Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

Sådan fungerer raketmotorer

HowStuffWorks 2005 Se flere raketbilleder.

En af de mest fantastiske bestræbelser, mennesket nogensinde har foretaget sig, er udforskningen af ​​rummet. En stor del af forbløffelsen er kompleksiteten. Udforskning af rummet er kompliceret, fordi der er så mange problemer at løse og forhindringer, der skal overvindes. Du har ting som:

  • Rumets vakuum
  • Varmehåndteringsproblemer
  • Vanskeligheden ved at komme ind igen
  • Orbital mekanik
  • Mikrometeoritter og rumaffald
  • Kosmisk og solstråling
  • Logistikken med at have toiletter i et vægtløst miljø

Men det største problem af alt er at udnytte nok energi simpelthen til at få et rumskib fra jorden. Det er der raketmotorer kom ind.

Rocket Image Gallery

Raketmotorer er, på den ene side, så enkelt, at du kan bygge og flyve dine egne modelraketter meget billigt (se linkene på artiklens sidste side for detaljer). På den anden side, raketmotorer (og deres brændstofsystemer) er så komplicerede, at kun tre lande faktisk nogensinde har sat mennesker i kredsløb. I denne artikel, vi vil se på raketmotorer for at forstå, hvordan de fungerer, samt at forstå noget af kompleksiteten omkring dem.

Når de fleste mennesker tænker på motorer eller motorer, de tænker på rotation. For eksempel, en frem- og tilbagegående benzinmotor i en bil producerer rotationsenergi til at køre hjulene. En elektrisk motor producerer rotationsenergi til at drive en ventilator eller dreje en disk. En dampmaskine bruges til at gøre det samme, som er en dampturbine og de fleste gasturbiner.

Raketmotorer er fundamentalt forskellige. Raketmotorer er reaktion motorer. Det grundlæggende princip, der driver en raketmotor, er det berømte Newton -princip, at "for hver handling er der en lige og modsat reaktion." En raketmotor kaster masse i den ene retning og drager fordel af reaktionen, der sker i den anden retning som følge heraf.

Dette begreb om "at kaste masse og drage fordel af reaktionen" kan være svært at forstå i starten, fordi det ikke ser ud til at være det, der sker. Raketmotorer ser ud til at handle om flammer og støj og tryk, ikke "smide ting". Lad os se på et par eksempler for at få et bedre billede af virkeligheden:

  • Hvis du nogensinde har skudt en haglgevær , især et stort 12-gauge haglgevær, så ved du, at den har meget "kick". Det er, når du skyder pistolen "sparker" den din skulder tilbage med stor kraft. Det spark er en reaktion. Et haglgevær skyder omkring en ounce metal i en retning med cirka 700 miles i timen, og din skulder bliver ramt af reaktionen. Hvis du havde rulleskøjter på eller stod på et skateboard, da du skød pistolen, så ville pistolen virke som en raketmotor, og du ville reagere ved at rulle i den modsatte retning.
  • Hvis du nogensinde har set en stor brandslange sprøjtning af vand, du har måske bemærket, at det kræver meget styrke at holde på slangen (nogle gange vil du se to eller tre brandmænd holde på 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 ville slippe slangen, det ville smadre rundt med enorm kraft. Hvis brandmændene alle stod på skateboards, slangen ville drive dem baglæns med stor hastighed!
  • Når du sprænger en ballon og lad det gå, så det flyver rundt i rummet, før det løber tør for luft, du har oprettet en raketmotor. I dette tilfælde, hvad der bliver kastet er luftmolekylerne inde i ballonen. Mange mennesker tror, ​​at luftmolekyler ikke vejer noget, men det gør de (se siden om helium for at få et bedre billede af luftens vægt). Når du smider dem ud af en ballons dyse, resten af ​​ballonen reagerer i den modsatte retning.

Næste, vi ser på et andet scenario, der forklarer handling og reaktion:rumbaseball.

Mere om raketmotorer

Stil ind på Turbo Channel - stedet at være til programmering om biler, motorcykler, fly og alt muligt andet med en motor.

