Hvordan Rocket Motorer Arbejde

{h1}

Raketmotorer udnytter energien til at få et rumskib fra jorden. Lær om raketmotorer med flydende drivstoff og fremtiden for raketmotorer.

-En af de mest fantastiske bestræbelser, mennesket nogensinde har gjort, er udforskningen af ​​rummet. En stor p-kunst af forundringen er kompleksiteten. Rumforskning er kompliceret, fordi der er så mange problemer at løse og forhindringer at overvinde. Du har ting som:

  • Rummets vakuum
  • Varmeforvaltningsproblemer
  • Vanskeligheden ved re-entry
  • Orbital mekanik
  • Mikrometeoritter og rumrester
  • Kosmisk og solstråling
  • Logistik af at have toiletfaciliteter i et vægtløst miljø

Men det største problem af alle er at udnytte tilstrækkelig energi til blot at få et rumskib fra jorden. Det er her raketmotorer kom ind.

Raketmotorer er på den ene side så simpelt, at du kan bygge og flyve dine egne modelraketter meget billigt (se linkene på den sidste side af artiklen for detaljer). På den anden side er raketmotorer (og deres brændselssystemer) så komplicerede, at kun tre lande rent faktisk har sat folk i kredsløb. I denne artikel vil vi se på raketmotorer for at forstå, hvordan de virker, samt at forstå nogle af de kompleksiteter, der omgiver dem.

-Wh-mens de fleste tænker på motorer eller motorer, tænker de på rotation. For eksempel producerer en frem- og tilbagegående benzinmotor i en bil rotationsenergi til at køre hjulene. En elektrisk motor producerer rotationsenergi til at køre en fan eller spinde en disk. En dampmotor bruges til at gøre det samme, som det er en dampturbine og de fleste gasturbiner.

Raketmotorer er fundamentalt forskellige. Raketmotorer er reaktion motorer. Det grundlæggende princip at drive en raketmotor er det berømte newtonske princip, at "for enhver handling er der en lige og modsat reaktion." En raketmotor kaster masse i en retning og drager fordel af den reaktion, der opstår i den anden retning som følge heraf.

Dette begreb om at "smide masse og drage fordel af reaktionen" kan være svært at forstå først, fordi det ikke synes at være, hvad der sker. Raketmotorer synes at være om flammer og støj og pres, ikke "smide ting". Lad os se på et par eksempler for at få et bedre billede af virkeligheden:

  • Hvis du nogensinde har skudt a haglgevær, især et stort 12-gauge haglgevær, så ved du, at det har en masse "kick". Det er, når du skyder pistolen, "sparker" din skulder tilbage med stor kraft. Det spark er en reaktion. Et haglgevær skyder om en ounce metal i en retning på omkring 700 miles i timen, og din skulder bliver ramt af reaktionen. Hvis du havde rulleskøjter eller stående på et skateboard, da du skudt pistolen, så ville pistolen fungere som en raketmotor, og du ville reagere ved at køre i modsat retning.
  • Hvis du nogensinde har set en stor brandslange sprøjtning af vand, har du måske bemærket, at det tager meget styrke at holde slangen (nogle gange kan du se to eller tre brandmænd, der holder slangen). Slangen fungerer som en raketmotor. Slangen kaster vand i en retning, og brandmændene bruger deres styrke og vægt til at modvirke reaktionen. Hvis de skulle slippe af slangen, ville det kaste sig rundt med enorm kraft. Hvis brandmændene alle stod på skateboards, ville slangen drive dem bagud med stor fart!
  • Når du springer op en ballon og lad det gå, så det flyver over rummet før du løber ud af luften, har du lavet en raketmotor. I dette tilfælde er det, der bliver kastet, luftmolekylerne inde i ballonen. Mange mennesker tror, ​​at luftmolekyler ikke vejer noget, men de gør det (se siden på helium for at få et bedre billede af luftens vægt). Når du smider dem ud af en ballons dyse, reagerer resten af ​​ballonen i modsat retning.

