Jak rakety pracují s Chrisem Hadfieldem

Chcete-li dostat předmět do vesmíru, potřebujete v zásadě následující: palivo a kyslík ke spalování, aerodynamické povrchy a gimbalingové motory k řízení, a někde, aby horké věci vyšly a poskytly dostatečný tah. Jednoduchý.

Palivo a kyslík jsou smíchány a zapáleny uvnitř raketového motoru a poté explodující, hořící směs expanduje a vylévá zadní část rakety, aby vytvořila tah potřebný k jejímu posunutí vpřed. Na rozdíl od leteckého motoru, který pracuje v atmosféře, a proto může nasávat vzduch, aby se spojil s palivem pro svoji spalovací reakci, musí raketa být schopna pracovat v prázdnotě vesmíru, kde není kyslík. Rakety tedy musí nést nejen palivo, ale také vlastní zásobu kyslíku. Když se podíváte na raketu na odpalovací rampě, většinu toho, co vidíte, jsou jednoduše nádrže na pohonné hmoty - palivo a kyslík - potřebné k tomu, aby se dostali do vesmíru.

kolik uncí je v láhvi vína

V atmosféře mohou aerodynamické žebra pomoci řídit raketu jako letadlo. Kromě atmosféry však není nic, na co by se tyto ploutve mohly tlačit ve vakuu vesmíru. Rakety tedy k řízení používají také gimbalingové motory - motory, které se mohou otáčet na robotických čepech. Něco jako vyvažování koště v ruce. Jiným názvem je vektorovaný tah.

Rakety se obvykle staví v samostatných skládaných sekcích nebo fázích, což je koncept vyvinutý Konstantinem Tsiolkovským, ruským učitelem matematiky a Robertem Goddardem, americkým inženýrem / fyzikem. Princip fungování raketových stupňů spočívá v tom, že potřebujeme určitý tah, abychom se dostali nad atmosféru, a pak další tah, abychom zrychlili na dostatečně rychlou rychlost, abychom zůstali na oběžné dráze kolem Země (orbitální rychlost, asi pět mil za sekundu). Pro raketu je snazší dostat se na tuto orbitální rychlost, aniž by bylo nutné nést nadváhu prázdných palivových tanků a raket raného stadia. Když se tedy palivo / kyslík pro každý stupeň rakety vyčerpá, upustíme od tohoto stupně a spadne zpět na Zemi.

První stupeň se primárně používá k tomu, aby se kosmická loď dostala nad většinu vzduchu do výšky 150 000 stop nebo více. Druhá fáze pak dostane kosmickou loď na orbitální rychlost. V případě Saturn V došlo k třetí etapě, která umožnila astronautům dostat se na Měsíc. Tato třetí etapa musela být schopna zastavit a spustit, aby byla vytvořena správná oběžná dráha kolem Země, a poté, jakmile bylo vše zkontrolováno o několik hodin později, nás tlačit na Měsíc.

Přejít na sekci

• Aerodynamika raket: Jak fungují rakety
• Základní fyzika raket
• Součásti konstrukce raket
• Vylepšení raket
• Další informace o mistrovské třídě Chrisa Hadfielda

Bývalý velitel Mezinárodní vesmírné stanice vás naučí vědu o průzkumu vesmíru a o tom, co přinese budoucnost.

Chris Hadfield

Učí průzkum vesmíru

Aerodynamika raket: Jak fungují rakety

Dokonce i lunární modul - kterým se astronauti Apolla dostávali na povrch Měsíce a zpět - byla dvoustupňová raketa. Když jsme vypustili z Měsíce, abychom se vrátili domů, přistávací fáze zůstala na povrchu.

První rakety, které byly postaveny, byly na jedno použití, aniž by napadlo je znovu použít. Raketoplán byl první kosmickou lodí, která byla navržena k opětovnému použití, a bylo možné ji letět do vesmíru stokrát. Dokonce i její pevné raketové posilovače byly částečně znovu použitelné - mohly být po pádu do oceánu obnoveny, zachráněny, vyčištěny a znovu certifikovány a znovu naplněny palivem pro pozdější starty. Společnosti dnes staví ještě více opakovaně použitelné rakety; SpaceX je schopen vypustit a poté přistát první fázi své rakety Falcon, zotavit se neporušený a připravený k opětovnému naplnění kapalným palivem. Podobnou technologii používá Blue Origin také pro svou raketu New Shepard.