Indhold
  1. Handling og reaktion:Space Baseball -scenariet
  2. Skub
  3. Fastbrændselsraketter:Brændstofblanding
  4. Fastbrændstof-raketter:Kanalkonfiguration
  5. Væskedrivende raketter
  6. Fremtiden for raketmotorer

Handling og reaktion:Space Baseball -scenariet

Et fjernkamera fanger et nærbillede af en rumfærger-hovedmotor under en testskydning ved John C. Stennis Space Center i Hancock County, Gå glip af. Foto høflighed NASA

Forestil dig følgende situation:Du er iført en rumdragt, og du flyder i rummet ved siden af ​​rumfærgen; du tilfældigvis har en baseball i hånden.

Hvis du kaster baseball, din krop vil reagere ved at bevæge sig i den modsatte retning af bolden. Det, der styrer den hastighed, hvormed din krop bevæger sig væk, er vægt af baseballet, du kaster, og mængden af acceleration at du ansøger om det. Massen ganget med acceleration er kraft (f =m * a). Uanset hvilken kraft du anvender på baseballet, bliver den udlignet med en identisk reaktionskraft, der påføres din krop (m * a =m * a). Så lad os sige, at baseball vejer 1 pund, og din krop plus rumdragten vejer 100 pund. Du smider baseballet væk med en hastighed på 32 fod i sekundet (21 mph). Det vil sige, du fremskynder 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, den bevæger sig væk med en hundrededel af baseballets hastighed, eller 0,32 fod i sekundet (0,21 mph).

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

En raketmotor kaster generelt masse i form af en højtryksgas . Motoren kaster gasmassen ud i en retning for at få en reaktion i den modsatte retning. Massen kommer fra vægten af ​​det brændstof, som raketmotoren forbrænder. Brændingsprocessen fremskynder brændstofmassen, så den kommer ud af raketdysen ved høj hastighed. Det faktum, at brændstoffet omdannes fra et fast stof eller væske til en gas, når det brænder, ændrer ikke dens masse. Hvis du brænder et kilo raketbrændstof, et pund udstødning kommer ud af dysen i form af en høj temperatur, gas med høj hastighed. Formen ændres, men massen gør det ikke. Brændingsprocessen fremskynder massen.

Lad os lære mere om tryk næste gang.

Skub

"Styrken" af en raketmotor kaldes dens tryk . Stød måles i "pounds af stød" i USA og i Newtons under det metriske system (4,45 Newton tryk er lig med 1 pund tryk). Et pund tryk er mængden af ​​tryk, det ville tage for at holde et objekt på 1 pund stationært mod tyngdekraften på Jorden. Så på Jorden, tyngdekraftens acceleration er 32 fod i sekundet i sekundet (21 mph pr. sekund). Hvis du flydede i rummet med en pose baseballs, og du kastede et baseball i sekundet væk fra dig ved 21 km / t, dine baseballs ville generere ækvivalent med 1 pund tryk. Hvis du i stedet skulle kaste baseballs i 42 mph, så ville du generere 2 kilo tryk. Hvis du smider dem på 2, 100 mph (måske ved at skyde dem ud af en slags baseballpistol), så genererer du 100 pund fremdrift, og så videre.

Et af de sjove problemer, raketter har, er, at de genstande, som motoren vil smide, faktisk vejer noget, og raketten skal bære den vægt. Så lad os sige, at du vil generere 100 pund tryk 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 på en time), eller 3, 600 pund baseballs. Da du kun vejer 100 kilo i din rumdragt, du kan se, at vægten af ​​dit "brændstof" dværger vægten af ​​nyttelasten (dig). Faktisk, brændstoffet vejer 36 gange mere end nyttelasten. Og det er meget almindeligt. Derfor skal du have en kæmpe raket for at få en lille person ud i rummet lige nu - du skal bære meget brændstof.

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

  • Orbiteren
  • Den store ydre tank
  • De to solide raketboostere (SRB'er)

Orbiter vejer 165, 000 pund tomt. Den eksterne tank vejer 78, 100 pund tom. De to solide raketforstærkere vejer 185, 000 pund tomme hver. Men så skal du lægge brændstoffet i. Hver SRB rummer 1,1 millioner pund brændstof. Den eksterne tank rummer 143, 000 liter flydende ilt (1, 359, 000 pund) og 383, 000 gallons flydende brint (226, 000 pund). Hele køretøjet - shuttle, ekstern tank, solide raketforstærkere og alt brændstoffet - har en totalvægt på 4,4 millioner pund ved lanceringen. 4,4 millioner pund for at få 165, 000 pund i kredsløb er en temmelig stor forskel! For at være fair, orbiteren kan 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:Space Shuttle Operator's Manual].

