Kako Rakete rade s Chrisom Hadfieldom

Da biste objekt odveli u svemir, u osnovi vam trebaju sljedeće: gorivo i kisik za izgaranje, aerodinamične površine i kardanski motori za upravljanje i negdje da vruće stvari izađu kako bi osigurale dovoljan potisak. Jednostavan.

Gorivo i kisik miješaju se i pale unutar raketnog motora, a zatim se eksplodirajuća, goruća smjesa širi i izlijeva stražnji dio rakete stvarajući potisak potreban za njeno pokretanje naprijed. Za razliku od avionskog motora koji djeluje u atmosferi i tako može uzimati zrak da se kombinira s gorivom radi svoje reakcije izgaranja, raketa mora biti sposobna za rad u praznini svemira, gdje nema kisika. Sukladno tome, rakete moraju nositi ne samo gorivo, već i vlastitu opskrbu kisikom. Kad pogledate raketu na lansirnoj rampi, većina onoga što vidite su jednostavno spremnici goriva - goriva i kisika - potrebni za dolazak u svemir.

kako namjestiti trojku

Unutar atmosfere aerodinamične peraje mogu pomoći u upravljanju raketom, poput aviona. Izvan atmosfere, međutim, nema ništa protiv čega bi se te peraje mogle pogurati u vakuumu prostora. Dakle, rakete za upravljanje koriste i motore za gimbaliranje - motore koji se mogu njihati na robotskim osovinama. Nekako poput uravnoteženja metle u ruci. Drugi naziv za to je vektorski potisak.

Rakete se obično grade u odvojenim naslaganim dijelovima ili etapama, koncept koji su razvili Konstantin Tsiolkovsky, ruski učitelj matematike, i Robert Goddard, američki inženjer / fizičar. Operativni princip iza raketnih stupnjeva je da nam je potrebna određena količina potiska kako bismo se popeli iznad atmosfere, a zatim daljnji potisak da bismo se ubrzali do brzine dovoljno brze da ostanemo u orbiti oko Zemlje (orbitalna brzina, oko pet milja u sekundi). Raketi je lakše doći do te orbitalne brzine, a da ne mora nositi višak težine praznih pogonskih spremnika i raketa u ranoj fazi. Dakle, kada se potroši gorivo / kisik za svaku fazu rakete, izbacimo tu fazu i ona padne natrag na Zemlju.

Prva se faza prvenstveno koristi za uspon letjelice iznad većine zraka, na visinu od 150 000 stopa ili više. Drugi stupanj zatim dovodi svemirsku letjelicu u orbitalnu brzinu. U slučaju Saturna V, postojala je treća faza, koja je astronautima omogućila da dođu do Mjeseca. Ova treća faza morala je moći stati i započeti, kako bi uspostavila pravu orbitu oko Zemlje, a zatim, nakon što je sve provjereno nekoliko sati kasnije, gurnuti nas na Mjesec.

Skoči na odjeljak

• Aerodinamika raketa: kako rade rakete
• Osnovna fizika raketa
• Sastavni dijelovi raketne konstrukcije
• Poboljšanja u raketama
• Saznajte više o MasterClassu Chrisa Hadfielda

Bivši zapovjednik Međunarodne svemirske stanice podučava vas nauci o istraživanju svemira i onome što nosi budućnost.

Chris Hadfield

Predaje istraživanje svemira

Aerodinamika raketa: kako rade rakete

Čak je i Mjesečev modul - kojim su se astronauti Apolla koristili da dođu na površinu Mjeseca i natrag - bio raketa u dva stupnja. Kad smo se s Mjeseca lansirali za povratak kući, faza slijetanja ostala je na površini.

Prve rakete koje su izgrađene bile su za jednokratnu upotrebu, bez razmišljanja o ponovnoj upotrebi. Space Shuttle bila je prva svemirska letjelica koja je dizajnirana za ponovnu upotrebu i bila je sposobna stotinama puta letjeti u svemir. Čak su se i njegovi čvrsti raketni pojačivači djelomično mogli ponovno koristiti - mogli su se oporaviti nakon pada u ocean, spasiti, očistiti i ponovno certificirati te natočiti gorivom za kasnija lansiranja. Danas tvrtke grade još više raketa za višekratnu uporabu; SpaceX je u stanju lansirati, a zatim spustiti prvu fazu svoje rakete Falcon, oporavljenu netaknutu i spremnu za ponovno punjenje tekućim gorivom. Sličnu tehnologiju koristi i Blue Origin za svoju novu raketu New Shepard.