K získání raket ze Země se používají dva hlavní typy paliva: pevné a kapalné. Pevné rakety jsou jednoduché a spolehlivé, jako římská svíčka, a jakmile se zapálí, už je nelze zastavit: hoří, dokud nedojdou, a nelze je ovládat tahem. Kapalné rakety poskytují méně surového tahu, ale lze je ovládat, což umožňuje astronautům regulovat rychlost raketové lodi a dokonce zavírat a otevírat ventily pohonných hmot, aby se raketa vypínala a zapínala.

Raketoplán použil ke startu kombinaci pevných a kapalných raket. Plné raketové posilovače byly použity pouze k vynesení posádky nad vzduch; zatímco rakety na kapalná paliva celou dobu hořely.

Základní fyzika raket

Úplně základní hnací silou konstrukce rakety je Newtonův zákon, který se zabývá proměnnou fyzikou. Protože raketa musí být při odvádění hmoty (palivo, které spaluje) aerodynamická, vstupuje do hry třetí Newtonův zákon pro akce a reakce. Jak se raketa vznítí, palivo prohoří a vystoupí ze zadního výfuku, což způsobí, že raketa zrychluje a žene vpřed stále větší rychlostí. To předpokládá, že raketa pracuje bez tažné síly.

Existuje však upozornění: Abyste mohli létat ve vesmíru, musíte projít atmosférou Země a poté zrychlovat, dokud nepůjdete dostatečně rychle, abyste mohli úspěšně zůstat na oběžné dráze. Hlavní překážkou k dosažení tohoto cíle je odpor způsobený odporem z atmosféry. Tažná síla je určena následující rovnicí:

D = 12 ρ v 2 C D S

D = táhnout. Drag je síla, která vás zpomaluje. Je důležité si uvědomit, že tažení je síla. Tažná síla tlačí proti vaší kosmické lodi a - pokud to není záměrně povoleno v designu kosmické lodi - může zabránit tomu, aby kosmická loď šla rychleji, nebo dokonce roztrhla loď od sebe.

ρ = rho, hustota - nebo tloušťka - vzduchu kolem vaší lodi.
Jak se kosmická loď vznáší od Země a výš v atmosféře, hustota vzduchu klesá, a tak se podle rovnice táhne. Všimněte si, že hustota atmosféry v jakékoli dané výšce je proměnlivá, protože vzduch se rozpíná, když je ohříván sluncem - teplejší vzduch je méně hustý. A pamatujte, že ve vakuu vesmíru je hustota v podstatě nulová, takže (podle rovnice) tam prakticky není žádný odpor.

v = rychlost neboli rychlost vaší vesmírné lodi. Všimněte si, že v rovnici je tažení funkcí rychlosti času rychlosti nebo v na druhou. Jak se tedy zvyšuje rychlost, rychle se zvyšuje odpor - dvojnásobná rychlost, čtyřnásobek odporu atd. Proto známý astronaut Chris Hadfield říká, že letět raketou atmosférou je nejtěžší část: v této fázi je rychlost rakety neustále roste dolů, kde je vzduch stále hustý. Jakmile však překročíte atmosféru, můžete zvýšit rychlost, aniž byste zvýšili sílu odporu, protože zde není atmosférická hustota.

CD = součinitel odporu vzduchu, charakteristika racionalizace vozidla a drsnosti povrchu.

S = průřez vaší vesmírné lodi. Nižší oblast (myslím: hubené versus tlusté rakety) pomáhá snížit odpor. Důsledkem je, že atmosférický odpor je mnohem větší problém pro kosmické lodě, které jsou stále v atmosféře a snaží se odletět, než je tomu u lodi, jako je Mezinárodní vesmírná stanice, která je tak vysoko nad planetou, že je zde jen minutové množství vzduchu hustota působící proti tomu. Proto může mít ISS takový nemotorný tvar a proč musí být raketové lodě racionalizovány.

