Kaip veikia raketos

Kaip veikia kietojo kuro raketa

NASA per Getty Images / Getty Images

Kietojo kuro raketos apima visas senesnes fejerverkų raketas, tačiau dabar yra pažangesnių degalų, dizaino ir funkcijų su kietuoju kuru.

Kietas raketinis kuras buvo išrastos raketos prieš skystuoju kuru varomas raketas. Kietojo kuro tipas prasidėjo nuo mokslininkų Zasiadko, Constantinovo ir mokslininkų indėlio Congreve . Dabar pažangios kietojo kuro raketos plačiai naudojamos ir šiandien, įskaitant Space Shuttle dvigubo stiprintuvo variklius ir Delta serijos stiprintuvus.

Kaip veikia kietasis raketinis kuras

Paviršiaus plotas yra raketinio kuro kiekis, veikiamas vidaus degimo liepsnos, esančios tiesiogiai susijusios su trauka. Padidėjus paviršiaus plotui, padidės trauka, bet sutrumpės degimo laikas, nes raketinis kuras sunaudojamas greičiau. Optimali trauka paprastai yra pastovi, kurią galima pasiekti išlaikant pastovų paviršiaus plotą viso degimo metu.

Pastovio paviršiaus ploto grūdelių dizaino pavyzdžiai: degimas gale, vidinis ir išorinis šerdies deginimas bei vidinis žvaigždės šerdies deginimas.

Grūdų ir traukos jėgų santykiams optimizuoti naudojamos įvairios formos, nes kai kurioms raketoms gali prireikti iš pradžių didelės traukos komponento kilimui, o mažesnės traukos pakaks regresinės traukos po paleidimo reikalavimų. Sudėtingi grūdų šerdies modeliai, kontroliuojantys atvirą raketos kuro paviršiaus plotą, dažnai turi dalių, padengtų nedegiu plastiku (pvz., celiuliozės acetatu). Šis sluoksnis neleidžia vidaus degimo liepsnai užsidegti tos kuro dalies, kuri užsidega tik vėliau, kai degimas tiesiogiai pasiekia kurą.

Specifinis impulsas

Projektuojant raketą, reikia atsižvelgti į specifinį impulsą, nes tai gali būti skirtumas (sprogimas) ir sėkmingai optimizuota trauką sukurianti raketa.

Šiuolaikinės kietojo kuro raketos

Privalumai/Trūkumai

• Uždegus kietą raketą, ji sunaudos visą kurą, be jokios galimybės išjungti ar reguliuoti trauką. Mėnulio raketa „Saturn V“ panaudojo beveik 8 milijonus svarų traukos jėgą, kuri nebūtų buvusi įmanoma naudojant kietąjį raketinį kurą, kuriam reikėjo didelio specifinio impulso skystojo kuro.
• Vieno kuro raketų iš anksto sumaišyto kuro pavojus, ty kartais nitroglicerinas yra sudedamoji dalis.

Vienas iš privalumų yra kietojo kuro raketų laikymo paprastumas. Kai kurios iš šių raketų yra mažos raketos, tokios kaip Honest John ir Nike Hercules; kitos yra didelės balistinės raketos, tokios kaip Polaris, Sergeant ir Vanguard. Skystas raketinis kuras gali pasiūlyti geresnes savybes, tačiau sunku laikyti raketinį kurą ir tvarkyti skysčius, esančius netoli absoliutaus nulio (0 laipsnių). Kelvinas ) apribojo jų naudojimą, negalėdamas patenkinti griežtų reikalavimų, kuriuos kariuomenė reikalauja iš savo ugnies.

Pirmą kartą apie skystojo kuro raketas iškėlė Tsiolkozskis savo knygoje „Tarpplanetinės erdvės tyrimas reaktyviųjų prietaisų priemonėmis“, paskelbtame 1896 m. Jo idėja buvo įgyvendinta po 27 metų, kai Robertas Goddardas paleido pirmąją skystuoju kuru varomą raketą.

Skystuoju kuru varomos raketos galingosiomis raketomis Energiya SL-17 ir Saturn V nukėlė rusus ir amerikiečius gilyn į kosmoso amžių. Didelė šių raketų traukos galia leido mums pirmąsias keliones į kosmosą. „Milžiniškas žingsnis žmonijai“, įvykęs 1969 m. liepos 21 d., Armstrongui įžengus į Mėnulį, buvo įmanomas dėl 8 milijonų svarų sveriančios raketos „Saturn V“ traukos.

Kaip veikia skystasis raketinis kuras

Du metaliniai bakai atitinkamai laiko kurą ir oksidatorių. Dėl šių dviejų skysčių savybių jie paprastai kraunami į bakus prieš pat paleidimą. Atskiri bakai yra būtini, nes daugelis skystųjų degalų dega nuo sąlyčio. Nustačius paleidimo seką, atsidaro du vožtuvai, leidžiantys skysčiui tekėti vamzdynu. Jei šie vožtuvai tiesiog atsidarytų, leisdami skystajam raketiniam kurui tekėti į degimo kamerą, atsiras silpnas ir nestabilus traukos greitis, todėl naudojamas slėginių dujų tiekimas arba turbosiurblio padavimas.