Dernæst vil vi se på et andet scenario, der forklarer handling og reaktion: Space Baseball.

-

Mere om Rocket Motorer

Indstil til Turbo Channel - stedet der skal programmeres om biler, motorcykler, fly og alt andet med en motor.

Handling og reaktion: Space Baseball Scenario

Et fjernbetjent kamera fanger et nærbillede af en rumfærds hovedmotor under en testaffyring ved John C. Stennis Space Center i Hancock County, Miss.

Et fjernbetjent kamera fanger et nærbillede af en rumfærds hovedmotor under en testaffyring ved John C. Stennis Space Center i Hancock County, Miss.

Forestil dig følgende situation: Du har på dig en pladsdragt, og du flyder i rummet ved siden af ​​rumfærgen; du har en baseball i din hånd.

Hvis du kaster baseball, vil din krop reagere ved at flytte i modsat retning af bolden. Det, der styrer den hastighed, hvormed din krop bevæger sig væk, er vægt af det baseball du kaster og mængden af acceleration at du anvender det. Massen multipliceret med acceleration er kraft (f = m * a). Uanset hvilken kraft du anvender til baseball, udlignes du af en identisk reaktionskraft, der påføres din krop (m * a = m * a). Så lad os sige, at baseball vejer 1 pund, og din krop plus pladspakken vejer 100 pund. Du smider baseball væk med en hastighed på 32 fod pr. Sekund (21 mph). Det vil sige at accelerere 1-pund baseball med din arm, så den opnår en hastighed på 21 mph. Din krop reagerer, men den vejer 100 gange mere end baseball. Derfor bevæger den sig væk ved et hundrededel af baseballens hastighed, eller 0,32 fod pr. Sekund (0,21 mph).

Hvis du vil generere mere fremstød fra dit baseball har du to muligheder: øge massen eller øge accelerationen.Du kan kaste et tungere baseball eller kaste et antal baseballs ene efter hinanden (øge massen), eller du kan kaste baseball hurtigere (forøgelse af accelerationen på det). Men det er alt, hvad du kan gøre.

En raketmotor kaster i almindelighed masse i form af a højtryksgas. Motoren kaster gasens masse ud i en retning for at få en reaktion i modsat retning. Massen kommer fra brændstofets vægt, som raketmotoren brænder. Brændingsprocessen accelererer brændstofmassen, så den kommer ud af raketdysen ved høj hastighed. Det faktum, at brændstoffet vender fra et fast stof eller en væske til en gas, når den brænder, ændrer ikke sin masse. Hvis du brænder et pund af raketbrændstof, kommer et pund udstødning ud i dysen i form af en højhastighedstog med høj hastighed. Formen ændres, men massen gør det ikke. Brændingsprocessen accelererer massen.

Lad os lære mere om presset næste.

Thrust

Hvordan Rocket Motorer Arbejde: motorer

"Styrken" af en raketmotor kaldes dens fremstød. Støtningen måles i "pounds of thrust" i USA og i Newtons under det metriske system (4,45 Newtons tryk er lig med 1 pund stødkraft). Et pund af stødkraft er den mængde tryk, det ville tage for at holde et 1 pund objekt stationært mod tyngdekraften på jorden. Så på jorden er accelerationen af ​​tyngdekraften 32 meter pr. Sekund pr. Sekund (21 mph pr. Sekund). Hvis du flydede i rummet med en pose med baseballs, og du smed et baseball per sekund væk fra dig ved 21 km / t, ville dine baseballs generere det tilsvarende 1 pund skudkraft. Hvis du skulle smide baseballs i stedet ved 42 mph, så ville du generere 2 pund af stødkraft. Hvis du smider dem på 2.100 mph (måske ved at skyde dem ud af en slags baseballpistol), så genererer du 100 pund af stød, og så videre.

