Uproszczona nauka o rakietach

Rakieta to silnik, który spala zmagazynowane paliwo w szybki, wysokotemperaturowy gaz, który wyprowadza się z pojazdu przez ograniczony wylot. Ponieważ gaz porusza się w dół z dużą prędkością, pojazd nośny reaguje, poruszając się w górę z tą samą dużą prędkością. Z drugiej strony możemy również opisać rakietę jako cylindryczny pojazd z ostro spiczastą dyszą używaną do podróży w przestrzeń kosmiczną. Pojazdy obejmują pociski lub statki kosmiczne, które używają rakiety jako silnika.Ra

kiety są ważnym wynalazkiem i odgrywają różne role w kształtowaniu naszego świata, tak jak żyjemy dzisiaj. Rakiety są powodem, dla którego naukowcy mogą monitorować przestrzeń, aby zapewnić bezpieczeństwo naszej planecie. Oto różne zastosowania rakiet: 

Zastosowania wojskowe

Rakiety są używane jako transportery różnych głowic do różnych miejsc wroga. Gdy rakiety są połączone z głowicami, ich nazwa zmienia się w to, co jest powszechnie określane jako pociski. Transport głowic za pomocą rakiet jest bezpieczny dla wojska, ponieważ mogą być zdalnie sterowane. Funkcja wojskowa jest kontrowersyjnym zastosowaniem, biorąc pod uwagę destrukcyjny charakter wystrzeliwowanych przez rakiety głowic.B

adania kosmiczne

Astronauci używają rakiet do transportu instrumentów na obszary poza powierzchnią Ziemi, aby rejestrować różne elementy badawcze, które naukowcy planują zbadać.Rakiety pomagają umieścić statek kosmiczny na orbicie

Rakiety są wyraźnie preferowane dla tej funkcji ze względu na ich wysokie prędkości, które maszerują wysoką prędkość orbity, jak będziemy dyskutować później.

Ra

kiety działają przy użyciu prostej zasady naukowej zwanej trzecim prawem ruchu. Isaac Newton wymyślił prawa ruchu, a trzeci i ostatni z tych praw stwierdza, że musi być taka sama reakcja w przeciwnym kierunku dla każdego działania. Zasada ta oznacza, że jeśli popchniesz coś do przodu, również poruszasz się do tyłu z tą samą prędkością.

Jak to jest związane z rakietami, pytasz? Przejdźmy do tego.

Silniki rakietowe spalają specjalny rodzaj paliwa, o którym będziemy mówić za chwilę. Gdy paliwo spala się, wytwarza gorący gaz z tyłu rakiety z bardzo dużą prędkością. Jak gaz wychodzi z dużą prędkością w dół, co jest najbardziej prawdopodobnym kierunkiem, że rakieta będzie podjąć? Oczywiście, zgadliście dobrze; będzie poruszać się w górę z prędkością równą prędkości gazu idącej w górę.

Siła, która powoduje, że silnik rakietowy porusza się w przeciwnym kierunku od gorącego gazu, nazywana jest ciągiem, a rakieta wciąż spala więcej paliwa, aby produkować ten sam efekt w kółko, dając rakietie do przodu ciąg w kółko, aż dotrze do miejsca przeznaczenia. Powtarzające się pchnięć również pomóc rakiety przezwyciężyć przyciąganie grawitacyjne i opór z powietrza.

Ale skąd rakieta wie, dokąd zmierza? Czy ma pilota? Zanim rakiety zostaną uwolnione z ziemi, naukowcy obliczają z góry ustaloną trasę, którą rakieta wybierze. Kurs jest obliczany w odniesieniu do położenia słońca i księżyca. Inne planety również mogą mieć niewielki wpływ, ale jest bardzo minimalne. Zanim przyjrzymy się, jak rakiety są wystrzeliwane, zrozummy, jak daleko zaszły rakiety.

Dziś koncepcje stosowane w rakietach sięgają I wieku naszej ery. Inżynier matematyczny, Czapla z Aleksandrii, stworzył urządzenie, które obracało się piłką za pomocą dysz emitujących parę. Po tym fete przez Heron, rzeczy w historii rakiety milczał aż do 13 wieku naszej ery, kiedy ludzie zaczęli robić rakiety pistolet-proszek używane w broni, takich jak strzały.

