Kaip „Rockets“ dirba su Chrisu Hadfieldu

Norint patekti į kosmoso objektą, jums iš esmės reikia: degalų ir deguonies degimui, aerodinaminių paviršių ir kardaninių variklių vairavimui ir kur nors, kad karšti daiktai pasirodytų, kad būtų pakankamai traukos. Paprasta.

Kuras ir deguonis sumaišomi ir uždegami raketos variklyje, o tada sprogstantis, degantis mišinys išsiplečia ir išpilamas raketos gale, kad būtų sukurta trauka, reikalinga jai judėti į priekį. Priešingai nei lėktuvo variklis, kuris veikia atmosferoje ir todėl gali įsiurbti orą kartu su degalais degimo reakcijai, raketa turi sugebėti veikti erdvės tuštumoje, kur nėra deguonies. Atitinkamai, raketos turi ne tik degalus, bet ir savo deguonies atsargas. Pažvelgus į raketą ant paleidimo padėklo, dauguma to, ką matote, yra tiesiog raketiniai bakai - kuras ir deguonis, reikalingi norint patekti į kosmosą.

kokioje temperatūroje kepu vištieną

Atmosferoje aerodinaminiai pelekai gali padėti valdyti raketą, pavyzdžiui, lėktuvą. Tačiau už atmosferos nėra ko tiems pelekams stumti kosmoso vakuume. Taigi raketos vairavimui taip pat naudoja kardaninius variklius - variklius, galinčius pasisukti ant robotų šarnyrų. Panašu, kaip balansuoti šluotą rankoje. Kitas to pavadinimas yra vektorinė trauka.

Raketos paprastai statomos atskiromis sukrautomis dalimis arba pakopomis - koncepciją sukūrė Rusijos matematikos mokytojas Konstantinas Ciolkovskis ir amerikiečių inžinierius / fizikas Robertas Goddardas. Raketinių etapų veikimo principas yra tas, kad mums reikia tam tikros jėgos, kad pasiektume aukščiau atmosferos, o tada dar labiau, kad pagreitintume pakankamai greitį, kad liktume orbitoje aplink Žemę (orbitos greitis, maždaug penkios mylios per sekundę). Raketai lengviau pasiekti tą orbitos greitį, kad nereikėtų gabenti perteklinio tuščių raketinių tankų ir ankstyvos stadijos raketų svorio. Taigi, kai sunaudojamas kuro / deguonies kiekis kiekvienai raketos pakopai, mes išmetame tą etapą ir jis patenka atgal į Žemę.

Pirmasis etapas pirmiausia naudojamas norint pasiekti, kad erdvėlaivis būtų virš didesnės oro dalies, iki 150 000 pėdų ar daugiau aukščio. Antrasis etapas sukels erdvėlaivio orbitos greitį. „Saturn V“ atveju buvo trečias etapas, kuris leido astronautams patekti į Mėnulį. Šis trečiasis etapas turėjo sugebėti sustoti ir pradėti, kad būtų nustatyta tinkama orbita aplink Žemę, o tada, kai viskas patikrinta po kelių valandų, nustumkite mus į Mėnulį.

Pereiti į skyrių

• Raketų aerodinamika: kaip veikia raketos
• Pagrindinė raketų fizika
• Raketų konstrukcijos komponentai
• „Raketų“ patobulinimai
• Sužinokite daugiau apie Chriso Hadfieldo „MasterClass“

Buvęs Tarptautinės kosminės stoties vadas moko kosmoso tyrimų ir ateities mokslo.

Chrisas Hadfieldas

Moko kosmoso tyrinėjimų

Raketų aerodinamika: kaip veikia raketos

Netgi „Mėnulio modulis“, kurį „Apollo“ astronautai naudodavosi patekdami į Mėnulio paviršių ir atgal, buvo dviejų pakopų raketa. Kai mes paleidome iš Mėnulio grįžti namo, nusileidimo etapas liko ant paviršiaus.

Pirmosios pastatytos raketos buvo vienkartinės, negalvojant jas vėl naudoti. „Space Shuttle“ buvo pirmasis erdvėlaivis, kuris buvo sukurtas pakartotiniam naudojimui, ir jį šimtą kartų buvo galima nuskraidinti į kosmosą. Net jo kietieji raketiniai stiprintuvai buvo iš dalies pakartotinai naudojami - juos buvo galima atgauti nukritus į vandenyną, juos išgelbėti, išvalyti ir iš naujo sertifikuoti bei papildyti degalais vėlesnėms paleidimams. Šiandien įmonės stato dar daugiau daugkartinių raketų; „SpaceX“ sugeba paleisti ir nusileisti pirmąjį savo „Falcon“ raketos etapą, atgautą nepažeistą ir paruoštą vėl užpildyti skystu kuru. Panašią technologiją „Blue Origin“ taip pat naudoja savo „New Shepard“ raketai.

