Rocket

admin 0 Comments Articles

Rocket

Algemene kenmerken en werkingsprincipes

De raket verschilt van de turbojet en andere “luchtademende” motoren in die zin dat de gehele uitlaatstraal bestaat uit de gasvormige verbrandingsproducten van “drijfgassen” die aan boord worden meegevoerd. Net als de turbinestraalmotor ontwikkelt de raket stuwkracht door de achterwaartse uitworp van massa met zeer hoge snelheid.

Het fundamentele natuurkundige principe dat bij raketaandrijving een rol speelt, is geformuleerd door Sir Isaac Newton. Volgens zijn derde bewegingswet ondervindt de raket een toename van het momentum evenredig aan het momentum dat in de uitlaat wordt afgevoerd,waarbij M de massa van de raket is, ΔvR de toename van de snelheid van de raket in een kort tijdsinterval, Δt, m° de snelheid is waarmee de massa in de uitlaat wordt afgevoerd, ve de effectieve uitlaatsnelheid is (bijna gelijk aan de snelheid van de straal en genomen ten opzichte van de raket), en F de kracht. De hoeveelheid m°ve is de voortstuwingskracht, of stuwkracht, die op de raket wordt geproduceerd door het uitlaten van de stuwstof,

Het is duidelijk dat stuwkracht groot kan worden gemaakt door een hoge massa-ontladingssnelheid of een hoge uitlaatsnelheid te gebruiken. Het gebruik van een hoge m° verbruikt de stuwstofvoorraad snel (of vereist een grote voorraad), en dus verdient het de voorkeur om hoge waarden van ve te zoeken. De waarde van ve wordt beperkt door praktische overwegingen, die worden bepaald door hoe de uitlaatgassen worden versneld in de supersonische straalpijp en welke energievoorraad beschikbaar is voor de verwarming van de stuwstof.

De meeste raketten ontlenen hun energie in thermische vorm door verbranding van drijfgassen met gecondenseerde fase bij verhoogde druk. De gasvormige verbrandingsproducten worden afgevoerd door de straalpijp die het grootste deel van de thermische energie omzet in kinetische energie. De maximaal beschikbare hoeveelheid energie is beperkt tot die welke door de verbranding wordt geleverd of door praktische overwegingen die worden opgelegd door de hoge temperatuur in kwestie. Hogere energieën zijn mogelijk indien andere energiebronnen (b.v. elektrische of microgolfverwarming) worden gebruikt in combinatie met de chemische stuwstoffen aan boord van de raketten, en extreem hoge energieën zijn haalbaar wanneer de uitlaat met elektromagnetische middelen wordt versneld.

De effectieve uitlaatsnelheid is het kengetal voor raketvoortstuwing omdat het een maat is voor de stuwkracht per eenheid verbruikte massa stuwstof – d.w.z,

Waarden van ve liggen in het bereik van 2.000-5.000 meter (6.500-16.400 voet) per seconde voor chemische stuwstoffen, terwijl waarden twee of drie keer zo hoog worden geclaimd voor elektrisch verwarmde stuwstoffen. Waarden van meer dan 40.000 meter (131.000 voet) per seconde worden voorspeld voor systemen die gebruik maken van elektromagnetische versnelling. In technische kringen, met name in de Verenigde Staten, wordt de effectieve uitlaatsnelheid vaak uitgedrukt in eenheden van seconden, die specifieke impuls worden genoemd. Waarden in seconden worden verkregen door de effectieve uitlaatsnelheden te delen door de constante factor 9,81 meter per seconde in het kwadraat.

