Kuidas raketid töötavad Chris Hadfieldiga

Objekti kosmosesse jõudmiseks vajate sisuliselt järgmist: põlemiseks vajaminevat kütust ja hapnikku, roolimiseks aerodünaamilisi pindu ja kardaanmootoreid ning kusagilt tuleb välja kuuma kraami, mis pakuks piisavalt tõukejõudu. Lihtne.

Kütus ja hapnik segatakse ja süütatakse raketimootori sees ning seejärel paisuv plahvatav segu paisub ja valab raketi tagumise osa välja, et tekitada selle edasiliikumiseks vajalik tõukejõud. Vastupidiselt lennukimootorile, mis töötab atmosfääris ja võib seega põlemisreaktsiooniks võtta õhku, et kombineerida seda kütusega, peab rakett suutma töötada tühjuses ruumis, kus puudub hapnik. Seega ei pea raketid kandma mitte ainult kütust, vaid ka oma hapnikuvaru. Kui vaatate stardiplatvormil olevat raketti, on enamik nähtutest lihtsalt kosmosesse jõudmiseks vajalikud raketikütuse paagid - kütus ja hapnik.

kuidas valida lavanime

Atmosfääris võivad aerodünaamilised uimed aidata raketti juhtida nagu lennukit. Atmosfäärist kaugemal pole neil uimedel aga ruumi vaakumis midagi vastu suruda. Niisiis kasutavad raketid roolimiseks ka kardaanmootoreid - mootoreid, mis saavad pöörata robotliigenditel. Umbes nagu harja tasakaalustamine käes. Selle teine ​​nimi on vektorne tõukejõud.

Raketid ehitatakse tavaliselt eraldi virnastatud sektsioonidena või etappidena, mille on välja töötanud vene matemaatikaõpetaja Konstantin Tsiolkovsky ja Ameerika insener / füüsik Robert Goddard. Raketietappide toimimispõhimõte on see, et meil on vaja teatavat tõukejõudu, et atmosfäärist kõrgemale jõuda, ja seejärel edasist tõuket, et kiirendada piisavalt kiiresti, et püsida Maa orbiidil (orbiidi kiirus, umbes viis miili sekundis). Raketil on selle orbiidikiiruse saavutamine lihtsam, ilma et peaks kandma tühjade raketikütuste ja varajase staadiumi rakettide liigset kaalu. Nii et kui raketi iga etapi kütus / hapnik on ära kasutatud, laseme selle etapi maha ja see langeb tagasi Maale.

Esimest etappi kasutatakse peamiselt selleks, et viia kosmoseaparaat suurema osa õhust kõrgemale, 150 000 jala kõrgusele. Seejärel viib teine ​​etapp kosmoselaeva orbiidi kiirusele. Saturn V puhul oli kolmas etapp, mis võimaldas astronautidel Kuule jõuda. See kolmas etapp pidi suutma peatuda ja alustada, et luua õige orbiit Maa ümber ja siis, kui kõik paar tundi hiljem kontrolliti, lükkas meid Kuule.

Hüppa jaotisse

• Rakettide aerodünaamika: kuidas raketid töötavad
• Rakettide põhifüüsika
• Raketiehituse komponendid
• Rakettide täiustused
• Lisateave Chris Hadfieldi MasterClassi kohta

Rahvusvahelise kosmosejaama endine ülem õpetab teile kosmoseuuringute teadust ja tulevikku.

Chris Hadfield

Õpetab kosmoseuuringuid

Rakettide aerodünaamika: kuidas raketid töötavad

Isegi Kuu moodul - mida Apollo astronaudid kasutasid Kuu pinnale ja tagasi - oli kaheastmeline rakett. Kui me Kuult koju naasesime, siis maandumisetapp jäi pinnale.

Esimesed ehitatud raketid olid ühekordselt kasutatavad, mõtlemata neid uuesti kasutada. Kosmosesüstik oli esimene kosmoseaparaat, mis oli mõeldud taaskasutuseks ja seda oli võimalik sada korda kosmosesse lennutada. Isegi selle tugevad raketivõimendid olid osaliselt korduvkasutatavad - neid oli võimalik pärast ookeani kukkumist taastada, päästa, puhastada ja uuesti sertifitseerida ning hilisemateks lendudeks kütusega uuesti täita. Täna ehitavad ettevõtted veelgi korduvkasutatavaid rakette; SpaceX suudab lasta ja seejärel maanduda oma Falconi raketi esimese astme, tervena taastatud ja valmis uuesti vedelkütusega täitma. Sarnast tehnoloogiat kasutab ka Blue Origin oma uue Shepardi raketi jaoks.

