Raketenwissenschaft vereinfacht

Rocket ist ein Motor, der gespeicherten Kraftstoff in ein Hochgeschwindigkeitsgas verbrennt, das sich durch einen begrenzten Auslass aus einem Fahrzeug bewegt. Da sich das Gas mit hoher Geschwindigkeit nach unten bewegt, reagiert das Trägerfahrzeug mit gleich hohen Geschwindigkeiten nach oben. Andererseits können wir eine Rakete auch als zylindrisches Fahrzeug mit einer scharf spitzen Düse beschreiben, mit der ins All geflossen ist. Zu den Fahrzeugen gehören Raketen oder Raumfahrzeuge, die eine Rakete als Triebwerk verwenden.Rak

eten sind eine wichtige Erfindung, und sie spielen verschiedene Rollen bei der Gestaltung unserer Welt, wie wir sie heute leben. Raketen sind der Grund, warum Wissenschaftler den Weltraum überwachen können, um unseren Planeten sicher zu halten. Hier sind verschiedene Anwendungen von Raketen: 

Militärische Ver

wendungen

Raketen werden als Transporter verschiedener Sprengköpfe zu verschiedenen feindlichen Zielen eingesetzt. Wenn Raketen mit Sprengköpfen kombiniert werden, ändert sich ihr Name in das, was gemeinhin als Raketen bezeichnet wird. Der Transport von Sprengköpfen mit Raketen ist für das Militär sicher, da sie ferngesteuert werden können. Die militärische Funktion ist ein umstrittener Einsatz angesichts der zerstörerischen Natur von raketentransportierten Sprengköpfen.W

eltraumforschung

As

tronauten verwenden Raketen, um Instrumente in Gebiete jenseits der Erdoberfläche zu transportieren, um verschiedene Forschungselemente aufzuzeichnen, die Wissenschaftler untersuchen wollen.Raketen helfen, Raumschiffe in den Orbit zu bringen

Ra

keten werden explizit für diese Funktion wegen ihrer hohen Geschwindigkeiten bevorzugt, die die hohe Geschwindigkeit der Umlaufbahn marschieren, wie wir später diskutieren werden.Rak

eten arbeiten nach einem einfachen wissenschaftlichen Prinzip, das dritte Gesetz der Bewegung genannt. Isaac Newton kam mit den Gesetzen der Bewegung, und das dritte und letzte dieser Gesetze besagt, dass es eine gleiche Reaktion in die entgegengesetzte Richtung für jede Aktion geben muss. Dieses Prinzip bedeutet, dass man sich, wenn man etwas nach vorne schiebt, auch mit der gleichen Geschwindigkeit rückwärts bewegt.

Wie hängt das mit Raketen zusammen, fragen Sie? Lassen Sie uns darauf eingehen.

Raketentriebwerke verbrennen eine besondere Art von Treibstoff, über den wir in kurzer Zeit sprechen werden. Wenn der Treibstoff brennt, erzeugt er mit sehr hoher Geschwindigkeit ein heißes Gas aus dem Heck der Rakete. Wenn das Gas mit hohen Geschwindigkeiten nach unten ausgeht, was ist die wahrscheinlichste Richtung, die die Rakete nehmen wird? Natürlich haben Sie richtig geahnt; es wird sich mit einer Geschwindigkeit nach oben bewegen, die der Geschwindigkeit des Gases entspricht, die nach oben geht.

Die Kraft, die dazu führt, dass sich der Raketenmotor vom heißen Gas in die entgegengesetzte Richtung bewegt, wird als Schub bezeichnet, und die Rakete brennt immer wieder mehr Treibstoff, um den gleichen Effekt zu erzeugen, sodass die Rakete immer wieder vorwärts schubst, bis sie an ihr Ziel gelangt. Die wiederholten Stöße helfen der Rakete auch, den Gravitationszug und den Widerstand aus der Luft zu überwinden.

