પ્રણોદકો (propellants) : પૂર્વનિર્ધારિત, નિયંત્રિત માત્રામાં દહન પામી ગરમી તથા વાયુઓ ઉત્પન્ન કરવા દ્વારા પ્રણોદી (નોદક) (propulsive) હેતુઓ માટે ઉપયોગી ગતિજ ઊર્જા ઉત્પન્ન કરતાં રાસાયણિક ઇંધનો. પાત્રમાંના પદાર્થને વાયુવિલયો (aerosols) રૂપે બહાર ફેંકતા દાબિત (compressed) વાયુને પણ પ્રણોદક કહેવામાં આવે છે. પ્રણોદકનો મુખ્ય હેતુ સંયોજનના ખૂબ ઝડપી દહન દ્વારા પ્રતિ એકમ વજનદીઠ વધુમાં વધુ માત્રામાં ઊર્જા પ્રાપ્ત કરવાનો છે. આ ગુણને કારણે પ્રણોદક રૉકેટ, પ્રક્ષેપાસ્ત્ર વગેરેને મહત્તમ ધક્કો (thrust) આપી શકે છે. આથી જ્યાં ટૂંકા સમયગાળામાં અત્યંત નિયંત્રિત માત્રામાં પ્રચંડ બળ ઉત્પન્ન કરવાનું હોય ત્યાં પ્રણોદકોનો ઉપયોગ થાય છે; દા.ત., રૉકેટના ઉડ્ડયન માટે, વિમાનોનાં એન્જિન ચાલુ કરવા, વિશાળ કદનાં ટર્બાઇન ચલાવવા, વિમાનના પાયલટને અકસ્માત કે કટોકટીના સમયે વિમાનમાંથી બહાર ધકેલવા માટે, તરલ પદાર્થોના પંપિંગ માટે તથા તાર-બોલ્ટ જેવી વસ્તુઓને તોડવા માટે તેમજ ખાસ પ્રકારનાં સાધનોમાં ગરમીના સ્રોત માટે પણ તે ઉપયોગી છે.
નાઇટ્રોમિથેન અથવા નાઇટ્રોસેલ્યુલોઝ જેવા પદાર્થો કે જેમના અણુમાં ઇંધન અને ઉપચાયક (oxidant) બંને ઘટકો સમાયેલા હોય અથવા જેમાં મિથાઇલ આલ્કોહૉલ અને હાઇડ્રોજન પેરૉક્સાઇડ જેવા પદાર્થોનું ઘનિષ્ઠ (intimate) મિશ્રણ હોય તેવા પ્રણોદકો એકસ્રોતી પ્રણોદકો (monopropellants) કહેવાય છે. જે પ્રણાલીમાં ઇંધન અને ઉપચયનકારકો(oxidizers)ને અલગ અલગ રાખવામાં આવ્યા હોય અને તે દહનકક્ષ(combustion chamber)માં મિશ્ર થતા હોય તેને દ્વિપ્રણોદક (bipropellant) પ્રણાલી કહે છે.
તેમની ભૌતિક અવસ્થા પ્રમાણે પ્રણોદકોના બે વર્ગ પાડવામાં આવે છે : (i) ઘન અને (ii) પ્રવાહી. પ્રવાહી પ્રણોદકોનો ઉપયોગ રૉકેટો પૂરતો મર્યાદિત હોય છે; જ્યારે તોપમાં સામાન્ય રીતે ઘન પ્રણોદકો વપરાય છે. પ્રવાહી પ્રણોદકો એકસ્રોતી પ્રકારના કે દ્વિ-પ્રણોદક પ્રકારના હોય છે; જ્યારે ઘન પ્રણોદકો એકસ્રોતી પ્રણોદક પ્રકારના હોય છે. એક ત્રીજો પ્રકાર ઘન અને પ્રવાહી સંઘટકો(ingredients)ની સંકર (hybrid) પ્રણાલી ધરાવે છે. આમાં ઇંધન સામાન્ય રીતે ઘન સ્વરૂપે હોય છે અને તેના ઉપર પ્રવાહી ઉપચાયકનો છંટકાવ કરવામાં આવે છે.
