În ciuda complexității designului navei spațiale moderne, racheta este una dintre cele mai simple mașini de zbor. În inima dispozitivului ei se află principiul că fiecare acțiune dă naștere la opoziție. Racheta zboară, aruncând o anumită substanță din partea coada. În ciuda acestei simplități, rachetele au fost dezvoltate și îmbunătățite pentru mai mult de șapte sute de ani. Rachetele sunt folosite în explorarea spațiului, în armament, în operațiunile de salvare și în divertisment.
Motorul cu jet
Printre cele mai impresionante proprietati ale rachetei se numara abilitatea sa de a-si propria propria miscare chiar si in golirea completa a spatiului cosmic si de a obtine si viteze extrem de mari datorita acestei forte reactive. Cumva, racheta se împinge fără ajutorul forțelor externe și se pare că acest impuls îi poate da o accelerație arbitrară.
Desigur, de fapt, o rachetă nu se poate mișca, așa cum nu te poți ridica deasupra pământului prin șireturile încălțămintelor și accelerarea ei are o limită. În realitate, racheta primește o forță propulsivă, pornind de la propriul combustibil, iar atunci când alimentarea cu combustibil este scăzută, ea nu mai câștigă viteză. Pentru a înțelege cum o rachetă extrage puterea reactivă dintr-o rezervă de combustibil, să vedem cum funcționează a treia lege a lui Newton (cea care descrie acțiunea și reacția) în ceea ce privește rachetele.
Imaginați-vă că vă aflați pe gheață în mijlocul unui iaz înghețat și viteza și impulsul dvs. sunt zero. Soarele se încălzește, iar gheața umedă este foarte alunecoasă. Se pare că, indiferent cât de greu încerci, nu vei putea să te miști. Cum ajungi pe mal?
Și ce se întâmplă cu tine? Te îndrepți spre coasta de vest! Te muți, pentru că atunci când ai împins tenisul în est, te-a împins la vest cu aceeași forță. În acest caz, ai dat impulsul aderentului - și ea ți-a dat impulsul, dar a îndreptat direcția opusă. Impulsul nu poate să apară nicăieri și să dispară în nicăieri, ci numai redistribuit. Chiar și după ce ați abandonat pantoful, impulsul dvs. total este zero. Valoarea impulsului de strecurare este egală cu valoarea impulsului îndreptat opus.
Bineînțeles, masa dvs. este mult mai mare decât greutatea obezității, deci vă mișcați mult mai încet decât el. Impulsul este egal cu produsul masei pe viteză și cu cât este mai mare masa corpului, cu atât viteza mai mică este necesară pentru a obține același impuls. Într-un fel sau altul, ați obținut ceea ce ați dorit - vă alunecați încet spre malul vestic.
Viteza ta finală are o limită, pentru că ai reușit să-i spui unui adolescent doar un mic impuls și ai primit de asemenea un mic impuls îndreptat către cealaltă parte. Dacă ai reușit să-l arunci cu o viteză mai mare sau să lansezi o cutie întreagă de pantofi în aer, viteza ta ar fi mult mai mare și vei începe să alunți mai repede.
Cu toate acestea, hurling adidași nu este foarte eficient. Ar fi mult mai eficient să elibereze un flux rapid de gaz spre țărmul estic. Chiar și la temperatura camerei, viteza moleculelor în aer este de aproximativ 1800 km / h. Dacă gazul este încălzit la 2800 ̊С - aceasta este temperatura gazului în motorul cu rachete lichide - moleculele sale se vor mișca de trei ori mai repede. Aruncând ceva la o astfel de viteză, veți obține o cantitate destul de mare de impuls, îndreptată spre partea opusă a aruncării.
Acest proces este realizat în motorul clasic de rachete (vezi Fig.). Ca urmare a reacției chimice, combustibilul devine un gaz foarte încălzit al jetului. Energia care a existat inițial sub formă de energie chimică potențială a combustibilului și aprinzandu într-un gaz încălzit este transformată în căldură (aceasta este, în principal energia cinetică a mișcării aleatoare a moleculelor mici). Duza motorului de rachetă direcționează mișcări neregulate ale moleculelor într-o direcție, iar motorul este informat despre o forță reactivă direcționată în direcția opusă.
Imaginea moleculară a procesului într-un motor cu rachetă care funcționează pe combustibil chimic. Combustibilul arde în camera motorului și un jet de gaz jet este scos din duză. Duza transformă mișcarea termică haotică a moleculelor de gaz într-un flux ordonat, direcționat de la un motor cu rachete.