Być może najważniejszą częścią historii rakiety była publikacja Badania Space With Reaction Devices przez Konstantina Tsiolkovsky.Perhaps the most significant part of rocketing history was the publication of Investigating Space With Reaction Devices by Konstantin Tsiolkovsky. Niniejsza publikacja szczegółowo opisuje dynamikę działania rakiet. Później w 1942 roku, Niemcy czyni kolejny kamień milowy, kiedy z powodzeniem uruchamia rakiety na bazie rakiet i ląduje go na cel z prędkością ponad 4000 mil na godzinę.

Sukces Niemiec w wystrzeleniu rakiety sprawił, że USA i USA rozpoczęły swoje programy kosmiczne, a w 1957 roku Rosja była w stanie użyć rakiety do przenoszenia i wystrzeliwania Sputnika 1, który był pierwszym na świecie satelitą w kosmosie, a w 1969 roku Ameryka wystrzeliła Apollo 11, rakietę, która po raz pierwszy uświetniła Księżyc.

Dowiedzieliśmy się, czym jest rakieta, nauka o tym, jak działają rakiety, i przeszliśmy krótką historię rakiet. Musisz być teraz ciekaw, jak rakieta wystrzeliwuje, prawda? Ale zanim przejdziemy do tego, jak rakiety są wystrzeliwane, najpierw nauczmy się energii, która napędza rakiety, prawda?

Aby omówić paliwa rakietowe, omówimy rodzaje rakiet, które mamy dzisiaj, ponieważ rakiety są klasyfikowane na podstawie rodzaju paliwa, którego używają. Obecnie istnieją cztery rodzaje rakiet:

• Rakiety na paliwo stałe
• Rakiety na paliwo ciekłe
• Rakiety jonowe
• Rakiety plazmowe

Oto analiza każdej z rakiet, które pomogą Ci zrozumieć energię zużywaną przez rakiety.Rakiety na paliwo stałe

Stałe paliwa rakietowe wykorzystują stałe materiały pędne i są jednymi z pierwszych odkrytych paliw. Po raz pierwszy były one używane głównie do produkcji broni strzeleckiej, chociaż po późniejszych badaniach naukowcy odkryli, że mogą ich używać do zasilania dużych rakiet i przez dłuższy czas.

Rakiety na paliwo stałe są jednopropellant, co oznacza, że nie wymagają zewnętrznego utleniacza do spalania paliwa. Podstawowa nauka o spalaniu stwierdza, że aby cokolwiek spalić, musi istnieć środek utleniający. Na przykład strumienie mają wloty powietrza, które dostarczają tlen do silników, aby zapalić paliwo i napędzać strumień. Rakiety monopropellant, jednak nie wymagają wlotów powietrza do spalania paliw.

Zamiast tego, paliwa stałe są kombinacją wielu substancji chemicznych w jednej mieszaninie. Wśród tych substancji chemicznych są utleniacze, które spalają paliwo do produkcji gorącego gazu, który napędza rakiety. Niektóre z substancji chemicznych stosowanych do stałych paliw rakietowych obejmują dinitramid amonu, azotan potasu, i nadchloran amonu. Aby paliwa stałe działały, muszą być umieszczone w komorze spalania rakiety, gdzie jest zapalana.

Główną wadą paliw stałych jest to, że gdy paliwo zacznie spalać, nie może zgaśnie, co oznacza, że paliwo będzie stale spalać się bez kontroli, dopóki nie skończy. Ten brak kontroli prowadzi do konieczności wykorzystania ogromnych ilości paliwa stałego, które jest zarówno drogie, jak i może zużyć dużo ograniczonej przestrzeni, jaką daje rakieta. Kolejną wadą paliw stałych jest ryzyko wyczerpania się el, zanim rakieta osiągnie pożądany cel. Ponadto nitrogliceryna, jeden ze związków stosowanych do produkcji paliw stałych, szybko odparowuje.

Z drugiej strony, stałe materiały pędne są stosunkowo łatwe do przechowywania i obsługi niż ich płynne odpowiedniki. Są one również tańsze i są preferowane, gdy potrzebne są duże ciągi. Niektóre ze słynnych rakiet, które używane na paliwo stałe to rosyjska seria Proton (Proton 8K82K i Proton-M), European Ariane 5, Space Shuttle, US Atlas V i Japonii H-I.

Rakieta na paliwo ciekłe

Rakiety na paliwo ciekłe wykorzystują ciekłe materiały pędne. Ciekłe materiały pędne są, jak stwierdza słowo, płynne. Paliwa ciekłe są szeroko stosowane i mogą być albo jednopropellant (pamiętaj monopropellant z paliw stałych?), lub Bipropellant, lub jeszcze rzadziej, tripropellant. Niektóre z substancji chemicznych stosowanych do wytwarzania ciekłych materiałów pędnych obejmują tetrotlenku Dinitrogen w połączeniu z hydrazyną, ciekłym tlenem i ciekłym wodorem. Chemikalia te są lekkie i łatwe do przenoszenia, a tym samym zmniejszają ciężar rakiety.

