Ako pracujú rakety s Chrisom Hadfieldom

Na to, aby ste dostali objekt do vesmíru, v podstate potrebujete: palivo a kyslík na horenie, aerodynamické povrchy a kardanové motory, ktoré sa dajú riadiť, a niekde, aby horúce látky vytekali a poskytovali dostatočný ťah. Jednoduché.

Palivo a kyslík sa zmiešajú a zapália vo vnútri raketového motora a potom explodujúca horiaca zmes expanduje a vyleje zadnú časť rakety, aby sa vytvoril ťah potrebný na jej pohon vpred. Na rozdiel od motora lietadla, ktorý pracuje v atmosfére a môže tak na účely svojej spaľovacej reakcie kombinovať vzduch s palivom, musí byť raketa schopná pracovať v prázdnote bez kyslíka. Rakety preto musia niesť nielen palivo, ale aj svoj vlastný prísun kyslíka. Keď sa pozriete na raketu na štartovacej rampe, väčšina z toho, čo vidíte, sú iba nádrže na pohonné hmoty - palivo a kyslík - potrebné na to, aby ste sa dostali do vesmíru.

koľko pohárov vody tvorí galón

V atmosfére môžu aerodynamické plutvy pomôcť riadiť raketu ako lietadlo. Mimo atmosféry však nie je nič, čím by sa tieto plutvy mohli tlačiť vo vákuu vesmíru. Rakety teda na riadenie používajú aj kardanové motory - motory, ktoré sa môžu otáčať na robotických otočných čapoch. Niečo ako vyvažovanie metly v ruke. Ďalším názvom je vektorovaný ťah.

Rakety sa zvyčajne vyrábajú v samostatných na sebe naskladaných častiach alebo stupňoch, čo je koncepcia vyvinutá Konstantinom Tsiolkovským, učiteľom ruskej matematiky a Robertom Goddardom, americkým inžinierom / fyzikom. Princíp fungovania raketových stupňov spočíva v tom, že potrebujeme určitý ťah, aby sme sa dostali nad atmosféru, a potom ďalší ťah, aby sme akcelerovali na dostatočne rýchlu rýchlosť, aby sme zostali na obežnej dráhe okolo Zeme (orbitálna rýchlosť, asi päť míľ za sekundu). Raketa sa ľahšie dostane na túto orbitálnu rýchlosť bez toho, aby uniesla nadmernú váhu prázdnych tankov na pohonné hmoty a rakiet počiatočného stupňa. Takže keď sa palivo / kyslík pre každý stupeň rakety spotrebuje, odhodíme tento stupeň a padne späť na Zem.

Prvý stupeň sa primárne používa na to, aby sa kozmická loď dostala nad väčšinu vzduchu do výšky 150 000 stôp alebo viac. Druhý stupeň potom dostane kozmickú loď na orbitálnu rýchlosť. V prípade Saturnu V došlo k tretej etape, ktorá umožňovala astronautom dostať sa na Mesiac. Táto tretia etapa musela byť schopná zastaviť a začať, aby sa ustanovila správna obežná dráha okolo Zeme, a potom, keď bolo všetko skontrolované o niekoľko hodín neskôr, nás vytlačiť na Mesiac.

Preskočiť na sekciu

• Aerodynamika rakiet: Ako fungujú rakety
• Základná fyzika rakiet
• Súčasti konštrukcie rakety
• Vylepšenie rakiet
• Viac informácií o MasterClass Chrisa Hadfielda

Bývalý veliteľ Medzinárodnej vesmírnej stanice vás naučí vedu o výskume vesmíru a tom, čo prinesie budúcnosť.

Chris Hadfield

Učí prieskum vesmíru

Aerodynamika rakiet: Ako fungujú rakety

Dokonca aj Mesačný modul - ktorým sa astronauti Apolla dostávali na povrch Mesiaca a späť - bola dvojstupňovou raketou. Keď sme vyštartovali z Mesiaca, aby sme sa vrátili domov, pristávacia fáza zostala na povrchu.

Prvé rakety, ktoré boli postavené, boli na jedno použitie, bez toho, aby napadlo ich opätovné použitie. Raketoplán bol prvou kozmickou loďou, ktorá bola navrhnutá na opätovné použitie, a dokázala do vesmíru preletieť stokrát. Dokonca aj jeho tuhé raketové zosilňovače boli čiastočne znovu použiteľné - po páde do oceánu ich bolo možné zotaviť, zachrániť, vyčistiť a znovu certifikovať a doplniť palivom pre neskoršie štarty. Spoločnosti dnes stavajú ešte viac opakovane použiteľné rakety; SpaceX je schopný vypustiť a potom pristáť prvý stupeň svojej rakety Falcon, zotavený neporušený a pripravený na opätovné naplnenie kvapalným palivom. Podobnú technológiu využíva aj Blue Origin pre svoju raketu New Shepard.