Alt det brændstof smides ud af rumfærgen på bagsiden med måske 6 hastigheder, 000 mph (typiske raketudstødningshastigheder for kemiske raketter varierer mellem 5, 000 og 10, 000 km / t). SRB'erne brænder i cirka to minutter og genererer cirka 3,3 millioner pund fremdrift hver ved lanceringen (2,65 millioner pund i gennemsnit over forbrændingen). De tre hovedmotorer (som bruger brændstoffet i den eksterne tank) brænder i cirka otte minutter, genererer 375, 000 pund stød hver under forbrændingen.

I det næste afsnit, vi vil se på den særlige brændstofblanding i fastbrændselsraketter.

Fastbrændselsraketter:Brændstofblanding

En raket med fast brændsel umiddelbart før og efter tænding

Fast-fuel-raketmotorer var de første motorer skabt af mennesker. De blev opfundet for hundreder af år siden i Kina og har været brugt meget siden da. Linjen om "rakettens røde blænding" i nationalsangen (skrevet i begyndelsen af ​​1800'erne) taler om små militære fastbrændselsraketter, der bruges til at levere bomber eller brændende anordninger. Så du kan se, at raketter har været i brug et stykke tid.

Ideen bag en simpel fastbrændselsraket er ligetil. Hvad du vil gøre er at skabe noget, der brænder meget hurtigt, men ikke eksploderer. Som du sikkert er klar over, krudt eksploderer. Krudt består af 75% nitrat, 15% kulstof og 10% svovl. I en raketmotor, du ikke ønsker en eksplosion - du vil gerne have strømmen frigivet mere jævnt over en periode. Derfor kan du ændre blandingen til 72% nitrat, 24% kulstof og 4% svovl. I dette tilfælde, i stedet for krudt, du får et simpelt raketbrændstof. Denne blanding brænder meget hurtigt, men det eksploderer ikke, hvis det indlæses korrekt. Her er et typisk tværsnit:

Til venstre ser du raketten før tænding. Det faste brændstof er vist med grønt. Det er cylindrisk, med et rør boret ned i midten. Når du tænder brændstoffet, det brænder langs rørets væg. Når det brænder, det brænder udad mod kabinettet, indtil alt brændstof er brændt. I en lille model raketmotor eller i en lille flaske -raket kan forbrændingen vare et sekund eller mindre. I en rumfærge SRB, der indeholder over en million pund brændstof, forbrændingen varer cirka to minutter.

Fastbrændstof-raketter:Kanalkonfiguration

Når du læser om avancerede fastbrændstofraketter som Shuttles massive raketforstærkere, du læser ofte ting som:

Drivblandingen i hver SRB -motor består af et ammoniumperchlorat (oxidationsmiddel, 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 epoxyhærdningsmiddel (1,96 procent). Drivmidlet er en 11-punkts stjerneformet perforering i det forreste motorsegment og en perforering med dobbelte kegler i hvert af de agterste segmenter og agterlukning. Denne konfiguration giver et højt tryk ved tænding og reducerer derefter stødkraften med cirka en tredjedel 50 sekunder efter lift-off for at forhindre overbelastning af køretøjet under maksimalt dynamisk tryk. [kilde:NASA]

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

Ideen er at øge kanalens overfladeareal, derved øges forbrændingsområdet og dermed fremdriften. Når brændstoffet brænder, formen jævnes ud i en cirkel. For SRB'ernes vedkommende, det giver motoren et højt startkraft og lavere tryk i midten af ​​flyvningen.

Fast-fuel-raketmotorer har tre vigtige fordele:

  • Enkelhed
  • Lavpris
  • Sikkerhed

De har også to ulemper:

  • Træk kan ikke kontrolleres.
  • Når tændt, motoren kan ikke standses eller genstartes.

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

Væskedrivende raketter

Dr. Robert H. Goddard og hans flydende ilt-benzin-raket i rammen, hvorfra den blev affyret den 16. marts, 1926, i Auburn, Mass. Den fløj i kun 2,5 sekunder, klatrede 41 fod, og landede 184 fod væk i et kålplaster. Foto høflighed NASA

I 1926, Robert Goddard testede den første flydende drivmotor. Hans motor brugte benzin og flydende ilt. Han arbejdede også på og løste en række grundlæggende problemer inden for raketmotordesign, herunder pumpemekanismer, køle strategier og styreanordninger. Disse problemer er det, der gør væskedrivende raketter så komplicerede.