Inżynierowie rocketry ufają płynnym paliwom, ponieważ mają wysoką gęstość i mają wysoki specyficzny impuls. Inżynierowie uwielbiają wysokiej gęstości i wysokiego specyficznego impulsu, ponieważ ułatwiają im stosowanie lżejszych turbopomp odśrodkowych do przenoszenia paliwa ze zbiorników paliwa rakiety do komór spalania. Turbopompy zwiększają ciśnienie paliwa w komorze spalania.

Oprócz wysokiej gęstości i specyficznego impulsu, ciekłe materiały pędne są przydatne, ponieważ są łatwe do kontrolowania. W przeciwieństwie do stałych materiałów pędnych, których nie można kontrolować, gdy zaczynają się spalać, ciekłe materiały pędne są łatwe do kontrolowania i palą tylko wtedy, gdy jest to wymagane do spalenia. Ta zdolność sterowania ułatwia astronautom kontrolowanie prędkości rakiety i włączanie i wyłączanie rakiety w celu kontrolowania zużycia paliwa.

Jednym z głównych zaniechania dla ciekłych paliw jest to, że inżynierowie muszą zaprojektować oddzielny system rurociągów z komorów magazynowych cieczy, aby dotrzeć do komór spalania. Doskonalenie tego projektu jest szczególnie trudne, ponieważ celem stworzenia rakiety jest uczynienie jej jak najlżejszą.
Niektóre z rakiet, które używają ciekłych materiałów pędnych to niemiecki V-2, Space X Falcon 9 i Atlas ICBM

Rakieta jonowa
Rakiety jonowe działają od 1998 roku i wykorzystują energię elektronową z ogniw słonecznych. Ogniwa słoneczne przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną i są dziesięć razy szybsze niż tradycyjne rakiety, które wykorzystują paliwa chemiczne. Jednak siła ciągu wytwarzana przez rakiety jonowe jest słaba i nie może podnieść rakiety z ziemi. W związku z tym inżynierowie rakietowi muszą znaleźć alternatywny sposób na podniesienie rakiety z ziemi.

Rakiety plazmowe
Rakiety plazmowe są znane w rozmowach naukowych jako zmienna specyficzna rakieta magnetyczno-impulsowa (VASIMR). Rakiety te działają poprzez przyspieszenie plazmy wytwarzanej przez usuwanie ujemnych elektronów z atomów wodoru wewnątrz pola magnetycznego i wyrzucanie ich z silnika. Rakiety te są reklamowane, aby być szybsze i mogą dotrzeć na Marsa szybciej niż inne rodzaje rakiet. Ich zrównoważony rozwój jest nadal testowany, a wkrótce pojawi się więcej informacji na ich temat.

Naukowcy rozważają wiele rzeczy przed wystrzeleniem rakiety. Niektóre z rozważań, które podejmują, obejmują:

• Ładowność rakiety
• Miejsce docelowe ładunku
• Pogoda
• Bliskość równika
• Bliskość miejsca startu do udogodnień i rezydencji towarzyskich
• Połów dnia

Powyższa lista jest tylko atrakcją i ma na celu skierowanie cię do niektórych rozważań, które naukowcy podejmują przed wystrzeleniem rakiety.Wieloeplatformowe udane uruchomienie rakiety:

Zanim omówimy poszczególne etapy, odpowiedzmy na to często zadawane pytanie: Co to jest inscenizacja?

Inscenizacja rakiet to proces, w którym inżynierowie układają różne części rakiety. Układ silników rakietowych określa, w jaki sposób będą one schodzić ze statku na różnych etapach.

Skuteczna inscenizacja zapewnia również, że w miarę jak rakieta rzuca części, które nie są już przydatne, staje się lżejsza, a kolejne silniki nadają rakietie wymagany ciąg, aby przedostać się przez atmosferę i podróżować z odpowiednią prędkością, aby spełnić wymagania prędkości orbity. W zależności od funkcji rakiety naukowcy umieścili tyle odłączalnych części, ile liczba etapów, których oczekują, że pojazd przejdzie przed dotarciem do miejsca przeznaczenia. Jednak im więcej ma etapów rakiety, tym bardziej jest skomplikowana i tym większe prawdopodobieństwo jej awarii.

