5 самых важных частей ракеты
Ракеты — самый эффективный способ покинуть атмосферу Земли и достичь космоса. Хотя астрономы и ученые веками мечтали об исследовании Вселенной, технические вопросы, связанные с полетами в космос, были решены только в 19 веке.
Газодинамическая лаборатория, советская научно-исследовательская лаборатория, сыграла решающую роль в начальном развитии ракетной техники. В 1921 году они сосредоточились на твердотопливных ракетах, что в конечном итоге привело к первому запуску в 1928 году. Хотя ракета пролетела всего 1300 метров, это была большая веха.
В 1926 году профессор Роберт Годдард из Университета Кларка соединил сверхзвуковое сопло с камерой сгорания высокого давления, удвоив тягу и увеличив КПД двигателя с 2% до 64%. Он использовал жидкое топливо вместо пороха, чтобы уменьшить вес и максимально повысить эффективность ракет. Его работа положила начало совершенно новой эре современных ракет.
С тех пор мы прошли долгий путь. Сегодняшние ракеты гораздо сложнее и используются для различных целей, таких как запуск искусственных спутников, исследование космоса и полеты человека в космос.
Чтобы помочь вам понять устройство этих сложных машин, мы перечислили некоторые из наиболее распространенных частей ракеты и их назначение. Мы рассмотрели все важные компоненты, включая те, которые приводят в движение транспортное средство, а также контролируют и корректируют направление движения.
5. Конструкционная система
Конструкция (или каркас) ракеты изготовлена из легких, но прочных материалов. Хотя ракеты космических челноков весят сотни тысяч килограммов, они спроектированы так, чтобы быть как можно легче, чтобы они могли доставлять грузы на орбиту Земли, используя минимум топлива. В то же время конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать экстремальные температуры верхних слоев атмосферы.
Конструкция состоит из различных компонентов:
Носовой конус
Верхняя часть ракеты имеет коническую форму для изменения поведения встречного воздушного потока и уменьшения аэродинамического сопротивления. Внутри этого конуса находится камера, в которой могут находиться спутники, вспомогательное оборудование, растения или животные. Внешняя поверхность конуса спроектирована таким образом, чтобы выдерживать экстремальные температуры, возникающие при аэродинамическом нагреве.
Корпус
В корпусе ракеты размещаются топливо, окислитель и двигатель. Топливо и окислитель вместе образуют ракетное топливо. Топливо - это химическое вещество; оно не может гореть или приводить в действие ракетный двигатель без окислителя (кислорода). Поскольку ракеты летят в космос (где нет воздуха), они должны нести с собой кислород.
Количество топлива и окислителя, которое необходимо перевозить, точно рассчитывается для каждой миссии. Ракета может оторваться от земли только в том случае, если она создает тягу, превышающую общую массу аппарата. Большая масса означает, что вам нужен более мощный двигатель, который, в свою очередь, потребует больше топлива. Вот почему значение имеет каждый грамм веса, и масса сокращается до самого необходимого.
В типичной ракете около 90% общей массы составляет топливо, 6% приходится на конструкцию (корпус, двигатель, крылья), а 4% может составлять полезная нагрузка (космонавты, спутники, дополнительные приборы, продукты).
Крылья
Крылья прикреплены к нижней части корпуса ракеты. Они обеспечивают устойчивость во время полета. Другими словами, они поддерживают ориентацию аппарата и намеченную траекторию полета. Они работают так же, как оперение, расположенное в хвосте стрелы. Тяга на оперении удерживает хвост сзади, чтобы острие стрелы летело прямо по ветру.
Без крыльев ракета потеряла бы управление через несколько секунд после выхода из пусковой установки. Это происходит потому, что на аппарат одновременно действуют несколько сил (аэродинамика, гравитация, а также сила, создаваемая двигателем). Как только центр тяжести опускается ниже центра давления, ракета становится неустойчивой.
При создании ракеты конструкторы учитывают различные факторы, такие как форма, количество, размер и расположение плавников. Обычно они располагаются в задней части, если только ракета не оснащена бортовой автоматизированной системой наведения.
Материалы
Корпус ракеты изготавливается из нескольких прочных, но легких материалов. Дюралюминий, например, является наиболее распространенным сплавом, используемым в корпусах ракет. Этот сплав состоит из алюминия, меди и небольшого количества марганца и магния, которые делают его более твердым и прочным. Поскольку он обладает низкой свариваемостью, дюралюминиевые детали обычно скрепляются болтами или заклепками.
