से निजी क्षेत्र की ओर बदलाव: अंतरिक्ष क्षेत्र का नेतृत्व पहले नासा और इसरो करते थे, लेकिन उदारीकरण और वेंचर कैपिटल के कारण अब यह निजी कंपनियों द्वारा संचालित है।
• अंतरिक्ष अर्थव्यवस्था का विस्तार: उपग्रह और सेवा राजस्व से प्रेरित होकर, वैश्विक अंतरिक्ष अर्थव्यवस्था के 2030 तक $1 ट्रिलियन से अधिक होने का अनुमान है।
• प्रक्षेपण लागत में भारी कमी: नवाचार ने प्रति किलोग्राम लागत को 5-20 गुना तक कम कर दिया है, जिससे बड़े पैमाने पर तैनाती संभव हो गई है।
• उच्च प्रक्षेपण आवृत्ति: सस्ती पहुँच मेगा-कॉन्स्टेलेशन और तीव्र प्रतिस्थापन चक्रों का समर्थन करती है।
• पुन: प्रयोज्य प्रणालियों की ओर संक्रमण: पुन: प्रयोज्यता व्यावसायिक व्यवहार्यता का मूल तकनीकी चालक है।

उपग्रह मिशनों की तुलना में मानव अंतरिक्ष मिशनों की उच्च लागत के कारण

• मानव मिशन:
  • जीवन रक्षक प्रणालियाँ: वायु, जल और भोजन की निरंतर आपूर्ति तथा तापमान नियंत्रण से भार और प्रणालीगत जटिलता बढ़ जाती है।
  • उच्च सुरक्षा मानक: मानव-मूल्यांकन के लिए व्यापक परीक्षण, प्रमाणीकरण और जोखिम-शमन प्रोटोकॉल की आवश्यकता होती है, जिससे विकास लागत बढ़ जाती है।
  • अतिरेक (बैकअप): चालक दल की सुरक्षा के लिए महत्त्वपूर्ण प्रणालियों में कई विफल-सुरक्षित बैकअप होने चाहिए, जिससे द्रव्यमान और हार्डवेयर की आवश्यकताएं बढ़ जाती हैं।
  • लॉन्च एबॉर्ट सिस्टम: लॉन्च में विफलता के दौरान अंतरिक्ष यात्रियों को बचाने के लिए समर्पित बचाव तंत्र की आवश्यकता होती है, जिससे अतिरिक्त इंजीनियरिंग और वजन बढ़ जाता है।
• उपग्रह मिशन:
  • एकतरफा यात्राएँ: उपग्रहों को बिना वापसी के तैनाती के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिससे पुनर्प्राप्ति और पुनः प्रवेश प्रणालियों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।
  • सरल हार्डवेयर: मानव सुरक्षा या आराम की आवश्यकता न होने के कारण सरल और हल्के घटकों का उपयोग संभव है।
  • जीवन समर्थन की आवश्यकता नहीं: जैविक आवश्यकताओं की अनुपस्थिति से सिस्टम की आवश्यकताएँ और पेलोड का द्रव्यमान काफी कम हो जाता है।
  • कम द्रव्यमान की आवश्यकता: छोटे पेलोड प्रक्षेपण यान के आकार और ईंधन की आवश्यकता को कम करते हैं, जिससे मिशन की समग्र लागत में कटौती होती है।

भौतिक बाधाएँ: गुरुत्वाकर्षण और वायुमंडलीय प्रतिरोध

• गुरुत्वाकर्षण प्रभाव: पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण बल के कारण आरोहण के दौरान निरंतर शक्ति की आवश्यकता होती है।
• वायुगतिकीय प्रतिरोध: निम्न वायुमंडल के सघन घनत्व के कारण वायु प्रतिरोध से ऊर्जा की हानि होती है।
• न्यूटन का तीसरा नियम: रॉकेट बराबर और विपरीत प्रतिक्रिया के सिद्धांत पर काम करते हैं। आगे की ओर गति उच्च गति से पीछे की ओर निकलने वाले धुएं से प्राप्त होती है।
• ईंधन द्रव्यमान सर्पिल: ईंधन को उठाने के लिए अधिक ईंधन की आवश्यकता होती है, जिससे कुल प्रक्षेपण द्रव्यमान बढ़ जाता है।

