Hvordan raketter fungerer med Chris Hadfield

For å få et objekt i verdensrommet trenger du i hovedsak følgende: drivstoff og oksygen for å brenne, aerodynamiske overflater og kardanmotorer for å styre, og et sted for at de varme tingene skal komme ut for å gi nok trykk. Enkel.

Drivstoff og oksygen blandes og antennes inne i rakettmotoren, og deretter utvides den eksploderende, brennende blandingen og helles ut baksiden av raketten for å skape den skyvekraften som trengs for å drive den fremover. I motsetning til en flymotor som opererer i atmosfæren og dermed kan ta inn luft for å kombinere med drivstoff for forbrenningsreaksjonen, trenger en rakett å kunne operere i tomheten i rommet, der det ikke er oksygen. Følgelig må raketter ikke bare bære drivstoff, men også sin egen oksygenforsyning. Når du ser på en rakett på en skyteplate, er det meste du ser ganske enkelt drivstofftankene - drivstoff og oksygen - som trengs for å komme til verdensrommet.

hvordan starte det første kapittelet i en bok

Innenfor atmosfæren kan aerodynamiske finner hjelpe til med å styre raketten, som et fly. Utover atmosfæren er det imidlertid ingenting for disse finnene å presse mot i verdens vakuum. Så raketter bruker også kardanmotorer - motorer som kan svinge på robotdreier - for å styre. Som å balansere en kost i hånden din. Et annet navn på dette er vektorkraft.

Raketter er normalt bygget i separate stablede seksjoner, eller stadier, et konsept utviklet av Konstantin Tsiolkovsky, en russisk matematikklærer, og Robert Goddard, en amerikansk ingeniør / fysiker. Det operative prinsippet bak rakettfaser er at vi trenger en viss skyvekraft for å komme over atmosfæren, og deretter ytterligere skyvekraft for å akselerere til en hastighet som er rask nok til å holde oss i bane rundt jorden (banehastighet, omtrent fem miles per sekund). Det er lettere for en rakett å komme til den banehastigheten uten å måtte bære overvekten av tomme drivstofftanker og raketter i tidlig fase. Så når drivstoffet / oksygenet for hvert raketttrinn er brukt opp, gir vi det trinnet, og det faller tilbake til jorden.

Den første fasen brukes primært for å få romfartøyet over det meste av luften, til en høyde på 150.000 fot eller mer. Den andre fasen får romfartøyet til banehastighet. I tilfelle av Saturn V var det et tredje trinn som gjorde det mulig for astronauter å komme seg til Månen. Denne tredje fasen måtte være i stand til å stoppe og starte, for å etablere den rette bane rundt jorden, og deretter, når alt var sjekket noen timer senere, skyv oss til Månen.

Gå til seksjonen

• Rocket Aerodynamics: Hvordan raketter fungerer
• Grunnleggende fysikk av raketter
• Komponenter av rakettkonstruksjon
• Forbedringer i raketter
• Lær mer om Chris Hadfields MasterClass

Den tidligere sjefen for den internasjonale romstasjonen lærer deg vitenskapen om romforskning og hva fremtiden bringer.

Chris Hadfield

Lærer romutforskning

Rocket Aerodynamics: Hvordan raketter fungerer

Selv månemodulen - som Apollo-astronauter brukte for å komme til overflaten av månen og tilbake - var en to-trinns rakett. Da vi lanserte fra Månen for å komme hjem, ble landingsfasen igjen på overflaten.

De første rakettene som ble bygget var engangsbruk, uten å tenke på å bruke dem igjen. Romfergen var det første romfartøyet som ble designet for å bli gjenbrukt, og det var i stand til å bli fløyet ut i verdensrommet hundre ganger. Selv de solide rakettforsterkerne var delvis gjenbrukbare - de kunne gjenvinnes etter å ha falt i havet, berget, renset og resertifisert og fylt på med drivstoff for senere oppskytninger. I dag bygger selskaper enda mer gjenbrukbare raketter; SpaceX er i stand til å lansere og deretter lande den første fasen av sin Falcon-rakett, gjenvunnet intakt og klar til å bli fylt igjen med flytende drivstoff. Lignende teknologi brukes også av Blue Origin til deres New Shepard-rakett.

