Hur Rockets fungerar med Chris Hadfield

För att få ett föremål i rymden behöver du i huvudsak följande: bränsle och syre att brinna, aerodynamiska ytor och kardanmotorer för att styra, och någonstans för att de heta sakerna ska komma ut för att ge tillräckligt med dragkraft. Enkel.

Bränsle och syre blandas och antänds inuti raketmotorn, och den expanderande, brinnande blandningen expanderar och häller ut raketens baksida för att skapa den kraft som behövs för att driva den framåt. I motsats till en flygmotor, som arbetar i atmosfären och därmed kan ta in luft för att kombinera med bränsle för sin förbränningsreaktion, måste en raket kunna arbeta i tomrummet i rymden, där det inte finns syre. Följaktligen måste raketer inte bara bära bränsle utan också sin egen syretillförsel. När du tittar på en raket på en startplatta är det mesta du ser helt enkelt drivmedeltankarna - bränsle och syre - som behövs för att komma till rymden.

hur man odlar en persika från en grop

Inom atmosfären kan aerodynamiska fenor hjälpa till att styra raketen, som ett flygplan. Utöver atmosfären finns det dock inget för dessa fenor att trycka mot i rymdens vakuum. Så raketer använder också kardanmotorer - motorer som kan svänga på robotar - för att styra. Som att balansera en kvast i handen. Ett annat namn för detta är vektorkraft.

Raket byggs normalt i separata staplade sektioner, eller etapper, ett koncept utvecklat av Konstantin Tsiolkovsky, en rysk matematiklärare, och Robert Goddard, en amerikansk ingenjör / fysiker. Den operativa principen bakom raketstadier är att vi behöver en viss kraft för att komma över atmosfären, och sedan ytterligare tryck för att accelerera till en hastighet som är tillräckligt snabb för att stanna i omloppsbana runt jorden (omloppshastighet, cirka fem mil per sekund). Det är lättare för en raket att komma till den omloppshastigheten utan att behöva bära övervikt av tomma drivmedelstankar och raketer i ett tidigt skede. Så när bränslet / syret för varje raketfas är förbrukat, kastar vi det steget och det faller tillbaka till jorden.

Den första etappen används främst för att få rymdfarkosten över det mesta av luften, till en höjd av 150.000 fot eller mer. Det andra steget får sedan rymdfarkosten till omloppshastighet. I fallet med Saturnus V fanns det ett tredje steg som gjorde det möjligt för astronauter att komma till månen. Det här tredje steget var tvungen att kunna stoppa och börja för att skapa rätt bana runt jorden, och sedan, när allt var kontrollerat några timmar senare, tryck oss till månen.

Hoppa till avsnitt

• Rocket Aerodynamics: Hur raketer fungerar
• Grundläggande fysik av raketer
• Komponenter av raketkonstruktion
• Förbättringar i raketer
• Läs mer om Chris Hadfields MasterClass

Den tidigare befälhavaren för den internationella rymdstationen lär dig vetenskapen om rymdutforskning och vad framtiden innebär.

Chris Hadfield

Lär rymdutforskning

Rocket Aerodynamics: Hur raketer fungerar

Till och med Lunar Module - som Apollo-astronauter använde för att komma till Månens yta och tillbaka - var en tvåstegsraket. När vi startade från månen för att återvända hem, lämnades landningssteget på ytan.

De första raketerna som byggdes var engångsbruk utan att tänka på att återanvända dem igen. Rymdfärjan var den första rymdfarkosten som var avsedd att återanvändas, och den kunde flygas till rymden hundra gånger. Till och med dess solida raketförstärkare var delvis återanvändbara - de kunde återvinnas efter att ha fallit i havet, räddats, rengjorts och certifierats och fyllts på med bränsle för senare sjösättningar. Idag bygger företag ännu mer återanvändbara raketer; SpaceX kan starta och sedan landa den första etappen av sin Falcon-raket, återhämtad intakt och redo att fyllas igen med flytande bränsle. Liknande teknik används också av Blue Origin för deras New Shepard-raket.