Dvije su glavne vrste goriva koje se koriste za izbacivanje raketa sa Zemlje: kruto i tekuće. Čvrste rakete su jednostavne i pouzdane, poput rimske svijeće, a nakon paljenja nema zaustavljanja: izgaraju dok ne istroše i ne mogu se prigušiti za kontrolu potiska. Tekuće rakete pružaju manje sirovog potiska, ali se njima može upravljati, omogućujući astronautima da reguliraju brzinu raketnog broda, pa čak i zatvaraju i otvaraju pogonske ventile za isključivanje i uključivanje rakete.

Space Shuttle za lansiranje je koristio kombinaciju čvrstih i tekućih raketa. Čvrsti raketni pojačivači korišteni su samo za odvođenje posade iznad zraka; dok su rakete s tekućim gorivom cijelo vrijeme gorjele.

Osnovna fizika raketa

Vrlo osnovna pokretačka snaga raketne konstrukcije je Newtonov zakon koji se bavi promjenjivom fizikom. Budući da raketa mora biti aerodinamična dok ispušta masu (gorivo kroz koje gori), na scenu stupa Newtonov treći zakon za akcije i reakcije. Kako se raketa pali, gorivo izgara i izlazi iz stražnjeg ispuha, zbog čega se raketa ubrzava i vozi sve više i više brzine. To pretpostavlja da raketa djeluje bez sile vuče.

Međutim, postoji upozorenje: da biste letjeli u svemir, morate proći kroz Zemljinu atmosferu, a zatim ubrzati dok ne krenete dovoljno brzo da biste mogli uspješno ostati u orbiti. Glavna prepreka postizanju toga je kočenje uzrokovano otporom atmosfere. Sila vučenja određuje se sljedećom jednadžbom:

D = 12 ρ v 2 C D S

D = povlačenje. Povlačenje je sila koja vas usporava. Važno je zapamtiti da je vuča sila. Povucite silu koja gura vaš svemirski brod i - ako to nije zamišljeno dozvoljeno u dizajnu svemirskog broda - može spriječiti svemirski brod da ide brže ili čak razbiti brod.

ρ = rho, gustoća - ili debljina - zraka oko vašeg broda.
Kako se svemirski brod udaljava od Zemlje i više u atmosferi, gustoća zraka se smanjuje i tako, prema jednadžbi, povlači. Imajte na umu da je gustoća atmosfere na bilo kojoj nadmorskoj visini promjenjiva jer se zrak širi kad ga sunce zagrije - topliji je zrak manje gust. I ne zaboravite da je vani u vakuumu prostora gustoća u osnovi nula, tako da (prema jednadžbi) tamo praktički nema vuče.

v = brzina ili brzina vašeg svemirskog broda. Primijetite da je u jednadžbi povlačenje funkcija brzine pomnožene s brzinom ili v kvadrat. Dakle, kako se brzina povećava, otpor se brzo povećava - udvostruči brzinu, četiri puta više, itd. Zbog toga poznati astronaut Chris Hadfield kaže da je najteži dio leta rakete kroz atmosferu: u ovoj fazi brzina rakete je neprestano se povećavajući tamo gdje je zrak još uvijek gust. Kad se nađete izvan atmosfere, možete povećati brzinu bez povećanja sile vuče, jer nema atmosferske gustoće.

CD = koeficijent otpora, karakteristika racionalizacije vozila i hrapavosti površine.

S = površina presjeka vašeg svemirskog broda. Donje područje (mislite: mršave naspram debelih raketa) pomaže smanjiti otpor. Implikacija je da je atmosferski otpor puno veći problem za svemirske brodove koji su još uvijek u atmosferi i koji pokušavaju napustiti, nego za brod poput Međunarodne svemirske stanice, koji je toliko visoko iznad planeta da ima samo minutu zraka gustoća koja djeluje protiv nje. Zbog toga ISS može biti tako neprikladnog oblika i zašto raketni brodovi moraju biti usmjereni.