Det er to hovedtyper drivstoff som brukes for å få raketter fra jorden: faste og flytende. Solide raketter er enkle og pålitelige, som et romersk stearinlys, og en gang antent er det ikke noe å stoppe dem: de brenner til de løper ut, og kan ikke strykes for å kontrollere trykk. Flytende raketter gir mindre rå skyvekraft, men kan kontrolleres, slik at astronauter kan regulere hastigheten til et rakettskip, og til og med lukke og åpne drivmiddelventilene for å slå raketten av og på.

Romfergen brukte en kombinasjon av faste og flytende raketter til sjøsetting. De solide rakettforsterkerne ble bare brukt til å ta mannskapet over lufta; mens rakettene med flytende drivstoff brant hele tiden.

Grunnleggende fysikk av raketter

Den helt grunnleggende drivkraften bak rakettkonstruksjon er Newtons lov som omhandler variabel fysikk. Siden en rakett må være aerodynamisk mens den kaster masse (drivstoffet som den brenner gjennom), kommer Newtons tredje lov for handlinger og reaksjoner inn. Når en rakett antennes, brenner drivstoff gjennom og går ut fra den bakre eksosen, noe som får raketten til å akselerere og skyve fremover med mer og mer hastighet. Dette forutsetter at raketten opererer uten dragkraft.

Imidlertid er det en advarsel: For å fly i verdensrommet, må du komme deg gjennom jordens atmosfære, og deretter akselerere til du går raskt nok slik at du kan holde deg i bane. Hovedhindringen for å oppnå dette er luftmotstanden forårsaket av motstand fra atmosfæren. Dragkraft bestemmes av følgende ligning:

D = 12 ρ v 2 C D S

D = dra. Drag er en kraft som bremser deg. Det er viktig å huske at drag er en kraft. Dragkraft skyver mot romskipet ditt og - hvis det ikke er omtenksomt tillatt i romskipets design - kan forhindre at romskipet går raskere, eller til og med rive skipet fra hverandre.

ρ = rho, tettheten — eller tykkelsen — av luften rundt skipet ditt.
Når romskipet beveger seg vekk fra jorden og høyere i atmosfæren, reduseres lufttettheten, og i henhold til ligningen trekker den. Vær oppmerksom på at tettheten til atmosfæren i en gitt høyde er variabel siden luft utvides når den varmes opp av solen - varmere luft er mindre tett. Og husk at ute i romvakuumet er tettheten i det vesentlige null, så (ved ligningen) er det praktisk talt ingen drag der.

v = hastighet, eller hastigheten til romskipet ditt. Legg merke til at i ligningen er drag en funksjon av hastighet ganger hastighet, eller v i kvadrat. Når hastigheten øker, øker motstanden raskt - doble hastigheten, fire ganger luftmengden osv. Dette er grunnen til at den berømte astronauten Chris Hadfield sier at å fly en rakett gjennom atmosfæren er den vanskeligste delen: på dette stadiet er rakettens hastighet kontinuerlig økende ned der luften fortsatt er tykk. Når du først er utenfor atmosfæren, kan du øke hastigheten uten å øke drastyrken fordi det ikke er atmosfærisk tetthet.

CD = luftmotstandskoeffisienten, en karakteristikk av effektivisering av kjøretøyet og overflateruhet.

S = tverrsnittsarealet til romskipet ditt. Et lavere område (tenk: magre mot fettraketter) hjelper til med å redusere luftmotstanden. Implikasjonen er at atmosfærisk luftmotstand er et mye større problem for romskip som fremdeles er i atmosfæren og prøver å dra enn for et skip som den internasjonale romstasjonen, som er så høyt over planeten at det bare er et lite luftmengde. tetthet som virker mot det. Det er derfor ISS kan ha en slik skjev form, og hvorfor rakettskip må strømlinjeformes.