Aber woher weiß eine Rakete, wohin sie geht? Hat es einen Piloten? Bevor Raketen aus der Erde freigesetzt werden, berechnen Raketenwissenschaftler eine vorgegebene Route, die die Rakete nehmen wird. Der Kurs wird in Bezug auf die Position der Sonne und des Mondes berechnet. Andere Planeten können auch eine kleine Wirkung haben, aber es ist sehr minimal. Bevor wir uns ansehen, wie Raketen abgefeuert werden, sollten wir verstehen, wie weit Raketen gekommen sind.

Heute gehen die in der Raketenwelt verwendeten Konzepte auf das 1. Jahrhundert n. Chr. zurück. Ein mathematischer Ingenieur, Heron von Alexandria, schuf ein Gerät, das einen Ball mit Dampf emittierenden Düsen drehen ließ. Nach dieser Fete von Heron verstummten die Dinge in der Geschichte der Raketen bis ins 13. Jahrhundert n. Chr., als die Menschen begannen, Gewehrpulverraketen herzustellen, die in Waffen wie Pfeilen verwendet wurden.

Der vielleicht bedeutendste Teil der Geschichte war die Veröffentlichung von Investigating Space With Reaction Devices von Konstantin Tsiolkovsky. In dieser Veröffentlichung wurde die Dynamik der Funktionsweise von Raketen detailliert beschrieben. Später im Jahr 1942 macht Deutschland einen weiteren Meilenstein, wenn es seine raketengestützte Rakete erfolgreich abfeuert und mit einer Geschwindigkeit von über 4000 km/h auf szielschnell landet.

Deutschlands Erfolg beim Abschuss ihrer Rakete ließ die USA und die U.S.S.R ihre Raumfahrtprogramme starten, und 1957 konnte Russland mit einer Rakete Sputnik 1, den ersten Satelliten der Welt, ins All tragen und abfeuern, und 1969 startete Amerika Apollo 11, die Rakete, die zum ersten Mal den Mond zierte.

Wir haben gelernt, was eine Rakete ist, die Wissenschaft hinter der Funktionsweise von Raketen, und haben eine kurze Geschichte der Raketentechnik durchgemacht. Sie müssen jetzt neugierig sein zu wissen, wie eine Rakete startet, nicht wahr? Aber bevor wir in die Art und Weise gehen, wie Raketen abgefeuert werden, sollten wir zuerst die Energie lernen, die Raketen antreibt, oder?

Um über Raketentreibstoffe zu sprechen, werden wir die Arten von Raketen diskutieren, die wir heute haben, da Raketen nach der Art des Brennstoffs kategorisiert werden, den sie verwenden. Heute gibt es vier Arten von Raketen:

• Festbrennstoffraketen
• Flüssigbrennstoffraketen
• Ionenrakete
• Plasmaraketen

Hier ist eine Analyse jeder der Raketen, um Ihnen zu helfen, die Energie zu verstehen, die von Raketen verwendet wird.Solid Fuel Rockets

Feste Raketenbrennstoffe verwenden feste Treibmittel und gehören zu den ersten Brennstoffen, die entdeckt wurden. Sie wurden zuerst hauptsächlich für die Herstellung kleiner Waffen verwendet, obwohl wissenschaftler nach späteren Forschungen herausfanden, dass sie sie verwenden konnten, um große Raketen zu betreiben und für einen längeren Zeitraum.

Festbrennstoffraketen sind monopropellant, was bedeutet, dass sie kein externes Oxidationsmittel benötigen, um den Brennstoff zu verbrennen. Die grundlegende Wissenschaft der Verbrennung besagt, dass es für alles, was zu verbrennen, ein Oxidationsmittel geben muss. Jets haben beispielsweise Lufteinlässe, die den Sauerstoff für die Triebwerke liefern, um den Treibstoff zu entzünden und den Jet anzutreiben. Monopropellant Raketen benötigen jedoch keine Lufteinlässe, um die Brennstoffe zu verbrennen.

Stattdessen sind feste Brennstoffe eine Kombination vieler Chemikalien in einem Gemisch. Unter diesen Chemikalien sind Oxidationsmittel, die den Brennstoff verbrennen, um heißes Gas zu produzieren, das die Raketen antreibt. Einige der Chemikalien, die zur Herstellung fester Raketenbrennstoffe verwendet werden, sind Ammoniumdinitramid, Kaliumnitrat und Ammoniumperchlorat. Damit die festen Brennstoffe wirken können, müssen sie in die Verbrennungskammer der Rakete gebracht werden, wo sie entzündet werden.

