Rachetă
Caracteristici generale și principii de funcționare
Racheta se deosebește de turboreactor și de alte motoare cu „aer comprimat” prin faptul că tot jetul de eșapament este format din produse de combustie gazoasă ale „propulsoarelor” transportate la bord. La fel ca și motorul turboreactor, racheta dezvoltă împingerea prin ejectarea în spate a masei la o viteză foarte mare.
NASA
Principiul fizic fundamental implicat în propulsia rachetelor a fost formulat de Sir Isaac Newton. Conform celei de-a treia legi a mișcării a acestuia, racheta suferă o creștere a impulsului proporțională cu impulsul antrenat în evacuare,
unde M este masa rachetei, ΔvR este creșterea vitezei rachetei într-un interval scurt de timp, Δt, m° este rata de descărcare a masei în evacuare, ve este viteza efectivă de evacuare (aproape egală cu viteza jetului și luată în raport cu racheta), iar F este forța. Cantitatea m°ve este forța de propulsie, sau forța de împingere, produsă asupra rachetei prin evacuarea propulsorului,
NASA
Evident, se poate obține o împingere mare prin utilizarea unei rate mari de descărcare a masei sau a unei viteze mari de evacuare. Angajarea unei m° ridicate consumă rapid rezerva de propulsor (sau necesită o rezervă mare), astfel încât este preferabil să se caute valori ridicate ale lui ve. Valoarea lui ve este limitată de considerente practice, determinate de modul în care este accelerată evacuarea în ajutajul supersonic și de sursa de energie disponibilă pentru încălzirea propulsorului.
Majoritatea rachetelor își obțin energia sub formă termică prin arderea propulsoarelor în fază condensată la presiune ridicată. Produsele gazoase de ardere sunt evacuate prin ajutajul care transformă cea mai mare parte a energiei termice în energie cinetică. Cantitatea maximă de energie disponibilă este limitată la cea furnizată de combustie sau de considerente practice impuse de temperatura ridicată în cauză. Sunt posibile energii mai mari dacă se folosesc alte surse de energie (de exemplu, încălzirea electrică sau cu microunde) împreună cu propulsoarele chimice de la bordul rachetelor, iar energii extrem de mari se pot obține atunci când gazele de eșapament sunt accelerate prin mijloace electromagnetice.
Viteza efectivă a gazelor de eșapament este cifra de merit pentru propulsia rachetelor, deoarece este o măsură a împingerii pe unitatea de masă de propulsor consumată – de ex,
Valorile lui ve se situează în intervalul 2.000-5.000 de metri (6.500-16.400 de picioare) pe secundă pentru propulsoarele chimice, în timp ce pentru propulsoarele încălzite electric se pretind valori de două sau trei ori mai mari. Valorile de peste 40.000 de metri (131.000 de picioare) pe secundă sunt preconizate pentru sistemele care utilizează accelerația electromagnetică. În cercurile inginerești, în special în Statele Unite, viteza efectivă de evacuare este exprimată pe scară largă în unități de secunde, ceea ce se numește impuls specific. Valorile în secunde se obțin prin împărțirea vitezelor efective de evacuare la factorul constant 9,81 metri pe secundă la pătrat (32,2 picioare pe secundă la pătrat).
Într-o misiune tipică cu rachetă chimică, între 50 și 95 la sută sau mai mult din masa de decolare este propulsor. Acest lucru poate fi pus în perspectivă prin ecuația pentru viteza de ardere (presupunând un zbor fără gravitație și fără rezistență),
În această expresie, Ms/Mp este raportul dintre masa sistemului de propulsie și a structurii și masa propulsorului, cu o valoare tipică de 0,09 (simbolul ln reprezintă logaritmul natural). Mp/Mo este raportul dintre masa propulsorului și masa totală la decolare, cu o valoare tipică de 0,90. O valoare tipică pentru ve pentru un sistem hidrogen-oxigen este de 3.536 metri (11.601 picioare) pe secundă. Din ecuația de mai sus, se poate calcula raportul dintre masa încărcăturii utile și masa de decolare (Mpay/Mo). Pentru o orbită joasă a Pământului, vb este de aproximativ 7.544 metri (24.751 picioare) pe secundă, ceea ce ar necesita ca Mpay/Mo să fie de 0,0374. Cu alte cuvinte, ar fi nevoie de un sistem de decolare de 1.337.000 kg (2.948.000 de lire) pentru a plasa 50.000 kg (110.000 de lire) pe o orbită joasă în jurul Pământului. Acesta este un calcul optimist, deoarece ecuația (4) nu ia în considerare efectul gravitației, al rezistenței sau al corecțiilor direcționale în timpul ascensiunii, care ar crește considerabil masa de decolare. Din ecuația (4) este evident că există un compromis direct între Ms și Mpay, astfel încât se depun toate eforturile pentru a proiecta o masă structurală redusă, iar Ms/Mp este o a doua cifră de merit pentru sistemul de propulsie. În timp ce diferitele rapoarte de masă alese depind în mare măsură de misiune, încărcăturile utile ale rachetei reprezintă în general o mică parte din masa de decolare.
În multe misiuni se folosește o tehnică numită etapizare multiplă pentru a minimiza dimensiunea vehiculului de decolare. Un vehicul de lansare transportă o a doua rachetă ca sarcină utilă, care va fi lansată după arderea primei etape (care este lăsată în urmă). În acest fel, componentele inerte ale primei etape nu sunt transportate până la viteza finală, împingerea celei de-a doua etape fiind aplicată mai eficient încărcăturii utile. Majoritatea zborurilor spațiale utilizează cel puțin două etape. Strategia este extinsă la mai multe etape în cazul misiunilor care necesită viteze foarte mari. Misiunile americane Apollo cu echipaj uman pe Lună au folosit în total șase etape.
NASA
Caracteristicile unice ale rachetelor care le fac utile includ următoarele:
1. Rachetele pot funcționa atât în spațiu, cât și în atmosfera terestră.
2. Pot fi construite pentru a furniza o împingere foarte mare (un propulsor spațial greu modern are o împingere la decolare de 3.800 de kilonewtoni (850.000 de lire sterline).
3. Sistemul de propulsie poate fi relativ simplu.
4. Sistemul de propulsie poate fi menținut într-o stare gata de lansare (important în sistemele militare).
5. Rachetele mici pot fi lansate de pe o varietate de platforme de lansare, de la lăzi de ambalaj la lansatoare de umăr și până la avioane (nu există recul).
Aceste caracteristici explică nu numai de ce toate recordurile de viteză și de distanță sunt stabilite de sisteme de rachete (aer, uscat, spațiu), ci și de ce rachetele sunt alegerea exclusivă pentru zborurile spațiale. De asemenea, ele au dus la o transformare a războiului, atât strategic, cât și tactic. Într-adevăr, apariția și avansarea tehnologiei moderne a rachetelor pot fi urmărite prin dezvoltarea armelor în timpul și după cel de-al Doilea Război Mondial, o parte substanțială fiind finanțată prin inițiativele „agențiilor spațiale”, cum ar fi programele Ariane, Apollo și naveta spațială.
.