HowStuffWorks 2005 Se fler raketbilder. En av de mest fantastiska strävanden människan någonsin har gjort är att utforska rymden. En stor del av förvåningen är komplexiteten. Utforskning av rymden är komplicerat eftersom det finns så många problem att lösa och hinder att övervinna. Du har saker som:
Men det största problemet av allt är att utnyttja tillräckligt med energi helt enkelt för att få ett rymdskepp från marken. Det är där raketmotorer kom in.
Raketmotorer är, å ena sidan, så enkelt att du kan bygga och flyga dina egna modellraketer väldigt billigt (se länkarna på artikelns sista sida för detaljer). Å andra sidan, raketmotorer (och deras bränslesystem) är så komplicerade att bara tre länder faktiskt någonsin har satt människor i en bana. I den här artikeln, vi kommer att titta på raketmotorer för att förstå hur de fungerar, samt att förstå en del av komplexiteten kring dem.
När de flesta tänker på motorer eller motorer, de tänker på rotation. Till exempel, en fram- och återgående bensinmotor i en bil producerar rotationsenergi för att driva hjulen. En elmotor producerar rotationsenergi för att driva en fläkt eller snurra en skiva. En ångmaskin används för att göra samma sak, liksom en ångturbin och de flesta gasturbiner.
Raketmotorer är i grunden olika. Raketmotorer är reaktion motorer. Grundprincipen som driver en raketmotor är den berömda newtonska principen att "för varje handling finns en lika och motsatt reaktion." En raketmotor kastar massa i ena riktningen och drar nytta av reaktionen som sker i den andra riktningen som ett resultat.
Det här begreppet "att kasta massa och dra nytta av reaktionen" kan vara svårt att förstå först, för det verkar inte vara det som händer. Raketmotorer verkar handla om lågor och buller och tryck, inte "kasta saker". Låt oss titta på några exempel för att få en bättre bild av verkligheten:
Nästa, vi kommer att titta på ett annat scenario som förklarar handling och reaktion:rymdbaseball.
Mer om raketmotorer
Lyssna på Turbo Channel - platsen för programmering om bilar, motorcyklar, plan och allt annat med en motor.
Innehåll
En fjärrkamera fångar en närbild av en rymdfärjans huvudmotor under en testskjutning vid John C. Stennis Space Center i Hancock County, Fröken. Foto med tillstånd av NASA Föreställ dig följande situation:Du bär en rymddräkt och du flyter i rymden bredvid rymdfärjan; du råkar ha en baseboll i handen.
Om du kastar baseboll, din kropp kommer att reagera genom att röra sig i bollens motsatta riktning. Det som styr hastigheten med vilken din kropp rör sig bort är vikt baseboll som du kastar och mängden acceleration att du ansöker om det. Mass multiplicerad med acceleration är kraft (f =m * a). Vilken kraft du än använder på basebolln kommer att utjämnas med en identisk reaktionskraft som appliceras på din kropp (m * a =m * a). Så låt oss säga att basebollen väger 1 pund, och din kropp plus rymddräkten väger 100 kilo. Du kastar basebollen med en hastighet av 32 fot per sekund (21 mph). Det vill säga, du accelererar 1-pund baseboll med din arm så att den uppnår en hastighet på 21 mph. Din kropp reagerar, men den väger 100 gånger mer än basebollen. Därför, den rör sig bort med en hundradel basebollens hastighet, eller 0,32 fot per sekund (0,21 mph).
Om du vill generera mer sticka från din baseboll, du har två alternativ:öka massan eller öka accelerationen. Du kan kasta en tyngre baseboll eller kasta ett antal basebollar en efter en (öka massan), eller så kan du kasta basebollen snabbare (öka accelerationen på den). Men det är allt du kan göra.
En raketmotor kastar i allmänhet massa i form av en högtrycksgas . Motorn kastar ut gasmassan i en riktning för att få en reaktion i motsatt riktning. Massan kommer från vikten av bränslet som raketmotorn bränner. Förbränningsprocessen påskyndar massan av bränsle så att det kommer ut ur raketmunstycket med hög hastighet. Det faktum att bränslet förvandlas från ett fast ämne eller vätska till en gas när det brinner ändrar inte dess massa. Om du bränner ett kilo raketbränsle, ett kilo avgaser kommer ut från munstycket i form av en hög temperatur, gas med hög hastighet. Formen ändras, men massan gör det inte. Bränningsprocessen accelererar massan.
Låt oss lära oss mer om dragkraft nästa.
En raketmotors "styrka" kallas dess sticka . Kraften mäts i "pund av dragkraft" i USA och i Newtons under det metriska systemet (4,45 Newtons dragkraft är lika med 1 pund dragkraft). Ett kilo dragkraft är mängden dragkraft som skulle krävas för att hålla ett objekt på 1 kilo stillastående mot tyngdkraften på jorden. Så på jorden, tyngdaccelerationen är 32 fot per sekund per sekund (21 mph per sekund). Om du svävade i rymden med en påse baseballs och du kastade en baseboll per sekund från dig vid 21 km / h, dina basbollar skulle generera motsvarande 1 pund dragkraft. Om du skulle kasta basbollarna istället i 42 mph, då skulle du generera 2 kilo dragkraft. Om du kastar dem på 2, 100 mph (kanske genom att skjuta dem ur någon form av basebollpistol), då genererar du 100 kilo dragkraft, och så vidare.
