Kodėl raketa skrenda. Kaip kyla raketa: astronautika paprastais žodžiais Kodėl raketos skrenda į kosmosą

Raketos į kosmosą keliamos deginant skystąjį arba kietąjį kurą. Uždegus didelio stiprumo degimo kamerose, šis kuras, paprastai susidedantis iš kuro ir oksidatoriaus, sukuria didžiulį šilumos kiekį, sukurdamas labai aukštą slėgį, dėl kurio degimo produktai juda link žemės paviršius per besiplečiančius purkštukus.

Kadangi degimo produktai iš purkštukų teka žemyn, raketa pakyla aukštyn. Šis reiškinys paaiškinamas trečiuoju Niutono dėsniu, pagal kurį kiekvienas veiksmas yra lygus dydžiui ir priešingas opozicijos kryptimi. Kadangi skystu kuru varomus variklius lengviau valdyti nei kietojo kuro variklius, jie dažniausiai naudojami kosminėse raketose, ypač raketoje Saturn 5, parodytoje paveikslėlyje kairėje. Ši trijų pakopų raketa sudegina tūkstančius tonų skysto vandenilio ir deguonies, kad iškeltų erdvėlaivį į orbitą.

Norint greitai pakilti į viršų, raketos trauka turi viršyti jos svorį maždaug 30 procentų. Be to, jei erdvėlaivis turėtų išvažiuoti į žemuminę orbitą, jis turėtų išvystyti apie 8 kilometrų per sekundę greitį. Raketos trauka gali siekti kelis tūkstančius tonų.

1. Penki pirmos pakopos varikliai raketą pakelia į 50-80 kilometrų aukštį. Sunaudojus pirmojo etapo degalus, jie atsiskirs ir užsives antrojo etapo varikliai.
2. Praėjus maždaug 12 minučių po paleidimo, antroji pakopa raketą pristato į daugiau nei 160 kilometrų aukštį, o po to ji atsiskiria tuščiais tankais. Gelbėjimo raketa taip pat yra atskirta.
3. Varoma vieno trečios pakopos variklio, raketa perkelia erdvėlaivį „Apollo“ į laikiną artimą žemei orbitą, maždaug 320 kilometrų aukštyje. Po trumpos pertraukėlės vėl įsijungia varikliai, padidindami erdvėlaivio greitį iki maždaug 11 kilometrų per sekundę ir nukreipdami jį Mėnulio link.

Pirmosios pakopos F-1 variklis degina degalus ir išleidžia degimo produktus į aplinką.

Išskridęs į orbitą erdvėlaivis „Apollo“ gauna greitėjantį impulsą Mėnulio link. Tada atskiriama trečioji pakopa ir erdvėlaivis, susidedantis iš komandos ir Mėnulio modulių, įskrieja į 100 kilometrų orbitą aplink Mėnulį, po kurios Mėnulio modulis nusileidžia. Pristačius Mėnulyje apsilankiusius astronautus į komandinį modulį, Mėnulio modulis atsiskiria ir nustoja veikti.

Net tarp studijavusių fiziką žmonių dažnai tenka išgirsti visiškai klaidingą raketos skrydžio paaiškinimą: ji skrenda, nes tarsi savo dujomis, susidarančiomis joje degant parakui, yra atstumiama iš oro. Taip jie manė senais laikais (raketos – senas išradimas). Tačiau jei raketa būtų paleista į beorę erdvę, ji skristų ne prasčiau, o net geriau nei ore. Tikroji raketos judėjimo priežastis yra visiškai kita. Tai labai aiškiai ir paprastai išdėstė revoliucionierius pirmasis kankinys Kibalchichas savo savižudybės rašte apie jo išrastą skraidymo aparatą. Aiškindamas kovinių raketų struktūrą, jis rašė:

