Kako Rakete sodelujejo s Chrisom Hadfieldom

Če želite v vesolje spraviti predmet, v bistvu potrebujete naslednje: gorivo in kisik, da gorijo, aerodinamične površine in krmiljenje motorjev za krmiljenje ter nekje, da vroče stvari pridejo ven, da zagotovijo dovolj potiska. Preprosto.

Gorivo in kisik se zmešata in vžgeta v raketnem motorju, nato pa se eksplodirajoča, goreča mešanica razširi in izlije na zadnji del rakete, da ustvari potisk, potreben za njen potisk naprej. V nasprotju z letalskim motorjem, ki deluje v ozračju in tako lahko v zraku kombinira gorivo za reakcijo zgorevanja, mora biti raketa sposobna delovati v praznini vesolja, kjer ni kisika. Skladno s tem morajo rakete nositi ne samo gorivo, temveč tudi lastno oskrbo s kisikom. Ko pogledate raketo na lansirni ploščadi, je večina tega, kar vidite, zgolj rezervoarji za gorivo - gorivo in kisik - potrebni za vesolje.

koliko unč v steklenici vina

V ozračju lahko aerodinamične plavuti pomagajo voditi raketo, kot letalo. Izven ozračja pa ni ničesar, česar bi se te plavuti lahko potisnile v vakuumu prostora. Torej rakete za krmiljenje uporabljajo tudi motorje za gimbaliranje - motorje, ki se lahko vrtijo na robotskih pivotih. Nekako kot uravnoteženje metle v roki. Drugo ime za to je vektorski potisk.

Rakete so običajno zgrajene v ločenih zloženih odsekih ali stopnjah, koncept, ki sta ga razvila Konstantin Tsiolkovsky, ruski učitelj matematike, in Robert Goddard, ameriški inženir / fizik. Načelo delovanja za raketnimi stopnjami je, da potrebujemo določeno potisk, da pridemo nad ozračje, nato pa še potisk, da se pospešimo do hitrosti, ki je dovolj velika, da ostanemo v orbiti okoli Zemlje (orbitalna hitrost, približno pet milj na sekundo). Raketa lažje doseže to orbitalno hitrost, ne da bi morala prenašati odvečno težo praznih posod za gorivo in raket v zgodnji fazi. Torej, ko porabimo gorivo / kisik za vsako stopnjo rakete, jo izločimo in ta pade nazaj na Zemljo.

Prva stopnja se uporablja predvsem za dvig vesoljskih plovil nad večino zraka na višino 150.000 čevljev ali več. Druga stopnja nato vesoljsko plovilo pripelje do orbitalne hitrosti. V primeru Saturna V je bila tretja stopnja, ki je astronavtom omogočila, da so prišli do Lune. Ta tretja stopnja se je morala ustaviti in začeti, da bi vzpostavila pravo orbito okoli Zemlje, nato pa nas, ko je bilo nekaj ur kasneje vse preverjeno, potisnila na Luno.

Skoči na odsek

• Aerodinamika raket: kako delujejo rakete
• Osnovna fizika raket
• Sestavni deli raketne konstrukcije
• Izboljšave v raketah
• Izvedite več o MasterClass Chrisa Hadfielda

Nekdanji poveljnik Mednarodne vesoljske postaje vas uči vede o raziskovanju vesolja in o prihodnosti.

Chris Hadfield

Uči raziskovanje vesolja

Aerodinamika raket: kako delujejo rakete

Tudi Lunin modul - s katerim so astronavti Apolla prihajali na površje Lune in nazaj - je bil dvostopenjska raketa. Ko smo se z Lune spustili, da se vrnemo domov, je pristajalna etapa ostala na površju.

Prve rakete, ki so bile zgrajene, so bile za enkratno uporabo, brez misli, da bi jih ponovno uporabili. Space Shuttle je bilo prvo vesoljsko plovilo, ki je bilo zasnovano za ponovno uporabo in ga je bilo mogoče stokrat odpeljati v vesolje. Tudi njegovi trdni raketni pospeševalniki so bili delno večkrat uporabni - po padcu v ocean jih je bilo mogoče obnoviti, jih rešiti, očistiti in ponovno certificirati ter napolniti z gorivom za kasnejše izstrelitve. Danes podjetja gradijo še več raket za večkratno uporabo; SpaceX lahko izstreli in nato pristane na prvi stopnji svoje rakete Falcon, ki je obnovljena nedotaknjena in pripravljena za ponovno polnjenje s tekočim gorivom. Podobno tehnologijo za svojo raketo New Shepard uporablja tudi Blue Origin.