Grundidéen er enkel. I de fleste flydende drivende raketmotorer, et brændstof og en oxidator (f.eks. benzin og flydende oxygen) pumpes ind i et forbrændingskammer. Der brænder de for at skabe en højtryks- og højhastighedsstrøm af varme gasser. Disse gasser strømmer gennem en dyse, der fremskynder dem yderligere (5, 000 til 10, 000 mph udgangshastigheder er typiske), og så forlader de motoren. Følgende meget forenklede diagram viser dig de grundlæggende komponenter.

Dette diagram viser ikke de faktiske kompleksiteter ved en typisk motor (se nogle af linkene nederst på siden for gode billeder og beskrivelser af rigtige motorer). For eksempel, det er normalt, at enten brændstoffet eller oxidatoren er en kold flydende gas som flydende brint eller flydende oxygen. Et af de store problemer i en væskedrivende raketmotor er at afkøle forbrændingskammeret og dysen, så de kryogene væsker cirkuleres først rundt i de overophedede dele for at afkøle dem. Pumperne skal generere ekstremt høje tryk for at overvinde det tryk, det brændende brændstof skaber i forbrændingskammeret. Hovedmotorerne i rumfærgen bruger faktisk to pumpetrin og brænder brændstof til at drive pumperne i anden etape. Al denne pumpning og afkøling får en typisk flydende drivmotor til at ligne mere på et VVS -projekt end noget andet - se på motorerne på denne side for at se, hvad jeg mener.

Alle former for brændstofkombinationer bliver brugt i raketmotorer med flydende drivgas. For eksempel:

  • Flydende brint og flydende ilt - bruges i rumfærgernes hovedmotorer
  • Benzin og flydende ilt - brugt i Goddards tidlige raketter
  • Petroleum og flydende ilt - bruges på første etape af de store Saturn V -boostere i Apollo -programmet
  • Alkohol og flydende ilt - brugt i de tyske V2 -raketter
  • Kvælstoftetroxid/monomethylhydrazin - bruges i Cassini -motorerne

Fremtiden for raketmotorer

Dette billede af en xenon -ion -motor, fotograferet gennem en port i vakuumkammeret, hvor det blev testet på NASAs Jet Propulsion Laboratory, viser den svage blå skær af ladede atomer, der udsendes fra motoren. Ionfremdrivningsmotoren er den første ikke-kemiske fremdrift, der skal bruges som det primære middel til at drive et rumfartøj. Foto høflighed NASA

Vi er vant til at se kemiske raketmotorer, der brænder deres brændstof for at generere tryk. Der er dog mange andre måder at generere tryk på. Ethvert system, der kaster masse, ville gøre. Hvis du kunne finde en måde at accelerere baseballs til ekstremt høje hastigheder, du ville have en levedygtig raketmotor. Det eneste problem med en sådan tilgang ville være baseball "udstødning" (højhastigheds baseballs på det), der forlod streaming gennem rummet. Dette lille problem får raketmotordesignere til at favorisere gasser til udstødningsproduktet.

Mange raketmotorer er meget små. For eksempel, holdningstustere på satellitter behøver ikke at producere meget tryk. Et fælles motordesign, der findes på satellitter, bruger slet ikke "brændstof" - tryksatte nitrogenpropeller simpelthen blæse nitrogengas fra en tank gennem en dyse. Thrusters som disse holdt Skylab i kredsløb, og bruges også på shuttleens bemandede manøvreringssystem.

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

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

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

  • Sådan fungerer rumfærger
  • Sådan fungerer EZ-Rocket
  • Hvordan Fusion Propulsion vil fungere
  • Sådan fungerer luftåndende raketter
  • Hvordan elektromagnetisk fremdrift vil fungere
  • Sådan fungerer Aptera Hybrid
  • Kan du lave en raketmotor ved hjælp af brintoverilte og sølv?

Flere store links

  • Fremdrivningseffektivitet af en motor - ligninger
  • National Association of Rocketry
  • Sådan designes, Byg og test små flydende brændstof-raketmotorer
  • NASA:Begynderguide til modelraketter

Sidste artikelNo

Næste artikel