„Iš presuotų miltelių pagamintas cilindras sandariai įkišamas į skardinį cilindrą, uždarytas ant vieno pagrindo, o ant kito atviras, išilgai jo ašies yra kanalo pavidalo tuštuma. Miltelių degimas prasideda nuo šio kanalo paviršiaus ir per tam tikrą laiką plinta į išorinį suspaustų miltelių paviršių; degimo metu susidarančios dujos sukuria slėgį visomis kryptimis; bet šoniniai dujų slėgiai yra tarpusavyje subalansuoti, o slėgis miltelių skardos apvalkalo apačioje, nesubalansuotas priešingo slėgio (kadangi dujos turi laisvą išėjimą šia kryptimi), stumia raketą į priekį.

Čia vyksta tas pats, kas šaudant iš patrankos: sviedinys skrenda į priekį, o pati patranka stumiama atgal. Prisiminkite ginklo ir visų kitų „atatranką“. šaunamieji ginklai! Jei patranka kabėtų ore, niekuo nepasiremdama, po šūvio ji judėtų atgal tam tikru greičiu, kuris yra tiek kartų mažesnis už sviedinio greitį, kiek kartų sviedinys yra lengvesnis už patį pabūklą. . Žiulio Verno mokslinės fantastikos romane „Aukštyn kojom“ amerikiečiai netgi sumanė panaudoti milžiniškos patrankos atatrankos jėgą, kad įvykdytų grandiozinį įsipareigojimą – „ištiesintų žemės ašį“.

Raketa yra ta pati patranka, tik ji svaido ne sviedinius, o parako dujas. Dėl tos pačios priežasties sukasi vadinamasis „kiniškas ratas“, kuriuo turbūt teko grožėtis statant fejerverkus: parakui degant prie rato pritvirtintuose vamzdžiuose dujos išteka viena kryptimi, patys vamzdžiai (o kartu su jais). ratas) judės atgal. Iš esmės tai tik gerai žinomo fizinio įrenginio – Segnerian rato – modifikacija.

Įdomu pastebėti, kad iki garlaivio išradimo egzistavo mechaninė laivo konstrukcija, pagrįsta ta pačia pradžia; vandens tiekimas laive turėjo būti išmestas naudojant stipraus slėgio siurblį laivagalyje; dėl to laivas turėjo judėti į priekį, kaip tos plūduriuojančios skardinės, kurios yra prieinamos, kad įrodytų nagrinėjamą principą mokyklos fizikos kabinetuose. Šis projektas (pasiūlytas Ramsey) nebuvo įgyvendintas, tačiau jis atliko garsų vaidmenį išrandant garlaivį, nes pastūmėjo Fultoną įgyvendinti savo idėją.

Taip pat žinome, kad seniausias garo variklis, kurį II amžiuje prieš Kristų išrado Aleksandrijos Heronas, buvo sukonstruotas pagal tą patį principą: garai iš katilo buvo tiekiami vamzdžiu į rutulį, pritvirtintą ant horizontalios ašies; tada ištekėję iš alkūnėmis sulenktų vamzdžių, garai pastūmė šiuos vamzdelius priešinga kryptimi ir rutulys pradėjo suktis.

Deja, Gerono garo turbina senovėje išliko tik smalsu žaislu, nes pigus vergų darbas neprivertė nė vieno praktiškai naudotis mašinomis. Tačiau paties principo neatsisakė ir technologijos: mūsų laikais jis naudojamas reaktyvinių turbinų konstrukcijoje.

Niutonas, veiksmo ir reakcijos dėsnio autorius, priskiriamas vienam iš ankstyviausių garo automobilio projektų, paremtų tuo pačiu principu: iš ant ratų pastatyto katilo garai išbėga viena kryptimi, o pats katilas, dėl atsitraukia, rieda į priešingą pusę.

Raketiniai automobiliai, kurių eksperimentai buvo plačiai aprašyti laikraščiuose ir žurnaluose 1928 m., yra moderni Niutono universalo modifikacija.

