מדע הרקטות פשוט יותר

רקטה היא מנוע ששורף דלק מאוחסן לגז במהירות גבוהה, בטמפרטורה גבוהה שזז מתוך רכב דרך שקע מוגבל. מכיוון שהגז נע כלפי מטה במהירות גבוהה, רכב המוביל מגיב על ידי תנועה כלפי מעלה באותן מהירויות גבוהות. מצד שני, אנחנו יכולים גם לתאר רקטה כרכב גלילי עם חריר מחודד בחדות המשמש לנסוע לחלל. כלי הרכב כוללים טילים או חלליות המשתמשות בטיל כמנוע.רק

טות הן המצאה חשובה, והן ממלאות תפקידים שונים בעיצוב עולמנו כפי שאנו חיים אותו כיום. רקטות הן הסיבה מדוע מדענים יכולים לפקח על החלל כדי לשמור על כדור הארץ שלנו בטוח. להלן שימושים שונים של רקטות: 

שימושי

ם צבאיים

רקטות משמשות כמשגרים של ראשי נפץ שונים ליעדי אויב שונים. כאשר רקטות משולבות עם ראשי נפץ, שמם משתנה למה שמכונה בדרך כלל טילים. הובלת ראשי נפץ באמצעות רקטות היא בטוחה עבור הצבא שכן הם יכולים להיות נשלטים מרחוק. הפונקציה הצבאית היא שימוש שנוי במחלוקת בהתחשב באופי ההרסני של ראשי נפץ שהועברו רקטות.

חקר החלל

אסטר

ונאוטים משתמשים בטילים כדי להעביר מכשירים לאזורים שמעבר לפני השטח של כדור הארץ כדי לתעד אלמנטים מחקריים שונים שמדענים מתכננים לחקור.רקטות לעזור לשים חללית למסלול

ר

קטות מועדפות במפורש לתפקוד זה בגלל המהירויות הגבוהות שלהן שמצעדות במהירות הגבוהה של המסלול, כפי שנדון בהמשך.רק

טות עובדות באמצעות עיקרון מדעי פשוט שנקרא חוק התנועה השלישי. אייזק ניוטון הגה את חוקי התנועה, והשלישי והאחרון של חוקים אלה מדינה שחייבת להיות תגובה שווה בכיוון ההפוך לכל פעולה. עיקרון זה אומר שאם אתה דוחף משהו קדימה, אתה גם לנוע אחורה באותה מהירות.

איך זה קשור לטילים, אתם שואלים? בוא נכנס לזה.

מנועי רקטות שורפים סוג מיוחד של דלק שנדבר עליו עוד מעט. כאשר הדלק נשרף, הוא מייצר גז חם מהחלק האחורי של הרקטה במהירות גבוהה מאוד. כשהגז יוצא במהירויות גבוהות יורד, שזה הכיוון הסביר ביותר שהטיל ייקח? כמובן, ניחשת נכון; הוא יזוז כלפי מעלה בקצב השווה למהירות הגז כלפי מעלה.

הכוח שגורם למנוע הרקטות לנוע בכיוון ההפוך מהגז החם נקרא דחף, והטיל ממשיך לשרוף יותר דלק כדי לייצר את אותה השפעה שוב ושוב, מה שנותן לטיל את הדחיפה קדימה שוב ושוב עד שהוא מגיע ליעדו. הדחיפות החוזרות ונשנות מסייעות גם לטיל להתגבר על כוח המשיכה וההתנגדות מהאוויר.

אבל איך טיל יודע לאן הוא הולך? יש לו טייס? לפני שיגור הרקטות מכדור הארץ, מדעני הטילים מחשבים מסלול קבוע מראש שייקח הטיל. הקורס מחושב ביחס למיקום השמש והירח. גם לכוכבי לכת אחרים עשויה להיות השפעה קטנה, אך היא מינימלית מאוד. לפני שנסתכל על אופן שיגור הרקטות, הבה נבין עד כמה רחוק הגיעו הרקטות.