Dacă ați văzut vreodată începutul unei rachete mari, probabil ați observat duzele în formă de clopot prin care sunt aruncate gazele. Fiecare duză direcționează înapoi jetul de gaz reactiv și, în consecință, permite rachetei să extragă un impuls maxim posibil direcționat spre înaintare și să obțină viteza maximă posibilă. După cum vom vedea în capitolul 6, duza permite gazelor să transforme diferite tipuri de energie internă în energie cinetică; Duza este ideală pentru direcționarea fluxului și pentru dispersarea moleculelor. Forma optimă a duzei motorului cu rachetă este forma clepsidră. O astfel de duză se numește duza Laval în onoarea inventatorului său - suedezul Karl Gustav de Laval.
Pentru o înțelegere mai completă a motivului pentru care o duză de motor rachetă necesită o formă atât de complexă, este necesar să se studieze fizica fluxurilor de gaze a căror viteză este aproape sau mai mare decât viteza sunetului. Mai târziu, vom vorbi despre acest lucru în detaliu, dar deocamdată va fi suficient să atingem pe scurt acest subiect.
În interiorul rachetei, la intrarea în duza Laval, gazul fierbinte este puternic comprimat și sub o presiune enormă. Ca un gaz dintr-o cutie de aerosoli, un gaz fierbinte accelerează din duza în direcția zonei de presiune joasă. Strângerea duzei duce la accelerarea accelerației la o anumită limită. Cea mai îngustă parte a duzelor trece prin gaz la viteza sunetului, iar proprietățile sale încep să se schimbe drastic. Apoi duza se extinde pentru a accelera chiar și mai mult jetul de gaz reactiv supersonic. Aici, în partea expansivă a clopotului, volumul inițial mic al gazului puternic comprimat crește, iar gazul incandescent este deja pregătit pentru a ieși din duza în spațiul din jur.
Valoarea optimă (adică, oferind forța reactivă maximă) diametrul jumătății exterioare a duzei Laval depinde de condițiile exterioare. La o altitudine mică deasupra nivelului mării, jetul de gaze părăsește aerul, care este sub presiune atmosferică normală, caz în care o duză relativ îngustă este cea mai potrivită. În stratosfera și în spațiu, gazele pătrund într-un mediu rarefiat sau într-un vid, deci este necesară o duză mai largă. De regulă, designerii găsesc o soluție de compromis, astfel încât duza este potrivită pentru ambele și pentru alte condiții.
La ieșirea duzei energia punctului sursă de gaz este aproape complet transformată în energie cinetică și debitul de gaz este direcționată departe de duză. Cu toate acestea, deoarece gazul continuă să ardă chiar și după ejecția de la duza, energia sa cinetică și viteza cresc până la valori fantastice. Datorită designului jetului de gaz de eșapament de viteză jet duză Laval - adică viteza de curgere a gazului în spate, lăsând motorul rachetă - atinge valori de la 10 000 la 16 000 km / h.
Racheta aruncă jetul înapoi și îi spune impulsul înapoi. Un jet de gaz reactiv trimite racheta înainte și astfel închide procesul de transmisie a impulsului. Tot ceea ce este necesar pentru a produce o forță motrice reactivă este eliberarea reală a gazelor; Racheta nu are nevoie să fie respinsă de nici un alt corp și se zboară bine chiar și în goluri desăvârșite. "Ridicându-se" cu o forță suficientă din propria ejecție, racheta nu numai că îi compensează propria greutate, dar crește și cu accelerația. La momentul începerii navetei spațiale, împreună cu rezervorul de combustibil cântărește aproximativ 20.000.000 H, iar forța reactivă este egală cu aproximativ 30 milioane N. Acest lucru înseamnă că naveta se poate deplasa în sus de două ori mai mică decât accelerația accelerația gravitației! Pe măsură ce nava își arde combustibilul, iar greutatea și scăderea greutății sale se accelerează mai repede și mai repede.
O concepție greșită comună: acțiunea și reacția în rachete
Misconcepție: Pentru a începe mișcarea, racheta trebuie să reziste unui tip de corp străin.
De fapt: Deoarece mișcarea rachetelor implică acțiunea a două forțe egale și opuse - acțiune și reacție, racheta împinge înapoi curentul de gaz reactiv (acțiune), iar fluxul de jet împinge racheta (opoziție). Dacă jetul de gaze afectează ceva după ieșirea din duza, acest lucru nu are nimic de-a face cu mișcarea reactivă a rachetei.
