Kā raķetes strādā ar Krisu Hadfīldu

Lai nokļūtu objektā kosmosā, jums būtībā ir nepieciešams: degviela un skābeklis, lai dedzinātu, aerodinamiskās virsmas un kardānvārpstas motori, lai vadītu, un kaut kur, lai karstie materiāli iznāktu, lai nodrošinātu pietiekamu vilces spēku. Vienkārši.

Raķetes motora iekšpusē tiek sajaukta un aizdedzināta degviela un skābeklis, un pēc tam eksplodējošais, degošais maisījums izplešas un izlej raķetes aizmuguri, lai radītu vilci, kas nepieciešama tās virzīšanai uz priekšu. Pretstatā lidmašīnas dzinējam, kas darbojas atmosfērā un tādējādi sadegšanas reakcijai var uzņemt gaisu, lai to apvienotu ar degvielu, raķetei jāspēj darboties kosmosa tukšumā, kur nav skābekļa. Attiecīgi raķetēm ir jānēsā ne tikai degviela, bet arī savs skābekļa daudzums. Aplūkojot raķeti uz starta laukuma, lielākā daļa no tā, ko jūs redzat, ir vienkārši propelenta tvertnes - degviela un skābeklis -, kas nepieciešamas, lai nokļūtu kosmosā.

kāda ir stāstījuma kulminācija

Atmosfērā aerodinamiskās spuras var palīdzēt vadīt raķeti, piemēram, lidmašīnu. Tomēr ārpus atmosfēras šīm spurām nav nekā, pret ko spiesties kosmosa vakuumā. Tātad raķetes stūrēšanai izmanto arī kardānvārpstas motorus - dzinējus, kas var šūpoties uz robotizētiem šarnīriem. Līdzīgi kā līdzsvarojot slotu rokā. Vēl viens nosaukums tam ir vektorizēta vilce.

Raķetes parasti tiek būvētas atsevišķās sakrautās sekcijās jeb pakāpienos, šo koncepciju izstrādājuši krievu matemātikas skolotājs Konstantīns Ciolkovskis un amerikāņu inženieris / fiziķis Roberts Godards. Raķešu posmu darbības princips ir tāds, ka, lai nokļūtu virs atmosfēras, mums ir vajadzīgs noteikts spēks, un pēc tam vēl vairāk, lai paātrinātu pietiekami ātrumu, lai paliktu orbītā ap Zemi (orbītas ātrums, apmēram piecas jūdzes sekundē). Raķetei ir vieglāk sasniegt šo orbītas ātrumu, nenesot tukšo propelenta tvertņu un agrīnās stadijas raķešu lieko svaru. Tātad, kad degviela / skābeklis katram raķetes posmam ir iztērēts, mēs šo posmu izlaižam, un tas atkal nokrīt uz Zemes.

Pirmais posms galvenokārt tiek izmantots, lai kosmosa kuģis nokļūtu virs gaisa lielākās daļas līdz 150 000 pēdu vai lielākam augstumam. Pēc tam otrajā posmā kosmosa kuģis nokļūst orbītas ātrumā. Saturn V gadījumā bija trešais posms, kas kosmonautiem ļāva nokļūt uz Mēness. Šim trešajam posmam bija jāspēj apstāties un sākt, lai izveidotu pareizo orbītu ap Zemi, un pēc tam, kad pēc dažām stundām viss tika pārbaudīts, virziet mūs uz Mēnesi.

Pāriet uz sadaļu

• Raķešu aerodinamika: Kā darbojas raķetes
• Raķešu pamatfizika
• Raķešu būves komponenti
• Uzlabojumi raķetēs
• Uzziniet vairāk par Krisa Hadfīlda MasterClass

Bijušais Starptautiskās kosmosa stacijas komandieris māca jums kosmosa izpētes zinātni un nākotnes nākotni.

Kriss Hadfīlds

Māca kosmosa izpēti

Raķešu aerodinamika: Kā darbojas raķetes

Pat Mēness modulis - kuru Apollo astronauti izmantoja, lai nokļūtu uz Mēness virsmas un atpakaļ - bija divpakāpju raķete. Kad mēs palaida no Mēness, lai atgrieztos mājās, nolaišanās posms tika atstāts uz virsmas.

Pirmās uzceltās raķetes bija vienreizējas lietošanas, nedomājot par to atkārtotu izmantošanu. Kosmosa kuģis bija pirmais kosmosa kuģis, kas bija paredzēts atkārtotai izmantošanai, un to varēja simtreiz izlidot kosmosā. Pat tā cietie raķešu pastiprinātāji bija daļēji atkārtoti izmantojami - tos varēja atgūt pēc nokrišanas okeānā, glābt, iztīrīt un atkārtoti sertificēt, kā arī uzpildīt ar degvielu vēlākām palaišanas reizēm. Mūsdienās uzņēmumi būvē vēl vairāk izmantojamas raķetes; SpaceX spēj palaist un pēc tam nosēsties savas Falcon raķetes pirmajā posmā, kurš ir neskarts un atkal gatavs piepildīt ar šķidro degvielu. Līdzīgu tehnoloģiju Blue Origin izmanto arī savai New Shepard raķetei.