Der Hauptnachteil fester Brennstoffe besteht darin, dass der Kraftstoff, sobald er zu brennen beginnt, nicht mehr abgehen kann, was bedeutet, dass der Kraftstoff ständig ohne Kontrolle brennt, bis er vorbei ist. Dieser Mangel an Kontrolle führt dazu, dass massive Mengen an festem Brennstoff verwendet werden müssen, was sowohl teuer ist als auch einen Großteil des begrenzten Platzes der Rakete aufbrauchen kann. Ein weiterer Nachteil fester Brennstoffe ist das Risiko, dass die Rakete ausläuft, bevor sie ihr gewünschtes Ziel erreicht. Auch Nitroglycerin, eine der Verbindungen, die zur Herstellung fester Brennstoffe verwendet werden, verdampft schnell.

Auf der anderen Seite sind feste Treibmittel relativ einfach zu lagern und zu handhaben als ihre flüssigen Pendants. Sie sind auch billiger und werden bevorzugt, wenn große Schubs benötigt werden. Zu den berühmten Raketen, die festen Brennstoff verwendeten, gehören die russische Proton-Serie (Proton 8K82K und Proton-M), die europäische Ariane 5, Space Shuttle, US Atlas V und Japans H-I.

Flüssig-Kraftstoff-Rakete

Flüssigbrennstoffraketen verwenden flüssige Treibmittel. Flüssige Treibmittel sind, wie das Wort sagt, flüssig. Flüssige Brennstoffe sind weit verbreitet und können entweder monopropellant (erinnern Sie sich an Monopropellant aus festen Brennstoffen?), oder Bipropellant, oder noch seltener, tripropellant. Einige der Chemikalien, die zur Herstellung von flüssigen Treibmitteln verwendet werden, sind Dinitrogentetroxid in Kombination mit Hydrazin, flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff. Diese Chemikalien sind leicht und leicht zu tragen und reduzieren daher das Gewicht der Rakete.

Rocketry-Ingenieure vertrauen flüssigen Kraftstoffen, weil sie eine hohe Dichte haben und einen hohen spezifischen Impuls haben. Ingenieure lieben die hohe Dichte und den hohen spezifischen Impuls, weil sie es ihnen leicht machen, leichtere Zentrifugal-Turbopumpen zu verwenden, um den Kraftstoff aus den Treibstofftanks der Rakete in die Brennkammern zu bewegen. Turbopumpen erhöhen den Druck des Kraftstoffs in den Brennraum.

Neben ihrer hohen Dichte und spezifischen Impuls, flüssige Treibmittel sind nützlich, weil sie leicht zu steuern sind. Im Gegensatz zu festen Treibmitteln, die Sie nicht kontrollieren können, wenn sie anfangen zu brennen, sind flüssige Treibmittel leicht zu kontrollieren und nur brennen, wenn sie zum Verbrennen benötigt werden. Diese Steuerungsfähigkeit macht es Astronauten leicht, die Raketengeschwindigkeit zu steuern und die Rakete ein- und auszuschalten, um den Kraftstoffverbrauch zu kontrollieren.

Ein wesentliches Undoing für die flüssigen Treibmittel ist, dass Ingenieure ein separates Rohrleitungssystem aus den Lagerkammern der Flüssigkeit entwerfen müssen, um die Brennkammern zu erreichen. Die Perfektionierung dieses Designs ist besonders schwierig, da das Ziel der Schaffung einer Rakete ist es, es so leicht wie möglich zu machen.
Zu den Raketen, die flüssige Treibmittel verwenden, gehören die deutsche V-2, Space X Falcon 9 und der Atlas ICBM.

Ion Rocket
Ionenraketen sind seit 1998 funktionsfähig und nutzen Elektronenenergie aus Solarzellen. Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um und sind zehnmal schneller als herkömmliche Raketen, die chemische Brennstoffe verwenden. Der Schub, der von Ionenraketen erzeugt wird, ist jedoch schwach und kann die Rakete nicht vom Boden heben. Raketeningenieure müssen daher einen alternativen Weg finden, um die Rakete vom Boden zu heben.