Космическая гонка между США и Советским Союзом привела к разработке многочисленных прочных алюминиевых сплавов, содержащих до 10 компонентов. Большинство из них, включая алюминиевые и литиевые сплавы, до сих пор используются для изготовления деталей многоступенчатых ракет.
Другим распространенным сплавом является нержавеющая сталь. Она превосходит алюминиевые сплавы по многим параметрам. Она твердая и легкая, может выдерживать экстремальные нагрузки без деформации, и при этом она гораздо дешевле алюминиевых сплавов. В настоящее время она используется для изготовления топливных баков (с толщиной стенки около 0,5-1 мм).
Медные сплавы также используются в некоторых компонентах. Хромомедный сплав, например, используется для изготовления внутренней стенки ракетного двигателя. Он может выдерживать экстремальное тепло (3 500 Кельвинов), вырывающееся из сопел во время запуска.
Кроме того, титан используется для изготовления импеллеров для ракетных двигателей. В отличие от других материалов, титан и его сплавы не подвергаются коррозии в аэрокосмической среде. Они обладают превосходной стойкостью в большинстве окислительных, нейтральных и ингибированных восстановительных условиях. Но поскольку они тяжелее и дороже алюминиевых и стальных сплавов, их используют в очень ограниченных количествах.
4. Система полезной нагрузки
Полезная нагрузка зависит от космической миссии. Одна и та же ракета может быть модифицирована для запуска полезной нагрузки для различных целей, например, спутников для мониторинга погоды, связи, шпионажа или исследования космического пространства.
Однако самая ценная полезная нагрузка, которую несет любая ракета, — это люди.
Вывести в космос спутники и сложные приборы не так просто, как кажется. Полезную нагрузку нужно не только поднять в космос, но и благополучно доставить на нужную орбиту. Не должно быть никаких физических повреждений из-за экстремального ускорения, вызванного тягой ракеты, или быстрых изменений величины или направления ускорения, вызванных дросселированием двигателя. Кроме того, биологические, химические или электротехнические полезные нагрузки могут быть повреждены резкими изменениями температуры или давления, а также радиационным облучением космическими лучами.
Чтобы этого не произошло, большинство полезных нагрузок создаются таким образом, чтобы выдерживать определенные жесткие условия на пути к месту назначения. Кроме того, они заключены в носовой конус (также называемый обтекателем полезной нагрузки), который защищает их от экстремальных температур и давления.
3. Система наведения
Система наведения ракеты состоит из сложных радаров, датчиков, коммуникационного оборудования и бортовых вычислительных блоков. Она выполняет две основные функции:
- Обеспечение стабильности во время запуска
- управление аппаратом во время маневров.
Ученые разработали множество методов управления ракетами во время полета. Большинство из этих методов предполагает анализ всех сил, действующих на транспортное средство, которые вносят свой вклад в конечное движение. Как только система получает все данные, она может точно рассчитать траекторию полета для выхода на целевую орбиту.
Ранние ракеты (а также некоторые современные) обычно используют подвижные хвостовые крылья. Эти крылья обеспечивают нужное количество аэродинамической силы, делая аппарат устойчивым во время полета.
В более новых ракетах (разработанных в конце 1970-х годов и позднее) используется система векторизации тяги, называемая карданной тягой. В этой системе выхлопное сопло перемещается из стороны в сторону для создания управляющего момента. При перемещении сопла направление тяги изменяется относительно центра тяжести ракеты.
В целом, система наведения состоит из трех компонентов:
- Вход: Включает датчики, радио- и спутниковые каналы связи и другие источники данных.
- Обработка: Содержит несколько центральных процессоров, которые обрабатывают данные и рассчитывают "следующий шаг" для достижения правильного курса.
- Выход: Данные передаются непосредственно на цифровой автопилот для принятия необходимых мер. Автопилот постоянно обеспечивает обратную связь с системой наведения о состоянии органов управления полетом.
2. Двигатель
Цель ракетного двигателя - создание тяги. Хотя разные типы двигателей работают по-разному, все они основаны на третьем законе движения Ньютона: каждое действие имеет равную и противоположную реакцию.