Ir divi galvenie degvielas veidi, ko izmanto raķešu nokļūšanai no Zemes: cieta un šķidra. Cietās raķetes ir vienkāršas un uzticamas, piemēram, romiešu svece, un pēc aizdedzināšanas tās vairs nevar apturēt: tās sadedzina, līdz beidzas, un tās nevar ierobežot, lai kontrolētu vilci. Šķidrās raķetes nodrošina mazāk neapstrādātu vilces spēku, taču tās var kontrolēt, ļaujot astronautiem regulēt raķetes ātrumu un pat aizvērt un atvērt propelenta vārstus, lai izslēgtu un ieslēgtu raķeti.

Kosmosa kuģis palaišanai izmantoja cieto un šķidro raķešu kombināciju. Cietie raķešu pastiprinātāji tika izmantoti tikai, lai apkalpi paceltu virs gaisa; kamēr šķidrā kurināmā raķetes dega visu laiku.

Raķešu pamatfizika

Pats galvenais raķešu konstrukcijas virzītājspēks ir Ņūtona likums, kas nodarbojas ar mainīgo fiziku. Tā kā raķetei, vienlaikus izlaižot masu (degvielu, ar kuru tā sadedzina), jābūt aerodinamiskai, spēlē trešais Ņūtona likums par darbībām un reakcijām. Kad raķete aizdegas, degviela sadedzina un iziet no aizmugurējās izplūdes, liekot raķetei paātrināties un virzīties uz priekšu ar arvien lielāku ātrumu. Tas pieņem, ka raķete darbojas bez pretestības spēka.

Tomēr ir brīdinājums: lai lidotu kosmosā, jums jāpārvar Zemes atmosfēra un pēc tam jāpaātrina, līdz dodaties pietiekami ātri, lai varētu veiksmīgi palikt orbītā. Galvenais šķērslis tā sasniegšanai ir atmosfēras pretestības radītais pretestība. Vilces spēku nosaka šāds vienādojums:

D = 12 ρ v 2 C D S

D = vilkt. Vilkšana ir spēks, kas jūs palēnina. Ir svarīgi atcerēties, ka vilkšana ir spēks. Vilkt spēks stumj pretī jūsu kosmosa kuģim un - ja tas nav pārdomāti atļauts kosmosa kuģa konstrukcijā - var novērst kosmosa kuģa ātrāku aiziešanu vai pat saplēst kuģi.

ρ = rho, gaisa blīvums vai biezums ap kuģi.
Kad kosmosa kuģis attālinās no Zemes un atrodas augstāk atmosfērā, gaisa blīvums samazinās, un, pēc vienādojuma, tas velk. Ņemiet vērā, ka atmosfēras blīvums noteiktā augstumā ir mainīgs, jo, saulei sildot, gaiss izplešas - siltāks gaiss ir mazāk blīvs. Un atcerieties, ka kosmosa vakuumā blīvums būtībā ir nulle, tāpēc (pēc vienādojuma) tur praktiski nav nevilkšanas.

v = jūsu kosmosa kuģa ātrums vai ātrums. Ievērojiet, ka vienādojumā vilkšana ir ātruma un ātruma vai v kvadrāta funkcija. Tādējādi, palielinoties ātrumam, pretestība strauji palielinās - dubulto ātrumu, četras reizes lielāku pretestību utt. Tāpēc slavenais astronauts Kriss Hadfīlds saka, ka visgrūtāk ir lidot ar raķeti pa atmosfēru: šajā posmā raķetes ātrums ir nepārtraukti palielinās lejā, kur gaiss joprojām ir biezs. Tomēr, atrodoties ārpus atmosfēras, jūs varat palielināt ātrumu, nepalielinot pretestības spēku, jo nav atmosfēras blīvuma.

CD = pretestības koeficients, kas raksturīgs transportlīdzekļa vienkāršošanai un virsmas raupjumam.

S = jūsu kosmosa kuģa šķērsgriezuma laukums. Zemāks laukums (domāju: izdilis pret tauku raķetēm) palīdz samazināt vilci. Tas nozīmē, ka atmosfēras pretestība ir daudz lielāka problēma kosmosa kuģiem, kuri joprojām atrodas atmosfērā un mēģina atstāt, nekā tas ir tādam kuģim kā Starptautiskā kosmosa stacija, kas atrodas tik augstu virs planētas, ka gaisa ir tikai minūtes laikā blīvums, kas darbojas pret to. Tāpēc ISS var būt tik neglīta forma un kāpēc raķešu kuģi ir jāpilnveido.