Gdy naukowcy tworzą rakiety, paliwo rakiet przenosi około 90-94% całkowitej masy rakiety, a pozostałe 6-10% jest dzielone między materiały budowlane rakiety i ładowność (omówimy ładunek w kilku akapitach). Oznacza to, że materiał użyty do produkcji rakiet musi być niezwykle lekki, a astronauci muszą upewnić się, że ładunek, który transportują za pomocą rakiety, jest równie lekki.

Istnieją cztery różne sposoby inscenizacji, jak omówimy poniżej:

Przemieszczania seryjnej

Przemieszczania szeregowej występuje, gdy naukowcy stos etapy na siebie. W tego rodzaju inscenizacji, etap, który spali pierwszy jest umieszczony jako najbardziej dołu, podczas gdy końcowy etap jest najbliżej góry. Rakiety księżycowe Saturn V były dobrymi przykładami rakiet, które wykorzystywały seryjną inscenizację.

Przemieszczania równoległego

Równolegle naukowcy umieszczają pojedyncze lub wielokrotne etapy wspomagający połączone z głównym podtrzymacznikiem. Wszystkie silniki rozpoczynają spalanie na początku podróży, a gdy uwięzione silniki w pełni spędzają paliwo, główny silnik nadal płonie, aby przetransportować ładunek na orbitę. Odłączane stopnie są używane jako dopalacze i odpadają, gdy tylko zabraknie im paliwa. Inscenizację równoległą można łączyć z przemieszczania szeregowego w tym samym pojeździe.
Niektóre rakiety, które wykorzystują metodę równoległego inscenizacji, obejmują wyrzutnie, takie jak Titan III i Delta II

Etap i pół

Półtora etapu polega na użyciu głównego silnika podtrzymucza, a drugi działa jako booster. Zgodnie z oczekiwaniami wszystkich etapów wspomagania, dołączony etap i pół systemu odpadają po całym zużytym paliwie. Przykłady rakiet, które wykorzystywał etap i pół obejmują Atlas i Atlas Agena.

Pojedyncza inscenizacja

Ta metoda inscenizacji jest nadal w fazie badań, a jej głównym marzeniem jest mieć rakiety, które nie wymagają wielu etapów do funkcjonowania. Jak już powiedzieliśmy powyżej, im więcej etapów pojazd jest bardziej skomplikowany, a tym większe szanse na jego awarię. W związku z tym, gdy naukowcy znajdą sposób na urzeczywarnie metody pojedynczego inscenizacji, unikną znacznego ryzyka i będą mieli mniejsze etapy do czynienia podczas wystrzeliwania rakiet.
Teraz, gdy rozumiemy różne metody inscenizacji, zagłębijmy się w wiele etapów startu rakiety.

Etapy startu rakiety

Rakiety wystrzeliwują się w różnych etapach, a każdy etap ma swoją unikalną rolę do wykonania. Różne silniki, które spalą się, aby wystrzelić rakietę z powodzeniem, są ułożone ponad sobą i odłączają się, gdy ich przydatność się skończy. Dlatego ten oddział oznacza, że w miarę jak rakieta rzuca zużyte silniki, staje się lżejsza, a w konsekwencji zużywa mniej paliwa. Warto również zrozumieć, że każdy silnik jest niezależny od innych. Ta niezależność zapewnia inżynierom rakietowym możliwość dostosowania każdego silnika do celu, do jakiego służy. Optymalizacja oznacza, że silnik jest bardziej dostosowany do panującego ciśnienia atmosferycznego lub przyciągania grawitacyjnego na każdym etapie.

Oto kilka kroków, które rakiety przejść do uruchomienia pomyślnie:

1)Etap podstawowy

Podstawowy jest pierwszym i najważniejszym etapem startu rakiety i jest również nazywany etapem "0". Na tym etapie silnik spala paliwo, aby zapewnić pierwszy ciąg. Siła ciągu musi być wystarczająco silna, aby napędzać rakietę do dużej prędkości, która zabiera ją ku niebu. Siła ciągu musi być również silna, ponieważ musi wystarczyć do przenoszenia wagi ciężkiej rakiety, która obejmuje pierwszy silnik. Gdy pierwszy silnik wyczerpie się z paliwa, odłącza się od rakiety i uruchamia mały materiał wybuchowy przymocowany do drugiego silnika, który przejmuje i napędza statek kosmiczny dalej. Pierwszy silnik wypala się i spada z powrotem na ziemię. Odłączenie pierwszego silnika od reszty rakiety jest określane jako Main Engine Cut Off (MECO).

