איך עובדים רקטות עם כריס הדפילד

כדי להשיג חפץ לחלל, אתה בעצם צריך את הדברים הבאים: דלק וחמצן כדי לשרוף, משטחים אווירודינמיים ומנועי גימבלינג כדי לנתב, ובאיזשהו מקום שהדברים החמים ייצאו כדי לספק מספיק דחף. פָּשׁוּט.

דלק וחמצן מעורבבים ומודלקים בתוך מנוע הרקטה, ואז התערובת המתפוצצת והבוערת מתרחבת ושופכת את החלק האחורי של הרקטה כדי ליצור את הדחף הדרוש להנעתה קדימה. בניגוד למנוע טיס, הפועל באטמוספירה ובכך יכול לקחת אוויר לשילוב עם דלק לתגובת הבעירה שלו, רקטה צריכה להיות מסוגלת לפעול בריקנות החלל, שם אין חמצן. בהתאם לכך, רקטות צריכות לשאת לא רק דלק, אלא גם אספקת חמצן משלהן. כשאתה מסתכל על רקטה על משטח שיגור, רוב מה שאתה רואה זה פשוט מיכלי הדלק - דלק וחמצן - הדרושים כדי להגיע לחלל.

איך לגדל אפונת סוכר

בתוך האטמוספירה, סנפירים אווירודינמיים יכולים לעזור בהנחיית הרקטה, כמו מטוס. אבל מעבר לאווירה, אין שום דבר עבור אותם סנפירים לדחוף כנגד הוואקום של החלל. אז רקטות משתמשות גם במנועי גימבלינג - מנועים שיכולים להתנודד על צירים רובוטיים - כדי לנווט. בערך כמו לאזן מטאטא ביד שלך. שם נוסף לכך הוא דחף וקטורי.

רקטות בנויות בדרך כלל בקטעים מוערמים, או בשלבים נפרדים, מושג שפותח על ידי קונסטנטין ציולקובסקי, מורה לרוסיקה למתמטיקה, ורוברט גודארד, מהנדס / פיזיקאי אמריקאי. העיקרון האופרטיבי שמאחורי שלבי הרקטות הוא שאנחנו צריכים כמות מסוימת של דחף כדי להגיע מעל האטמוספירה, ואז דחף נוסף כדי להאיץ למהירות מהירה מספיק כדי להישאר במסלול סביב כדור הארץ (מהירות מסלולית, כחמישה מייל לשנייה). קל יותר לרקטה להגיע למהירות מסלולית זו מבלי לשאת את המשקל העודף של מיכלי דלק ריקים ורקטות בשלב מוקדם. לכן כאשר הדלק / החמצן לכל שלב ברקטה מנוצל, אנו מרימים את השלב הזה, והוא נופל חזרה לכדור הארץ.

בשלב הראשון משתמשים בעיקר בכדי להעלות את החללית מעל רוב האוויר, לגובה של 150,000 רגל ומעלה. השלב השני ואז מביא את החללית למהירות מסלולית. במקרה של שבתאי החמישי, היה שלב שלישי, שאיפשר לאסטרונאוטים להגיע לירח. שלב שלישי זה היה צריך להיות מסוגל לעצור ולהתחיל, בכדי לבסס את המסלול הנכון סביב כדור הארץ, ואז, ברגע שהכל נבדק כעבור כמה שעות, דחף אותנו לירח.

קפיצה לחלק

• אווירודינמיקה של טילים: איך רקטות עובדות
• פיזיקה בסיסית של רקטות
• רכיבי בניית רקטות
• שיפורים ברקטות
• למידע נוסף על MasterClass של כריס הדפילד

המפקד לשעבר של תחנת החלל הבינלאומית מלמד אותך את מדע חקר החלל ומה צופן העתיד.

כריס הדפילד

מלמד חקר החלל

אווירודינמיקה של טילים: איך רקטות עובדות

אפילו מודול הירח - בו השתמשו אסטרונאוטים של אפולו כדי להגיע אל פני הירח ובחזרה - היה רקטה דו-שלבית. כששגרנו מהירח לחזור הביתה, שלב הנחיתה הושאר על פני השטח.

הרקטות הראשונות שנבנו היו לשימוש חד פעמי, ללא מחשבה לעשות בהן שימוש חוזר. מעבורת החלל הייתה החללית הראשונה שתוכננה לשימוש חוזר, והיא הייתה מסוגלת להטיס לחלל מאה פעמים. אפילו מאיצי הרקטות המוצקים שלה היו ניתנים לשימוש חוזר חלקית - ניתן היה לשחזר לאחר שנפלו לאוקיאנוס, להצילם, לנקותם ולאשרם מחדש ולמלא אותם בדלק לשיגור מאוחר יותר. כיום חברות בונות רקטות לשימוש חוזר עוד יותר; SpaceX מסוגלת לשגר ואז לנחות את השלב הראשון של רקטת הפלקון שלה, שהוחלמה בשלמותה ומוכנה למילוי שוב בדלק נוזלי. טכנולוגיה דומה משמשת גם את Blue Origin לטיל Shepard החדש שלהם.