ઘન પ્રણોદકો સઘન (compact) હોય છે. તેમને ખાસ સાવચેતી વગર લાંબા સમય સુધી જાળવી કે સંગ્રહી શકાય છે. તે મહદ્ અંશે બંદૂક (gun) અને તોપ(cannon)માં વપરાય છે. તોપમાં વપરાતા પ્રણોદકો ઘટ્ટ, દાણાદાર કે ચાદર(sheet)રૂપ સુઘટ્યકૃત (plasticized) નાઇટ્રોસેલ્યુલોઝના બનેલા હોય છે. શક્તિ તથા યાંત્રિક ક્ષમતા વધારવા તેમાં નાઇટ્રોગ્લિસરિન, ડાઇઇથિલીન ગ્લાયકોલ ડાઇનાઇટ્રેટ જેવાં સંયોજનો ઉમેરવામાં આવે છે. ભૌતિક તથા પ્રક્રિયાત્મક ગુણધર્મો સુધારવા માટે ડાઇબ્યુટાઇલ થેલેટ જેવા નિષ્ક્રિય સુઘટ્યકારકો, સંગ્રહક્ષમતા વધારવા માટે સ્થાયીકારકો (stabilizers) તથા કાર્યક્ષમતા વધારવા તથા સ્ફોટકદ્રવ્ય(explosive)ની સલામત હેરફેર માટે તેમાં અકાર્બનિક પૂરકો (fillers) ઉમેરવામાં આવે છે. પ્રારંભક્ષમતા (initiability) સુધારવા તથા અન્ય જરૂરિયાત અર્થે કે વિશિષ્ટ ગુણધર્મો/ ખાસિયતો મેળવવા વિવિધ પદાર્થો કે સંયોજનો પણ પ્રણોદકો સાથે ભેળવવામાં આવે છે. ભારતે વિકસાવેલાં આકાશ, નાગ, ત્રિશૂલ, પૃથ્વી વગેરે પ્રક્ષેપાસ્ત્રોમાં ઘન પ્રણોદકો પ્રયોજવામાં આવેલ છે.
માત્ર સુઘટ્યકૃત નાઇટ્રોસેલ્યુલોઝ જ ઊર્જાના સ્રોત તરીકે હોય તેવા પ્રણોદકોને એકાધારી (singlebased) પ્રણોદકો કહે છે. જ્યારે દ્વિ-આધારી (doublebased) પ્રણોદકોમાં નાઇટ્રોગ્લિસરિન જેવા સુઘટ્યકૃત પ્રવાહી વિસ્ફોટકો (explosives) પણ હોય છે. ત્રિ-આધારી કે અનેકાધારી (multibased) પ્રણોદકોમાં નાઇટ્રોગ્વાનિડિન જેવા સ્ફટિકીય વિસ્ફોટકો વપરાય છે. દ્વિ-આધારી કે ત્રિ-આધારી નાઇટ્રોસેલ્યુલોઝ પ્રણોદકો રૉકેટ તથા શક્તિશાળી તોપોમાં વપરાય છે. નાઇટ્રોસેલ્યુલોઝ આધારિત રૉકેટ-પ્રણોદકો જોરદાર પ્રવાહી સુઘટ્યકારક અને સ્થાયીકારક અચૂક ધરાવતા હોય છે. તે ઉપરાંત પ્રાક્ષેપિક રૂપાંતરકો (ballistic modifiers), અકાર્બનિક ઉપચયનકારી ક્ષારો, કાર્બનિક વિસ્ફોટકો, ધાત્વિક (metallic) ઇંધનો તથા અન્ય પદાર્થો પણ જરૂરિયાત મુજબ વાપરવામાં આવે છે. રૉકેટમાં વપરાતા પ્રણોદકો મુખ્યત્વે નાઇટ્રોસેલ્યુલોઝ અથવા પોલિસલ્ફાઇડ, પોલિયુરિધેન તથા પોલિબ્યુટાડાઇન જેવા કૃત્રિમ, તિર્યકબદ્ધ (cross-linked) અને બહુલકી (polymeric) બંધકો (binders) પર આધારિત હોય છે. સામાન્ય રીતે બહુલક-આધારિત પ્રણોદકોને સંગ્રથિત (composite) પ્રણોદક તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. 1942 પછી આવા પ્રણોદકો વપરાશમાં આવ્યા છે. પ્રણોદકોને જરૂરિયાત મુજબ જુદા જુદા આકાર તથા કદમાં ઢાળી શકાય છે. તેનાથી ઉપયોગમાં સરળતા રહે છે.