त्सिओलकोव्स्की रॉकेट समीकरण

• द्रव्यमान दंड सिद्धांत: त्सिओलकोव्स्की समीकरण दर्शाता है, कि गति में वृद्धि के साथ ईंधन की आवश्यकता घातांकीय रूप से बढ़ती है। 
  • रॉकेट के द्रव्यमान का लगभग 90% हिस्सा ईंधन और ऑक्सीकारक होता है, और द्रव्यमान का 4% से भी कम हिस्सा उपयोगी पेलोड बनता है।
• संरचनात्मक भार: शेष द्रव्यमान में इंजन, विमान उपकरण और ढाँचा शामिल हैं।
• भार वहन अक्षमता का जाल: अधिकांश ऊर्जा माल उठाने के बजाय प्रणोदक को उठाने में खर्च होती है।

स्टेजिंग और डिस्पोजेबल आर्किटेक्चर (पुराना तरीका)

• स्टेजिंग का अर्थ: रॉकेट को कई चरणों (चरण-1, चरण-2, चरण-3) में विभाजित किया जाता है, जिन्हें उड़ान के दौरान अतिरिक्त भार कम करने और दक्षता में सुधार के लिए हटाया जाता है।
• व्यय योग्य रॉकेट (जैसे- PSLV, LVM-3): प्रत्येक चरण का उपयोग केवल एक बार किया जाता है और फिर वह समुद्र में गिर जाता है या जलकर नष्ट हो जाता है, जिसे पुनः प्राप्त नहीं किया जा सकता है।
• लागत संबंधी समस्या: इंजन सबसे महंगे घटक होते हैं,इसलिए एक बार उपयोग के बाद उन्हें फेंक देने से मिशन की लागत बहुत अधिक हो जाती है।
• डिस्पोजेबल मॉडल: एक बार इस्तेमाल होने वाले चरणों और इंजनों की इस प्रथा को अंतरिक्ष प्रक्षेपण का “डिस्पोजेबल मॉडल” कहा जाता है।

पुन: प्रयोज्यता (स्पेसएक्स मॉडल)

• पुन: प्रयोज्यता: पहले चरण को पुनः प्राप्त कर पुनः उपयोग किया जा सकता है, जिससे रॉकेट के सबसे महंगे हिस्से के पुनर्निर्माण की लागत से बचा जा सकता है।
• वर्टिकल इंटीग्रेशन: अधिकांश घटकों का निर्माण कंपनी के भीतर ही किया जाता है, जिससे आपूर्तिकर्ताओं पर निर्भरता, देरी और खरीद लागत कम हो जाती है।
• मॉड्यूलर डिजाइन: मानकीकृत पुर्जों, 3डी प्रिंटिंग और स्मार्ट इंजीनियरिंग के उपयोग से उत्पादन में तेजी आती है और लागत कम होती है।

फाल्कन 9 के प्रथम चरण की पुनर्प्राप्ति की विधि

• बूस्ट बैक बर्न: स्टेज सेपरेशन के बाद, बूस्टर मुक्त रूप से गिरने की बजाय लैंडिंग ज़ोन की ओर लौटने के लिए संचालित प्रयास करता है।
• प्रतिगामी प्रणोदक मंदन: अवरोहण के दौरान, वेग को कम करने और नियंत्रित ब्रेकिंग सुनिश्चित करने के लिए इंजनों को पुनः चालू किया जाता है।
• वायुमंडलीय ब्रेकिंग: पुनः प्रवेश के दौरान वायुगतिकीय प्रतिरोध गतिज ऊर्जा को कम और बूस्टर को स्थिर करता है।
• वर्टिकल प्रिसिजन लैंडिंग: लैंडिंग लेग्स खुल जाते हैं, और इंजन एक सहज, सीधे टचडाउन के लिए थ्रस्ट को ठीक से समायोजित करते हैं।
• प्रमुख विश्वसनीयता: 520 से अधिक सफल रिकवरी इस प्रणाली की परिचालन परिपक्वता को दर्शाती हैं।

पुन: प्रयोज्य प्रक्षेपण प्रणालियों में वैश्विक प्रतिस्पर्धा

• बाजार विविधीकरण: कई देश अब पुन: प्रयोज्य प्रक्षेपण परियोजनाओं में लगे हुए हैं।
• स्टारशिप प्रोग्राम: गहन अंतरिक्ष में रसद पहुँचाने के लिए पूरी तरह से पुन: प्रयोज्य दो-चरण प्रणाली।
• ब्लू ओरिजिन का नया ग्लेन: अत्यधिक भार उठाने वाला पुन: प्रयोज्य बूस्टर विकास के अधीन है।
• चीनी निजी क्षेत्र का प्रयास: लैंडस्पेस (Zhuque-3) जैसी कंपनियाँ वापसी के प्रयास कर रही हैं।
• स्टार्टअप इकोसिस्टम का विकास: वैश्विक स्तर पर एक दर्जन से अधिक कंपनियाँ पुन: उपयोग प्रौद्योगिकी पर कार्य कर रही हैं।