Dragligningen skaper et klart mål innen rakettdesign og flystrategi. Ikke bare har de mest effektive rakettene lavere områder, de gjør også så mye av sin akselerasjon (økning i hastighet til banehastighet) som mulig når de har kommet seg over atmosfæren til områder med lavere lufttetthet.

MasterClass

Foreslått for deg

Nettkurs undervist av verdens største sinn. Utvid din kunnskap i disse kategoriene.

Lærer romutforskning

Lærer i bevaring

Underviser vitenskapelig tenking og kommunikasjon

Lærer vitenskapen om bedre søvn

Komponenter av rakettkonstruksjon

Tenk som en proff

Den tidligere sjefen for den internasjonale romstasjonen lærer deg vitenskapen om romforskning og hva fremtiden bringer.

Raketter er spesielt designet for å motstå intense vekt- og skyvekrefter, og for å være så aerodynamiske som mulig. Dermed er det noen få strukturelle systemer på plass som har standardisert konstruksjonen av de fleste raketter. Nesekeglen, rammen og finnen er en del av skjelettet til rakettens form, som er et stort overflateareal ofte bygget av aluminium eller titan som påføres med et termisk beskyttelseslag. Pumpene, drivstoffet og dysen inngår i fremdriftssystemet som gjør at raketten kan produsere skyvekraft.

hva kan jeg plante ved siden av tomater

For å kontrollere flyveien må det være et nivå av justering over rakettens flyretning. Modellrakett, som flaskeraketter, eller andre mindre raketter skyter rett opp i luften og kommer ned igjen der de vil. En rakett beregnet på plass krever mye mer kontroll og fleksibilitet: det er her kardanaksel kommer inn. Som en del av styresystemet tillater kardanvinklene eksosdysen å svinge etter behov, og omdirigerer tyngdepunktet og plasserer raketten til riktig retning.

Forbedringer i raketter

Redaktører Pick

Det har vært få endringer i den grunnleggende kjemien til rakettdrivstoff siden begynnelsen av romfart, men det er design i verk for mer drivstoffeffektive raketter. For å forbedre effektiviteten, må raketter være mindre drivstoff-sultne, noe som betyr at drivstoffet må komme ut bak så raskt som mulig for å gi ønsket momentum og oppnå samme skyvekraft. Ionisert gass, drevet gjennom en rakettdyse ved hjelp av en magnetisk akselerator, veier vesentlig mindre enn tradisjonelle rakettdrivstoff. De ioniserte partiklene skyves ut på baksiden av raketten med en utrolig høy hastighet, noe som kompenserer for deres lille vekt eller masse. Ionfremdrift fungerer bra for langvarig fremdrift, men fordi
det skaper en lavere spesifikk impuls, den fungerer så langt bare på små satellitter som allerede er i bane og har ikke blitt oppskalert for store romskip. For å gjøre dette vil det kreve en kraftig energikilde - kanskje kjernefysisk, eller noe som ennå ikke er oppfunnet.

Romskip har blitt bedre siden vi begynte å reise til verdensrommet på 1960-tallet, men mye av vår nåværende teknologi stammer fra de første designene. Intuitivt ser det ut til å være fornuftig at et romskip skal være spiss, som et høyhastighetsfly. Forskning utført på 1950-tallet viste imidlertid at for materiale i banehastighet kunne ikke noe materiale være tøft nok til å ta den enorme varmen på det spisse spissen. En strålende ingeniør ved navn Max Faget innså at re-entre romskip må være sløv, for å spre den intense varmen og trykket over et stort område. Han var nøkkelen til å designe Merkur, og dermed ble romkapslen født. Kvikksølv og Gemini var i hovedsak i bane rundt cockpits med mekaniske systemer for å holde mannskapet i live: lufttrykkregulering, oksygen / CO2-prosessering, temperaturkontroll og mat- og vannlagring. De beviste at romfart i bane var mulig for mennesker og åpnet døren for å utforske videre, og førte oss dit vi er i romforskning i dag.