Ett av de roliga problemen som raketer har är att de föremål som motorn vill kasta faktiskt väger något, och raketen måste bära den vikten. Så låt oss säga att du vill generera 100 kilo dragkraft i en timme genom att kasta en baseboll varje sekund med en hastighet av 2, 100 mph. Det betyder att du måste börja med 3, 600 1-pund basebollar (det finns 3, 600 sekunder på en timme), eller 3, 600 kilo basbollar. Eftersom du bara väger 100 kilo i din rymddräkt, du kan se att vikten av ditt "bränsle" dvärgar vikten av nyttolasten (du). Faktiskt, bränslevikten 36 gånger mer än nyttolasten. Och det är väldigt vanligt. Det är därför du måste ha en enorm raket för att få en liten person ut i rymden just nu - du måste bära mycket bränsle.
Du kan se viktekvationen mycket tydligt på rymdfärjan. Om du någonsin har sett rymdfärjan starta, du vet att det finns tre delar:
Orbiter väger 165, 000 pund tomt. Den yttre tanken väger 78, 100 pund tomt. De två fasta raketförstärkarna väger 185, 000 pund tomma vardera. Men då måste du ladda in bränslet. Varje SRB rymmer 1,1 miljoner pund bränsle. Den yttre tanken rymmer 143, 000 liter flytande syre (1, 359, 000 pund) och 383, 000 liter flytande väte (226, 000 pund). Hela fordonet - buss, extern tank, fasta raketförstärkare och allt bränsle - har en totalvikt på 4,4 miljoner pund vid lanseringen. 4,4 miljoner pund för att få 165, 000 pund i omloppsbana är en ganska stor skillnad! För att vara rättvis, orbitern kan också bära en 65, 000 pund nyttolast (upp till 15 x 60 fot i storlek), men det är fortfarande en stor skillnad. Bränslet väger nästan 20 gånger mer än Orbiter [källa:rymdfärjans operatörshandbok].
Allt det bränslet kastas ut på rymdfärjan på baksidan med kanske 6 hastigheter, 000 mph (typiska raketavgaser för kemiska raketer varierar mellan 5, 000 och 10, 000 mph). SRB:erna brinner i cirka två minuter och genererar cirka 3,3 miljoner pund dragkraft vardera vid lanseringen (2,65 miljoner pund i genomsnitt över bränningen). De tre huvudmotorerna (som använder bränslet i den yttre tanken) brinner i cirka åtta minuter, genererar 375, 000 kilo dragkraft var och en under bränningen.
I nästa avsnitt, vi kommer att titta på den specifika bränsleblandningen i fastbränsleraketer.
En raket med fast bränsle omedelbart före och efter tändning Rakettmotorer med fast bränsle var de första motorerna som skapades av människan. De uppfanns för hundratals år sedan i Kina och har använts i stor utsträckning sedan dess. Raden om "raketens röda bländning" i nationalsången (skriven i början av 1800-talet) talar om små militära fastbränsleraketer som används för att leverera bomber eller eldningsanordningar. Så du kan se att raketer har använts ganska länge.
Tanken bakom en enkel fastbränsleraket är enkel. Det du vill göra är att skapa något som brinner mycket snabbt men inte exploderar. Som ni säkert vet, krut exploderar. Krut består av 75% nitrat, 15% kol och 10% svavel. I en raketmotor, du vill inte ha en explosion - du skulle vilja att strömmen släpps ut jämnare över en tidsperiod. Därför kan du ändra blandningen till 72% nitrat, 24% kol och 4% svavel. I detta fall, istället för krut, du får ett enkelt raketbränsle. Denna typ av blandning kommer att brinna mycket snabbt, men det exploderar inte om det laddas korrekt. Här är ett typiskt tvärsnitt:
Till vänster ser du raketen före tändning. Det fasta bränslet visas i grönt. Den är cylindrisk, med ett rör borrat i mitten. När du tänder bränslet, det brinner längs rörets vägg. När det brinner, det brinner utåt mot höljet tills allt bränsle har brunnit. I en liten modell raketmotor eller i en liten flaskraket kan brännskadorna pågå en sekund eller mindre. I en rymdfärja SRB som innehåller över en miljon pund bränsle, bränningen varar i cirka två minuter.