Na získanie rakiet zo Zeme sa používajú dva hlavné typy paliva: tuhé a kvapalné. Pevné rakety sú jednoduché a spoľahlivé ako rímska sviečka a po ich zapálení ich už nič nezastaví: horia, kým im nedôjde, a nemožno ich ovládať škrtením. Tekuté rakety poskytujú menej surového ťahu, ale dajú sa ovládať, čo umožňuje astronautom regulovať rýchlosť raketovej lode a dokonca aj zatvárať a otvárať ventily pohonu, aby sa raketa vypínala a zapínala.

Raketoplán na štart použil kombináciu pevných a kvapalných rakiet. Plné raketové zosilňovače sa používali iba na vynesenie posádky nad vzduch; zatiaľ čo rakety na kvapalné palivo celý čas horeli.

Základná fyzika rakiet

Úplne základnou hnacou silou konštrukcie rakety je Newtonov zákon, ktorý sa zaoberá premennou fyzikou. Pretože raketa musí byť pri odvádzaní hmoty (palivo, ktoré spaľuje) aerodynamická, vstupuje do hry tretí Newtonov zákon pre akcie a reakcie. Keď sa raketa vznieti, palivo zhorí a vychádza zo zadného výfuku, čo spôsobí, že raketa bude akcelerovať a poháňať dopredu čoraz väčšou rýchlosťou. To predpokladá, že raketa pracuje bez brzdnej sily.

Existuje však upozornenie: Ak chcete lietať vo vesmíre, musíte sa dostať cez zemskú atmosféru a potom akcelerovať, kým nepôjdete dosť rýchlo, aby ste mohli úspešne zostať na obežnej dráhe. Hlavnou prekážkou dosiahnutia tohto cieľa je odpor spôsobený odporom atmosféry. Ťažná sila je určená nasledujúcou rovnicou:

D = 12 ρ v 2 C D S

D = ťahať. Drag je sila, ktorá vás spomalí. Je dôležité mať na pamäti, že ťahanie je sila. Ťažná sila tlačí proti vašej vesmírnej lodi a - pokiaľ to dizajn vesmírnej lode nie je zámerne povolený - môže zabrániť tomu, aby kozmická loď išla rýchlejšie, alebo dokonca roztrhla loď od seba.

ρ = rho, hustota alebo hrúbka vzduchu okolo vašej lode.
Keď sa vesmírna loď vzďaľuje od Zeme a vyššie v atmosfére, hustota vzduchu klesá, a teda podľa rovnice sa ťahá. Upozorňujeme, že hustota atmosféry v ktorejkoľvek danej nadmorskej výške je premenlivá, pretože vzduch sa rozširuje, keď je ohrievaný slnkom - teplejší vzduch je menej hustý. A pamätajte, že vo vákuu vesmíru je hustota v podstate nulová, takže (podľa rovnice) tam prakticky nie je žiadny odpor.

v = rýchlosť alebo rýchlosť vašej vesmírnej lode. Všimnite si, že v rovnici je ťahanie funkciou rýchlosti krát rýchlosť alebo v na druhú. Takže keď sa zvyšuje rýchlosť, odpor sa zvyšuje rýchlo - dvojnásobná rýchlosť, štvornásobok odporu, atď. Preto slávny astronaut Chris Hadfield hovorí, že letieť raketou cez atmosféru je najťažšia časť: v tejto fáze je rýchlosť rakety neustále rastie dole, kde je stále hustý vzduch. Keď už ste za hranicami atmosféry, môžete zvýšiť rýchlosť bez zvýšenia sily odporu, pretože tu nie je žiadna atmosférická hustota.

CD = koeficient odporu, charakteristika racionalizácie vozidla a drsnosti povrchu.

S = prierezová plocha vašej vesmírnej lode. Nižšia oblasť (premýšľajte: chudé verzus tukové rakety) pomáha znižovať odpor. Z toho vyplýva, že atmosférický odpor je oveľa väčším problémom pre vesmírne lode, ktoré sú stále v atmosfére a pokúšajú sa opustiť, ako pre loď ako Medzinárodná vesmírna stanica, ktorá je tak vysoko nad planétou, že je v nej iba minútové množstvo vzduchu. hustota pôsobiaca proti nej. Preto môže mať ISS taký nehorázny tvar a prečo musia byť raketové lode racionalizované.