In een typische chemische-raketmissie bestaat 50 tot 95 procent of meer van de opstijgmassa uit stuwstof. Dit kan worden gerelativeerd met de vergelijking voor de verbrandingssnelheid (uitgaande van een zwaartekracht- en luchtweerstandvrije vlucht),

In deze uitdrukking is Ms/Mp de verhouding tussen de massa van het voortstuwingssysteem en de constructie en de massa van het stuwmiddel, met een typische waarde van 0,09 (het symbool ln staat voor natuurlijke logaritme). Mp/Mo is de verhouding tussen de massa van de stuwstof en de totale startmassa, met een typische waarde van 0,90. Een typische waarde voor ve voor een waterstof-zuurstofsysteem is 3.536 meter (11.601 voet) per seconde. Uit bovenstaande vergelijking kan de verhouding tussen de massa van de nuttige lading en de massa van het opstijgen (Mpay/Mo) worden berekend. Voor een lage aardbaan is vb ongeveer 7.544 meter (24.751 voet) per seconde, hetgeen zou betekenen dat Mpay/Mo 0,0374 moet zijn. Met andere woorden, er zou een startsysteem van 1.337.000 kg nodig zijn om 50.000 kg in een lage baan rond de aarde te brengen. Dit is een optimistische berekening omdat vergelijking (4) geen rekening houdt met het effect van de zwaartekracht, de luchtweerstand en de richtingcorrecties tijdens de opstijging, waardoor de startmassa aanzienlijk zou toenemen. Uit vergelijking (4) blijkt duidelijk dat er een directe wisselwerking bestaat tussen Ms en Mpay, zodat alles in het werk wordt gesteld om een lage structurele massa te ontwerpen, en Ms/Mp een tweede waardecijfer voor het aandrijfsysteem is. Hoewel de verschillende gekozen massaverhoudingen sterk afhangen van de missie, vertegenwoordigen de nuttige ladingen van de raket over het algemeen een klein deel van de startmassa.

Bij veel missies wordt een techniek gebruikt die meervoudige staging wordt genoemd, om de omvang van het startvoertuig tot een minimum te beperken. Een draagraket neemt een tweede raket als lading mee, die wordt afgevuurd na het uitbranden van de eerste trap (die wordt achtergelaten). Op deze manier worden de inerte onderdelen van de eerste trap niet naar de eindsnelheid gebracht, terwijl de stuwkracht van de tweede trap doeltreffender voor de nuttige lading kan worden gebruikt. De meeste ruimtevluchten gebruiken ten minste twee trappen. De strategie wordt uitgebreid tot meer trappen in missies die zeer hoge snelheden vereisen. De Amerikaanse Apollo maanmissies gebruikten in totaal zes trappen.

Raketten hebben onder meer de volgende unieke eigenschappen die ze nuttig maken:

1. Raketten kunnen zowel in de ruimte als in de dampkring van de aarde werken.

2. Ze kunnen worden gebouwd om zeer grote stuwkracht te leveren (een moderne zware ruimteversterker heeft een startstuwkracht van 3.800 kilonewton (850.000 pond).

3. Het voortstuwingssysteem kan relatief eenvoudig zijn.

4. Het voortstuwingssysteem kan in een afvuurklare toestand worden gehouden (belangrijk in militaire systemen).

5. Kleine raketten kunnen worden afgevuurd vanaf een verscheidenheid aan lanceerplatforms, variërend van verpakkingskratten tot schouderlanceerders tot vliegtuigen (er is geen terugslag).

Deze eigenschappen verklaren niet alleen waarom alle snelheids- en afstandsrecords worden gevestigd door raketsystemen (lucht, land, ruimte), maar ook waarom raketten de exclusieve keuze zijn voor ruimtevluchten. Zij hebben ook geleid tot een transformatie van de oorlogsvoering, zowel strategisch als tactisch. Het ontstaan en de vooruitgang van de moderne rakettechnologie kan worden teruggevoerd op wapenontwikkelingen tijdens en na de Tweede Wereldoorlog, waarbij een aanzienlijk deel werd gefinancierd door initiatieven van “ruimtevaartorganisaties”, zoals de Ariane-, Apollo- en Space Shuttle-programma’s.