Jak działają rakiety: wyjaśnienie siły ciągu, systemów napędowych i mechaniki orbitalnej

Każdy raz, gdy rakieta startuje — czy to pilotowana Falcon 9, europejska rakieta nośna Ariane, czy mały wzmacniacz satelity obserwacyjnego Ziemi — stosuje to samo kilka zasad fizyki, które inżynierowie używają od początkowego XX wieku. Zainteresowanie publiczne tymi startami pozostaje wysokie przez cały rok, jednak bazujące na nich mechanizmy ciągu, napędu i orbity są często pomijane. Agencje, w tym NASA i Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), publikują szczegółowe wyjaśnienia, jak naprawdę działają rakiety; ten artykuł czerpie z tego materiału.

Wytwarzanie siły ciągu: trzecie prawo Newtona w działaniu

Według NASA Glenn Research Center silnik rakiety spala przechowywane paliwo wraz z przechowywanymi utleniaczami wewnątrz komory spalania, wytwarzając gorący gaz pod wysokim ciśnieniem. Ten gaz jest następnie przepychany przez dyszę, która przyspiesza go dalej, zanim opuści pojazd. NASA wyraźnie stwierdza, że «siła ciągu jest wytwarzana zgodnie z trzecim prawem ruchu Newtona»: gaz jest wepchnięty w jednym kierunku z dyszy, a rakieta jest wepchnięta w kierunku przeciwnym z równą siłą. ESA opisuje ten sam mechanizm dla młodszych czytelników, używając porównania z balonem — powietrze wylatujące z szyi balonu w jednym kierunku wpycha balon w drugą stronę.

Równanie siły ciągu NASA wyraża to numerycznie jako F = ṁVe + Ae(pe − p0), gdzie ṁ jest natężeniem przepływu masy spalin przez silnik, Ve jest prędkością wyjścia spalin, Ae jest polem wylotu dyszy, pe jest ciśnieniem na wylocie dyszy, a p0 jest otaczającym (swobodnym) ciśnieniem. W praktyce wielkość siły ciągu wytwarzanej przez rakietę zależy głównie od tego, ile masy spalin wypływa na sekundę i jak szybko spaliny poruszają się podczas opuszczania dyszy.

Dlaczego rakiety działają w próżni kosmicznej

Silniki odrzutowe i śmigła zależą od wciągania otaczającego powietrza, co oznacza, że nie mogą działać, gdy pojazd opuści atmosferę. Rakiety unikają tego ograniczenia, ponieważ, jak zauważa NASA, noszą swój własny utleniacz na pokładzie, zamiast polegać na tlenie atmosfery. Ponieważ w procesie spalania nie bierze udziału żadne zewnętrzne powietrze, równanie siły ciągu nie ma członu wlotu powietrza otoczenia — co również wyjaśnia, dlaczego, jak mówi NASA, rakieta może wytwarzać siłę ciągu w próżni, gdzie nie ma innego źródła tlenu.

Impuls właściwy: pomiar wydajności silnika

Inżynierowie porównują silniki rakiet, używając liczby zwanej impulsem właściwym lub Isp. NASA Glenn Research Center definiuje go jako siłę ciągu podzieloną przez natężenie przepływu masy zużywanego paliwa, wyrażoną wzorem Isp = F/(ṁ·g0), gdzie g0 jest standardowym przyspieszeniem grawitacyjnym (9,8 m/s², lub 32,2 ft/s²). NASA wyjaśnia, że silnik z wyższym impulsem właściwym jest bardziej wydajny, ponieważ wytwarza większą siłę ciągu przy spaleniu tej samej ilości paliwa — co sprawia, że Isp jest równowartością zużycia paliwa w napędzie rakiet.

