Технологии (епизод 23): Защо ракетите летят?

В крайна сметка защо ракетите летят? По някакъв начин, както в случая с хеликоптерите, защото те са грозни и Земята ги отхвърля? Така че нека да видим.

принципи

Не знам дали читателите са стреляли с пистолет или не (сега виждам някакви арогантни усмивки по лицата на някои читатели); Предполагам, че не (други арогантни усмивки) и ви призовавам да разгледате изображенията по-долу - анимирани gif файлове. Ако изображението няма анимация, щракнете върху него, за да го видите анимирано.

откат - щракнете, за да видите анимациите (източник: тенор, giphy)

Всяко огнестрелно оръжие (от мускет или аркебус до оръдие, през пистолет и пушка) се основава на отворена цев в единия край. Когато оръжието стреля, от цевта в една посока излизат газове с много висока скорост и температура, което е импулс. Това, което може да се види на тези изображения, е откатът и се основава на основен принцип на физиката - запазване на импулсите. И тъй като инерцията се запазва, се оказва, че огнестрелното оръжие също ще има импулс в обратна посока. Това е принципът, на който се основава работата на ракетите - чрез отстраняване на газ с висока скорост в една посока се генерира сила в обратната посока. Също така, едни и същи изображения ни показват, че силата е генерирана едновременно, но ракетата се нуждае от сила, която е непрекъсната за дълго време.

Но ако погледнем балон, от който изпускаме въздух, забелязваме точно това - въздухът излиза в една посока със скорост и генерира тласкаща сила в обратната посока. Следващото изображение илюстрира това; това е и анимиран gif, така че ако няма анимация, кликнете върху него, за да го видите анимиран.

Балон - щракнете, за да видите анимацията (източник: тенор, giphy)

Анализирайки обект от гледна точка на неговата стабилност, без да навлизаме в подробности, можем да кажем, че обектът може да бъде в едно от следните състояния:

в нестабилно състояние (например, когато се опитвате да държите молив на върха на пръста си);
в стабилно състояние (например когато махалото се върне в точката с минималното разстояние от повърхността на Земята).

Ракетите имат двигателя отзад и той ги тласка, така че можем да считаме, че това е ситуация, подобна на тази на молива в предишния пример. Всяка неочаквана сила може да премести тялото в друга посока, силата на изтласкване, генерирана от двигателя, избутващ ракетата в друга посока от желаната. В допълнение, за допълнително усложняване на ситуацията, когато тя е в атмосферата на ракетите действат други сили.

Силите, действащи на ракета, са същите като силите, действащи на самолет и в атмосферния полет са:

Следвайки описанието на тези сили, открихме и две интересни точки:

център за тегло: е точката, в която можем да считаме, че цялата маса на тялото е концентрирана. При по-ранния молив това е точката, в която той е в баланс;
център на натиск: можем да считаме, че това е точката, в която се концентрира действието на всички аеродинамични сили. Визуално може да се разглежда като точката, която разделя повърхността на ракетата на две равни части, като предната и задната части са еднакви по повърхността.

Необходими са две наблюдения или допълнения:

очевидно при извън атмосферния полет - в орбита около Земята - съпротивлението за напредване и повдигане вече няма да съществува, върху ракетата, действаща само тласкащата сила и тежестта;
всяко движение на ракета се извършва около центъра на тежестта.

Стабилен и нестабилен

Нека сега разгледаме подробно двете състояния.

1. Нестабилно състояние. Следващото изображение показва ракета в нестабилно състояние. Това, което виждаме на снимката, са:

сцепление - оранжево
устойчивост към напредване - череша
тегло - синьо
лифт - зелен
Cg - център на тежестта
Cp - център на налягане
Вятър - сила, действаща едновременно върху ракетата

Нестабилно състояние (източник: автор)

Забележете, че центърът на налягането е пред центъра на тежестта. Първоначално ракетата е стабилна, което е идеалната ситуация, без сили да я обезпокоят. Ако приемем, че се появява смущаваща сила - порив на вятъра - тя ще действа през центъра на налягането. Това ще доведе до леко завъртане и следователно до увеличаване на ъгъла на атака α. След промяната на ъгъла на атака ще се получи сила - повдигане - която ще има същата посока като вятъра, като последицата е въртеливо движение около центъра на тежестта. Тогава това изместване се усилва от съпротивлението напред, колкото по-голяма е страничната сила, толкова по-голям е ъгълът между надлъжната ос и посоката на полета. Следователно ракетата ще се опита да се обърне и да отлети обратно, но тласкащата сила няма да позволи това да доведе до хаотичен полет.