Jednadžba povlačenja stvara jasan cilj u dizajnu rakete i strategiji leta. Ne samo da najučinkovitije rakete imaju niža područja, već i što je moguće više ubrzavaju (povećavaju brzinu do orbitalne brzine) nakon što dođu iznad atmosfere u područja manje gustoće zraka.

MasterClass

Predloženo za vas

Online satovi koje predaju najveći svjetski umovi. Proširite svoje znanje u ovim kategorijama.

Predaje istraživanje svemira

Predaje konzervaciju

Predaje znanstveno razmišljanje i komunikaciju

Predaje znanost o boljem snu

Sastavni dijelovi raketne konstrukcije

Misli kao profesionalac

Bivši zapovjednik Međunarodne svemirske stanice podučava vas nauci o istraživanju svemira i onome što nosi budućnost.

Rakete su posebno dizajnirane da izdrže jake sile težine i potiska te da budu što aerodinamičnije. Stoga postoji nekoliko strukturnih sustava koji su standardizirali konstrukciju većine raketa. Konus nosa, okvir i peraja dio su kostura oblika rakete, što je velika površina često građena od aluminija ili titana koja se nanosi toplinskim zaštitnim slojem. Pumpe, gorivo i mlaznica čine dio pogonskog sustava koji omogućava raketi da proizvodi potisak.

Da bi se kontrolirala putanja leta, mora postojati razina prilagodbe smjera leta rakete. Model rakete, poput raketa na boce, ili drugih manjih raketa puca ravno u zrak i vraća se dolje gdje im je volja. Raketa namijenjena svemiru zahtijeva mnogo više kontrole i fleksibilnosti: tu dolazi do potiska s potiskom. Kao dio sustava navođenja, kutovi kardona omogućuju da se ispušna mlaznica okreće prema potrebi, preusmjeravajući težište i premještajući raketu u pravi smjer.

horoskopski znak za 24. rujna

Poboljšanja u raketama

Odabir urednika

Bilo je malo promjena u temeljnoj kemiji raketnog goriva od početka svemirskog leta, ali u izradi su projekti za rakete koje štede gorivo. Da bi poboljšali svoju učinkovitost, rakete moraju biti manje gladne goriva, što znači da gorivo mora izaći što je prije moguće kako bi dalo željeni zamah i postiglo isti potisak. Ionizirani plin, protjeran kroz raketnu mlaznicu pomoću magnetskog akceleratora, teži znatno manje od tradicionalnih raketnih goriva. Jonizirane čestice potiskuju stražnji dio rakete nevjerojatno velikom brzinom, što kompenzira njihovu malu težinu ili masu. Ionski pogon dobro djeluje za dugotrajni, trajni pogon, ali zato
stvara niži specifični impuls, zasad djeluje samo na malim satelitima koji su već u orbiti i nije skaliran za velike svemirske brodove. Za to će vam trebati snažan izvor energije - možda nuklearni ili nešto što još nije izumljeno.

Svemirski brodovi poboljšali su se otkako smo 1960-ih počeli putovati u svemir, ali velik dio naše trenutne tehnologije potječe od tih prvih dizajna. Intuitivno bi se činilo logičnim da svemirski brod treba biti šiljast, poput brze letjelice. Istraživanje provedeno pedesetih godina prošlog stoljeća pokazalo je da za orbitalne brzine niti jedan materijal ne može biti dovoljno čvrst da podnese silnu toplinu na tom šiljastom vrhu. Briljantni inženjer po imenu Max Faget shvatio je da svemirski brodovi za povratak moraju biti tupi kako bi širili jaku toplinu i pritisak na velikom području. Bio je ključan u dizajniranju Merkura i tako je rođena svemirska kapsula. Mercury i Gemini u osnovi su orbitirali kokpitima s mehaničkim sustavima kako bi posada održala život: regulacija tlaka zraka, obrada kisika / CO2, kontrola temperature i skladištenje hrane i vode. Dokazali su da je orbitalni let u svemir moguć za ljude i otvorili su vrata za daljnje istraživanje, vodeći nas tamo gdje smo danas u istraživanju svemira.