Za izstrelitev raket z Zemlje se uporabljata dve glavni vrsti goriva: trdno in tekoče. Trdne rakete so preproste in zanesljive, kot rimska sveča, in ko se enkrat vžgejo, jih ni več mogoče ustaviti: gorijo, dokler jih ne zmanjka, in jih ni mogoče dušiti za nadzor potiska. Tekoče rakete zagotavljajo manj surovega potiska, vendar jih je mogoče nadzorovati, kar astronavtom omogoča uravnavanje hitrosti raketne ladje in celo zapiranje in odpiranje potisnih ventilov za izklop in vklop rakete.

Space Shuttle je za izstrelitev uporabil kombinacijo trdnih in tekočih raket. Trdni raketni pospeševalniki so bili uporabljeni le za dvig posadke nad zrakom; medtem ko so rakete s tekočim gorivom ves čas gorele.

Osnovna fizika raket

Zelo osnovna gonilna sila raketne konstrukcije je Newtonov zakon, ki se ukvarja s spremenljivo fiziko. Ker mora biti raketa aerodinamična med prelivanjem mase (goriva, skozi katero gori), v poštev pride tretji Newtonov zakon o dejanjih in reakcijah. Ko se raketa vname, gorivo izgori in izstopi iz zadnjega izpuha, zaradi česar se raketa pospešuje in poganja naprej z vedno večjo hitrostjo. To predpostavlja, da raketa deluje brez vlečne sile.

Vendar obstaja opozorilo: če želite leteti v vesolju, morate priti skozi zemeljsko atmosfero in nato pospeševati, dokler ne greste dovolj hitro, da lahko uspešno ostanete v orbiti. Glavna ovira za dosego tega je upor, ki ga povzroča odpor ozračja. Vlečna sila se določi z naslednjo enačbo:

D = 12 ρ v 2 C D S

D = povlecite. Vlečenje je sila, ki vas upočasni. Pomembno je vedeti, da je vlečenje sila. Vlečna sila potiska vašo vesoljsko ladjo in - če premišljeno ni dovoljeno v zasnovi vesoljske ladje - lahko prepreči, da bi vesoljska ladja šla hitreje, ali celo raztrga ladjo.

ρ = rho, gostota ali debelina zraka okoli vaše ladje.
Ko se vesoljska ladja oddaljuje od Zemlje in višje v ozračju, se gostota zraka zmanjšuje in tako po enačbi povleče. Upoštevajte, da je gostota ozračja na kateri koli nadmorski višini spremenljiva, saj se zrak razširi, ko ga segreje sonce - toplejši zrak je manj gost. In ne pozabite, da je zunaj v vakuumu prostora gostota v bistvu nič, zato (po enačbi) tam skoraj ni nobenega upora.

v = hitrost ali hitrost vaše vesoljske ladje. Upoštevajte, da je v enačbi vlek funkcija hitrosti, pomnožene s hitrostjo, ali v kvadrat. Ko se hitrost povečuje, se vlek hitro poveča - podvoji hitrost, štirikratni upor itd. Zato znani astronavt Chris Hadfield pravi, da je najtežji del letenja rakete skozi ozračje: v tej fazi je hitrost rakete nenehno narašča navzdol, kjer je zrak še vedno gost. Ko pa ste zunaj ozračja, lahko hitrost povečate, ne da bi povečali silo vlečenja, ker ni atmosferske gostote.

CD = koeficient upora, značilnost racionalizacije vozila in hrapavost površine.

S = površina preseka vaše vesoljske ladje. Spodnje območje (pomislite: tanke in debele rakete) pomaga zmanjšati upor. Posledica tega je, da je atmosferski upor veliko večji problem za vesoljske ladje, ki so še vedno v ozračju in poskušajo zapustiti, kot za ladjo, kot je Mednarodna vesoljska postaja, ki je tako visoko nad planetom, da je le minutna količina zraka gostota, ki deluje proti njej. Zato je ISS lahko takšne neskladne oblike in zato je treba raketne ladje poenostaviti.