Det finns två huvudtyper av bränsle som används för att få raketer från jorden: fasta och flytande. Massiva raketer är enkla och tillförlitliga, som ett romerskt ljus, och när de en gång antänds är det inget som hindrar dem: de brinner tills de tar slut och kan inte strypas för att kontrollera dragkraften. Flytande raketer ger mindre rå dragkraft, men kan kontrolleras, så att astronauter kan reglera raketskeppets hastighet och till och med stänga och öppna drivmedelsventilerna för att slå av och på raketen.

Space Shuttle använde en kombination av fasta och flytande raketer för lansering. De solida raketförstärkarna användes endast för att ta besättningen över luften; medan raketer med flytande bränsle brann hela tiden.

Grundläggande fysik av raketer

Den mycket grundläggande drivkraften bakom raketkonstruktion är Newtons lag som handlar om variabel fysik. Eftersom en raket måste vara aerodynamisk när den tappar massa (bränslet som den bränner igenom) kommer Newtons tredje lag för handlingar och reaktioner att spela. När en raket tänds brinner bränsle igenom och går ut från det bakre avgaserna, vilket får raketen att accelerera och driva framåt med mer och mer hastighet. Detta förutsätter att raketen fungerar utan dragkraft.

Det finns dock en varning: För att flyga i rymden måste du komma igenom jordens atmosfär och sedan accelerera tills du går tillräckligt snabbt så att du framgångsrikt kan hålla dig i omloppsbana. Det främsta hindret för att uppnå detta är drag som orsakas av motstånd från atmosfären. Dragkraft bestäms av följande ekvation:

D = 12 ρ v 2 C D S

D = dra. Drag är en kraft som saktar ner dig. Det är viktigt att komma ihåg att drag är en kraft. Dragkraft trycker mot ditt rymdskepp och kan, om det inte är tillåtet tillåtet i rymdskeppets design, förhindra att rymdskeppet går snabbare eller till och med riva fartyget.

ρ = rho, densiteten eller tjockleken på luften runt ditt skepp.
När rymdskeppet rör sig bort från jorden och högre i atmosfären minskar lufttätheten och så, enligt ekvationen, drar det. Observera att atmosfärens densitet vid en viss höjd är variabel eftersom luft expanderar när den värms upp av solen - varmare luft är mindre tät. Och kom ihåg att ute i rymdens vakuum är densiteten i princip noll, så (genom ekvationen) finns det praktiskt taget inget drag där.

v = hastighet eller hastigheten på ditt rymdskepp. Lägg märke till att i ekvationen är drag en funktion av hastighet gånger hastighet eller v i kvadrat. När hastigheten ökar så ökar motståndet snabbt - dubbelt så snabbt, fyra gånger så långt osv. Det är därför den berömda astronauten Chris Hadfield säger att det är den svåraste delen att flyga en raket genom atmosfären: i detta skede är raketens hastighet ständigt ökar ner där luften fortfarande är tjock. När du väl är bortom atmosfären kan du dock öka hastigheten utan att öka dragkraften eftersom det inte finns någon atmosfärstäthet.

CD = dragkoefficient, ett kännetecken för fordonseffektivisering och ytjämnhet.

S = tvärsnittsarean på ditt rymdskepp. Ett lägre område (tänk: magra kontra fettraketer) hjälper till att sänka drag. Implikationen är att luftmotståndet är ett mycket större problem för rymdskepp som fortfarande är i atmosfären och försöker lämna än för ett fartyg som den internationella rymdstationen, som ligger så högt över planeten att det bara finns en liten mängd luft densitet som verkar mot det. Det är därför som ISS kan vara så otrevligt och varför raketskepp måste strömlinjeformas.

