Ten język jest tłumaczony maszynowo i nie został zweryfikowany przez człowieka.

Kosmos · Artykuł

Jak działają rakiety: systemy napędu i technologia startu wyjaśnione

Opublikowano:

JSC2006-E-40672 (18 Sept. 2006) --- The Soyuz TMA-9 spacecraft launches from the Baikonur Cosmodrome in Kazakhstan Sept. 18, 2006 carrying a new crew to the International Space Station . The Soyuz lifted off at 10:09 a.m. Baikonur time with astronaut Michael E. Lopez-Alegria, Exp
Obraz: Bill Ingalls · Public domain · Wikimedia Commons

W skrócie

Rakiety lecą, wyrzucając masę z dyszy na dużą prędkość, co popycha pojazd w przeciwnym kierunku zgodnie z trzecim prawem Newtona — powietrze do odpychania się nie jest potrzebne. Pojazdy startujące z Ziemi używają głównie napędu chemicznego (ciekłego, stałego lub hybrydowego), zbudowanego w etapach, które są odrzucane w miarę ich spalania, podczas gdy statki kosmiczne już w kosmosie często przechodzą na niskomocny napęd elektryczny (jonowy) dla efektywności.

Ta wersja jest tłumaczeniem maszynowym oryginału (English). Przeczytaj oryginał

Każdy start orbitalny, od wynoszenia załogi przez Falcon 9 do testowych lotów Starship, opiera się na tej samej podstawowej fizyce najpierw opisanej przez Isaaca Newtona: na każde działanie jest równe i przeciwne działanie zwrotne. Silnik rakiety spala paliwo i wypuszcza powstały gorący gaz z dyszy na dużej prędkości; gaz popycha rakietę w przeciwnym kierunku. Według Centrum Badań Glenn'a NASA, ta para działania i reakcji istnieje między rakietą a jej własnymi spalinami, dlatego rakiety działają w próżni kosmicznej i nie potrzebują powietrza ani żadnego innego medium do odpychania się.

Fizyka: ciąg i impuls właściwy

Inżynierowie opisują wydajność silnika dwoma liczbami: ciągiem i impulsem właściwym. Ciąg to siła wytwarzana, napędzana głównie tym, ile masy wychodzi z dyszy i jak szybko się wylatuje. Impuls właściwy (Isp), mierzony w sekundach, opisuje, jak efektywnie silnik przekształca paliwo w ciąg — NASA Glenn definiuje go jako ciąg podzielony przez masowy przepływ paliwa, więc silnik o wyższym Isp wytwarza więcej ciągu z tej samej ilości paliwa lub wymaga mniej paliwa na ten sam ciąg.

Ta pojedyncza liczba pozwala inżynierom wielkościować silnik i porównywać bardzo różne systemy napędu na równych zasadach, dlatego Isp pojawia się stale w kartach specyfikacji rakiet.

Napęd chemiczny: ciekły, stały i hybrydowy

Prawie wszystkie pojazdy opuszczające powierzchnię Ziemi używają napędu chemicznego, gdzie paliwo i utleniacz reagują, aby wytworzyć gorący, rozszerzający się gaz. Istnieją trzy główne konfiguracje. Silniki na paliwo ciekłe przechowują paliwo i utleniacz oddzielnie i pompują je do komory spalania, co pozwala silnikowi na zmianę mocy, wyłączanie i ponowne uruchamianie — elastyczność wykorzystywana przez dostawców startów zarówno rządowych, jak i komercyjnych. Silniki na paliwo stałe mieszają paliwo i utleniacz w jeden stały ładunek spakowany w obudowę rakiety; są konstruktywnie proste i niedrogie, ale po zapaleniu spalają się aż do wyczerpania się paliwa. Systemy hybrydowe łączą paliwo stałe z utleniaczem ciekłym lub gazowym, zajmując miejsce pośrodku między dwoma podejściami.