Tinklavimo mėgėjams – popierinio garlaivio brėžinys, taip pat labai panašus į Niutono karutį: iš tuščio kiaušinio, pakaitinto spirite suvilgytu vatos tamponu antpirštyje, garai generuojami garų katile; pabėgdamas kaip čiurkšlė viena kryptimi, jis priverčia visą garlaivį judėti priešinga kryptimi. Tačiau norint sukurti šį pamokantį žaislą, reikia labai įgudusių rankų.

Ir mes žinome, kad judėjimui įvykti būtinas tam tikros jėgos veikimas. Kūnas arba pats turi atstumti nuo kažko, arba išorinis kūnas turi stumti duotąjį. Tai mums gerai žinoma ir suprantama iš gyvenimiškos patirties.

Nuo ko atstumti kosmose?

Žemės paviršiuje galite atsitraukti nuo paviršiaus arba nuo ant jo esančių objektų. Judėjimui paviršiuje naudojamos kojos, ratai, vikšrai ir pan. Vandenyje ir ore galite atstumti patį vandenį ir orą, kurie turi tam tikrą tankį, todėl leidžia su jais bendrauti. Gamta tam pritaikė pelekus ir sparnus.

Žmogus sukūrė variklius sraigtų pagrindu, kurie dėl sukimosi daug kartų padidina sąlyčio su terpe plotą ir leidžia atsitraukti nuo vandens ir oro. Bet kaip apie beorę erdvę? Nuo ko pradėti kosmose? Nėra oro, nėra nieko. Kaip skristi kosmose? Čia yra impulso išsaugojimo dėsnis ir principas reaktyvinis varymas... Pažiūrėkime atidžiau.

Impulsas ir reaktyvinio judėjimo principas

Impulsas yra kūno masės sandauga pagal jo greitį. Kai kūnas stovi, jo greitis lygus nuliui. Tačiau kūnas turi tam tikrą masę. Nesant išorinių poveikių, jei dalis masės atsiskiria nuo kūno tam tikru greičiu, tai pagal impulso tvermės dėsnį likusi kūno dalis taip pat turi įgyti tam tikrą greitį, kad bendras impulsas išliktų lygus. iki nulio.

Be to, likusios pagrindinės kūno dalies greitis priklausys nuo greičio, kuriuo atsiskirs mažesnė dalis. Kuo didesnis šis greitis, tuo didesnis bus pagrindinio korpuso greitis. Tai suprantama, jei prisiminsime kūnų elgesį ant ledo ar vandenyje.

Jei du žmonės yra šalia, o tada vienas iš jų stumia kitą, tai jis ne tik suteiks tą pagreitį, bet ir skris atgal. Ir kuo stipriau ką nors stumdys, tuo greičiau pats nuskris.

Žinoma, jūs turėjote būti panašioje situacijoje ir galite įsivaizduoti, kaip tai atsitiks. Taigi, tuo remiasi reaktyvinis varymas.

Raketos, kuriose įgyvendinamas šis principas, dideliu greičiu išmeta dalį savo masės, dėl to pačios įgauna tam tikrą pagreitį priešinga kryptimi.

Kaitinamųjų dujų srautai, susidarantys deginant kurą, išmetami pro siaurus purkštukus, kad būtų užtikrintas didžiausias įmanomas greitis. Tuo pačiu metu raketos masė mažėja šių dujų masės dydžiu ir ji įgauna tam tikrą greitį. Taigi fizikoje įgyvendinamas reaktyvinio judėjimo principas.

Raketos skrydžio principas

Raketose naudojama daugiapakopė sistema. Skrydžio metu apatinė pakopa, išnaudojusi visą degalų atsargą, atskiriama nuo raketos, siekiant sumažinti bendrą jos masę ir palengvinti skrydį.

Pakopų skaičius mažėja, kol darbinė dalis lieka palydovo ar kito erdvėlaivio pavidalu. Kuras apskaičiuojamas taip, kad jo užtektų tik patekti į orbitą.