Dragekvationen skapar ett tydligt mål inom raketdesign och flygstrategi. Inte bara har de mest effektiva raketerna lägre områden, de gör också så mycket av sin acceleration (ökning av hastighet till omloppshastighet) som möjligt när de har kommit över atmosfären till områden med lägre lufttäthet.

Mästarklass

Föreslås för dig

Onlinekurser som undervisas av världens största hjärnor. Utöka din kunskap inom dessa kategorier.

Lär rymdutforskning

Undervisar bevarande

Lär vetenskapligt tänkande och kommunikation

Lär vetenskapen om bättre sömn

Komponenter av raketkonstruktion

Tänk som ett proffs

Den tidigare befälhavaren för den internationella rymdstationen lär dig vetenskapen om rymdutforskning och vad framtiden innebär.

Raket är speciellt utformade för att motstå intensiva vikt- och dragkrafter och för att vara så aerodynamiska som möjligt. Således finns det några strukturella system som har standardiserat konstruktionen av de flesta raketer. Noskonen, ramen och fenan är en del av raketets skelett, som är en stor yta som ofta är byggd av aluminium eller titan som appliceras med ett värmeskyddande lager. Pumpar, bränsle och munstycke ingår i framdrivningssystemet som gör det möjligt för raketen att producera dragkraft.

bästa grafiska equalizerinställningarna för musik

För att kunna kontrollera flygvägen måste det finnas en nivå av justering över rakets flygriktning. Modellraketer, som flaskraketer eller andra mindre raketer skjuter rakt upp i luften och kommer tillbaka ner där de vill. En raket som är avsedd för rymden kräver mycket mer kontroll och flexibilitet: det är här kardborrad dragkraft kommer in. Som en del av styrsystemet tillåter kardanvinklarna avgasmunstycket att svängas efter behov, omdirigerar tyngdpunkten och flyttar raketen till rätt riktning.

Förbättringar i raketer

Editors Pick

Det har varit få förändringar i den grundläggande kemin för raketbränsle sedan rymdflygningens början, men det finns konstruktioner för mer bränsleeffektiva raketer. För att förbättra deras effektivitet måste raketer vara mindre bränslehungra, vilket innebär att bränslet måste komma ut bakåt så fort som möjligt för att ge önskad fart och uppnå samma dragkraft. Joniserad gas, som drivs genom ett raketmunstycke med hjälp av en magnetisk accelerator, väger betydligt mindre än traditionella raketbränslen. De joniserade partiklarna skjuts ut från raketens baksida med en oerhört hög hastighet, vilket kompenserar för deras lilla vikt eller massa. Jonframdrivning fungerar bra under långvarig framdrivning, men för
det skapar en lägre specifik impuls, den fungerar hittills bara på små satelliter som redan är i omloppsbana och har inte skalats upp för stora rymdskepp. För att göra detta krävs en kraftfull energikälla - kanske kärnkraft, eller något som ännu inte uppfunnits.

Rymdskepp har förbättrats sedan vi började resa till rymden på 1960-talet, men mycket av vår nuvarande teknik härstammar från de första designen. Intuitivt verkar det vara vettigt att ett rymdskepp ska vara spetsigt, som ett höghastighetsflygplan. Forskning som gjordes på 1950-talet visade dock att för materialhastigheter kunde inget material vara tufft nog för att ta den enorma värmen på den spetsiga spetsen. En lysande ingenjör vid namn Max Faget insåg att återinträde i rymdskepp måste vara trubbiga för att sprida den intensiva värmen och trycket över ett stort område. Han var nyckeln till att utforma kvicksilver och därmed föddes rymdkapseln. Mercury och Gemini kretsade i huvudsak om cockpits med mekaniska system för att hålla besättningen vid liv: lufttrycksreglering, syre / CO2-bearbetning, temperaturkontroll och mat- och vattenlagring. De bevisade att rymdflygning i omlopp var möjlig för människor och öppnade dörren för att utforska vidare och ledde oss dit vi befinner oss i rymdutforskning idag.