Rakiety wieloetapowe: pozbycie się martwego ciężaru

Większość pojazdów nośnych zbudowana jest w dwóch lub trzech etapach. ESA wyjaśnia, że po spaleniu całego paliwa etap jest oddzielany i odrzucany, ponieważ transportowanie pustego zbiornika i spalonej aparatury silnika dalej byłoby marnowaniem paliwa potrzebnego do przyspieszenia reszty pojazdu. Duże rakiety nośne również przywiązują rakiety wzmacniające na bazie paliwa stałego lub ciekłego do pierwszego etapu w celu dodatkowej siły ciągu przy starcie; te wzmacniacze są również odrzucane po spaleniu. ESA zauważa, że statki kosmiczne muszą osiągnąć około 28 000 km/h, aby wejść na orbitę, prędkość, którą wiele etapów ułatwia osiągnięcia poprzez ciągłe zmniejszanie masy pojazdu w miarę jego wznoszenia się.

Napęd chemiczny vs. elektryczny

Nie każdy system napędowy jest przeznaczony do startu pojazdu z ziemi. Silniki chemiczne — spalające paliwo i utleniacz razem, jak opisano powyżej — pozostają jedynym praktycznym sposobem na wyniesienie rakiety z atmosfery Ziemi. Jednak do manewrowania, gdy już znajduje się w kosmosie, agencje coraz częściej używają napędu elektrycznego. NASA opisuje systemy, które wykorzystują energię elektryczną, generowaną przez panele słoneczne lub reaktor jądrowy, do jonizacji gazu, takiego jak ksenon lub krypton, i przyspieszania wynikających jonów z silnika przy użyciu pól elektrycznych i magnetycznych.

Misja NASA Dawn ilustruje kompromis: wykorzystała napęd elektryczny, aby spędzić około pięciu lat na dotarciu do pasa asteroid przed manewrowaniem między ciałami Vesta i Ceres — powolne, stałe przyspieszenie niemożliwe do osiągnięcia przy krótkich, potężnych spalaniach silników chemicznych, ale wydajne w przypadku długotrwałych misji. ESA robi to samo w przypadku swojej sondy księżycowej SMART-1 i trwającej misji BepiColombo na Merkury, z których obie opierają się na silnikach jonowych, które, według słów ESA, «mogą przez miesiące lub nawet lata delikatnie pchać» używając tylko niewielkich zapasów paliwa i kilku kilowatów mocy z paneli słonecznych.

Osiągnięcie i pozostanie na orbicie

Dostanie się w kosmos i pozostanie tam to dwa różne problemy. Krajowa Administracja Oceaniczna i Atmosferyczna USA (NOAA) wyjaśnia, że satelita pozostaje na orbicie, gdy jego moment pędu jest zrównoważony z przyciąganiem grawitacyjnym Ziemi: grawitacja ciągle wygina ścieżkę satelity w stronę Ziemi, podczas gdy jego prędkość boczna nadal niesie go naprzód, więc dwa efekty łączą się w ścieżkę kołową lub eliptyczną zamiast bezpośredniego upadku. Jeśli satelita porusza się zbyt wolno dla swojej wysokości, grawitacja dominuje i opada; jeśli porusza się zbyt szybko, wybiega z tej zrównoważonej ścieżki zamiast utrzymywać orbitę.

Prędkość potrzebna do tego równowagi zmienia się wraz z wysokością. NOAA podaje przykład swojego satelity NOAA-20, który krąży na wysokości kilkuset mil z prędkością około 17 000 mil na godzinę, w porównaniu z jego satelitą GOES-East, który krąży na wysokości około 22 000 mil z prędkością tylko około 6700 mil na godzinę — pokazując, że im dalej satelita znajduje się od Ziemi, tym słabsze przyciąganie grawitacyjne i tym niższa prędkość wymagana do pozostania na orbicie. Katalog Earth Observatory od NASA podaje konkretne liczby dla powszechnych klas orbit: jego satelita Aqua zajmuje około 99 minut, aby okrążyć Ziemię z wysokości około 705 kilometrów (niska orbita Ziemi); satelity GPS latają w pół-synchronicznej średniej orbicie Ziemi około 20 200 kilometrów nad powierzchnią z okresem 12 godzin; i geostacjonarne satelity znajdują się około 36 000 kilometrów w górze, dokonując jednego obrotu co 23 godziny, 56 minut i 4 sekundy, dzięki czemu wydają się niezmienne nad jednym punktem Ziemi.