Et af de sjove problemer, som raketter har, er, at de genstande, som motoren ønsker at kaste rent faktisk vejer noget, og raketen skal bære den vægt rundt. Så lad os sige, at du vil generere 100 pund af stød i en time ved at kaste et baseball hvert sekund med en hastighed på 2.100 mph. Det betyder at du skal starte med 3.600 1 pund baseballs (der er 3.600 sekunder om en time) eller 3.600 pund baseballs. Da du kun vejer 100 pund i dit mellemrum, kan du se, at vægten af ​​dit "brændstof" dværger vægten af ​​nyttelasten (dig). Faktisk brænder brændstoffet 36 gange mere end nyttelasten. Og det er meget almindeligt. Derfor er du nødt til at have en stor raket for at få en lille person i rummet lige nu - du skal bære meget brændstof.

Du kan se vægtækningen meget tydeligt på rumfærgen. Hvis du nogensinde har set rumfærgen lanceringen, ved du, at der er tre dele:

  • Orbiter
  • Den store eksterntank
  • De to faste raketboosters (SRBS)

Orbiter vejer 165.000 pund tomme. Den eksterne tank vejer 78,100 pounds tom. De to faste raketboosters vejer 185.000 pounds tomme hver. Men så skal du indlæse brændstoffet. Hver SRB besidder 1,1 millioner pund brændstof. Den eksterne tank indeholder 143.000 gallon flydende oxygen (1.359.000 pounds) og 383.000 gallons flydende hydrogen (226.000 pounds). Hele køretøjet - shuttle, udvendige tank, solid rocket booster huse og alt brændstof - har en samlet vægt på 4,4 millioner pounds ved lanceringen. 4,4 millioner pund for at få 165.000 pund i kredsløb er en ret stor forskel! For at være retfærdig kan orbiter også bære en 65.000 pund nyttelast (op til 15 x 60 fod i størrelse), men det er stadig en stor forskel. Brændstoffet vejer næsten 20 gange mere end Orbiter [kilde: Rumfærdsdriftshåndbogen].

Alt dette brændstof bliver kastet ud bag rumfærgen med en hastighed på måske 6.000 mph (typisk raket udstødningshastigheder for kemiske raketter varierer mellem 5.000 og 10.000 mph). SRB'erne brænder i ca. to minutter og genererer ca. 3,3 millioner pund stødpistol hver ved lancering (2,65 millioner pund gennemsnit over brændingen). De tre hovedmotorer (som bruger brændstoffet i den ydre tank) brænder i ca. otte minutter, hvilket genererer 375.000 pund stød hver under brændingen.

I næste afsnit ser vi på den særlige brændstofblanding i raketter med fast brændsel.

Fastbrændselsraketter: Brændselsblanding

En brændstofradiat umiddelbart før og efter tændingen

En brændstofradiat umiddelbart før og efter tændingen

Brændstofbrændstofmotorer var de første motorer, der blev skabt af manden. De blev opfundet hundredvis af år siden i Kina og har været brugt bredt siden da. Linjen om "raketens røde blænding" i nationalsangen (skrevet i begyndelsen af ​​1800-tallet) taler om små militære brændselsradietter, der bruges til at levere bomber eller brændstofanordninger. Så du kan se, at raketter har været i brug ganske lidt.

Ideen bag en simpel brændstoffraket er ligefrem. Hvad du vil gøre er at skabe noget, der brænder meget hurtigt, men eksploderer ikke. Som du sikkert er klar over, eksploderer krydderpulver. Krudt består af 75% nitrat, 15% kulstof og 10% svovl. I en raketmotor vil du ikke have en eksplosion - du vil gerne have kraften udgivet mere jævnt over en periode. Derfor kan du ændre blandingen til 72% nitrat, 24% kulstof og 4% svovl. I dette tilfælde får du i stedet for krydder et enkelt raketbrændstof. Denne slags blanding vil brænde meget hurtigt, men det eksploderer ikke, hvis det læsses korrekt. Her er et typisk tværsnit:

Til venstre ses raketen før tændingen. Det faste brændstof er vist i grønt. Det er cylindrisk, med et rør boret ned i midten. Når du tænder brændstoffet, brænder det langs rørets væg. Da det brænder, brænder det udad mod huset, indtil alt brændstoffet er brændt. I en lille model raketmotor eller i en lille flaske raket kan brændingen vare et sekund eller mindre.I en rumfærds SRB, der indeholder over en million pund brændstof, varer branden ca. to minutter.