પ્રવાહી પ્રણોદકો એકસ્રોતી કે દ્વિપ્રણોદક પ્રકારના હોય છે. આ પ્રણોદકોમાં ઇંધન, ઉપચયનકારક તથા ઉદ્દીપકોનો સમાવેશ થયેલો હોય છે. સામાન્ય રીતે પ્રવાહી દ્વિપ્રણોદક પદ્ધતિમાં ઇંધન તથા ઉપચયનકારક અલગ અલગ ખાનામાં રાખવામાં આવે છે. ત્યાંથી તેમને દહનકક્ષમાં દાખલ કરવામાં આવે છે. અંતરીક્ષયાત્રા માટે પ્રવાહી પ્રણોદક-પદ્ધતિ ઉપયોગમાં લેવામાં આવે છે. એકસ્રોતી પ્રણોદકોમાં એસિટિલિન, નાઇટ્રોમિથેન, હાઇડ્રેઝીન, ઇથિલીન ઑક્સાઇડ, એમોનિયા, આલ્કોહૉલ તથા હાઇડ્રોજન પેરૉક્સાઇડનો સમાવેશ થાય છે. દ્વિ-પ્રણોદક પ્રણાલીમાં હાઇડ્રોજન, હાઇડ્રોજન – ફ્લોરીન, હાઇડ્રોજન – ઑક્સિજન, નાઇટ્રોજન ટેટ્રૉક્સાઇડ, નાઇટ્રોજન ટેટ્રૉક્સાઇડ – હાઇડ્રેઝીન, લાલ નાઇટ્રિક ઍસિડ, લાલ ધૂમાયમાન નાઇટ્રિક ઍસિડ-અસંતૃપ્ત ડાઇમિથાઇલ હાઇડ્રેઝીન જેવાનો સમાવેશ થાય છે. ઉચ્ચ નિષ્પાદન (high performance) રૉકેટમાં LOX (પ્રવાહી ઑક્સિજન) અને LH2 (પ્રવાહી હાઇડ્રોજન) પ્રણાલી વધુ વપરાય છે; કારણ કે તે ઓછા ખર્ચે વધુ વિશિષ્ટ આવેગ (specific impulse) ધરાવે છે. હાઇડ્રેઝીન તથા કેરોસીન જેવાં સંઘરી શકાય તેવાં સામાન્ય પ્રવાહીઓથી પ્રવાહીકૃત ઑક્સિજન, હાઇડ્રોજન વગેરેને અલગ પાડી શકાય તે માટે તેમને નિમ્નતાપીય (cryogenic) પ્રણોદકો કહે છે. જે પ્રવાહીઓ મિશ્ર થતાની સાથે સળગી ઊઠે તેમને હાઇપરગોલિક કહે છે.
પ્રવાહી પ્રણોદકોમાં ઑક્સિજન-આધારિત (દા.ત., પ્રવાહી ઑક્સિજન, હાઇડ્રોજન પેરૉક્સાઇડ, નાઇટ્રિક ઍસિડ વગેરે) અને હેલોજન-આધારિત (દા.ત., પ્રવાહી ફ્લોરીન, ક્લૉરીન ટ્રાઇફ્લોરાઇડ, ઑક્સિજન ડાઇફ્લોરાઇડ વગેરે) – એમ બે પ્રકારના ઉપચાયકો વપરાય છે.
પ્રણોદકો વડે પ્રાપ્ત થતી કુલ ઊર્જાનો આધાર પ્રણોદકોની રાસાયણિક ઊર્જા, દહનથી ઉત્પન્ન થતા પદાર્થોના ગુણધર્મો, પ્રક્રિયકો અને નીપજો વચ્ચેનું રાસાયણિક સમતોલન, ઉષ્મા-ઊર્જાનું ગતિજ ઊર્જામાં રૂપાંતર કરતી પદ્ધતિની કાર્યક્ષમતા વગેરે પર હોય છે. ઊર્જા ઉત્પન્ન થવાનો દર પ્રણોદકોના દહન દરમિયાન આંતરિક ગુણધર્મોમાં થતો ફેરફાર, દહનસપાટીનો વિસ્તાર, પ્રચાલન (operating) દબાણ, તાપમાન વગેરે પર આધાર રાખે છે. દહન-સપાટીના વિસ્તારનું નિયંત્રણ પ્રણોદકના દાણાના યોગ્ય કદ-માપ તથા સંખ્યા દ્વારા કરી શકાય છે. અનિયંત્રિત દહન અસહ્ય દબાણ કે વિનાશક વિસ્ફોટમાં પરિણમી શકે છે. સર્વાધિક શક્તિશાળી પ્રણોદકો ઉચ્ચતમ જ્યોત-તાપમાને (flame temperature) પ્રતિ એકમ વજનદીઠ સર્વાધિક વાયુકદ ઉત્પન્ન કરે છે. ઊંચા જ્યોત-તાપમાનવાળા પ્રણોદકો રૉકેટમાં વાપરવામાં આવે તો રૉકેટના નાળચા(nozzle)ના ખવાણ તથા નીચા દબાણની વાયુરૂપ નીપજોના વિઘટનના પ્રશ્નો ઉત્પન્ન થાય છે. તોપના નાળચાને તેને લીધે એટલો ઘસારો લાગે છે કે ક્યારેક તે પીગળી જાય છે. આથી જ નીચા તાપમાને મહત્તમ ઊર્જા ઉત્પન્ન કરવા માટે RDX પ્રકારના વિસ્ફોટકો વપરાય છે. પ્રણોદકોનું જ્યોત-તાપમાન લગભગ 2,000થી 3,500 °K તથા ધક્કો 820થી 1,200 જૂલ/ગ્રા. અને વિશિષ્ટ આવેગ (impulse) 2,450થી 2,700 N·s/kg જેટલાં હોય છે.