ישנם שני סוגים עיקריים של דלק המשמשים להוצאת רקטות מכדור הארץ: מוצקים ונוזלים. רקטות מוצקות הן פשוטות ואמינות, כמו נר רומאי, וברגע שהן נדלקות אין שום מניעה: הן נשרפות עד שנגמרו, ולא ניתן למצער אותן כדי לשלוט על הדחף. רקטות נוזליות מספקות פחות דחף גולמי, אך ניתן לשלוט בהן, מה שמאפשר לאסטרונאוטים לווסת את מהירות ספינת הרקטות, ואפילו לסגור ולפתוח את שסתומי ההנעה כדי לכבות ולהדליק את הרקטה.

מעבורת החלל השתמשה בשילוב של רקטות מוצקות ונוזלות לשיגור. מאיצי הרקטות המוצקים שימשו רק להעלאת הצוות מעל האוויר; ואילו רקטות הדלק הנוזלי נשרפו כל הזמן.

פיזיקה בסיסית של רקטות

הכוח המניע הבסיסי מאוד מאחורי בניית רקטות הוא חוק ניוטון העוסק בפיזיקה משתנה. מכיוון שרקטה חייבת להיות אווירודינמית בזמן שהיא משילה מסה (הדלק שהיא נשרפת דרכה), החוק השלישי של ניוטון לפעולות ותגובות נכנס לתמונה. כאשר רקטה מתלקחת, דלק נשרף ויוצא מהפליטה האחורית, מה שגורם לרקטה להאיץ ולהניע קדימה במהירות רבה יותר ויותר. זה מניח שהרקטה פועלת ללא כוח גרירה.

עם זאת, יש אזהרה: כדי לטוס בחלל, אתה צריך לעבור את האטמוספירה של כדור הארץ, ואז להאיץ עד שאתה הולך מספיק מהר כדי שתוכל להישאר במסלול. המכשול העיקרי להשיג זאת הוא הגרר שנגרם עקב התנגדות מהאווירה. כוח הגרירה נקבע על ידי המשוואה הבאה:

D = 12 ρ v 2 C D S

D = גרור. גרירה היא כוח שמאט אותך. חשוב לזכור שגרור הוא כוח. כוח גרירה דוחף כנגד ספינת החלל שלך ואם לא מותר בזהירות בתכנון החללית - יכול למנוע מהחללית להתקדם מהר יותר, או אפילו לקרוע את הספינה.

ρ = rho, צפיפות - או עובי - האוויר סביב הספינה שלך.
ככל שחללית מתרחקת מכדור הארץ ומעלה באטמוספירה, צפיפות האוויר פוחתת וכך, לפי המשוואה, גורר. שימו לב כי צפיפות האטמוספירה בכל גובה נתון משתנה מכיוון שהאוויר מתרחב כשהוא מחומם על ידי השמש - אוויר חם פחות צפוף. וזכור כי בחלל החלל של החלל הצפיפות היא בעצם אפסית, ולכן (לפי המשוואה) אין כמעט גרירה לשם.

v = מהירות, או מהירות החללית שלך. שימו לב שבמשוואה, גרור הוא פונקציה של מהירות כפול מהירות, או v בריבוע. לכן ככל שהמהירות עולה, הגרירה עולה במהירות - פי שניים מהמהירות, פי ארבעה הגרירה וכו '. זו הסיבה שהאסטרונאוט המפורסם כריס הדפילד אומר שהטסת רקטה באטמוספירה היא החלק הקשה ביותר: בשלב זה מהירות הרקטה היא גדל ללא הרף למטה במקום בו האוויר עדיין סמיך. ברגע שאתה מעבר לאטמוספרה, אתה יכול להגדיל את המהירות מבלי להגדיל את כוח הגרר מכיוון שאין צפיפות אטמוספרית.

CD = מקדם הגרר, מאפיין של התייעלות הרכב וחספוס פני השטח.

S = שטח החתך של החללית שלך. אזור נמוך יותר (תחשוב: רקטות רזות לעומת שומן) מסייע בהורדת גרר. המשמעות היא שגרירה אטמוספרית היא בעיה הרבה יותר גדולה עבור ספינות חלל שנמצאות עדיין באטמוספירה ומנסות לעזוב מאשר לספינה כמו תחנת החלל הבינלאומית, שנמצאת כל כך גבוה מעל הפלנטה שיש רק כמות אוויר קטנה צפיפות הפועלת נגדו. זו הסיבה שה- ISS יכול להיות בצורה כזו רע, ובגלל זה צריך לייעל ספינות רקטות.