כיום, המושגים המשמשים בטילים חוזרים למאה הראשונה לספירה. מהנדס מתמטי, הרון מאלכסנדריה, יצר מכשיר שסובב כדור באמצעות חרירי פולטות קיטור. אחרי ההתגלות הזו של הרון, דברים בהיסטוריה של הטילים השתתקו עד המאה ה-13 לספירה, כשאנשים התחילו להכין רקטות אבק שריפה ששימשו בנשק כמו חצים.

אולי החלק המשמעותי ביותר בהיסטוריה הרקטות היה פרסום של חקירת שטח עם מכשירי תגובה על ידי קונסטנטין Tsiolkovsky. פרסום זה פירט את הדינמיקה של אופן אופן העבדות של הרקטות. מאוחר יותר בשנת 1942, גרמניה עושה אבן דרך נוספת כאשר היא משיקה בהצלחה את הטיל מבוסס הרקטות שלה ומנחיתה אותו על המטרה במהירות של מעל 4000 קמ"ש.

הצלחתה של גרמניה בשיגור הטיל גרמה לארה"ב ול-U.S.S.R להתחיל את תוכניות החלל שלהן, וב-1957 הצליחה רוסיה להשתמש בטיל כדי לשאת ולשגר את ספוטניק 1, שהיה הלוויין הראשון בעולם לחלל, וב-1969 שיגרה אמריקה את אפולו 11, הרקטה כיבדה את הירח בפעם הראשונה.

למדנו מהי רקטה, המדע שמאחורי אופן העבודה של רקטות, ועברינו היסטוריה קצרה של רקטות. עכשיו אתה חייב להיות סקרן לדעת איך רקטה משוגרת, נכון? אבל לפני שאנחנו נכנסים לאופן שבו רקטות משוגרות, הבה נלמד תחילה את האנרגיה שמניה את הרקטות, בסדר?

כדי לדון בדלקי רקטות, נדון בסוגי הרקטות שיש לנו היום מאז שהטילים מסווגים על סמך סוג הדלק שהם משתמשים בו. כיום, ישנם ארבעה סוגים של רקטות:

• רקטות דלק מוצק
• רקטות דלק נוזלי
• רקטות יון
• רקטות פלזמה

הנה ניתוח של כל הרקטות כדי לעזור לך להבין את האנרגיה בשימוש על ידי רקטות.רקטות דלק מוצק

דלקי רקטות מוצקים משתמשים במדחף מוצק והם בין הדלקים הראשונים שהתגלו. הם שימשו לראשונה בעיקר להכנת נשק קטן, אם כי לאחר מחקר מאוחר יותר, מדענים מצאו כי הם יכולים להשתמש בהם כדי כוח רקטות גדולות לתקופה ממושכת יותר.

רקטות דלק מוצק הם monopropellant, מה שאומר שהם לא דורשים חמצון חיצוני לשרוף את הדלק. המדע הבסיסי של בעירה קובע כי עבור כל דבר לשרוף, חייב להיות סוכן חמצון. לדוגמה, למטוסים יש צריכת אוויר, המספקת את החמצן למנועים כדי להצית את הדלק ולהניע את המטוס. רקטות Monopropellant, לעומת זאת, אינם דורשים צריכת אוויר כדי לשרוף את הדלקים.

במקום זאת, דלקים מוצקים הם שילוב של כימיקלים רבים לתערובת אחת. בין כימיקלים אלה הם חמצון לשרוף את הדלק כדי לייצר גז חם כי מניע את הרקטות. חלק מהכימיקלים המשמשים להכלת דלקים רקטיים מוצקים כוללים אמוניום דיניטראמיד, אשלגן חנקתי ואמוניום פרכלורט. כדי שהדלקים המוצקים יעבדו, הם חייבים להיות ממוקמים בתא הבעירה של הרקטה, שם הוא מוצת.