När du läser om avancerade fastbränsleraketer som Shuttles fasta raketförstärkare, du läser ofta saker som:
Drivmedelsblandningen i varje SRB -motor består av ett ammoniumperklorat (oxidationsmedel, 69,6 viktprocent), aluminium (bränsle, 16 procent), järnoxid (en katalysator, 0,4 procent), en polymer (ett bindemedel som håller ihop blandningen, 12,04 procent), och ett epoxihärdmedel (1,96 procent). Drivmedlet är en 11-punkts stjärnformad perforering i det främre motorsegmentet och en perforering med dubbla koner i vart och ett av de akterna och bakåtslutningen. Denna konfiguration ger hög dragkraft vid tändning och reducerar sedan dragkraften med ungefär en tredjedel 50 sekunder efter lyftning för att förhindra överbelastning av fordonet under maximalt dynamiskt tryck. [källa:NASA]Detta stycke diskuterar inte bara bränsleblandningen utan också konfigurationen av kanalen som borras i mitten av bränslet. En "11-punkts stjärnformad perforering" kan se ut så här:
Tanken är att öka kanalens ytarea, därigenom ökar brännarean och därmed dragkraften. När bränslet brinner, formen jämnar ut i en cirkel. När det gäller SRB:erna, det ger motorn hög inledande dragkraft och lägre dragkraft i mitten av flygningen.
Rakettmotorer med fast bränsle har tre viktiga fördelar:
De har också två nackdelar:
Nackdelarna innebär att fastbränsleraketer är användbara för kortlivade uppgifter (som missiler), eller för boostersystem. När du behöver kunna styra motorn, du måste använda ett flytande drivsystem. Vi lär oss mer om de och andra möjligheter.
Dr Robert H. Goddard och hans flytande syre-bensinraket i ramen från vilken den avfyrades den 16 mars, 1926, i Auburn, Mass. Den flög bara 2,5 sekunder, klättrade 41 fot, och landade 184 fot bort i en kållapp. Foto med tillstånd av NASA År 1926, Robert Goddard testade den första vätskedrivande raketmotorn. Hans motor använde bensin och flytande syre. Han arbetade också med och löste ett antal grundläggande problem inom raketmotordesign, inklusive pumpmekanismer, kylstrategier och styrarrangemang. Dessa problem är det som gör vätskedrivande raketer så komplicerade.
Grundidén är enkel. I de flesta raketmotorer med flytande drivmedel, ett bränsle och en oxidator (t.ex. bensin och flytande syre) pumpas in i en förbränningskammare. Där brinner de för att skapa en högtrycks- och höghastighetsström av heta gaser. Dessa gaser flyter genom ett munstycke som accelererar dem ytterligare (5, 000 till 10, 000 mph utgångshastigheter är typiska), och sedan lämnar de motorn. Följande mycket förenklade diagram visar de grundläggande komponenterna.
Detta diagram visar inte de faktiska komplexiteten hos en typisk motor (se några av länkarna längst ner på sidan för bra bilder och beskrivningar av riktiga motorer). Till exempel, det är normalt att antingen bränslet eller oxidationsmedlet är en kall flytande gas som flytande väte eller flytande syre. Ett av de stora problemen i en raketmotor med flytande drivmedel är att kyla förbränningskammaren och munstycket, så cirkulerar de kryogena vätskorna först runt de överhettade delarna för att kyla dem. Pumparna måste generera extremt höga tryck för att övervinna trycket som det brinnande bränslet skapar i förbränningskammaren. Huvudmotorerna i rymdfärjan använder faktiskt två pumpsteg och bränner bränsle för att driva pumparna i andra etappen. All denna pumpning och kylning får en typisk vätskedrivmotor att se mer ut som ett rörprojekt som har gått sönder än någonting annat - titta på motorerna på den här sidan för att se vad jag menar.
Alla typer av bränslekombinationer används i raketmotorer med flytande drivmedel. Till exempel:
Denna bild av en xenonjonmotor, fotograferad genom en port i vakuumkammaren där den testades vid NASAs Jet Propulsion Laboratory, visar svagt blått sken av laddade atomer som avges från motorn. Jondrivningsmotorn är den första icke-kemiska framdrivningen som används som det främsta sättet att driva ett rymdfarkoster. Foto med tillstånd av NASA Vi är vana vid att se kemiska raketmotorer som bränner sitt bränsle för att generera dragkraft. Det finns dock många andra sätt att generera dragkraft. Varje system som kastar massa skulle göra. Om du kunde hitta ett sätt att accelerera basbollar till extremt höga hastigheter, du skulle ha en livskraftig raketmotor. Det enda problemet med ett sådant tillvägagångssätt skulle vara baseball "avgaser" (höghastighetsbollar vid det) som lämnades strömmande genom rymden. Detta lilla problem får raketmotordesigners att gynna gaser för avgasprodukten.
Många raketmotorer är väldigt små. Till exempel, attitydpropeller på satelliter behöver inte producera mycket dragkraft. En vanlig motordesign som finns på satelliter använder inget "bränsle" alls - trycksatta kvävepropeller helt enkelt blåsa kvävgas från en tank genom ett munstycke. Thrusters som dessa höll Skylab i omloppsbana, och används också på skyttelens bemannade manövreringssystem.
Nya motordesigner försöker hitta sätt att accelerera joner eller atompartiklar till extremt höga hastigheter för att skapa dragkraft mer effektivt. NASA:s rymdskepp Deep Space-1 var det första som använde jonmotorer för framdrivning [källa:SPACE.com]. Se denna sida för ytterligare diskussion om plasma- och jonmotorer.
För mer information om raketmotorer och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.