Silnik Raptor firmy SpaceX, używany w pojazdy Starship i Super Heavy, ilustruje nowsze podejście w napędzie ciekłym: projekt 'pełnego przepływu spalania etapowego', w którym całe paliwo i cały utleniacz przechodzą przez dwa odrębne wstępne spalania przed dotarciem do głównej komory spalania, według źródła lotniczego Everyday Astronaut. Raptor spala ciekły metan z ciekłym tlenem — kombinację, którą SpaceX wybrała po części dlatego, że metan spala się bez pozostawienia osadów sadzy, które komplikują ponowne użycie silników opalanych kerazyną, i po części dlatego, że metan w zasadzie może być wytwarzany na Marsie z lokalnych zasobów. Źródło donosi, że Raptor wytwarza około 2 meganewtonów ciągu z impulsem właściwym w próżni około 330 do 350 sekund.

Dlaczego pojazdy startowe są budowane w etapach

Osiągnięcie orbity z powierzchni Ziemi wymaga osiągnięcia wysokości powyżej około 150 kilometrów przy podróżowaniu z prędkością powyżej 7,9 kilometrów na sekundę, według przewodnika producenta rakiet Europejskiej Agencji Kosmicznej. Pojedyncza konstrukcja silnika rzadko robi to efektywnie przez cały lot, więc większość rakiet orbitalnych jest podzielona na etapy, które są odrzucane po wyczerpaniu się ich paliwa, pozbawiając się martwego ciężaru, aby pozostałe etapy mogły łatwiej przyspieszać lżejszy pojazd.

Opis ESA typowego lotu klasy Ariane pokazuje, jak to działa w praktyce: dopalacze i główny etap pracują razem przez pierwsze około dwie minuty wznoszenia pionowego, główny etap kontynuuje spalanie przez około dwanaście minut, podczas gdy dopalacze już się oddzieliły i wpadły do morza w pobliżu 60 kilometrów wysokości, a górny etap następnie pracuje przez ostatni okres, osiągając szczytową prędkość misji około 8 kilometrów na sekundę przed uwolnieniem ładunku. Po zakończeniu swojej pracy zużyty górny etap jest zwykle przenoszony na orbitę cmentarza, aby nie stanowił zagrożenia kolizji dla aktywnych satelitów.

Poza startem: napęd elektryczny i jonowy

Kiedy statek kosmiczny już znajduje się na orbicie lub w głębokim kosmosie, napęd chemiczny nie zawsze jest najskuteczniejszym wyborem do długich podróży. Wiele sond zamiast tego używa napędu elektrycznego, które jonizuje paliwo — zwykle gaz ksenon — i przyspieszają wynikające z tego naładowane cząstki z silnika, używając pól elektrycznych zasilanych panelami słonecznymi. Laboratorium Napędu Reaktywnego NASA opisuje ciąg z tych systemów jako niezwykle łagodny: w przypadku misji Psyche w pasie asteroidów, ciśnienie wytwarzane przez jego silniki jonowe jest porównywalne do trzymania kilku monet w dłoni, nawet przy pełnej mocy.

Ten nieznaczny ciąg nie wystarczy do podniesienia czegokolwiek z Ziemi, ale w pozbawionej tarcia środowisku kosmicznym może być stosowany nieprzerwanie przez miesiące, powoli budując prędkość. JPL donosi, że solarno-elektryczne silniki Psyche już rozpędzily statek do około 84 000 mil na godzinę i ostatecznie doprowadzą go do około 124 000 mil na godzinę — ilustrując, dlaczego napęd jonowy jest zarezerwowany do stopniowego podróżowania w kosmosie na sondach takich jak Psyche, a nie do startu, gdzie silniki chemiczne wymagają znacznie większego ciągu, aby przezwyciężyć grawitację i opór atmosfery w ciągu kilku minut.