Двигатель выбрасывает массу (в виде газа под высоким давлением) в одном направлении, чтобы вызвать реакцию в противоположном направлении. Масса поступает из топлива.
В отличие от самолетного двигателя, ракетному двигателю требуется топливо плюс окислитель (источник кислорода). Это связано с тем, что в космосе нет кислорода, поэтому ракета должна иметь свой собственный. Топливо и кислород смешиваются и воспламеняются в камере сгорания. В результате реакции образуется выхлоп, который проходит через сопло для создания тяги.
Величина создаваемой тяги зависит от того, какая масса проходит через двигатель и какова скорость истечения газа. (Когда топливо сгорает, оно превращается из твердого тела в газ или из жидкости в газ).
Существует два основных типа ракетных двигателей: ракеты на твердом топливе и ракеты на жидком топливе.
Первые могут храниться годами без значительной деградации топлива, и их можно надежно запускать. Однако из-за их низкой производительности (по сравнению с жидкотопливными ракетами) в настоящее время они не используются для крупных миссий. Они используются для вывода легких полезных грузов (менее 2 тонн) на низкую околоземную орбиту.
С другой стороны, ракеты на жидком топливе тяжелее и сложнее в хранении и обращении. Однако они обеспечивают большую тягу на единицу веса сжигаемого топлива. Их можно легко остановить после запуска, что обеспечивает дополнительный уровень безопасности. Эти двигатели могут быть спроектированы таким образом, чтобы запускаться и выключаться несколько раз во время полета для орбитального маневрирования.
Некоторые ракетные двигатели работают на электричестве (дуговая реактивная ракета и резистивная реактивная ракета) или на ядерной энергии (ракета с газовым реактором и ракета с фрагментами деления). Однако в настоящее время они очень неэффективны и требуют большого количества исследований и испытаний.
1. Топливо
Топливо - это масса, хранящаяся в баке перед использованием в качестве высокоскоростной массы, которая выбрасывается (в виде газа) из сопла ракеты для создания тяги. Наиболее распространенными топливами являются топливо, такое как керосин или жидкий водород, и окислители, такие как азотная кислота или жидкий кислород.
Топливо сжигается вместе с окислителем в камере сгорания, в результате чего образуется огромное количество горячего газа. Современные ракеты, такие как Falcon Heavy, Falcon 9, Atlas V, Long March 6, "Ангара" и "Зенит", используют жидкий кислород с высокоочищенным керосином. Эта смесь используется для ускорителей первой ступени, которые взлетают с уровня земли.
Некоторые ракетные топлива (называемые монопропеллентами) не нужно сжигать, чтобы произошла химическая реакция. Они могут быть разложены с помощью катализатора с получением горячего газа. Перекись водорода, закись азота и гидразин - прекрасные примеры таких монотоплив.
Ранние ракеты использовали твердое топливо, которое содержало смесь гранул твердых окислителей, таких как перхлорат аммония, динитрамид аммония и нитрат аммония, в полимерном связующем веществе, с порошками взрывчатых соединений, таких как HMX или RDX. В состав твердых ракетных топлив также добавляют стабилизаторы, модификаторы скорости горения и пластификаторы.
Каковы различные стадии ракеты?
В современных ракетах используются две или более ступеней, каждая из которых содержит свой двигатель и топливо. Эти ступени могут быть параллельными (прикрепленными рядом с другой ступенью) или последовательными (установленными поверх другой ступени). Каждая ступень оптимизирована в соответствии с конкретными условиями эксплуатации. Например, верхние ступени предназначены для нормального функционирования в условиях низкого атмосферного давления на больших высотах.
Разделение ракеты на различные ступени упрощает разгон аппарата до заданной скорости и высоты. Хотя распространены двухступенчатые ракеты, успешно запускались ракеты с пятью различными ступенями.
Сколько ракет было отправлено на орбиту или за ее пределы?
Хотя официальных данных об этом нет, количество попыток запуска значительно увеличилось за последнее десятилетие. Основными факторами, способствующими этому, являются подъем китайской космической промышленности, а также частных производителей, таких как SpaceX.
В 2021 году было предпринято в общей сложности 144 попытки орбитального запуска (133 из этих запусков были успешными). Эти показатели превзошли рекордное количество попыток в 1967 году (139 попыток, из которых 122 были успешными) и прошлый рекорд успешных орбитальных запусков в 1976 году (125 успешных запусков из 131 миссии).