Paprastesnis iš dviejų, slėginių dujų tiekimas, prideda aukšto slėgio dujų baką į varomąją sistemą. Dujos, nereaguojančios, inertiškos ir lengvos dujos (pvz., helis), yra sulaikomos ir reguliuojamos esant dideliam slėgiui vožtuvu / reguliatoriumi.

Antrasis ir dažnai pageidaujamas kuro perdavimo problemos sprendimas yra turbo siurblys. Turbo siurblys yra toks pat kaip įprastas siurblys ir aplenkia dujų slėgio sistemą, išsiurbdamas raketinį kurą ir pagreitindamas juos į degimo kamerą.

Oksidatorius ir kuras sumaišomi ir uždegami degimo kameroje ir sukuriama trauka.

Oksidatoriai ir degalai

Privalumai/Trūkumai

Deja, dėl paskutinio taško skystojo kuro raketos tampa sudėtingos ir sudėtingos. Tikras modernus skystas bivarinis variklis turi tūkstančius vamzdynų jungčių, pernešančių įvairius aušinimo, degalų tiekimo ar tepimo skysčius. Be to, įvairios papildomos dalys, tokios kaip turbosiurblys arba reguliatorius, susideda iš atskirų vamzdžių, laidų, valdymo vožtuvų, temperatūros matuoklių ir atraminių statramsčių. Atsižvelgiant į daugybę dalių, vienos integralios funkcijos gedimo tikimybė yra didelė.

Kaip minėta anksčiau, skystas deguonis yra dažniausiai naudojamas oksidatorius, tačiau jis taip pat turi savo trūkumų. Norint pasiekti skystą šio elemento būseną, turi būti pasiekta -183 laipsnių Celsijaus temperatūra – sąlygos, kuriomis deguonis lengvai išgaruoja, tik pakrovimo metu prarasdamas didelį oksidatoriaus kiekį. Azoto rūgštis, kitas galingas oksidatorius, turi 76% deguonies, yra skystos būsenos esant STP ir turi aukštą specifinė gravitacija – visi dideli privalumai. Pastarasis taškas yra matas, panašus į tankį, o jam kylant aukščiau, didėja ir raketinio kuro našumas. Tačiau azoto rūgštis yra pavojinga tvarkant (susimaišius su vandeniu susidaro stipri rūgštis), o degdama su kuru susidaro kenksmingi šalutiniai produktai, todėl jos naudojimas yra ribotas.

Senovės kinų sukurti fejerverkai yra seniausia raketų forma ir pati paprasčiausia. Iš pradžių fejerverkai buvo skirti religiniams tikslams, tačiau vėliau viduramžiais buvo pritaikyti kariniam naudojimui „liepsnojančių strėlių“ pavidalu.

Dešimtajame ir tryliktajame amžiuje mongolai ir arabai į Vakarus atnešė pagrindinį šių ankstyvųjų raketų komponentą: parakas . Nors patranka ir ginklas tapo pagrindiniais pokyčiais po parako įvedimo į rytus, taip pat atsirado raketų. Šios raketos iš esmės buvo padidinti fejerverkai, kurie toliau nei ilgasis lankas ar patranka varydavo sprogstamojo parako paketus.

Per aštuonioliktojo amžiaus pabaigos imperialistinius karus pulkininkas Congreve'as sukūrė savo garsiąsias raketas, skriejančias keturių mylių nuotolius. „Raketų raudonas blizgesys“ (Amerikos himnas) užfiksuoja raketų karo panaudojimą ankstyvoje karinės strategijos formoje per įkvepiantį mūšį McHenry fortas .

Kaip veikia fejerverkai

Saugiklis (medvilninis špagatas, padengtas paraku) uždegamas degtuku arba „panku“ (medinis pagaliukas su anglis primenančiu raudonai švytinčiu antgaliu). Šis saugiklis greitai perdega į raketos šerdį, kur uždega vidinės šerdies parako sieneles. Kaip minėta anksčiau, viena iš parako cheminių medžiagų yra kalio nitratas, svarbiausias ingredientas. Šios cheminės medžiagos KNO3 molekulinėje struktūroje yra trys deguonies (O3), vienas azoto (N) ir vienas kalio (K) atomas. Trys deguonies atomai, užfiksuoti šioje molekulėje, suteikia „orą“, kurį saugiklis ir raketa panaudojo deginant kitus du ingredientus – anglį ir sierą. Taigi kalio nitratas oksiduoja cheminę reakciją, nes lengvai išskirdamas deguonį. Tačiau ši reakcija nėra spontaniška ir ją turi sukelti karštis, pvz., degtukas ar „pankas“.