Plasmaraketen
Plasmaraketen sind in wissenschaftlichen Gesprächen als Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) bekannt. Diese Raketen arbeiten, indem sie Plasma beschleunigen, das durch Das Entfernen negativer Elektronen aus Wasserstoffatomen innerhalb eines Magnetfeldes erzeugt wird, und sie aus dem Motor vertreiben. Diese Raketen sind anpreist, um schneller zu sein und können mars schneller als andere Arten von Raketen erreichen. Ihre Nachhaltigkeit wird noch getestet, und weitere Informationen über sie werden in Kürze verfügbar sein.

Wissenschaftler betrachten viele Dinge, bevor sie eine Rakete starten. Einige der Überlegungen, die sie machen, sind:

• Die Nutzlast der Rakete
• Das Ziel der Ladung
• Das Wetter
• Nähe zum Äquator
• Die Nähe des Startplatzes zu sozialen Einrichtungen und Residenzen
• Tageszeit

Die obige Liste ist nur ein Highlight und soll Sie auf einige der Überlegungen hinweisen, die Wissenschaftler vor dem Start einer Rakete machen.Die Multi-Stufen eines erfolgreichen Raketenstarts :

Bevor wir die verschiedenen Etappen besprechen, lassen Sie uns diese häufig gestellte Frage beantworten: Was ist Inszenierung?

Raketeninszenierung ist der Prozess, durch den Ingenieure verschiedene Teile einer Rakete arrangieren. Die Anordnung der Raketentriebwerke bestimmt, wie sie in verschiedenen Stadien vom Schiff kommen werden.

Eine effektive Inszenierung stellt auch sicher, dass die Rakete, wenn sie Teile abwirft, die nicht mehr nützlich sind, leichter wird und die nachfolgenden Triebwerke der Rakete den erforderlichen Schub geben, um sie durch die Atmosphäre zu bringen und mit der richtigen Geschwindigkeit zu reisen, um den Geschwindigkeitsanforderungen der Umlaufbahn gerecht zu werden. Je nach Funktion der Rakete setzen die Wissenschaftler so viele abnehmbare Teile ein wie die Anzahl der Stufen, die das Fahrzeug vor dem Erreichen des endgültigen Ziels erwartet. Doch je mehr die Anzahl der Stufen eine Rakete hat, desto komplizierter ist sie und desto wahrscheinlicher ist ihr Ausfall.

Während Wissenschaftler Raketen herstellen, trägt der Treibstoff der Raketen etwa 90-94% des Gesamtgewichts der Rakete, und die anderen 6-10% werden zwischen den Baumaterialien und der Nutzlast der Rakete aufgeteilt (wir werden in einigen Absätzen diskutieren, welche Nutzlast). Das bedeutet, dass das Material, das für die Herstellung von Raketen verwendet wird, extrem leicht sein muss, und Astronauten müssen sicherstellen, dass die Last, die sie mit einer Rakete transportieren, gleichermaßen leicht ist.

Es gibt vier verschiedene Arten der Inszenierung, wie wir unten diskutieren:

Serielle Staging

Serielle Inszenierung tritt auf, wenn Wissenschaftler Stufen übereinander stapeln. Bei dieser Art der Inszenierung wird die Bühne, die zuerst brennt, als die unterste platziert, während die letzte Stufe der Spitze am nächsten ist. Saturn V Mondraketen waren gute Beispiele für Raketen, die serielle Inszenierung verwendet.

