Hvordan raketter fungerer

Hvordan en solid drivstoffrakett fungerer

NASA via Getty Images / Getty Images

Raketter med fast drivstoff inkluderer alle de eldre fyrverkerakettene, men det er nå mer avansert drivstoff, design og funksjoner med faste drivmidler.

Fast drivmiddel raketter ble oppfunnet før raketter med flytende drivstoff. Den solide drivstofftypen begynte med bidrag fra forskerne Zasiadko, Constantinov og Congreve . Nå i en avansert tilstand er raketter med fast drivmiddel i utstrakt bruk i dag, inkludert romfergen doble booster-motorer og Delta-seriens booster-trinn.

Hvordan et fast drivmiddel fungerer

Overflateareal er mengden drivmiddel som utsettes for indre forbrenningsflammer, som eksisterer i et direkte forhold til skyvekraft. En økning i overflateareal vil øke skyvekraften, men vil redusere brenntiden siden drivmidlet forbrukes med en akselerert hastighet. Den optimale skyvekraften er typisk konstant, som kan oppnås ved å opprettholde et konstant overflateareal gjennom forbrenningen.

Eksempler på korndesign med konstant overflate inkluderer: endebrenning, intern-kjerne- og ytre-kjernebrenning, og intern stjernekjernebrenning.

Ulike former brukes for optimalisering av korn-skyvekraft-forhold siden noen raketter kan kreve en innledningsvis høy skyvekraftkomponent for start, mens en lavere skyvekraft vil dekke kravene til regressiv skyvekraft etter utskytingen. Kompliserte kornkjernemønstre, for å kontrollere det eksponerte overflatearealet til rakettens drivstoff, har ofte deler belagt med en ikke-brennbar plast (som celluloseacetat). Denne pelsen forhindrer forbrenningsflammer fra å antenne den delen av drivstoffet, antent først senere når forbrenningen når drivstoffet direkte.

Spesifikk impuls

Ved utformingen av rakettens drivmiddelkorn må spesifikke impulser tas i betraktning siden det kan være forskjellssvikt (eksplosjon), og en vellykket optimalisert skyveproduserende rakett.

Moderne raketter med fast drivstoff

Fordeler ulemper

• Når en solid rakett er antent, vil den forbruke hele drivstoffet, uten mulighet for avstengning eller justering av skyvekraft. Saturn V-måneraketten brukte nesten 8 millioner pund skyvekraft som ikke ville vært gjennomførbart med bruk av fast drivmiddel, og krever et flytende drivmiddel med høy spesifikk impuls.
• Faren involvert i det ferdigblandede drivstoffet til monopropellant raketter, dvs. noen ganger er nitroglyserin en ingrediens.

En fordel er den enkle lagringen av raketter med fast drivstoff. Noen av disse rakettene er små missiler som Honest John og Nike Hercules; andre er store ballistiske missiler som Polaris, Sergeant og Vanguard. Flytende drivmidler kan gi bedre ytelse, men vanskelighetene med drivmiddellagring og håndtering av væsker nær absolutt null (0 grader Kelvin ) har begrenset bruken av dem uten å kunne møte de strenge kravene militæret krever til sin ildkraft.

Flytende raketter ble først teoretisert av Tsiolkozski i hans 'Undersøkelse av interplanetært rom ved hjelp av reaktive enheter', publisert i 1896. Ideen hans ble realisert 27 år senere da Robert Goddard skjøt opp den første flytende raketten.

Væskedrevne raketter drev russerne og amerikanerne dypt inn i romalderen med de mektige Energiya SL-17 og Saturn V-rakettene. Den høye skyvekapasiteten til disse rakettene muliggjorde våre første reiser ut i verdensrommet. Det 'gigantiske skrittet for menneskeheten' som fant sted den 21. juli 1969, da Armstrong trådte inn på månen, ble muliggjort av Saturn V-rakettens 8 millioner pund skyvekraft.

Hvordan et flytende drivmiddel fungerer

To metalltanker holder henholdsvis drivstoff og oksidasjonsmiddel. På grunn av egenskapene til disse to væskene, blir de vanligvis lastet inn i tankene rett før lansering. De separate tankene er nødvendige, for mange flytende drivstoff brenner ved kontakt. Etter en innstilt utsettingssekvens åpnes to ventiler, slik at væsken kan strømme ned i rørsystemet. Hvis disse ventilene ganske enkelt åpnet seg slik at de flytende drivmidlene strømmer inn i forbrenningskammeret, vil det oppstå en svak og ustabil skyvehastighet, så enten en trykksatt gasstilførsel eller en turbopumpemating brukes.