Kosmosas yra paslaptinga ir maksimaliai nepalanki erdvė. Nepaisant to, Ciolkovskis manė, kad žmonijos ateitis slypi būtent erdvėje. Nėra jokios priežasties ginčytis su šiuo puikiu mokslininku. Kosmosas yra beribės visos žmogaus civilizacijos vystymosi ir gyvenamosios erdvės plėtros perspektyvos. Be to, jis slepia atsakymus į daugelį klausimų. Šiandien žmogus aktyviai naudojasi kosmine erdve. O mūsų ateitis priklauso nuo to, kaip kils raketos. Ne mažiau svarbus ir žmonių supratimas apie šį procesą.

Kosminės lenktynės

Ne taip seniai dvi galingos supervalstybės buvo valstybėje Šaltasis karas... Tai buvo tarsi nesibaigiančios varžybos. Daugelis nori apibūdinti šį laikotarpį kaip įprastines ginklavimosi varžybas, tačiau taip nėra. Tai yra mokslo lenktynės. Būtent jai esame skolingi daug civilizacijos dalykėlių ir privalumų, prie kurių esame taip įpratę.

Kosminės lenktynės buvo tik vienas iš svarbiausių Šaltojo karo elementų. Vos per kelis dešimtmečius žmonės perėjo nuo įprastinių atmosferinių skrydžių prie nusileidimo Mėnulyje. Tai neįtikėtina pažanga, palyginti su kitais pasiekimais. Tuo nuostabiu metu žmonės manė, kad Marso tyrinėjimas yra daug artimesnis ir realesnis uždavinys nei SSRS ir JAV susitaikymas. Būtent tada žmones labiausiai žavėjo kosmosas. Beveik kiekvienas studentas ar moksleivis suprato, kaip kyla raketa. Tai nebuvo sunkus žinojimas, priešingai. Ši informacija buvo paprasta ir labai įdomi. Astronomija tapo nepaprastai svarbi tarp kitų mokslų. Tais metais niekas negalėjo pasakyti, kad Žemė plokščia. Įperkamas išsilavinimas visur išnaikino nežinojimą. Tačiau tie laikai seniai praėjo, o šiandien viskas visiškai ne taip.

Dekadansas

Žlugus SSRS, konkursas baigėsi. Kosmoso programų perteklinio finansavimo priežastis išnyko. Daugelis perspektyvių ir proveržį žadančių projektų niekada nebuvo įgyvendinti. Žvaigždžių siekimo laikas užleido vietą tikram dekadansui. Tai, kaip žinote, reiškia nuosmukį, regresiją ir tam tikrą degradacijos laipsnį. Nereikia būti genijumi, kad tai suprastum. Pakanka atkreipti dėmesį į žiniasklaidos tinklą. Sekta plokščia žemė aktyviai vykdo savo propagandą. Žmonės nežino elementarių dalykų. V Rusijos Federacija astronomijos mokyklose visai nemokoma. Jei prieisite prie praeivio ir paklausite, kaip kyla raketos, jis neatsakys į šį paprastą klausimą.

Žmonės net nežino, kokia trajektorija skrenda raketos. Tokiomis sąlygomis nėra prasmės klausti apie orbitos mechaniką. Trūksta tinkamo išsilavinimo, atsirado Holivudas ir vaizdo žaidimai klaidingas supratimas apie kosmosą ir apie skrydžius į žvaigždes.

Tai nėra vertikalus skrydis

Žemė nėra plokščia, ir tai yra neginčijamas faktas. Žemė net ne rutulys, nes ties ašigaliais šiek tiek suplota. Kaip tokiomis sąlygomis kyla raketos? Pakopomis, keliais etapais ir ne vertikaliai.