Główne typy napędu na jednym spojrzeniu
TypTypowe paliwoKluczowa cechaGłówne zastosowanie
Chemiczny ciekłynp. metan/LOX (Raptor), kerozyna lub wodór z ciekłym tlenemRegulowany, możliwy do ponownego uruchomienia, może być wyłączony lub ponownie zapalony, zgodnie z opisami NASA Glenn i ESAEtapy pojazdu startowego
Chemiczny stałyPaliwo i utleniacz wcześniej wymieszane w stały ładunekKonstruktywnie prosty; spala się aż do wyczerpania się paliwa, zgodnie z NASA GlennDopalacze, mniejsze rakiety
Chemiczny hybrydowyPaliwo stałe z utleniaczem ciekłym/gazowymŁączy cechy systemów ciekłych i stałychPojazdy niszowe i eksperymentalne
Elektryczny (jonowy/halowy)Gaz ksenon, jonizowany i przyspieszany elektrycznieBardzo niski ciąg, bardzo wysoka efektywność, zgodnie z opisem misji Psyche JPLPodróż w kosmosie na sondach

Pytania

Jak rakiety działają w próżni kosmicznej, jeśli nie ma powietrza do odpychania?
Rakiety nie odpychają się od powietrza; działają poprzez trzecie prawo Newtona, gdzie wypuszczenie spalin z dyszy w jednym kierunku popycha samą rakietę w kierunku przeciwnym, reakcja, którą Centrum Badań Glenn'a NASA zauważa, działa równie dobrze w próżni.
Co to jest impuls właściwy i dlaczego to ważne?
Impuls właściwy (Isp), mierzony w sekundach, to ciąg podzielony przez masowy przepływ paliwa; według NASA Glenn, silnik o wyższym Isp wytwarza więcej ciągu z tej samej masy paliwa, co czyni go kluczową miarą efektywności używaną do porównywania silników.
Dlaczego rakiety potrzebują wielu etapów zamiast jednego silnika?
Osiągnięcie orbity wymaga przekroczenia około 7,9 km/s na wysokości powyżej 150 km, zgodnie z Europejską Agencją Kosmiczną; podzielenie pojazdu na etapy pozwala na odrzucenie zużytego, teraz bezużytecznego sprzętu w połowie lotu, aby pozostałe etapy nie musiały przyspieszać martwego ciężaru.
Dlaczego SpaceX używa metanu zamiast tradycyjnego paliwa rakietowego?
Zgodnie z analizą Everyday Astronaut silnika Raptor, SpaceX wybrała metan, ponieważ spala się bez nagromadzenia sadzy, które komplikuje ponowne użycie silników opalanych kerazyną, i ponieważ metan potencjalnie może być wytwarzany na Marsie z lokalnych zasobów dla podróży powrotnych.
Co to jest napęd jonowy i dlaczego nie jest używany do startu?
Napęd jonowy lub elektryczny jonizuje paliwo, takie jak ksenon, i przyspieszał go za pomocą pól elektrycznych; NASA JPL opisuje jego ciąg jako niezwykle słaby — porównywany do ciśnienia trzymania kilku monet — dlatego jest używany do stopniowego podróżowania w kosmosie na sondach takich jak Psyche, a nie do startu, gdzie silniki chemiczne wymagają znacznie większego ciągu, aby przezwyciężyć grawitację i opór atmosfery w ciągu kilku minut.

Źródła

  1. NASA Glenn Research Center — Guide to Rockets (Beginner's Guide to Aeronautics)
  2. NASA Glenn Research Center — Specific Impulse
  3. European Space Agency — Launchers FAQ: Frequently Asked Questions
  4. Everyday Astronaut — Is SpaceX's Raptor engine the king of rocket engines?
  5. NASA Jet Propulsion Laboratory — NASA's Psyche Fires Up Its Sci-Fi-Worthy Thrusters

Ten tekst przygotowała sztuczna inteligencja, a przed publikacją przeszedł automatyczną kontrolę źródeł. Jeśli widzisz błąd, poproś o sprostowanie. Poproś o sprostowanie lub odpowiedź · Jak to robimy

Powiązane