Vilkšanas vienādojums rada skaidru mērķi raķešu projektēšanā un lidojuma stratēģijā. Visefektīvākajām raķetēm ir ne tikai zemākas zonas, bet arī pēc iespējas vairāk paātrinās (ātruma palielināšanās līdz orbītas ātrumam), tiklīdz tās ir nokļuvušas virs atmosfēras zemāka gaisa blīvuma zonās.

Meistarklase

Ieteikts jums

Tiešsaistes nodarbības, kuras pasniedz pasaules lielākie prāti. Paplašiniet savas zināšanas šajās kategorijās.

Māca kosmosa izpēti

Māca saglabāšanu

Māca zinātnisko domāšanu un komunikāciju

Atrodi manu zodiaka zīmi

Māca zinātni par labāku miegu

Raķešu būves sastāvdaļas

Domājiet kā profesionālis

Bijušais Starptautiskās kosmosa stacijas komandieris māca jums kosmosa izpētes zinātni un nākotnes nākotni.

Raķetes ir īpaši izstrādātas, lai izturētu intensīvus svara un vilces spēkus un būtu pēc iespējas aerodinamiskākas. Tādējādi ir dažas strukturālas sistēmas, kas ir standartizējušas lielākās daļas raķešu konstrukciju. Deguna konuss, rāmis un spura ir daļa no raķetes formas skeleta, kas ir liela virsmas laukums, kas bieži būvēts no alumīnija vai titāna un tiek uzklāts ar termiskās aizsardzības slāni. Sūkņi, degviela un sprausla ir daļa no piedziņas sistēmas, kas ļauj raķetei radīt vilces spēku.

Lai kontrolētu lidojuma trajektoriju, raķetes lidojuma virzienam jābūt pielāgotam. Raķešu modeļi, piemēram, pudeļu raķetes, vai citas mazākas raķetes šauj tieši gaisā un atgriežas, kur vien vēlas. Raķetei, kas paredzēta kosmosam, nepieciešama daudz lielāka vadība un elastība: šeit rodas kardānvārpstas vilces spēks. Vadības sistēmas ietvaros kardānvārpstas leņķi ļauj izplūdes sprauslai pēc vajadzības pagriezties, novirzot smaguma centru un pārvietojot raķeti pie pareizais virziens.

Uzlabojumi raķetēs

Redaktori izvēlas

Kopš kosmosa lidojumu sākuma raķešu degvielas fundamentālajā ķīmijā ir notikušas dažas izmaiņas, taču darbos ir izstrādātas degvielu taupošākas raķetes. Lai uzlabotu to efektivitāti, raķetēm jābūt mazāk izsalkušām pēc degvielas, kas nozīmē, ka degvielai pēc iespējas ātrāk jāiziet aizmugurē, lai dotu vēlamo impulsu un sasniegtu tādu pašu vilci. Jonizētā gāze, kas tiek virzīta caur raķetes sprauslu, izmantojot magnētisko paātrinātāju, sver ievērojami mazāk nekā tradicionālā raķešu degviela. Jonizētās daļiņas ar neticami lielu ātrumu tiek izstumtas raķetes aizmugurē, kas kompensē to mazo svaru jeb masu. Jona piedziņa labi darbojas ilgstoši, ilgstoši, bet tāpēc, ka
tas rada zemāku specifisko impulsu, līdz šim tas darbojas tikai uz maziem satelītiem, kas jau atrodas orbītā, un nav pielāgots lieliem kosmosa kuģiem. Lai to izdarītu, būs nepieciešams spēcīgs enerģijas avots - varbūt kodolenerģija vai kaut kas vēl neizdomāts.

Kosmosa kuģi ir uzlabojušies, kopš mēs sākām ceļot kosmosā pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados, taču liela daļa mūsu pašreizējo tehnoloģiju ir radusies tieši no šiem pirmajiem dizainparaugiem. Intuitīvi šķiet, ka ir jēga, ka kosmosa kuģim jābūt smailam, piemēram, ātrgaitas lidmašīnai. Piecdesmitajos gados veiktie pētījumi tomēr parādīja, ka orbītas ātrumam neviens materiāls nevar būt pietiekami izturīgs, lai uzņemtu milzīgo karstumu šajā smailajā galā. Izcils inženieris, vārdā Makss Fagets, saprata, ka atgriešanās kosmosa kuģiem jābūt neasiem, lai intensīvu karstumu un spiedienu izplatītu lielā teritorijā. Viņam bija galvenā loma Merkura projektēšanā, un tādējādi piedzima kosmosa kapsula. Dzīvsudrabs un Dvīņi būtībā riņķoja ap pilotu kabīnēm ar mehāniskām sistēmām, lai uzturētu apkalpi dzīvu: gaisa spiediena regulēšana, skābekļa / CO2 apstrāde, temperatūras kontrole, kā arī pārtikas un ūdens uzglabāšana. Viņi pierādīja, ka orbītas kosmosa lidojumi ir iespējami cilvēkiem, un pavēra durvis tālākai izpētei, novedot mūs tur, kur šodien atrodamies kosmosa izpētē.