Didžiausia mūsų laikų klaidinga nuomonė yra ta, kad raketos kyla vertikaliai. Tai visai ne taip. Tokia įėjimo į orbitą schema yra įmanoma, tačiau labai neveiksminga. Raketų kuras labai greitai baigiasi. Kartais greičiau nei per 10 minučių. Tokiam pakilimui tiesiog neužtenka degalų. Šiuolaikinės raketos kyla tik vertikaliai Pradinis etapas skrydis. Tada automatika pradeda šiek tiek svirti raketą. Be to, kuo didesnis skrydžio aukštis, tuo labiau pastebimas kosminės raketos posūkio kampas. Taigi, orbitos apogėjus ir perigėjus formuojasi subalansuotai. Taip pasiekiamas patogiausias efektyvumo ir degalų sąnaudų balansas. Pasirodo, orbita yra arti tobulo apskritimo. Niekada nebus idealu.

Jei raketa kyla vertikaliai aukštyn, kulminacija yra neįtikėtinai didžiulė. Degalai baigsis prieš pasirodant perigėjui. Kitaip tariant, raketa ne tik neskris į orbitą, bet dėl ​​degalų trūkumo paraboliškai grįš į planetą.

Variklis yra visko esmė

Joks kūnas negali judėti pats. Turi būti kažkas, kas verčia jį tai daryti. Šiuo atveju tai yra raketinis variklis. Į kosmosą pakilusi raketa nepraranda savo gebėjimo judėti. Daugeliui tai nesuprantama, nes vakuume degimo reakcija neįmanoma. Atsakymas yra kuo paprastesnis: šiek tiek kitoks.

Taigi, raketa įskrenda. Jos tankuose yra du komponentai. Tai kuras ir oksidatorius. Sumaišius juos kartu, mišinys užsidega. Tačiau iš purkštukų išbėga ne ugnis, o kaitinamosios dujos. Šiuo atveju nėra prieštaravimų. Ši sąranka puikiai veikia vakuume.

Raketų varikliai yra kelių tipų. Tai skystas, kietas raketinis, joninis, elektroreaktyvus ir branduolinis. Pirmieji du tipai naudojami dažniausiai, nes jie gali užtikrinti didžiausią sukibimą. Skystojo kuro raketos naudojamos kosminėse raketose, kietojo kuro - tarpžemyninėse balistinėse raketose su branduoliniu užtaisu. Elektroreaktyvūs ir branduoliniai sukurti efektyviausiam judėjimui vakuume, ir būtent į juos dedamos didžiausios viltys. Šiuo metu jie nenaudojami ne bandymų stenduose.

Tačiau „Roscosmos“ neseniai pateikė užsakymą sukurti branduolinį orbitinį vilkiką. Tai suteikia pagrindo tikėtis technologijų plėtros.

Siaura orbitinių manevrinių variklių grupė yra atskirta. Jie skirti valdyti.Tačiau jie naudojami ne raketose, o erdvėlaiviuose. Jų neužtenka skraidymui, bet užtenka manevruoti.

Greitis

Deja, šiais laikais žmonės kosmines keliones tapatina su pagrindiniais matavimo vienetais. Kaip greitai pakyla raketa? Šis klausimas nėra visiškai teisingas, kalbant apie Visai nesvarbu, kaip greitai jie kyla.

Raketų yra nemažai, ir visų jų greitis skiriasi. Tie, kurie skirti astronautams paleisti į orbitą, skrenda lėčiau nei krovininiai. Žmogų, skirtingai nei krovinį, riboja perkrovos. Krovininės raketos, tokios kaip itin sunkioji „Falcon Heavy“, pakyla per greitai.

Tikslius greičio vienetus sunku apskaičiuoti. Visų pirma todėl, kad jos priklauso nuo nešančiosios raketos (paleidimo priemonės) naudingosios apkrovos. Visiškai logiška, kad pilnai pakrauta nešėja pakyla daug lėčiau nei pustuščia raketa. Tačiau yra bendra vertybė, kurią siekia pasiekti visos raketos. Tai vadinama kosminiu greičiu.

