Sådan fungerer raketter med Chris Hadfield

For at få et objekt i rummet har du i det væsentlige brug for følgende: brændstof og ilt til at brænde, aerodynamiske overflader og kardanmotorer til at styre, og et eller andet sted for at de varme ting kan komme ud for at give nok fremdrift. Enkel.

Brændstof og ilt blandes og antændes inde i raketmotoren, og derefter udvides den eksploderende, brændende blanding og hælder bagsiden af ​​raketten ud for at skabe det nødvendige tryk for at drive det fremad. I modsætning til en flymotor, der opererer i atmosfæren og dermed kan tage luft ind for at kombinere med brændstof til dens forbrændingsreaktion, skal en raket være i stand til at operere i tomrummet i rummet, hvor der ikke er ilt. Derfor skal raketter ikke kun bære brændstof, men også deres egen iltforsyning. Når du ser på en raket på en affyringsrampe, er det meste af det, du ser, simpelthen drivtanke - brændstof og ilt - der er nødvendige for at komme ud i rummet.

universel sundhedspleje fordele og ulemper

Inden for atmosfæren kan aerodynamiske finner hjælpe med at styre raketten som et fly. Ud over atmosfæren er der dog intet for disse finner at skubbe mod i rumets vakuum. Så raketter bruger også kardanmotorer - motorer, der kan svinge på robotdrejninger - til at styre. Som at balancere en kost i din hånd. Et andet navn for dette er vektorkraft.

Raketter er normalt bygget i separate stablede sektioner eller stadier, et koncept udviklet af Konstantin Tsiolkovsky, en russisk matematiklærer og Robert Goddard, en amerikansk ingeniør / fysiker. Det operative princip bag raketfaser er, at vi har brug for en vis mængde tryk for at komme over atmosfæren og derefter yderligere tryk for at accelerere til en hastighed, der er hurtig nok til at forblive i kredsløb omkring Jorden (orbitale hastighed, cirka fem miles i sekundet). Det er lettere for en raket at komme til den orbitale hastighed uden at skulle bære overvægten af ​​tomme drivmiddelstanke og tidlige raketter. Så når brændstof / ilt for hvert trin i en raket er brugt op, kaster vi det stadie, og det falder tilbage til Jorden.

Den første fase bruges primært til at få rumfartøjet over det meste af luften til en højde på 150.000 fod eller mere. Den anden fase får rumfartøjet til orbitalhastighed. I tilfælde af Saturn V var der en tredje fase, som gjorde det muligt for astronauter at komme til Månen. Denne tredje fase skulle være i stand til at stoppe og starte for at etablere den rigtige bane omkring Jorden, og skub os derefter til Månen, når alt var kontrolleret et par timer senere.

Gå til sektion

• Rocket Aerodynamics: Sådan fungerer raketter
• Grundlæggende fysik af raketter
• Komponenter til raketkonstruktion
• Forbedringer i raketter
• Lær mere om Chris Hadfields MasterClass

Den tidligere chef for den internationale rumstation lærer dig videnskaben om udforskning af rummet og hvad fremtiden bringer.

Chris Hadfield

Underviser rumforskning

Rocket Aerodynamics: Sådan fungerer raketter

Selv Lunar Module - som Apollo-astronauter brugte til at komme til Månens overflade og tilbage - var en to-trins raket. Da vi startede fra Månen for at vende hjem, blev landingsfasen efterladt på overfladen.

De første raketter, der blev bygget, var engangsbrug, uden at tænke på at genbruge dem igen. Rumfærgen var det første rumfartøj, der var designet til at blive genbrugt, og det var i stand til at blive fløjet til rummet hundrede gange. Selv dens faste raketforstærkere var delvist genanvendelige - de kunne genvindes efter at være faldet i havet, bjærget, renset og gencertificeret og genopfyldt med brændstof til senere lanceringer. I dag bygger virksomheder endnu mere genanvendelige raketter; SpaceX er i stand til at starte og derefter lande den første fase af sin Falcon-raket, genvundet intakt og klar til at blive fyldt igen med flydende brændstof. Lignende teknologi bruges også af Blue Origin til deres New Shepard-raket.