Rakettide Maalt välja laskmiseks kasutatakse kahte peamist kütuseliiki: tahke ja vedel. Tahked raketid on lihtsad ja usaldusväärsed, nagu Rooma küünal, ja kui need on süttinud, pole neid enam võimalik peatada: nad põlevad, kuni saavad otsa, ja neid ei saa tõukejõu kontrollimiseks gaasiga reguleerida. Vedelad raketid tagavad vähem toore tõukejõu, kuid neid saab juhtida, võimaldades astronautidel raketilaeva kiirust reguleerida ning raketi välja- ja sisselülitamiseks isegi sulgeda ja avada raketikütuse ventiile.

Kosmosesüstik kasutas stardiks kombineerituna tahkeid ja vedelaid rakette. Tahkeid raketivõimendeid kasutati ainult meeskonna õhust tõstmiseks; samal ajal kui vedelkütuse raketid põlesid kogu aeg.

Rakettide põhifüüsika

Rakettide ehitamise peamine liikumapanev jõud on Newtoni seadus, mis tegeleb muutuva füüsikaga. Kuna rakett peab massi (kütuse, mida see läbi põletab) heitmise ajal olema aerodünaamiline, tuleb mängu Newtoni kolmas toimingute ja reaktsioonide seadus. Raketi süttimisel põleb kütus tagumisest heitgaasist läbi ja väljub, mis põhjustab raketi kiirenemist ja edasiliikumist üha suurema kiirusega. See eeldab, et rakett töötab ilma tõmbejõuta.

Siiski on olemas hoiatus: kosmoses lendamiseks peate läbima Maa atmosfääri ja seejärel kiirendama, kuni jõuate piisavalt kiiresti, et saaksite edukalt orbiidil püsida. Peamine takistus selle saavutamisel on atmosfääri vastupanust tulenev takistus. Lohistusjõud määratakse järgmise võrrandi abil:

D = 12 ρ v 2 C D S

D = lohista. Lohistamine on jõud, mis aeglustab sind. Oluline on meeles pidada, et lohistamine on jõud. Lohistage jõudu oma kosmoselaevale ja - kui seda pole kosmoselaeva konstruktsioonis läbimõeldult lubatud - võib see takistada kosmoselaeva kiiremat liikumist või isegi laeva lahti rebida.

ρ = rho, teie laeva ümbritseva õhu tihedus või paksus.
Kui kosmoselaev eemaldub Maast ja atmosfääris kõrgemale, õhutihedus väheneb ja nii ka võrrandi järgi lohiseb. Pange tähele, et atmosfääri tihedus mis tahes kõrgusel on erinev, kuna õhk paisub päikese soojendamisel - soojem õhk on vähem tihe. Ja pidage meeles, et ruumi vaakumis on tihedus sisuliselt null, nii et (võrrandi järgi) seal praktiliselt ei lohistata.

v = teie kosmoselaeva kiirus või kiirus. Pange tähele, et võrrandis on lohistamine kiiruse ja kiiruse või v ruudu funktsioon. Seega, kui kiirus suureneb, suureneb takistus kiiresti - kahekordne kiirus, neli korda suurem kui vastupidi. Seetõttu ütleb kuulus astronaut Chris Hadfield, et raketiga läbi atmosfääri lendamine on kõige raskem osa: selles etapis on raketi kiirus suureneb pidevalt alla, kus õhk on endiselt tihe. Kui olete atmosfäärist kaugemal, saate kiirust suurendada ilma lohistusjõudu suurendamata, kuna atmosfääri tihedus puudub.

CD = pidurduskoefitsient, sõiduki sujuvuse ja pinna kareduse tunnus.

S = teie kosmoselaeva ristlõikepindala. Madalam ala (mõelge: kõhnad või rasvaraketid) aitab vähendada lohistamist. Sellest järeldub, et atmosfääri tõmbejõud on kosmoselaevade jaoks, mis on endiselt atmosfääris ja üritavad lahkuda, palju suurem probleem kui sellise laeva puhul nagu Rahvusvaheline kosmosejaam, mis on planeedi kohal nii kõrgel, et õhku on vaid minut selle vastu toimiv tihedus. Sellepärast võib ISS olla nii ebamugav kuju ja miks tuleb raketilaevu sujuvamaks muuta.