Yra pirmasis, antrasis ir atitinkamai trečiasis kosminis greitis.

Pirmasis – reikalingas greitis, kuris leis judėti orbita ir nenukristi ant planetos. Tai 7,9 km per sekundę.

Antrasis reikalingas norint palikti žemės orbitą ir patekti į kito dangaus kūno orbitą.

Trečiasis leis aparatui įveikti gravitaciją. Saulės sistema ir palikti ją. Tokiu greičiu skrenda „Voyager 1“ ir „Voyager 2“. Tačiau, priešingai nei skelbia žiniasklaida, jie vis dar nepaliko Saulės sistemos ribų. Astronomiškai jiems prireiktų mažiausiai 30 000 metų, kad pasiektų Hortos debesį. Heliopauzė nėra žvaigždžių sistemos riba. Tai kaip tik vieta, kur saulės vėjas susiduria su tarpsistemine aplinka.

Aukštis

Kaip aukštai pakyla raketa? Ta, kuri reikalinga. Pasiekus hipotetinę erdvės ir atmosferos ribą, neteisinga matuoti atstumą tarp erdvėlaivio ir planetos paviršiaus. Įskridęs į orbitą erdvėlaivis yra kitoje aplinkoje, o atstumas matuojamas atstumu.

Raketa yra greičiausia transporto priemonė, nes turi specialų variklį – reaktyvinį lėktuvą. Degalai, pripildę raketos bakus, pagal komandą „uždegimas“ mirksi ir pradeda degti. Taip kuras virsta karštomis dujomis. Tada dujos su didžiule jėga išsiveržia pro raketos antgalį. Antgalis yra skylė raketos apačioje. Dujų srovė nukreipta į vieną pusę, o raketa, jai prieštaraudama, veržiasi priešinga kryptimi. Norint nukreipti raketą norima kryptimi, būtina valdyti išbėgančių karštų dujų srovę. Reaktyvinio varymo pavyzdžiai yra kalmarai ir kiti jūros gyvūnai.

Raketa didžiulė, jos aukštis – 90 metrų. Raketos paskirtis – gabenti krovinį į kosmosą, todėl ji vadinama stiprintuvu. Krovinys gali būti palydovas arba erdvėlaivis. Šis krovinys yra labai sunkus ir norint jį pakelti reikia kelių raketų. Taigi raketos išsirikiuoja piramidės pavidalu, viena ant kitos, žingsniais. Ir kartu jie sudaro vieną galingą daugiapakopę raketą. Krovinys dedamas pačiame raketos viršuje. Jis padengtas galvos apdangalu. Kiekviena pakopa yra nepriklausoma raketa. Varikliai yra raketos uodegoje, likusią dalį užima kuro bakai.

Žingsniai veikia paeiliui. Pirmiausia pradeda veikti apatinė pakopa. Ji pati galingiausia. Jame esantiems degalams išdegus, jis automatiškai atsiskiria ir pradeda dirbti vidurinė pakopa. Raketa greitai įgauna greitį, o pasibaigus kurui taip pat automatiškai atsijungia. Trečiasis etapas pradeda veikti. Trečiasis etapas dar greičiau pagreitina laivą. Taigi jis įgauna pirmąjį kosmoso greitį ir iškeliauja į orbitą. Tada erdvėlaivis skrenda pats, o trečioji paskutinė pakopa taip pat atsiskiria ir nukrenta į Žemę. Bet raketos nepasiekia Žemės, nes krisdamos įkaista ir sudega.

Kaip veikia erdvėlaivis?

Jį sudaro dvi dalys. Pirmasis yra „nusileidimo transporto priemonė“, antrasis yra „prietaisų skyrius“. Nusileidimo transporto priemonė yra maža kabina, kurioje yra astronautai. Jame telpa tik astronautų kėdės. Ten jie dirba ir ilsisi. Įėjimo liukas ir iliuminatoriai sandariai uždaryti.