Der er to hovedtyper af brændstof, der bruges til at fjerne raketter fra Jorden: fast og flydende. Solide raketter er enkle og pålidelige, ligesom et romersk lys, og når de først er antændt, er der ingen hindring for dem: de brænder, indtil de løber tør og kan ikke styres for at kontrollere tryk. Flydende raketter giver mindre rå fremdrift, men kan kontrolleres, så astronauter kan regulere hastigheden på et raketskib og endda lukke og åbne drivventilerne for at tænde og tænde raketten.

Rumfærgen brugte en kombination af faste og flydende raketter til lanceringen. De solide raketforstærkere blev kun brugt til at tage besætningen over luften; mens raketter med flydende brændstof brændte hele tiden.

Grundlæggende fysik af raketter

Den meget grundlæggende drivkraft bag raketkonstruktion er Newtons lov, der beskæftiger sig med variabel fysik. Da en raket skal være aerodynamisk, mens den kaster masse (det brændstof, som den brænder igennem), kommer Newtons tredje lov for handlinger og reaktioner i spil. Når en raket antænder, brænder brændstof igennem og går ud fra den bageste udstødning, hvilket får raketten til at accelerere og køre fremad med mere og mere hastighed. Dette forudsætter, at raketten fungerer uden trækkraft.

Der er dog en advarsel: For at flyve i rummet er du nødt til at komme igennem Jordens atmosfære og derefter accelerere, indtil du går hurtigt nok, så du med succes kan forblive i kredsløb. Den største hindring for at opnå dette er trækket forårsaget af modstand fra atmosfæren. Trækstyrke bestemmes af følgende ligning:

D = 12 ρ v 2 C D S

D = træk. Træk er en kraft, der sænker dig. Det er vigtigt at huske, at træk er en kraft. Trækstyrke skubber mod dit rumskib og - hvis det ikke er omhyggeligt tilladt i rumskibets design - kan forhindre rumskibet i at gå hurtigere eller endda rive skibet fra hinanden.

ρ = rho, tætheden - eller tykkelsen - af luften omkring dit skib.
Efterhånden som rumskibet bevæger sig væk fra Jorden og højere i atmosfæren, falder lufttætheden, og derfor trækkes per ligning. Bemærk, at tætheden af ​​atmosfæren i en given højde er variabel, da luft ekspanderer, når den opvarmes af solen - varmere luft er mindre tæt. Og husk at ude i rumets vakuum er tætheden i det væsentlige nul, så (ved ligningen) er der næsten ingen træk der.

v = hastighed eller dit rumskibs hastighed. Bemærk, at træk i ligningen er en funktion af hastighed gange hastighed eller v i kvadrat. Når hastigheden stiger, øges trækket hurtigt - dobbelt så hurtigt, fire gange træk osv. Dette er grunden til, at den berømte astronaut Chris Hadfield siger, at det er den sværeste del at flyve en raket gennem atmosfæren: på dette tidspunkt er raketens hastighed løbende stigende ned, hvor luften stadig er tyk. Når du først er over atmosfæren, kan du dog øge hastigheden uden at øge trækkraften, fordi der ikke er nogen atmosfærisk tæthed.

CD = trækkoefficienten, et kendetegn ved strømning af køretøjer og overfladeruhed.

S = tværsnitsarealet på dit rumskib. Et lavere område (tænk: tynde versus fede raketter) hjælper med at reducere træk. Implikationen er, at atmosfærisk træk er et meget større problem for rumskibe, der stadig er i atmosfæren og forsøger at forlade, end det er for et skib som den internationale rumstation, der ligger så højt over planeten, at der kun er et minutsmængde luft tæthed, der virker mod det. Derfor kan ISS være i en sådan ugudelig form, og hvorfor raketskibe skal strømlines.