החיסרון העיקרי של דלקים מוצקים הוא שברגע שהדלק מתחיל לבעור, הוא לא יכול להישרף, מה שאומר שהדלק יישרף ללא שליטה עד שהוא יעבור. חוסר שליטה זה מוביל את הצורך להשתמש בכמויות עצומות של דלק מוצק, שהוא גם יקר והוא יכול להשתמש הרבה שטח מוגבל המוענק על ידי הרקטה. חיסרון נוסף של דלקים מוצקים הוא הסיכון של אל אוזל לפני הרקטה מגיעה ליעד הרצוי. כמו כן, ניטרוגליצרין, אחת התרכובות המשמשות להכלת דלקים מוצקים, מתאדה במהירות.

מצד שני, דלקים מוצקים קלים יחסית לאחסון ולידית מאשר עמיתיהם הנוזליים. הם גם זולים יותר ומועדפים בכל פעם שיש צורך בדחיפה גדולה. חלק מהרקטות המפורסמות שהשתמשו בדלק מוצק כוללות את סדרת הפרוטון הרוסית (פרוטון 8K82K ופרוטון-M), אריאן 5 האירופית, מעבורת החלל, האטלס החמישי האמריקאי ו- H-I של יפן.

רקטת דלק נוזלי

רקטות דלק נוזלי להשתמש דלק נוזלי. דלקים נוזליים הם, כפי שהמילה קובעת, נוזלים. דלקים נוזליים נמצאים בשימוש נרחב והוא יכול להיות גם monopropellant (זוכר monopropellant מדלקים מוצקים?), או Bipropellant, או אפילו לעתים רחוקות יותר, tripropellant. חלק מהכימיקלים המשמשים לייצור דלקים נוזליים כוללים טטרוקסיד דיניטרוגן בשילוב עם הידראזין, חמצן נוזלי ומימן נוזלי. כימיקלים אלה קלים וקלים לנשיאה, ולכן מפחיתים את משקל הרקטה.

מהנדסי רקטות סומכים על דלקים נוזליים כי יש להם צפיפות גבוהה ויש להם דחף ספציפי גבוה. מהנדסים אוהבים את הצפיפות הגבוהה ואת הדחף הספציפי הגבוה כי הם מקלים עליהם להשתמש בטורבו-פאמפים צנטריפוגליים קלים יותר כדי להעביר את הדלק ממכלי הדלק של הרקטה לחדרי הבעירה. Turbopumps להגביר את הלחץ של הדלק לתוך תא הבעירה.

בנוסף לצפיפות הגבוהה שלהם דחף ספציפי, דלקים נוזליים שימושיים כי הם קלים לשליטה. שלא כמו דלקים מוצקים שאתה לא יכול לשלוט כאשר הם מתחילים לשרוף, דלקים נוזליים קלים לשליטה רק לשרוף כאשר נדרש לשרוף. יכולת שליטה זו מקלה על אסטרונאוטים לשלוט במהירות הרקטות ולהדליק ולכבות את הרקטה כדי לשלוט על צריכת הדלק.

אחת הביטולים העיקריים של המדחף הנוזלי היא שמהנדסים צריכים לתכנן מערכת צנרת נפרדת מתאים האחסון של הנוזל כדי להגיע לחדרי הבעירה. שמושלם עיצוב זה קשה במיוחד שכן המטרה של יצירת רקטה היא להפוך אותו קל ככל האפשר.
חלק מהרקטות שמשתמשות במדחף נוזלי כוללות את ה-V-2 הגרמני, Space X Falcon 9 ו-ICBM האטלס

טיל יון
רקטות יון מתפקדות מאז 1998, והן משתמשות בה אנרגיית אלקטרונים מתאים סולריים. תאים סולריים ממירים את אור השמש לאנרגיה חשמלית והם מהירים פי עשרה מירקטות מסורתיות שמשתמשות בדלקים כימיים. עם זאת, הדחף המיוצר על ידי רקטות יון חלש ולא יכול להרים את הרקטה מהקרקע. מהנדסי רקטות חייבים, וכתוצאה מכך, למצוא דרך חלופית להרים את הרקטה מעל הקרקע.