Lohistusvõrrand loob raketi kujundamisel ja lennustrateegias selge eesmärgi. Kõige tõhusamatel rakettidel on mitte ainult madalamad alad, vaid ka võimalikult palju kiirenemist (kiiruse suurenemine orbiidi kiiruseni), kui nad on jõudnud atmosfääri kohal madalama õhutihedusega aladesse.

MasterClass

Teile soovitatud

Veebitunnid, mida õpetavad maailma suurimad meeled. Laiendage oma teadmisi nendes kategooriates.

Õpetab kosmoseuuringuid

Õpetab konserveerimist

teie päikesekuu ja tõusvad märgid

Õpetab teaduslikku mõtlemist ja suhtlemist

Õpetab parema une teadust

Raketiehituse komponendid

Mõtle nagu proff

Rahvusvahelise kosmosejaama endine ülem õpetab teile kosmoseuuringute teadust ja tulevikku.

Raketid on spetsiaalselt loodud vastu pidama intensiivsetele raskus- ja tõukejõududele ning olema võimalikult aerodünaamilised. Seega on olemas mõned struktuurisüsteemid, mis on standardiseerinud enamiku rakettide ehituse. Ninakoonus, raam ja uim on osa raketi kuju luustikust, mis on sageli alumiiniumist või titaanist ehitatud suur pindala, mis kantakse termokaitsekihiga. Pumbad, kütus ja düüs moodustavad osa tõukejõusüsteemist, mis võimaldab raketil tõukejõudu tekitada.

Lennutrajektoori juhtimiseks peab olema raketi lennusuuna suhtes kohanemistase. Mudelrakett, nagu pudeliraketid, või muud väiksemad raketid tulistavad otse õhku ja tulevad alla, kus nad soovivad. Kosmoseks mõeldud rakett nõuab palju suuremat juhtimist ja paindlikkust: siin tuleb sisse kardaaniline tõukejõud. Juhtimissüsteemi osana võimaldavad kardaannurgad heitgaasiotsikut vastavalt vajadusele pöörata, suunates raskuskeskme ja asetades raketi ümber õiges suunas.

Rakettide täiustused

Toimetajad valivad

Raketikütuse põhikeemias on alates kosmoselendude algusest tehtud vähe muudatusi, kuid kütusesäästlikumate rakettide töödes on kavandeid. Nende tõhususe parandamiseks peavad raketid olema vähem kütusenäljad, mis tähendab, et kütus peab soovitud hoogu andmiseks võimalikult kiiresti tagant välja tulema ja saavutama sama tõuke. Magnetkiirendi abil raketidüüsist liikuv ioniseeritud gaas kaalub oluliselt vähem kui traditsioonilised raketikütused. Ioniseeritud osakesed surutakse raketi tagant välja uskumatult suure kiirusega, mis kompenseerib nende väikese kaalu ehk massi. Ioonjõud töötab hästi pika, püsiva tõukejõu korral, kuid sellepärast
see loob madalama spetsiifilise impulsi, seni töötab see ainult väikestel satelliitidel, mis on juba orbiidil, ja seda pole suurendatud suurte kosmoselaevade jaoks. Selleks on vaja võimsat energiaallikat - võib-olla tuumaenergiat või midagi veel leiutamata.

Kosmoselaevad on alates 1960. aastatel kosmosesse reisimisest paranenud, kuid suur osa meie praegusest tehnoloogiast pärineb nendest esimestest kavanditest. Intuitiivselt näib olevat mõistlik, et kosmoselaev peaks olema terav nagu kiire lennuk. 1950. aastatel tehtud uuringud näitasid aga, et orbiidi kiiruse korral ei saa ükski materjal olla piisavalt tugev, et selle terava otsaga tohutut kuumust võtta. Suurepärane insener nimega Max Faget mõistis, et taassisenevad kosmoselaevad peavad olema nürid, et levitada intensiivset kuumust ja rõhku suurele alale. Ta oli elavhõbeda kujundamisel võtmetähtsusega ja nii sündis kosmosekapsel. Merkuur ja Kaksikud tiirutasid meeskondade elus hoidmiseks peamiselt kokpitites mehaaniliste süsteemidega: õhurõhu reguleerimine, hapniku / CO2 töötlemine, temperatuuri reguleerimine ning toidu ja vee hoidmine. Nad tõestasid, et orbitaalsed kosmoselennud on inimestele võimalikud, ja avasid ukse edasiseks uurimiseks, viies meid sinna, kus me täna kosmoset uurime.