Trækligningen skaber et klart mål inden for raketdesign og flyvestrategi. Ikke kun har de mest effektive raketter lavere områder, de gør også så meget af deres acceleration (stigning i hastighed til orbitalhastighed) som muligt, når de først er kommet over atmosfæren i områder med lavere lufttæthed.

MasterClass

Foreslået til dig

Online klasser undervist af verdens største sind. Udvid din viden i disse kategorier.

Underviser rumforskning

Underviser bevarelse

Underviser videnskabelig tænkning og kommunikation

Underviser videnskaben om bedre søvn

Komponenter til raketkonstruktion

Tænk som en professionel

Den tidligere chef for den internationale rumstation lærer dig videnskaben om udforskning af rummet og hvad fremtiden bringer.

Raketter er specielt designet til at modstå intense kræfter af vægt og fremdrift og for at være så aerodynamiske som muligt. Således er der et par strukturelle systemer på plads, der har standardiseret konstruktionen af ​​de fleste raketter. Næskeglen, rammen og finnen er en del af raketets skelet, som er et stort overfladeareal ofte bygget af aluminium eller titanium, der påføres med et termisk beskyttelseslag. Pumper, brændstof og dyse er en del af fremdrivningssystemet, der gør det muligt for raketten at producere fremdrift.

hvad er definitionen af ​​tredjemandsmål

For at kontrollere flyvevejen skal der være et niveau af justering over rakettens flyretning. Modelraket, som flaskeraketter eller andre mindre raketter skyder lige op i luften og kommer tilbage, hvor de vil. En raket, der er bestemt til rummet, kræver meget mere kontrol og fleksibilitet: det er her, kardanaksel kommer ind. Som en del af styresystemet tillader kardanvinklerne, at udstødningsdysen drejer efter behov, omdirigerer tyngdepunktet og flytter raketten til rigtig retning.

Forbedringer i raketter

Editorernes valg

Der har været få ændringer i den grundlæggende kemi af raketbrændstof siden starten af ​​rumflyvning, men der er design i værkerne til mere brændstofeffektive raketter. For at forbedre deres effektivitet skal raketter være mindre brændstofsultne, hvilket betyder, at brændstoffet skal komme ud bagfra så hurtigt som muligt for at give det ønskede momentum og opnå det samme skub. Ioniseret gas, der drives gennem en raketdyse ved hjælp af en magnetisk accelerator, vejer væsentligt mindre end traditionelle raketbrændstoffer. De ioniserede partikler skubbes ud af raketten med en utrolig høj hastighed, hvilket kompenserer for deres lille vægt eller masse. Ionfremdrivning fungerer godt i lang, vedvarende fremdrift, men fordi
det skaber en lavere specifik impuls, den fungerer indtil videre kun på små satellitter, der allerede er i kredsløb, og er ikke blevet opskaleret til store rumskibe. For at gøre dette vil det kræve en kraftig energikilde - måske nuklear eller noget, der endnu ikke er opfundet.

Rumskibe er forbedret, siden vi begyndte at rejse til rummet i 1960'erne, men meget af vores nuværende teknologi stammer fra de første designs. Intuitivt ser det ud til at give mening, at et rumskib skal være spids, som et højhastighedsfly. Forskning udført i 1950'erne viste imidlertid, at intet materiale for orbitalhastigheder kunne være sejt nok til at tage den enorme varme på det spidse spids. En strålende ingeniør ved navn Max Faget indså, at genindtræden af ​​rumskibe skulle være stump for at sprede den intense varme og tryk over et stort område. Han var nøglen til at designe kviksølv, og dermed blev rumkapslen født. Kviksølv og Tvilling var i det væsentlige i kredsløb om cockpits med mekaniske systemer for at holde besætningen i live: lufttrykregulering, ilt / CO2-behandling, temperaturkontrol og mad- og vandopbevaring. De beviste, at orbital rumflyvning var mulig for mennesker og åbnede døren for at udforske videre og førte os til, hvor vi er i udforskning af rummet i dag.