רקטות פלזמה
רקטות פלזמה ידועים בשיחות מדעיות כמו משתנה ספציפי דחף מגנטופלסמה רקטות (VASIMR). רקטות אלה פועלות על ידי האצת הפלזמה המיוצרת על ידי הפשטת אלקטרונים שליליים מאטומי מימן בתוך שדה מגנטי וגירושם מהמנוע. רקטות אלה הם touted להיות מהיר יותר והוא יכול להגיע למאדים מהר יותר מאשר סוגים אחרים של רקטות. הקיימות שלהם עדיין נבדקת, ומידע נוסף עליהם יהיה זמין בקרוב.

מדענים שוקלים דברים רבים לפני שיגור טיל. חלק מהשיקולים שהם עושים כוללים:

• מטען הרקטה
• יעד המטען
• מזג האוויר
• קרבה לקו המשווה
• הקרבה של אתר ההשקה לשירותים חברתיים ומגורים
• השעה ביום

הרשימה לעיל היא רק גולת הכותרת ונועדה לכוון אותך לחלק מהשיקולים שמדענים עושים לפני שיגור רקטה.ריבוי שלבים של שיגור רקטות מוצלח :

לפני שנדון בשלבים השונים, הבה ענו על השאלה הנפוצה הזו: מהי בימוי?

היערכות רקטות היא התהליך שדרך מהנדסים מסדרים חלקים שונים של רקטה. סידור מנועי הרקטות קובע כיצד הם ירדו מהספינה בשלבים שונים.

היערכות יעילה גם מבטיחה כי כמו הרקטה שופכת חלקים שכבר אינם שימושיים, הוא הופך להיות קל יותר, ואת המנועים הבאים לתת את הרקטה את הדחף הנדרש כדי להפוך אותו דרך האטמוספירה ולנסוע במהירות הנכונה כדי להתאים את דרישות המהירות של המסלול. בהתאם לתפקוד הרקטה, מדענים שמים חלקים נתבים רבים כמו מספר השלבים שהם מצפים שהרכב יעבור לפני שיגיע ליעדו הסופי. עם זאת, ככל שמספר השלבים שיש לטיל גדול יותר, כך הוא מסובך יותר, וההסתברות לכישלונה גבוהה יותר.

בזמן שמדענים מבצעים רקטות, דלק הרקטות נושא כ-90%-94% ממשקל הרקטה, וה-6%-10% האחרים משותפים בין חומרי הבנייה והמטען של הרקטה (נדון באיזה מטען בכמה פסקאות). משמעות הדבר היא כי החומר המשמש כדי להפוך את הרקטות חייב להיות קל מאוד, אסטרונאוטים חייבים להבטיח כי העומס שהם מעבירים באמצעות רקטה הוא קל באותה מידה.

ישנן ארבע דרכים שונות לבימוי, כפי שאנו דנים להלן:

אחסון זמני טורי

בימוי סדרתי מתרחש כאשר מדענים עורמים שלבים זה על גבי זה. בסוג זה של בימוי, השלב שישרוף ראשון ממוקם כמו התחתון ביותר, בעוד השלב הסופי הוא הקרוב ביותר לפסגה. רקטות הירח של שבתאי החמישי היו דוגמאות טובות לטילים שהשתמשו בהיערכות סדרתית.