Dragová rovnica vytvára jasný cieľ v dizajne rakety a letovej stratégii. Najefektívnejšie rakety majú nielen nižšie oblasti, ale aj čo najviac akcelerujú (zvýšenie rýchlosti na orbitálnu rýchlosť), keď sa dostanú nad atmosféru do oblastí s nižšou hustotou vzduchu.

MasterClass

Navrhnuté pre vás

Online kurzy vyučované tými najväčšími na svete. Rozšírte svoje vedomosti v týchto kategóriách.

Učí prieskum vesmíru

Učí zachovanie

Učí vedecké myslenie a komunikáciu

Učí vedu o lepšom spánku

východ slnka a mesiaca

Súčasti konštrukcie rakety

Myslite ako profesionál

Bývalý veliteľ Medzinárodnej vesmírnej stanice vás naučí vedu o výskume vesmíru a tom, čo prinesie budúcnosť.

Rakety sú špeciálne navrhnuté tak, aby odolali intenzívnym silám hmotnosti a ťahu a boli čo najviac aerodynamické. Existuje teda niekoľko štruktúrnych systémov, ktoré štandardizovali konštrukciu väčšiny rakiet. Predný kužeľ, rám a plutva sú súčasťou kostry tvaru rakety, čo je veľká plocha často vyrobená z hliníka alebo titánu, ktorá sa nanáša tepelnou ochrannou vrstvou. Čerpadlá, palivo a dýza sú súčasťou pohonného systému, ktorý umožňuje rakete vytvárať ťah.

Aby bolo možné riadiť dráhu letu, musí existovať úroveň nastavenia v smere letu rakety. Modely rakiet, ako napríklad rakety s fľašami, alebo iné menšie rakety strieľajú priamo do vzduchu a vracajú sa, kam sa im páči. Raketa určená do vesmíru vyžaduje oveľa väčšiu kontrolu a flexibilitu: práve tu prichádza na rad kardanový ťah. Ako súčasť vodiaceho systému umožňujú uhly kardanového kĺbu výfukovú dýzu podľa potreby natáčať, presmerovať ťažisko a premiestniť raketu na správny smer.

Vylepšenie rakiet

Vyber redakcie

Od začiatku kozmických letov došlo k niekoľkým zmenám v základnej chémii raketového paliva, v súčasnosti sa však pracuje na návrhoch energeticky úspornejších rakiet. Aby sa zlepšila ich účinnosť, musia byť rakety menej náročné na palivo, čo znamená, že palivo musí vychádzať dozadu čo najrýchlejšie, aby poskytlo požadovaný moment a dosiahol rovnaký ťah. Ionizovaný plyn poháňaný raketovou tryskou pomocou magnetického urýchľovača váži podstatne menej ako tradičné raketové palivá. Ionizované častice sú vytláčané zo zadnej časti rakety neuveriteľne vysokou rýchlosťou, čo kompenzuje ich malú hmotnosť alebo hmotnosť. Iónový pohon funguje dobre na dlhý, nepretržitý pohon, ale pretože
vytvára nižší špecifický impulz, zatiaľ funguje iba na malých satelitoch, ktoré sú už na obežnej dráhe, a nebol zväčšený pre veľké vesmírne lode. Bude to vyžadovať silný zdroj energie - možno jadrový alebo niečo, čo ešte nebolo vynájdené.

Vesmírne lode sa zlepšili odvtedy, čo sme v 60. rokoch začali cestovať do vesmíru, ale veľa našej súčasnej technológie pochádza z tých prvých návrhov. Intuitívne by to malo zmysel, že vesmírna loď by mala byť špičatá, ako vysokorýchlostné lietadlo. Výskum uskutočnený v 50. rokoch 20. storočia však ukázal, že pre orbitálne rýchlosti nemôže byť žiaden materiál dostatočne tvrdý na to, aby na tejto špičatej špičke odniesol obrovské teplo. Geniálny inžinier menom Max Faget si uvedomil, že vesmírne lode pre návrat musia byť tupé, aby sa intenzívne teplo a tlak rozložili na veľkú plochu. Bol kľúčom pri navrhovaní Merkúra, a tak vznikla vesmírna kapsula. Merkúr a Blíženci v podstate obiehali okolo kokpitov s mechanickými systémami, ktoré udržiavali posádku nažive: reguláciu tlaku vzduchu, spracovanie kyslíka / CO2, kontrolu teploty a skladovanie potravín a vody. Dokázali, že orbitálny vesmírny let je pre ľudí možný, a otvorili nám dvere k ďalšiemu skúmaniu, ktoré nás priviedli tam, kde sme dnes pri výskume vesmíru.