रॉकेट के पुन: उपयोग की भौतिक और आर्थिक सीमाएँ

• डिजाइन के अनुसार असीमित नहीं: पुन: उपयोग इंजीनियरिंग सीमाओं और समय के साथ लागत-प्रभावशीलता दोनों से बाधित होता है।
• क्रायोजेनिक ठंड और दहन की गर्मी के बार-बार संपर्क में आने से संरचनाओं और इंजनों में सूक्ष्म दरारें उत्पन्न हो जाती हैं।
• बढ़ती मरम्मत लागत: कई उड़ानों के बाद (वर्तमान में फाल्कन 9 के लिए लगभग 30 उड़ानें), निरीक्षण और मरम्मत की लागत एक नया बूस्टर बनाने से भी अधिक हो सकती है।
• परिचालन जोखिम में वृद्धि: विश्वसनीयता उम्र के साथ घटती जाती है, जिससे मिशन की विफलता की संभावना बढ़ जाती है।

पुन: प्रयोज्यता के क्षेत्र में भारत की वर्तमान स्थिति

• दोहरी पुनर्प्राप्ति रणनीति: ISRO लागत प्रभावी पुन: प्रयोज्यता को सक्षम बनाने के लिए, पंखों वाले और ऊर्ध्वाधर लैंडिंग प्रणाली दोनों विकसित कर रहा है।
• विंग्ड आरएलवी (स्पेसप्लेन): एक मिनी-शटल जिसे रॉकेट द्वारा लॉन्च किया जाता है, जो वायुमंडल में पुनः प्रवेश करता है और रनवे पर स्वतः ही उतरता है।
• ऊर्ध्वाधर लैंडिंग विधि: स्पेसएक्स की बूस्टर रिकवरी तकनीक के समान, रेट्रो-प्रोपल्शन का उपयोग करके व्यय किए गए चरणों को पुनर्प्राप्त किया जाता है।
• लागत कम करने का उद्देश्य: दोनों दृष्टिकोणों का लक्ष्य उच्च मूल्य वाले हार्डवेयर का पुनः उपयोग करना, और प्रति लॉन्च व्यय को कम करना है।

नए अंतरिक्ष बाजार में भारत के लिए आगे की राह

• पुन: प्रयोज्यता: लागत संबंधी मामले में प्रतिस्पर्धी बने रहने के लिए भारत को यह सुनिश्चित करना होगा, कि भविष्य के सभी प्रक्षेपण यान पुनर्प्राप्ति और पुन: उपयोग के लिए डिज़ाइन किए गए हों।
• चरण अनुकूलन और कमी: जटिलता और कार्य समय को कम करने के लिए ISRO को तीन-चरण प्रणाली से एक कुशल दो-चरण प्रणाली में स्थानांतरित होना चाहिए।
• प्रणोदन उन्नयन: भारत को पेलोड दक्षता और आर्थिक स्थिति में सुधार के लिए, कॉम्पैक्ट इंजन और उच्च घनत्व वाले प्रणोदकों को प्राथमिकता देनी चाहिए।
• प्रक्षेपण की आवृत्ति (कैडेंस): ISRO को बार-बार प्रक्षेपण करने और वाणिज्यिक मांग को पूरा करने के लिए, अवसंरचनात्मक विकास तथा संचालन को बढ़ाना होगा।

निष्कर्ष

अंतरिक्ष क्षेत्र में भारत की दीर्घकालिक प्रतिस्पर्धात्मकता इस बात पर निर्भर करेगी, कि पुन: प्रयोज्यता कितनी तेजी से प्रयोगों से नियमित संचालन की ओर अग्रसर होती है।

मुख्य परीक्षा हेतु अभ्यास प्रश्न: प्रश्न: पुन: प्रयोज्य रॉकेट प्रौद्योगिकी के उद्भव ने वैश्विक अंतरिक्ष उद्योग में क्रांतिकारी परिवर्तन ला दिया है, जिससे लागत में कमी आई है और प्रक्षेपण आवृत्ति में वृद्धि हुई है। पुन: प्रयोज्य प्रक्षेपण यानों के पीछे की तकनीकी नवाचारों, पारंपरिक व्यय योग्य रॉकेटों पर उनके लाभ तथा प्रतिस्पर्धी पुन: प्रयोज्य प्रणालियों के विकास में भारत के समक्ष विद्यमान चुनौतियों की चर्चा कीजिए। (15 अंक, 250 शब्द)

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