אחסון זמני מקבילי

במקביל לבימוי, מדענים ממקמים שלבי האצה בודדים או מרובים המחוברים לקיים הראשי. כל המנועים מתחילים בעירה בתחילת המסע, וכאשר המנועים הלכודים מבלים את הדלק במלואו, המנוע הראשי ממשיך לשרוף כדי להעביר את המטען למסלול. השלבים הניתנים להסרה משמשים כמגברים ונופלים ברגע שנגמר להם הדלק. ניתן לשלב את ההיערכות המקבילה עם ההיערכות הסדרתית באותו הרכב.
חלק מהרקטות שמשתמשות בשיטת ההיערכות המקבילה כוללות משגרים כמו טיטאן III ודלתא II

במה וחצי

שלב וחצי כרוכים בשימוש במנוע המקיים הראשי ועוד המשמש כמגבר. כצפוי מכל שלבי המאיץ, השלב המצורף וחצי המערכת נופלים לאחר כל הדלק שלה הוא בילה. דוגמאות לטילים שהשתמשו בשלב וחצי כוללות את האטלס והאטלס Agena.

אחסון זמני יחיד

שיטת היערכות זו עדיין נמצאת תחת מחקר, וחלום העיקרי שלה הוא שיהיו רקטות שלא דורשות שלבים מרובים כדי לתפקד. כפי שאמרנו לעיל, ככל שרכב עושה יותר שלבים, כך הוא מסובך יותר, והסיכויים לכישלון שלו גדולים יותר. ככזה, כאשר מדענים מוצאים דרך לממש את שיטת ההיערכות היחידה, הם ימנעו סיכון ניכר ויש להם שלבים פחותים להתמודד איתם בעת שיגור רקטות.
עכשיו שאנחנו מבינים את שיטות ההיערכות השונות, הבה יתעמקנו בשלבים המרובים של שיגור רקטות.

שלבים של שיגור רקטות

שיגור רקטות בשלבים שונים, ולכל שלב יש תפקיד ייחודי לבצע. המנועים השונים שיישרפו כדי לשגר רקטה בהצלחה נערמים זה מעל זה ומתנתקים כאשר התועלת שלהם מסתיימת. לכן, ניתוק זה אומר כי כמו הרקטות שופך מנועים משומשים, זה הופך להיות קל יותר וכתוצאה מכך משתמש פחות דלק. ראוי גם להבין כי כל מנוע אינו תלוי באחרים. עצמאות זו מספקת למהנדסי הרקטות את ההזדמנות להתאים אישית כל מנוע למטרה שהוא משרת. אופטימיזציה פירושה להפוך את המנוע מותאם יותר ללחץ האטמוספרי השורר או למשיכה הכבידתית בכל שלב.

הנה כמה צעדים כי רקטות לעבור כדי לשגר בהצלחה:

1)שלב ראשי

השלב העיקרי הוא השלב הראשון והחשוב ביותר של שיגור רקטות והוא נקרא גם השלב "0". בשלב זה, המנוע שורף דלק כדי לספק את הדחף הראשון. הדחף חייב להיות חזק מספיק כדי להניע את הרקטה למהירות גבוהה שלוקחת אותו לשמיים. הדחף חייב להיות גם חזק שכן זה חייב להיות מספיק כדי לשאת את המשקל הכבד של הרקטה, הכולל את המנוע הראשון. כאשר נגמר הדלק במנוע הראשון, הוא מתנתק מהטיל ומפעיל חומר נפץ קטן המחובר למנוע השני, אשר משתלט ותונע את החללית עוד יותר. המנוע הראשון נשרף ונופל חזרה לכדור הארץ. הניתוק של המנוע הראשון משאר הרקטה נקרא מנוע ראשי מנותק (MECO).

פשוט ככל שזה נשמע, השלב הראשון צריך להתגבר על מכשולים רבים לפני שהוא נשרף בהצלחה.

גרור עולה כמו הרקטות צובר מהירות:

גרור רקטות היא ההתנגדות כי הרקטה יש להתגבר כפי שהוא הולך לשמיים. כדי להבין גרור בשפה פשוטה, נניח שאתה פועל על רצועה. אם אתה רץ ביום רגוע כאשר הרוח נעה לאט, תשתמש בפחות מאמץ כדי לרוץ. מצד שני, אם אתה פועל נגד רוח חזקה, ריצה הופכת קצת יותר קשה. כמו כן, ככל שאתה רץ מהר יותר, כך אתה מקבל יותר התנגדות. אם אתה במהירות נמוכה שאתה מפעיל יכול לקבל חיכוך מהאוויר, לדמיין רכב שנוסע במהירויות של עד 16200 קמ"ש. הרקטה חייבת להתמודד עם הרבה התנגדות, לא?