રૉકેટ-પ્રણોદકોમાં હેરફેર દરમિયાન ઉત્પન્ન થતા દબાણ તથા સળગી ઊઠવા સામે પૂરતી પ્રતિરોધક શક્તિ હોવી જોઈએ. તે ખૂબ સખત તથા જરૂરી પ્રઘાત (shock) અને સંઘાત(impact)-સંવેદનશીલતા ધરાવતાં હોવાં જોઈએ. તેમાં મોટી તિરાડો, છિદ્રો કે ખાડા ન હોવાં જોઈએ. આ પ્રકારના પ્રણોદકો 20થી 25 વર્ષ સુધી કામ આપી શકે છે. બંધક-વિબહુલીકરણ (binder depolymerization), ઉપચયન, પશ્ચસંસાધન (postcure) કઠિનીકરણ અથવા જલાપઘટનીય (hydrolytic) ભંજન (breakdown) વગેરે ફેરફારોને કારણે પ્રણોદકોનો સેવાકાળ ઘટે છે. સામાન્ય રીતે બાહ્ય આંચકા, સંઘાત અને ઘર્ષણ સામે પ્રણોદકોની સંવેદનશીલતા ઓછી હોય છે. જો ઉચ્ચ દબાણથી પ્રઘાતી તરંગ (high pressure shock wave) ઉત્પન્ન થાય તો પ્રણોદકોના દહનને બદલે વિસ્ફોટ થવાનો ભય રહે છે. રૉકેટો માટેના ઇંધનમાં ગૅસોલીન અને પેટ્રોલિયમના અમુક અંશો (દા.ત., RP–1 તરીકે ઓળખાતો ફેરોસીનનો એક પ્રકાર) વધુ વપરાય છે.
પ્રણોદકોના એક ગ્રામમાંથી આશરે 1,000 ઘસેમી. વાયુઓ તથા 1,000 કૅલરી (4.2 × 103 જૂલ) જેટલી ગરમી ઉત્પન્ન થાય છે. પ્રણોદકો કરતાં વિસ્ફોટકો મૂળભૂત રીતે ઝડપથી વિપુલ જથ્થામાં ગરમ વાયુઓ ઉત્પન્ન કરે છે. આ અર્થમાં પ્રણોદકોનો દહનદર વિસ્ફોટકો કરતાં આશરે 10,000 ગણાથી ઓછો હોય છે. દબાણ પણ 10,000 ગણાથી ઓછું હોય છે. રૉકેટમાં પ્રણોદકો 20 MPa(2900 Psi)એ તથા તોપમાં 690 MPa (1,00,000 Psi) જેટલા દબાણે કામ કરે છે.
તોપ અને રૉકેટમાં પ્રણોદકની સ્થિતિજ ઊર્જા(potential energy)નું ગતિજ ઊર્જામાં રૂપાંતર કરવાની પદ્ધતિ ભિન્ન ભિન્ન હોય છે. તોપમાં પ્રણોદકના દહનથી ઉત્પન્ન થયેલા દહન વાયુઓ(combustion gases)ના દબાણને કારણે પ્રક્ષેપાસ્ત્ર પ્રવેગિત થાય છે; જ્યારે રૉકેટમાં દહનથી ઉત્પન્ન થયેલા વાયુઓ એક નાળચામાંથી ઊંચા વેગે બહાર આવતા હોવાથી વેગમાનમાં જે તફાવત ઉત્પન્ન થાય છે તે રૉકેટને ધક્કો આપે છે.
પ્રવાહી પ્રણોદકો વાયુવિલયો માટે વાપરવામાં આવે છે. અહીં તેમનું કાર્ય ઊર્જા આપવાનું કે દહન પામવાનું નથી, પણ મૂળ પ્રવાહીને છંટકાવ (spray) કે ફુવારા રૂપે ઊંચા દબાણે પાત્રમાંથી બહાર ફેંકવાનું હોય છે. આ માટે CFC તથા HFC જેવા, સળગી ન ઊઠે તેવા નિષ્ક્રિય તથા બિનહાનિકારક પદાર્થો વપરાય છે.
પ્રણોદકો અંગેની વિગતો સંરક્ષણ, સાવચેતી તથા રાષ્ટ્રહિતને ધ્યાનમાં લઈ સામાન્ય રીતે ગુપ્ત રાખવામાં આવે છે.
રશ્મિકાન્ત ન. શુક્લ