Parallele Inszenierung

Parallel zur Inszenierung stellen Wissenschaftler einzelne oder mehrere Booster-Stufen auf, die mit dem Haupt-Sustainer verbunden sind. Alle Motoren beginnen mit der Verbrennung zu Beginn der Reise, und wenn die eingeklemmten Motoren ihren Kraftstoff vollständig ausgeben, brennt der Hauptmotor weiter, um die Ladung in den Orbit zu transportieren. Die abnehmbaren Stufen werden als Booster verwendet und fallen weg, sobald ihnen der Treibstoff ausgeht. Die parallele Inszenierung kann mit der seriellen Inszenierung am selben Fahrzeug kombiniert werden.
Einige der Raketen, die die parallele Staging-Methode verwenden, sind Trägerraketen wie Titan III und Delta II

Bühne und eine Hälfte

Eine Stufe und eine Hälfte beinhalten die Verwendung der Haupt-Sustainer-Engine und eine andere, die als Booster fungiert. Wie von allen Booster-Stufen erwartet, fällt das angeschlossene Stufen- und ein halbes System ab, nachdem sein Brennstoff abgebrannt ist. Beispiele für Raketen, die eine Stufe und eine Hälfte verwendet werden, sind der Atlas und Atlas Agena.

Single Staging

Diese Staging-Methode wird noch erforscht, und ihr Haupttraum ist es, Raketen zu haben, die nicht mehrere Stufen erfordern, um zu funktionieren. Wie wir bereits gesagt haben, je mehr Stufen ein Fahrzeug hat, desto komplizierter ist es, und desto größer sind die Chancen seines Scheiterns. Wenn Wissenschaftler also einen Weg finden, die einzige Staging-Methode zu verwirklichen, werden sie ein erhebliches Risiko vermeiden und beim Raketenstart mit geringeren Stadien zu tun haben.
Nun, da wir die verschiedenen Staging-Methoden verstehen, lassen Sie uns in die verschiedenen Stufen eines Raketenstarts eintauchen.

Etappen eines Raketenstarts

Raketen starten in verschiedenen Stadien, und jede Stufe hat ihre einzigartige Rolle zu erfüllen. Die verschiedenen Triebwerke, die brennen, um eine Rakete erfolgreich zu starten, werden übereinander gestapelt und lösen sich, wenn ihre Nützlichkeit endet. Daher bedeutet diese Ablösung, dass die Raketenabwurf-Motoren leichter werden und folglich weniger Treibstoff verbraucht. Es ist auch zu verstehen, dass jeder Motor unabhängig von den anderen ist. Diese Unabhängigkeit bietet raketenschnellen Ingenieuren die Möglichkeit, jeden Motor für den Zweck anzupassen, dem er dient. Optimierung bedeutet, den Motor in jeder Phase stärker an den vorherrschenden atmosphärischen Druck oder den Gravitationszug anzupassen.

Hier sind ein paar Schritte, die Raketen durchlaufen, um erfolgreich zu starten:

1)Primärstufe

Die primäre ist die erste und wichtigste Stufe eines Raketenstarts und wird auch als Stufe "0" bezeichnet. In diesem Stadium verbrennt der Motor Kraftstoff, um den ersten Schub zu liefern. Der Schub muss stark genug sein, um die Rakete in eine hohe Geschwindigkeit zu treiben, die sie in den Himmel führt. Der Schub muss auch stark sein, da er ausreichen muss, um das Schwergewicht der Rakete zu tragen, zu dem auch der erste Triebwerk gehört. Wenn dem ersten Triebwerk der Treibstoff ausgeht, löst er sich von der Rakete und löst einen kleinen Sprengstoff aus, der am zweiten Triebwerk befestigt ist, der das Raumschiff übernimmt und weiter treibt. Der erste Motor brennt aus und fällt zurück zur Erde. Die Ablösung des ersten Triebwerks vom Rest der Rakete wird als Main Engine Cut Off (MECO) bezeichnet.

So einfach es klingen mag, die erste Stufe muss viele Hindernisse überwinden, bevor sie erfolgreich ausbrennt.

Der Drag erhöht sich, wenn die Rakete an Geschwindigkeit gewinnt:

Drag in Rocketry ist der Widerstand, den die Rakete überwinden muss, wenn sie in den Himmel geht. Um Drag in einer einfachen Sprache zu verstehen, nehmen Sie an, dass Sie auf einer Spur ausgeführt werden. Wenn Sie an einem ruhigen Tag laufen, wenn sich der Wind langsam bewegt, werden Sie weniger Aufwand verbrauchen, um zu laufen. Auf der anderen Seite, wenn Sie gegen einen starken Wind laufen, wird das Laufen ein bisschen schwieriger. Je schneller Du laufst, desto mehr Widerstand bekommst du. Wenn Sie bei der niedrigen Geschwindigkeit, die Sie laufen, Reibung aus der Luft bekommen können, stellen Sie sich ein Fahrzeug vor, das mit Geschwindigkeiten von bis zu 16200 km/h fährt. Die Rakete muss viel Widerstand leisten, nicht wahr?