Enačba vlečenja ustvarja jasen cilj pri načrtovanju rakete in strategiji leta. Ne samo, da imajo najučinkovitejše rakete nižja območja, temveč tudi čim več pospeševanja (povečanje hitrosti do orbitalne hitrosti), ko pridejo nad ozračje na območja z nižjo gostoto zraka.

MasterClass

Predlagano za vas

Spletni tečaji, ki jih poučujejo največji svetovni umi. Razširite svoje znanje v teh kategorijah.

Uči raziskovanje vesolja

Uči varstva

Uči znanstveno razmišljanje in komuniciranje

Uči znanost o boljšem spancu

kako najti svoje sončno in lunino znamenje

Sestavni deli raketne konstrukcije

Misli kot profesionalec

Nekdanji poveljnik Mednarodne vesoljske postaje vas uči vede o raziskovanju vesolja in o prihodnosti.

Rakete so posebej zasnovane tako, da prenesejo močne sile teže in potiska ter so čim bolj aerodinamične. Tako obstaja nekaj strukturnih sistemov, ki so standardizirali konstrukcijo večine raket. Nosni stožec, okvir in plavuti so del okostja oblike rakete, ki je velika površina, pogosto zgrajena iz aluminija ali titana, ki se nanese s toplotno zaščitno plastjo. Črpalke, gorivo in šoba so del pogonskega sistema, ki raketi omogoča potisk.

Za nadzor poti letenja je treba prilagoditi smer leta rakete. Model rakete, kot so rakete za steklenice ali druge manjše rakete, streljajo naravnost v zrak in se vrnejo dol, kjer jim je volja. Raketa, namenjena v vesolje, zahteva veliko več nadzora in prilagodljivosti: tu nastopi potisk z gibalom. Kot del sistema za vodenje koti podvozja omogočajo, da se izpušna šoba po potrebi zasuka, preusmeri težišče in raketo preusmeri na pravo smer.

Izboljšave v raketah

Izberite urednike

Od začetka vesoljskih poletov je bilo v temeljni kemiji raketnega goriva malo sprememb, v izdelavi pa obstajajo načrti za rakete z manjšo porabo goriva. Da bi izboljšali svojo učinkovitost, morajo biti rakete manj lačne, kar pomeni, da mora gorivo čim prej priti nazaj, da doseže želeni zagon, in doseči enak potisk. Ioniziran plin, ki se poganja skozi raketno šobo z magnetnim pospeševalnikom, tehta bistveno manj kot tradicionalna raketna goriva. Ionizirani delci so z neverjetno visoko hitrostjo potisnjeni iz zadnje strani rakete, kar kompenzira njihovo majhno težo ali maso. Ionski pogon dobro deluje pri dolgotrajnem, trajnem pogonu, ampak zato
ustvarja nižji specifični impulz, zaenkrat deluje le na majhnih satelitih, ki so že v orbiti, in ni bil razširjen za velike vesoljske ladje. Za to bo potreben močan vir energije - morda jedrski ali nekaj, kar še ni izumljeno.

Vesoljske ladje so se izboljšale, odkar smo v šestdesetih letih začeli potovati v vesolje, vendar veliko naše sedanje tehnologije izvira iz teh prvih zasnov. Intuitivno se zdi smiselno, da mora biti vesoljska ladja koničasta, kot hitro letalo. Raziskave, opravljene v petdesetih letih prejšnjega stoletja, pa so pokazale, da za orbitalne hitrosti noben material ne more biti dovolj trden, da bi prevzel ogromno toplote na tej koničasti konici. Briljantni inženir po imenu Max Faget je spoznal, da morajo biti vesoljske ladje, ki vstopajo nazaj, tope, da razširijo močno toploto in pritisk na velikem območju. Bil je ključen pri snovanju Merkurja in tako se je rodila vesoljska kapsula. Merkur in Gemini sta v bistvu krožila v kokpitih z mehanskimi sistemi, ki so posadko ohranjali pri življenju: regulacija zračnega tlaka, obdelava kisika / CO2, nadzor temperature ter shranjevanje hrane in vode. Dokazali so, da je orbitalni vesoljski polet mogoč za ljudi, in odprli vrata za nadaljnje raziskovanje, ki nas je pripeljalo do mesta, kjer smo danes v raziskovanju vesolja.