משוואת הגרר יוצרת מטרה ברורה בתכנון רקטות ובאסטרטגיית טיסה. לא רק שלרקטות היעילות ביותר יש אזורים נמוכים יותר, הם גם עושים כמה שיותר מההאצה שלהם (עליית המהירות למהירות מסלולית) ברגע שהם עלו מעל האטמוספירה לאזורים בעלי צפיפות אוויר נמוכה יותר.

מאסטרקלס

מוצע עבורך

שיעורים מקוונים שמועברים על ידי גדולי המוחות בעולם. הרחב את הידע שלך בקטגוריות אלה.

מלמד חקר החלל

איזה מזל הוא 19 בספטמבר

מלמדת לשימור

מלמד חשיבה מדעית ותקשורת

מלמד את מדע השינה הטובה יותר

רכיבי בניית רקטות

תחשוב כמו מקצוען

המפקד לשעבר של תחנת החלל הבינלאומית מלמד אותך את מדע חקר החלל ומה צופן העתיד.

רקטות תוכננו במיוחד כדי לעמוד בכוחות אינטנסיביים של משקל ודחף, וכדי שיהיו אווירודינמיים ככל האפשר. לפיכך, קיימות כמה מערכות מבניות שתקנו את בנייתן של מרבית הרקטות. חרוט האף, המסגרת והסנפיר הם חלק משלד צורת הרקטה, שהוא שטח פנים גדול הבנוי לעיתים קרובות מאלומיניום או טיטניום המונח עם שכבת הגנה תרמית. המשאבות, הדלק והנחיר מהווים חלק ממערכת ההנעה המאפשרת לטיל לייצר דחף.

על מנת לשלוט על נתיב הטיסה, צריכה להיות רמת התאמה על כיוון הטיסה של הרקטה. טילים מודליים, כמו רקטות בקבוקים, או רקטות קטנות אחרות יורים ישר באוויר וחוזרים למטה איפה שבא להם. רקטה המיועדת לחלל דורשת הרבה יותר שליטה וגמישות: כאן נכנסת דחף גימבלי. כחלק ממערכת ההנחיה, זוויות הגימבל מאפשרות לזרבובית הפליטה להסתובב לפי הצורך, להפנות את מרכז הכובד ולמקם את הרקטה מחדש אל הרקטה. כיוון נכון.

שיפורים ברקטות

בחירת העורך

לא היו שינויים מעטים בכימיה הבסיסית של דלק רקטות מאז תחילת טיסת החלל, אך ישנן עבודות של רקטות חסכוניות יותר בדלק. על מנת לשפר את יעילותן, הרקטות צריכות להיות פחות רעבות לדלק, מה שאומר שהדלק צריך לצאת מאחור מהר ככל האפשר בכדי לתת את המומנטום הרצוי ולהשיג את אותו דחף. גז מיונן, המונע דרך זרבובית טיל באמצעות מאיץ מגנטי, שוקל פחות מדלקי רקטות מסורתיים. החלקיקים המיוננים נדחקים מהחלק האחורי של הרקטה במהירות גבוהה להפליא, מה שמפצה על משקלם הקטן או המסה שלהם. הנעה של יון עובדת היטב בהנעה מתמשכת ארוכה, אלא בגלל
זה יוצר דחף ספציפי נמוך יותר, עד כה הוא עובד רק על לוויינים קטנים שכבר נמצאים במסלול ולא הוגדל עבור ספינות חלל גדולות. לשם כך נדרש מקור אנרגיה רב עוצמה - אולי גרעיני, או משהו שטרם הומצא.

החלליות השתפרו מאז שהתחלנו לנסוע לחלל בשנות השישים, אך הרבה מהטכנולוגיה הנוכחית שלנו מקורם בעיצובים הראשונים האלה. באופן אינטואיטיבי נראה שזה הגיוני כי חללית צריכה להיות מחודדת, כמו מטוס מהיר. מחקרים שנעשו בשנות החמישים, לעומת זאת, הראו כי למהירות מסלולית, שום חומר לא יכול להיות קשוח מספיק כדי לקחת את החום העצום בקצה המחודד ההוא. מהנדס מבריק בשם מקס פגט הבין כי ספינות חלל חוזרות צריכות להיות בוטות, כדי להפיץ את החום והלחץ העז על שטח גדול. הוא היה המפתח בעיצוב מרקורי, וכך נולדה כמוסת החלל. כספית ותאומים עברו למעשה תא טייסים עם מערכות מכניות כדי לשמור על הצוות בחיים: ויסות לחץ אוויר, עיבוד חמצן / CO2, בקרת טמפרטורה ואחסון מזון ומים. הם הוכיחו כי טיסת חלל מסלולית אפשרית לבני אדם ופתחו את הדלת לבדיקה נוספת, והובילו אותנו למקום בו אנו נמצאים בחקר החלל כיום.