Fastbrændselsraketter: Kanalkonfiguration

Hvordan Rocket Motorer Arbejde: rocket

Når du læser om avancerede fastbrændselsraketter som Shuttle's solid raketboosters, læser du ofte ting som:

Driftsblandingen i hver SRB-motor består af et ammoniumperchlorat (oxidator, 69,6 vægtprocent), aluminium (brændstof, 16 procent), jernoxid (en katalysator, 0,4 procent), en polymer (et bindemiddel, der holder blandingen sammen, 12,04 procent) og et epoxyhærdemiddel (1,96 procent). Drivmidlet er en 11-punkts stjerneformet perforering i fremad motorsegmentet og en dobbeltkorket perforering i hver af de bageste segmenter og aftørring. Denne konfiguration giver høj fremdrift ved tænding og reducerer derefter trykket med ca. en tredjedel 50 sekunder efter løft for at forhindre overbelastning af køretøjet under maksimalt dynamisk tryk. [kilde: NASA]

Dette afsnit omhandler ikke kun brændstofblandingen, men også konfigurationen af ​​den kanal, der bores i midten af ​​brændstoffet. En "11-punkts stjerneformet perforering" kan se sådan ud:

Tanken er at øge kanalens overflade, hvorved brændeområdet og dermed stødkraften øges. Når brændstoffet brænder, formes ud i en cirkel. I tilfælde af SRB'erne giver den motorens høje indledende tryk og lavere tryk i midten af ​​flyvningen.

Brændstofmotorer med tre brændstoffer har tre vigtige fordele:

  • Enkelhed
  • Lavpris
  • Sikkerhed

De har også to ulemper:

  • Thrust kan ikke styres.
  • Når den er tændt, kan motoren ikke stoppes eller genstartes.

Ulemperne betyder, at raketter med fast brændsel er nyttige til korte levetidsopgaver (som missiler) eller for boostersystemer. Når du skal kunne styre motoren, skal du bruge et flydende drivmiddel. Vi lærer om disse og andre muligheder næste.

Flydende drivstråler

Dr. Robert H. Goddard og hans flydende oxygen-benzin raket i rammen, hvorfra den blev fyret den 16. marts 1926, i Auburn, Mass. Det fløj i kun 2,5 sekunder, klatrede 41 fod og landede 184 meter væk i en kål patch.

Dr. Robert H. Goddard og hans flydende oxygen-benzin raket i rammen, hvorfra den blev fyret den 16. marts 1926, i Auburn, Mass. Det fløj i kun 2,5 sekunder, klatrede 41 fod og landede 184 meter væk i en kål patch.

I 1926 testede Robert Goddard den første væskedrevne raketmotor. Hans motor brugte benzin og flydende ilt. Han arbejdede også på og løste en række grundlæggende problemer i raketmotor design, herunder pumpemekanismer, kølestrategier og styringsarrangementer. Disse problemer er, hvad der gør flydende drivstråler så komplicerede.

Grundidéen er enkel. I de fleste flydende drivmotorer brændes en brændstof og en oxidator (for eksempel benzin og flydende oxygen) i et forbrændingskammer. Der brænder de for at skabe en højtryks- og højhastighedsstrøm af varme gasser. Disse gasser flyder gennem en dyse, der accelererer dem yderligere (5.000 til 10.000 mph udgangshastigheder er typiske), og derefter forlader de motoren. Det følgende meget forenklede diagram viser dig de grundlæggende komponenter.