ההשקה היא הקשה ביותר בשלב הראשון:

כוח הכבידה (המכונה בדרך כלל כוח G) גבוה יותר באטמוספירה התחתונה בהשוואה לאטמוספרות גבוהות יותר. יש גם רטט בתדר גבוה שיש לקחת בחשבון והמשקל העצום שהטיל נושא.

השלב העיקרי קובע את ההצלחה או הכישלון של שיגור רקטות:

כדי שטיל יחדור דרך הגרירה הנגרמת על ידי האטמוספירה ויצליח להשיג MAXQ, הדחף הראשוני חייב להיות חזק מספיק כדי לשאת את הרקטה דרך כל זה. אם מתרחש חישוב מוטעה קטן בשלב הראשי, הפרוייקט כולו צפוי להיכשל.

2) השלבים העליונים

הרקטה כבר נעה בשמיים במהירות גבוהה וכבר השילה משקל בדמות המנוע הראשון השרוף. לכן, משמעות הדבר היא כי המנוע בשלב זה יש משימה קלה יחסית לבצע בהשוואה למנוע השלב הראשון.
המטרה היחידה של שלב זה היא להכניס את הרקטה במהירות המסלול. זוהי המהירות הנדרשת כדי ליישר עם התנועה של אובייקטי חלל אחרים כמו כוכבי לכת ואחרים. הרקטה חייבת לנוע במהירות גבוהה כי בהצלחה נגד כוח המשיכה.

כישלון בהשגת המהירויות הגבוהות הנדרשות כדי להתגבר על כוח המשיכה פירושו כי הרקטה נמשכת בחזרה לקרקע על ידי כוח הכבידה. הדבר החשוב לציין כאן הוא כי ככל שהטיל קרוב יותר לפני השטח של כדור הארץ, כך אפקט המשיכה הכבידתי גבוה יותר והמהירות הנדרשת כדי להתגבר עליו גבוהה יותר.

לפני שמנוע השלב המשני נשרף, חייבים להתרחש הדברים הבאים:

• הרכב חייב להשיג חוסר משקל
• השג דירוג דחף ספציפי גבוה יותר
• תנועה מהירה יותר
• תנועת הרכב הופכת ליציבה

המנוע משומש על הבמה המשנית גם מנתק מן הרקטה בתהליך שנקרא מנוע שני מנותק (SECO). עם זאת, שרידי המנוע אינם יכולים לחזור לכדור הארץ (אלא אם כן הרקטה אמורה להיות שימוש חוזר כפי שנדון בהמשך) אלא להישאר בחלל, במסלול סביב גופים אחרים עד אינסוף. אלה השתמשו פלוגות רקטות מהווים חלק ממה שנקרא פסולת חלל או זבל חלל.

רקטות נשלחות בעיקר לחלל כדי לספק מטען. המטען הוא כל מטען שהועבר באמצעות רקטה, והוא עשוי לכלול מכשירי מחקר, לוויינים, כלי נשק ואנשים, בין שאר המטענים. אבל מה קורה לטילים אחרי שהם מעבירים את המטען שלהם?

באופן מסורתי, שימוש רקטות או ליפול על פני השטח של כדור הארץ לתוך מסלול ולהתחיל להתנדם יחד עם כדור הארץ. בפעמים אחרות, הרקטה מתפוררת ומתאדה כאשר היא נתקלת בטמפרטורות גבוהות. עם זאת, עם ההתקדמות האחרונה, אין להשמיד רקטות לאחר שימוש יחיד. רקטות אחרונים כמו פלקון של SpaceX האחרון ניתן להשתמש מחדש חלקית כדי להעביר מטענים עתידיים.