Yra dvi pagrindinės kuro rūšys, naudojamos norint paleisti raketas iš Žemės: kietasis ir skystasis. Kietos raketos yra paprastos ir patikimos, pavyzdžiui, romėniška žvakė, ir kartą įsižiebusios jų nebegali sustabdyti: jos dega, kol baigsis, ir negali būti droselinės, kad valdytų trauką. Skystos raketos suteikia mažiau neapdorotos traukos, tačiau jas galima valdyti, leidžiant astronautams reguliuoti raketos greitį ir netgi uždaryti ir atidaryti raketinius vožtuvus, kad raketa būtų išjungta ir įjungta.

„Space Shuttle“ paleidimui naudojo kietų ir skystų raketų derinį. Kietieji raketų stiprintuvai buvo naudojami tik įgulai pakelti virš oro; o skystojo kuro raketos degė visą laiką.

Pagrindinė raketų fizika

Pati pagrindinė raketų konstrukcijos varomoji jėga yra Niutono dėsnis, nagrinėjantis kintamą fiziką. Kadangi raketa turi išmesti masę (degalus, kuriuos ji degina), turi būti aerodinaminė, įsigalioja trečiasis Niutono veiksmų ir reakcijų dėsnis. Uždegus raketai, degalai degina ir išeina iš galinių išmetamųjų dujų, todėl raketa vis greičiau ir greičiau įsibėga. Tai daro prielaidą, kad raketa veikia be pavaros jėgos.

Tačiau yra įspėjimas: norint skristi kosmose, reikia pereiti per Žemės atmosferą, o tada įsibėgėti, kol eisite pakankamai greitai, kad galėtumėte sėkmingai likti orbitoje. Pagrindinė kliūtis šiam tikslui pasiekti yra atmosferos pasipriešinimas. Vilkimo jėga nustatoma pagal šią lygtį:

D = 12 ρ v 2 C D S

D = vilkite. Vilkimas yra jėga, kuri lėtina tave. Svarbu prisiminti, kad tempimas yra jėga. Vilkimo jėga stumia prieš savo kosminį laivą ir, jei tai nėra apgalvotai numatyta kosminio laivo konstrukcijoje, gali užkirsti kelią erdvėlaiviui važiuoti greičiau ar net suplėšti laivą.

ρ = rho, oro tankis arba storis aplink jūsų laivą.
Erdvėlaiviui tolstant nuo Žemės ir aukštesniame atmosferoje, oro tankis mažėja, taigi, pagal lygtį, tai velkasi. Atkreipkite dėmesį, kad atmosferos tankis bet kuriame aukštyje yra skirtingas, nes saulė pašildomas oras plečiasi - šiltesnis oras yra mažiau tankus. Ir atminkite, kad erdvės vakuume tankis iš esmės yra lygus nuliui, taigi (pagal lygtį) ten praktiškai nėra jokio pasipriešinimo.

v = greitis arba jūsų erdvėlaivio greitis. Atkreipkite dėmesį, kad lygtyje pasipriešinimas yra greičio ir greičio arba v kvadrato funkcija. Taigi, didėjant greičiui, pasipriešinimas sparčiai didėja - dvigubai didesnis greitis, keturis kartus didesnis nei toliau. Štai kodėl garsus astronautas Chrisas Hadfieldas sako, kad sunkiausia yra skraidyti raketa per atmosferą: šiame etape raketos greitis yra nuolat didėja žemyn, kur oras vis dar tirštas. Tačiau kai esate už atmosferos ribų, galite padidinti greitį nedidindami vilkimo jėgos, nes nėra atmosferos tankio.

CD = pasipriešinimo koeficientas, būdingas transporto priemonės supaprastinimui ir paviršiaus šiurkštumui.

S = jūsų erdvėlaivio skerspjūvio plotas. Apatinė sritis (pagalvokite: liesos, palyginti su riebalinėmis raketomis) padeda sumažinti vilkimą. Tai reiškia, kad atmosferos pasipriešinimas yra daug didesnė problema erdvėlaiviams, kurie vis dar yra atmosferoje ir bando išvykti, nei tokiam laivui kaip Tarptautinė kosminė stotis, kuris yra taip aukštai virš planetos, kad yra tik minutė oro tankis, veikiantis prieš jį. Štai kodėl TKS gali būti tokios neįprastos formos ir kodėl raketos turi būti racionalizuotos.

Vilkimo lygtis sukuria aiškų tikslą raketų konstrukcijoje ir skrydžio strategijoje. Ne tik efektyviausios raketos turi mažesnes zonas, bet ir kuo greičiau pagreitina (padidina greitį iki orbitos greičio), kai tik pakyla virš atmosferos į mažesnio oro tankio zonas.