Stabilizarea rachetei
În timp ce racheta diseca straturile atmosferei, este mai bine pentru ea să zboare înainte cu nasul ei. Chiar și o pasăre care zboară brusc cu coada înainte va arăta destul de proastă, dar racheta care și-a pierdut stabilitatea este de asemenea extrem de periculoasă. Pentru a menține orientarea corectă, racheta trebuie să aibă o stabilitate dinamică de rotație. Multe rachete au fost distruse de la distanță la scurt timp după lansare, deoarece și-au pierdut stabilitatea dinamică și au început să se prăbușească aleatoriu în aer.
Racheta este dinamic stabilă dacă momentul total al forțelor aplicate în raport cu centrul de masă este zero când este orientat cu nasul înainte. La orice abatere de la această poziție, trebuie să se întoarcă la ea. Orice momente de forță trebuie fie să re-implementeze racheta înainte și înapoi, fie ele trebuie să fie neglijabile.
Proiectantul de rachete trebuie să țină seama de cele două motive pentru apariția momentelor de forță. În primul rând, forța motorului. Situat în partea din spate a motorului de rachetă împinge racheta înainte, și, eventual, acest lucru poate întoarce. În cele din urmă, chiar și un cărucior obișnuit este mai ușor de direcționat în direcția corectă, dacă îl trageți din față și nu îl împingeți din spate. Pentru ca racheta să fie orientată constant cu nasul înainte, motorul trebuie să creeze o forță de tracțiune îndreptată precis spre centrul de masă, atunci momentul forței nu acționează asupra rachetei. Dacă unul dintre motoare nu este aliniat în mod exact, forța lui poate crea un moment de forță care va începe să răsucească racheta. Momentele forțelor care rezultă din deplasarea motorului - una dintre cele mai frecvente cauze ale prăbușirii rachetelor moderne. Eșecul în funcționarea motorului sau a sistemului său de comandă poate conduce la faptul că racheta va scăpa de sub control.
În al doilea rând, momentele de forțe aerodinamice pot acționa asupra rachetei în timp ce se află în atmosferă. Aerodinamica, vom studia în capitolul 6, dar deocamdată este suficient să spunem că fluxul de aer ambiant racheta ajuta racheta pentru a acoperi nas înainte, cu condiția ca rezistența aerului la porțiunea sa de coada este mai mare decât partea din față. În acest caz, forțele aerodinamice sunt aplicate la coada rachetei în spatele centrului de masă și direct botul înainte.
Stabilitatea celei mai simple rachete este asigurată exclusiv de aerodinamică. Coada rachetei contribuie la formarea forțelor aerodinamice care ține coada în spatele ei. Duzele motorului sunt, de asemenea, aliniate cu atenție, astfel încât jetul de gaz jet să nu creeze un moment de cuplu față de centrul de masă al rachetei. O astfel de rachetă zboară într-o linie dreaptă, dar este dificil de controlat.
Urechile moderne de înaltă tehnologie nu se stabilizează, ele se stabilizează datorită forțelor reactive. Aceste rachete știu să-și controleze propria orientare și să rotească duzele motorului astfel încât să corecteze traiectoria. În plus, pe cadrele acestor rachete există motoare suplimentare de direcție care creează momente de rezistență și susțin orientarea corectă a rachetei. Cele mai multe rachete de transport moderne nu au stabilizatori deloc. Stabilitatea și manevrabilitatea lor asigură în permanență monitorizarea motoarelor.
Faptul că corecția traiectoria este realizată exclusiv prin intermediul unui curent de gaz reactiv, este esențial ca atunci când nava spatiala părăsește atmosfera Pământului. În vid, în cazul în care nu apar momente forțele aerodinamice îndreptate o ambarcațiune de zbor motoare de direcție special dacă emisiile scurte jeturi de gaze reactive navă rotită în direcția dorită. Aripile și penele de coadă sunt necesare de către nava spațială doar atunci când se întorc pe Pământ, când începe să planifice în atmosferă. Pe orbită, nici aripile, nici coada, pentru că nu există aer din care să se poată arunca.
Cu toate acestea, orice comandant echipaj spațiu care se respectă vrea ca nava arata ca poate fi mai elegant - nu e mai rău decât navele spațiale, pe care le prezintă în blockbuster. Vehiculele spațioase din cinema sunt aproape întotdeauna decorate cu pene și aripi de coadă inutile în spațiul cosmic. Și când, din nou, a se vedea pe ecran un cruiser intergalactică cu aripi elegante și coadă, nu uitați că nu este mai puțin eficientă este nava spațială, cum ar fi, să zicem, un autobuz uriaș și incomode școală.
Traducere din limba engleză de către E. Valkina și Yu. Pliskina