Tažná rovnice vytváří jasný cíl v konstrukci rakety a letové strategii. Nejúčinnější rakety mají nejen nižší oblasti, ale také co nejvíce zrychlují (zvyšují rychlost na orbitální rychlost), jakmile se dostanou nad atmosféru do oblastí s nižší hustotou vzduchu.

co je znamení zvěrokruhu října

Mistrovská třída

Navrženo pro vás

Online kurzy vyučované těmi největšími světovými mozky. Rozšiřte své znalosti v těchto kategoriích.

Učí průzkum vesmíru

Učí konzervování

Učí vědecké myšlení a komunikaci

Učí vědu o lepším spánku

Součásti konstrukce raket

Mysli jako profesionál

Bývalý velitel Mezinárodní vesmírné stanice vás naučí vědu o průzkumu vesmíru a o tom, co přinese budoucnost.

Rakety jsou speciálně navrženy tak, aby odolávaly silným silám hmotnosti a tahu a byly maximálně aerodynamické. Existuje tedy několik strukturálních systémů, které standardizovaly konstrukci většiny raket. Kužel nosu, rám a ploutev jsou součástí kostry tvaru rakety, což je velká povrchová plocha často vyrobená z hliníku nebo titanu, která je nanesena vrstvou tepelné ochrany. Čerpadla, palivo a tryska tvoří součást pohonného systému, který umožňuje raketě vytvářet tah.

Aby bylo možné ovládat dráhu letu, musí existovat úroveň nastavení ve směru letu rakety. Modelářská raketa, jako rakety s lahvemi, nebo jiné menší rakety střílí přímo do vzduchu a vracejí se, kam se jim zlíbí. Raketa určená do prostoru vyžaduje mnohem větší kontrolu a flexibilitu: právě zde přichází na kloub kardanový tah. Úhly kardanového ramene jako součást naváděcího systému umožňují otočení výfukové trysky podle potřeby, přesměrování těžiště a přemístění rakety na správný směr.

Vylepšení raket

Redakční výběr

Od začátku kosmických letů došlo v základní chemii raketového paliva k několika změnám, ale existují práce na konstrukcích energeticky úspornějších raket. Aby se zlepšila jejich účinnost, musí být rakety méně náročné na palivo, což znamená, že palivo musí co nejrychleji vyjít zezadu, aby poskytlo požadovaný impuls a dosáhlo stejného tahu. Ionizovaný plyn poháněný raketovou tryskou pomocí magnetického urychlovače váží podstatně méně než tradiční raketová paliva. Ionizované částice jsou vytlačovány ze zadní části rakety neuvěřitelně vysokou rychlostí, což kompenzuje jejich malou hmotnost nebo hmotnost. Iontový pohon funguje dobře na dlouhý, dlouhodobý pohon, ale protože
vytváří nižší specifický impuls, zatím funguje pouze na malých satelitech, které jsou již na oběžné dráze, a nebyl zvětšen pro velké kosmické lodě. K tomu bude zapotřebí silný zdroj energie - možná jaderný nebo něco, co dosud nebylo vynalezeno.

Kosmické lodě se zlepšily od doby, kdy jsme v 60. letech začali cestovat do vesmíru, ale mnoho našich současných technologií pochází z těchto prvních návrhů. Intuitivně by to dávalo smysl, že kosmická loď by měla být špičatá, jako vysokorychlostní letadlo. Výzkum provedený v padesátých letech 20. století však ukázal, že pro orbitální rychlosti nemůže být žádný materiál dostatečně tvrdý, aby unesl obrovské teplo na špičaté špičce. Brilantní inženýr jménem Max Faget si uvědomil, že vesmírné lodě pro návrat musí být tupé, aby rozložily intenzivní teplo a tlak na velkou plochu. Byl klíčem při navrhování Merkuru, a tak se zrodila vesmírná kapsle. Merkur a Blíženci v podstatě obíhali kolem kokpitů s mechanickými systémy, které udržovaly posádku naživu: regulaci tlaku vzduchu, zpracování kyslíku / CO2, regulaci teploty a skladování potravin a vody. Dokázali, že orbitální vesmírný let je pro člověka možný, a otevřeli nám dveře k dalšímu prozkoumávání a dovedli nás tam, kde jsme dnes při průzkumu vesmíru.