„MasterClass“

Pasiūlė jums

Internetinės klasės, kurias moko didžiausi pasaulio protai. Išplėskite savo žinias šiose kategorijose.

Moko kosmoso tyrinėjimų

koks mano saulės ženklas mėnulio ženklas ir kylantis ženklas

Moko gamtosaugos

Moko mokslinio mąstymo ir komunikacijos

Moko mokslo apie geresnį miegą

Raketų konstrukcijos komponentai

Galvok kaip profesionalas

Buvęs Tarptautinės kosminės stoties vadas moko kosmoso tyrimų ir ateities mokslo.

Raketos yra specialiai sukurtos taip, kad atlaikytų intensyvias svorio ir traukos jėgas ir būtų kuo aerodinamiškesnės. Taigi yra kelios konstrukcinės sistemos, kurios standartizavo daugumos raketų konstrukciją. Nosies kūgis, rėmas ir pelekas yra raketos formos skeleto dalis, kuri yra didelis paviršiaus plotas, dažnai pastatytas iš aliuminio arba titano, kuris padengiamas terminiu apsauginiu sluoksniu. Siurbliai, kuras ir purkštukas yra varomosios sistemos dalis, o tai leidžia raketai sukurti stūmoklį.

Norint kontroliuoti skrydžio trajektoriją, reikia reguliuoti raketos skrydžio kryptį. Raketos modeliai, pavyzdžiui, butelių raketos, ar kitos mažesnės raketos šaudo tiesiai į orą ir grįžta žemyn, kur nori. Erdvei skirta raketa reikalauja daug daugiau valdymo ir lankstumo: čia atsiranda kardaninė traukos jėga. Kaip orientavimo sistemos dalį kardaniniai kampai leidžia išmetimo antgaliui pasisukti, jei reikia, nukreipiant svorio centrą ir perkeliant raketą į teisinga kryptis.

„Raketų“ patobulinimai

Redaktorių pasirinkimas

Nuo kosminių skrydžių pradžios pagrindinės raketų kuro chemijos pokyčiai buvo nedaug, tačiau darbuose yra kurą taupančių raketų projektų. Norint pagerinti savo efektyvumą, raketos turi būti mažiau alkanos kuro, o tai reiškia, kad kuras turi kuo greičiau išeiti iš užpakalio, kad suteiktų norimą impulsą ir pasiektų tą patį traukos jėgą. Jonizuotos dujos, varomos per raketinį purkštuką, naudojant magnetinį greitintuvą, sveria žymiai mažiau nei tradicinis raketinis kuras. Jonizuotos dalelės neįtikėtinai dideliu greičiu išstumiamos raketos gale, o tai kompensuoja jų mažą svorį arba masę. Jono varomoji jėga gerai veikia ilgą, ilgalaikį varymą, bet todėl, kad
jis sukuria mažesnį specifinį impulsą, jis kol kas veikia tik mažuose palydovuose, kurie jau yra orbitoje, ir nebuvo pritaikytas dideliems kosminiams laivams. Norėdami tai padaryti, reikės galingo energijos šaltinio - galbūt branduolinio ar dar neišradto.

Erdvėlaiviai patobulėjo nuo to laiko, kai pradėjome keliauti į kosmosą praėjusio amžiaus septintajame dešimtmetyje, tačiau nemaža dalis dabartinių mūsų technologijų atsirado iš tų pirmųjų dizainų. Intuityviai atrodytų, kad būtų prasminga, jog kosminis laivas turėtų būti smailus, kaip ir greitaeigis lėktuvas. Tačiau praėjusio amžiaus 5-ajame dešimtmetyje atlikti tyrimai parodė, kad orbitos greičiui jokia medžiaga negali būti pakankamai tvirta, kad užmautų didžiulę šilumą ant smailaus galo. Puikus inžinierius, vardu Maxas Fagetas, suprato, kad grįžtantys kosminiai laivai turi būti buki, kad intensyvi šiluma ir slėgis pasiskirstytų didelėje teritorijoje. Jis buvo pagrindinis kuriant Merkurijų, taigi gimė kosminė kapsulė. Merkurijus ir Dvyniai iš esmės skriejo aplink pilotuose esančias mechanines sistemas, kad įgula būtų gyva: oro slėgio reguliavimas, deguonies / CO2 apdorojimas, temperatūros kontrolė, maisto ir vandens saugojimas. Jie įrodė, kad orbitiniai kosminiai skrydžiai žmonėms yra įmanomi, ir atvėrė duris toliau tyrinėti, nuvedę mus ten, kur šiandien esame kosmoso tyrinėjimai.