Proste, jak może się wydawać, pierwszy etap musi pokonać wiele przeszkód, zanim z powodzeniem wypala.

Drag zwiększa się wraz z prędkością rakiety:

Przeciągnij w rocketry jest opór, że rakieta ma do pokonania, jak idzie w niebo. Aby zrozumieć przeciąganie w prostym języku, załóżmy, że jesteś uruchomiony na ścieżce. Jeśli biegniesz w spokojny dzień, gdy wiatr porusza się powoli, będziesz używać mniej wysiłku, aby uruchomić. Z drugiej strony, jeśli biegniesz przed silnym wiatrem, bieganie staje się ciut trudniejsze. Ponadto, im szybciej biegniesz, tym większy opór otrzymasz. Jeśli przy niskiej prędkości, którą prowadzisz, możesz uzyskać tarcie z powietrza, wyobraź sobie pojazd, który porusza się z prędkością do 16200 Km/h. Rakieta musi stawić czoła dużej oporze, prawda?

Premiera jest najgrubsza w pierwszym etapie:

Siła grawitacyjna (powszechnie określana jako G-force) jest wyższa w niższej atmosferze w porównaniu do wyższych atmosfer. Istnieje również wibracje o wysokiej częstotliwości do rozważenia i ogromna waga, jaką niesie rakieta.

Etap podstawowy określa sukces lub niepowodzenie wystrzelenia rakiet:

Aby rakieta przeniknęła przez opór spowodowany atmosferą i pomyślnie osiągnęła MAXQ, początkowy ciąg musi być wystarczająco silny, aby przewieźć rakietę przez to wszystko. Jeśli mały błąd w obliczeniach dzieje się w etapie podstawowym, a następnie cały projekt jest zobowiązany do niepowodzenia.

2)Górne etapy

Rakieta porusza się już na niebie z dużą prędkością i już zrzuciła część ciężaru w postaci spalonego pierwszego silnika. Oznacza to, że silnik na tym etapie ma stosunkowo łatwiejsze zadanie do wykonania w porównaniu do silnika pierwszego stopnia.
Jedynym celem tego etapu jest wprowadzenie rakiety do prędkości orbitalnej. Jest to prędkość wymagana do dostosowania się do ruchu innych obiektów kosmicznych, takich jak planety i inne. Rakieta musi poruszać się z dużą prędkością, która skutecznie przeciwdziała przyciąganiu grawitacyjnemu.

Nieosiągnięcie wysokich prędkości wymaganych do pokonania przyciągania grawitacyjnego oznacza, że rakieta zostanie odciągnięta z powrotem na ziemię przez grawitację. Ważne jest, aby pamiętać, że im bliżej rakiety do powierzchni Ziemi, tym wyższy efekt przyciągania grawitacyjnego i wyższa prędkość wymagana do jej pokonania.

Zanim silnik drugiego stopnia wypala się, musi się zdarzyć:

• Pojazd musi osiągnąć nieważkości
• Uzyskaj wyższą ocenę impulsów
• Szybsze poruszanie się
• Ruch pojazdu staje się stabilny

Zużyty silnik na etapie wtórnym również odłącza się od rakiety w procesie zwanym Second Engine Cut Off (SECO). Jednak szczątki silnika nie mogą wrócić na ziemię (chyba że rakieta jest wzorowana na ponowne, jak będziemy dyskutować później), ale pozostanie w przestrzeni kosmicznej, orbitując wokół innych ciał do nieskończoności. Te zużyte oddziały rakietowe stanowią część tak zwanych śmieci kosmicznych lub śmieci kosmicznych.

Rakiety są wysyłane głównie w przestrzeń kosmiczną, aby dostarczyć ładunek. Ładunek jest każdy ładunek transportowany za pomocą rakiety, i może zawierać instrumenty badawcze, satelity, broń, i ludzi, wśród innych ładunków. Ale co się dzieje z rakietami po dostarczeniu ładunku?

Tradycyjnie zużyte rakiety albo spadają na powierzchnię Ziemi i na orbitę i zaczynają oscylować wraz z planetą. Innym razem rakieta rozpada się i odparowuje, gdy napotyka wysokie temperatury. Z najnowszych postępów, jednak rakiety nie muszą być niszczone po jednorazowym użyciu. Najnowsze rakiety, takie jak najnowszy Falcon SpaceX, mogą być częściowo ponownie wykorzystane do transportu przyszłych ładunków.