Der Launch ist am härtesten auf der ersten Stufe:

Die Gravitationskraft (gemeinhin als G-Kraft bezeichnet) ist in der unteren Atmosphäre höher als in höheren Atmosphären. Es gibt auch hochfrequente Vibrationen zu berücksichtigen und das enorme Gewicht, das die Rakete trägt.

Die primäre Phase bestimmt den Erfolg oder Misserfolg eines Raketenstarts:

Damit eine Rakete durch den durch die Atmosphäre verursachten Luftwiderstand eindringen und MAXQ erfolgreich erreichen kann, muss der Anfangsschub stark genug sein, um die Rakete durch alles zu tragen. Wenn in der primären Phase eine kleine Fehlkalkulation auftritt, wird das gesamte Projekt zwangsläufig fehlschlagen.

2)Die oberen Stufen

Die Rakete bewegt sich bereits mit hoher Geschwindigkeit am Himmel und hat bereits etwas Gewicht in Form des abgebrannten ersten Triebwerks abgenommen. Dies bedeutet, dass der Motor in dieser Phase eine relativ einfachere Aufgabe im Vergleich zum motoritorer ersten Schritt zu erfüllen hat.
Der einzige Zweck dieser Phase ist es, die Rakete in die Bahngeschwindigkeit zu bringen. Dies ist die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um sich an der Bewegung anderer Weltraumobjekte wie Planeten und andere auszurichten. Die Rakete muss sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, die dem Gravitationszug erfolgreich entgegenwirken kann.

Wenn die hohen Geschwindigkeiten, die erforderlich sind, um den Gravitationszug zu überwinden, nicht erreicht werden, wird die Rakete durch die Schwerkraft zurück auf den Boden gezogen. Wichtig ist, hier zu beachten, dass je näher die Rakete an der Erdoberfläche ist, desto höher der Gravitationszugeffekt und desto höher die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um sie zu überwinden.

Bevor der Sekundärstufenmotor ausbrennt, muss Folgendes geschehen:

• Das Fahrzeug muss Schwerelosigkeit erreichen
• Erzielen Sie eine höhere spezifische Impulsbewertung
• Schneller bewegen
• Die Bewegung des Fahrzeugs wird stabil

Der gebrauchte Motor auf der Nebenbühne löst sich auch von der Rakete in einem Prozess namens Second Engine Cut Off (SECO). Die Überreste des Triebwerks können jedoch nicht zur Erde zurückkehren (es sei denn, die Rakete wird modelliert, um wiederverwendet zu werden, wie wir später diskutieren werden), sondern bleiben im Weltraum und umkreisen andere Körper bis ins Unendliche. Diese verbrauchten Raketenablösungen sind Teil dessen, was man Weltraumschrott oder Weltraumschrott nennt.

Raketen werden hauptsächlich ins All geschickt, um eine Nutzlast zu liefern. Die Nutzlast ist jede Fracht, die mit einer Rakete transportiert wird, und sie könnte unter anderem Forschungsinstrumente, Satelliten, Waffen und Menschen umfassen. Aber was passiert mit Raketen, nachdem sie ihre Ladung geliefert haben?

Traditionell fallen verbrauchte Raketen entweder auf die Erdoberfläche und in eine Umlaufbahn und beginnen zusammen mit dem Planeten zu oszillieren. In anderen Zeiten zerfällt die Rakete und verdunstet bei hohen Temperaturen. Mit dem neuesten Fortschritt müssen Raketen jedoch nicht nach einem einzigen Einsatz zerstört werden. Jüngste Raketen wie die neueste SpaceX Falcon können teilweise wiederverwendet werden, um zukünftige Nutzlasten zu transportieren.