Hvordan Rocket Motorer Arbejde: rocket

Dette diagram viser ikke de faktiske kompleksiteter af en typisk motor (se nogle af linkene nederst på siden for gode billeder og beskrivelser af rigtige motorer). For eksempel er det normalt, at enten brændstoffet eller oxidationsmidlet er en kold fortyndet gas som flydende hydrogen eller flydende oxygen. Et af de store problemer i en flydende drivmotor raketmotor køler forbrændingskammeret og dysen, så de kryogene væsker cirkuleres først omkring de opvarmede dele for at afkøle dem. Pumperne skal generere ekstremt høje tryk for at overvinde det tryk, som det brændende brændstof skaber i forbrændingskammeret. Hovedmotorerne i rumfærgen bruger faktisk to pumpestadier og brænder brændstof til at køre andre trin pumper. Al denne pumpning og afkøling gør en typisk væskedrivningsmotor til at se ud som et VVS-projekt, der er gået haywire end noget andet - se på motorerne på denne side for at se, hvad jeg mener.

Alle former for brændstofkombinationer anvendes i flydende drivmotorer. For eksempel:

  • Flydende brint og flydende ilt - bruges i rumfærgenes hovedmotorer
  • Bensin og flydende ilt - bruges i Goddards tidlige raketter
  • Kerosin og flydende ilt - bruges i første fase af de store Saturn V-boostere i Apollo-programmet
  • Alkohol og flydende ilt - bruges i de tyske V2 raketter
  • Nitrogentetroxid / monomethylhydrazin - bruges i Cassini-motorerne

Fremtiden for raketmotorer

Dette billede af en xenonionmotor, fotograferet gennem en port i vakuumkammeret, hvor den blev testet på NASAs Jet Propulsion Laboratory, viser, at den svage blå glød af ladede atomer udsendes fra motoren. Jonfremdrivningsmotoren er den første ikke-kemiske fremdrift, der skal anvendes som det primære middel til fremdrift af et rumfartøj.

Dette billede af en xenonionmotor, fotograferet gennem en port i vakuumkammeret, hvor den blev testet på NASAs Jet Propulsion Laboratory, viser, at den svage blå glød af ladede atomer udsendes fra motoren. Jonfremdrivningsmotoren er den første ikke-kemiske fremdrift, der skal anvendes som det primære middel til fremdrift af et rumfartøj.

Vi er vant til at se kemiske raketmotorer, der brænder deres brændstof for at generere trykkraft. Der er mange andre måder at generere tryk på. Ethvert system, der smider masse ville gøre. Hvis du kunne finde ud af en måde at accelerere baseballs til ekstremt høje hastigheder, ville du have en levedygtig raketmotor. Det eneste problem med en sådan tilgang ville være baseball "udstødning" (high-speed baseballs ved det) venstre streaming gennem rummet. Dette lille problem bevirker, at designere af raketmotorer favoriserer gasser til udstødningsproduktet.

Mange raketmotorer er meget små. For eksempel behøver attitude-thrusters på satellitter ikke at producere meget kraft. Et fælles motor design fundet på satellitter bruger slet ikke "brændstof" tryksatte kvælstofdrivere blot blæse nitrogengas fra en tank gennem en dyse. Thrusters som disse holdt Skylab i kredsløb og bruges også på skyttens bemandede manøvreringssystem.

Nye motordesigner forsøger at finde måder at accelerere på ioner eller atompartikler til ekstremt høje hastigheder for at skabe fremdrift mere effektivt. NASAs Deep Space-1 rumfartøj var den første til at anvende ionmotorer til fremdrivning [kilde: SPACE.com]. Se denne side for yderligere diskussion af plasma- og ionmotorer.

For mere information om raketmotorer og relaterede emner, se linkene på næste side.


Video Supplement: Estes Mini to Standard rocket motor adapter test flight.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com