Den enkleste av de to, den trykksatte gasstilførselen, legger til en tank med høytrykksgass til fremdriftssystemet. Gassen, en ureaktiv, inert og lett gass (som helium), holdes og reguleres, under intenst trykk, av en ventil/regulator.

Den andre, og ofte foretrukne, løsningen på drivstoffoverføringsproblemet er en turbopumpe. En turbopumpe er det samme som en vanlig pumpe i funksjon og omgår et gass-trykksystem ved å suge ut drivmidlene og akselerere dem inn i forbrenningskammeret.

Oksydasjonsmidlet og drivstoffet blandes og antennes inne i forbrenningskammeret og skyvekraft dannes.

Oksidasjonsmidler og drivstoff

Fordeler ulemper

Dessverre gjør det siste punktet flytende drivgasraketter intrikate og komplekse. En ekte moderne flytende bipropellantmotor har tusenvis av rørforbindelser som bærer forskjellige kjøle-, drivstoff- eller smørevæsker. Dessuten består de forskjellige underdelene som turbopumpen eller regulatoren av separate vertigo av rør, ledninger, kontrollventiler, temperaturmålere og støttestag. Gitt de mange delene, er sjansen for at en integralfunksjon svikter stor.

Som nevnt før er flytende oksygen det mest brukte oksydasjonsmiddelet, men det har også sine ulemper. For å oppnå den flytende tilstanden til dette elementet, må en temperatur på -183 grader Celsius oppnås - forhold der oksygen lett fordamper, og mister en stor sum av oksidasjonsmiddel bare under lasting. Salpetersyre, et annet kraftig oksidasjonsmiddel, inneholder 76 % oksygen, er i flytende tilstand ved STP, og har en høy egenvekt – Alle store fordeler. Det siste punktet er en måling som ligner på tetthet, og når den stiger høyere, øker også drivstoffets ytelse. Men salpetersyre er farlig ved håndtering (blanding med vann produserer en sterk syre) og produserer skadelige biprodukter ved forbrenning med drivstoff, og derfor er bruken begrenset.

Utviklet i det andre århundre f.Kr., av de gamle kineserne, er fyrverkeri den eldste formen for raketter og den mest forenklede. Opprinnelig hadde fyrverkeri religiøse formål, men ble senere tilpasset militær bruk i middelalderen i form av 'flammende piler'.

I løpet av det tiende og trettende århundre brakte mongolene og araberne hovedkomponenten av disse tidlige rakettene til Vesten: krutt . Selv om kanonen og pistolen ble den store utviklingen fra den østlige introduksjonen av krutt, resulterte også raketter. Disse rakettene var i hovedsak forstørret fyrverkeri som drev, lenger enn langbuen eller kanonen, pakker med eksplosivt krutt.

I løpet av slutten av det attende århundres imperialistiske kriger utviklet oberst Congreve sine berømte raketter, som strekker seg over fire miles. 'Rakettens røde gjenskinn' (American Anthem) registrerer bruken av rakettkrigføring, i sin tidlige form for militærstrategi, under det inspirerende slaget ved Fort McHenry .

Hvordan fyrverkeri fungerer

En lunte (bomullsgarn belagt med krutt) tennes av en fyrstikk eller av en 'punk' (en trepinne med en kulllignende rødglødende spiss). Denne lunten brenner raskt inn i kjernen av raketten hvor den antenner kruttveggene i den indre kjernen. Som nevnt før er en av kjemikaliene i krutt kaliumnitrat, den viktigste ingrediensen. Den molekylære strukturen til dette kjemikaliet, KNO3, inneholder tre atomer av oksygen (O3), ett atom av nitrogen (N), og ett atom av kalium (K). De tre oksygenatomene som er låst inn i dette molekylet, gir 'luften' som lunten og raketten brukte til å brenne de to andre ingrediensene, karbon og svovel. Dermed oksiderer kaliumnitrat den kjemiske reaksjonen ved lett å frigjøre oksygen. Denne reaksjonen er imidlertid ikke spontan, og må initieres av varme som match eller 'punk'.