2. Стабилно състояние. Следващата снимка показва ракета в стабилно състояние. Това, което виждаме на снимката, са:

сцепление - оранжево
устойчивост към напредване - череша
тегло - синьо
лифт - зелен
Cg - център на тежестта
Cp - център на налягане
Вятър - сила, действаща едновременно върху ракетата

Стабилно състояние (източник: автор)

Забележете, че центърът на налягането е зад центъра на тежестта. Първоначално - както в предишния случай - ракетата е стабилна, тъй като е идеалната ситуация, без сили да я смущават. Ракетата се ускорява непрекъснато, като движението е линейно по посока на тласкащата сила. Ако приемем отново, че се появява смущаваща сила - порив на вятъра - тя ще действа през центъра на налягането, карайки ракетата да се завърти около центъра на тежестта и по този начин да промени ъгъла на атака α. Тази промяна в ъгъла на атака ще предизвика сила - лифт, който този път има посока, обратна на обезпокоителната. Ракетата продължава да лети стабилно, като траекторията е само леко променена.

Пушка, намерена в интернет - на няколко места - казва, че е идеално между центъра на тежестта и центъра на налягането да има разстояние от 1,5-2 диаметра на ракетата. Е, струва си да запомните.

На практика

И така, това е моментът, в който стигаме до начина, по който работи, и целта на някои елементи, срещани по време на четенето и ежедневието. Започвайки от двете състояния по-горе, наблюдаваме ситуациите по-долу.
1. Необходимостта от подреждане на центъра на налягане зад центъра на тежестта определя външния вид на крилата на ракетите, които имат ролята да осигуряват стабилност в атмосферния полет чрез промяна на положението на центъра на налягането. Забелязваме това при голям брой ракети - например Сатурн V, Сатурн I, AIM-9 Sidewinder, AIM-120 AMRAAM.

Сатурн IB (източник: pinterest)

Сатурн V (източник: НАСА)

AIM-9 Sidewinder (източник: blogspot)

AIM-120 AMRAAM (източник: Международно бизнес време, неизвестно)

2. Необходимостта от векторна тяга - промяна на посоката на газовата струя към централната ос - която най-често се постига чрез промяна на ориентацията на ракетния двигател или чрез промяна на ориентацията на дюзата. Това е методът, използван от повечето ракети - примери за Сатурн V, Сокол 9, Електрон.

Rocketdyne F-1 (източник: Smithsonian)

SpaceX Merlin (източник: imgur)

Rocketlab Ръдърфорд (източник: Rocketlab)

3. Разходът на гориво променя положението на центъра на тежестта. Първият показва еволюцията на центъра на тежестта за ракетата Сатурн V, която е изстреляла мисията Apollo 11. Второто изображение показва еволюцията на положението на центъра на тежестта и центъра на налягането за период от 140 секунди.

Сатурн V - центърът на тежестта (източник: НАСА)

Сатурн V - център на тежестта и център на налягане (източник: НАСА)

4. Спасителната система, използвана в Меркурий, Близнаци, Аполон, Союз, има центъра на налягане под центъра на тежестта, за да поддържа стабилност, ако е необходимо нейното активиране.

LES Меркурий (източник: americanspacecraft.com)

LES Аполон (източник: НАСА)

ЛЕС Союз ТМА (източник: Уикипедия)

5. Капсулите, използвани за повторно навлизане в атмосферата (Меркурий, Близнаци, Аполон, Союз, Дракон, Орион), имат център на тежестта под центъра на налягането, за да осигурят тяхната стабилност. Капсулите обаче използват трик, за да контролират посоката на полета - центърът на тежестта не е точно на надлъжната ос, а е леко ексцентричен. Въртенето на капсулата променя нейното положение и следователно повдигането и следователно посоката на полета.

Живачна капсула (източник: collectspace.com)

Капсула Близнаци (източник: Smithsonian)

Капсула Аполон (източник: НАСА)

Капсула Союз (Източник: Imgur)

6. Фойерверките биха се движили хаотично, ако нямат центъра на натиск зад центъра на тежестта, поради което имат тази пръчка отзад.

фойерверки (източник: bestwallpaper, Popular Mechanics, Wikipedia)

Преди края, ако искате да продължите да четете, препоръчвам по-стара статия за двигателите, използвани от ракетите. Също така, да не забравяме: има и раздел, в който са обобщени някои от статиите по пространствени теми - https://www.rumaniamilitary.ro/orizont .

А сега да ви натъжа. Това е само един от въпросите за стабилността, разглеждани при изграждането на ракета. Само обобщение на няколко теми за дебат:

изчисляване, конструиране и изпитване на двигатели;
изчисляване и оценка на различни сили, действащи върху ракети;
взаимодействие с ракетната кула;
аеродинамика и полет на различни височини и скорости;
изчисляване на оптимални траектории;
система за контрол и насочване;
намаляване на вибрациите.

Редактиране:
- 2020-01-26 14:45:00 - посочено „полет извън атмосферата в орбитата на Земята“