Raket
Allmänna egenskaper och funktionsprinciper
Raketen skiljer sig från turbojetmotorerna och andra motorer som andas luft genom att hela avgasstrålen består av gasformiga förbränningsprodukter från ”drivmedel” som transporteras ombord. Liksom turbojetmotorn utvecklar raketen dragkraft genom bakåtriktad utstötning av massa med mycket hög hastighet.
NASA
Den grundläggande fysikaliska principen för raketframdrivning formulerades av Sir Isaac Newton. Enligt hans tredje rörelselag får raketen en ökning av sin rörelse som är proportionell mot den rörelse som transporteras bort i avgaserna,
där M är raketmassan, ΔvR är ökningen av raketens hastighet under ett kort tidsintervall, Δt, m° är hastigheten för massans avgång i avgaserna, ve är den effektiva avgashastigheten (som är nästan lika stor som jetens hastighet och som tas i förhållande till raketen), och F är kraften. Mängden m°ve är den framdrivningskraft, eller dragkraft, som produceras på raketen genom att drivmedlet släpps ut,
NASA
Det är uppenbart att dragkraften kan göras stor genom att använda en hög massutmatningshastighet eller en hög utloppshastighet. Att använda hög m° förbrukar drivmedelsförrådet snabbt (eller kräver ett stort förråd), och därför är det att föredra att eftersträva höga värden på ve. Värdet på ve begränsas av praktiska överväganden, som bestäms av hur utsläppet accelereras i det överljudsmunstycket och vilken energiförsörjning som finns tillgänglig för drivmedelsuppvärmning.
De flesta raketer får sin energi i termisk form genom förbränning av drivmedel i kondenserad fas vid förhöjt tryck. De gasformiga förbränningsprodukterna släpps ut genom munstycket som omvandlar det mesta av den termiska energin till kinetisk energi. Den maximala tillgängliga energimängden är begränsad till den energi som fås genom förbränningen eller till följd av praktiska överväganden på grund av den höga temperaturen. Högre energier är möjliga om andra energikällor (t.ex. elektrisk uppvärmning eller mikrovågsvärme) används tillsammans med de kemiska drivmedlen ombord på raketerna, och extremt höga energier kan uppnås när avgaserna accelereras på elektromagnetisk väg.
Den effektiva avgashastigheten är ett mått på raketframdrivning, eftersom den är ett mått på dragkraft per förbrukad massaenhet av drivmedlet – dvs,
Värden för ve ligger i intervallet 2 000-5 000 meter (6 500-16 400 fot) per sekund för kemiska drivmedel, medan värden som är två eller tre gånger så höga hävdas för elektriskt uppvärmda drivmedel. Värden över 40 000 meter (131 000 fot) per sekund förutses för system som använder elektromagnetisk acceleration. I ingenjörskretsar, särskilt i USA, uttrycks den effektiva utloppshastigheten ofta i sekundenheter, vilket kallas specifik impuls. Värden i sekunder erhålls genom att dividera den effektiva utloppshastigheten med den konstanta faktorn 9,81 meter per sekund i kvadrat (32,2 fot per sekund i kvadrat).
I ett typiskt kemiraketuppdrag utgörs någonstans mellan 50 och 95 procent eller mer av startmassan av drivmedel. Detta kan sättas i perspektiv genom ekvationen för utbränningshastighet (under antagande av gravitationsfri och dragfri flygning),
I detta uttryck är Ms/Mp förhållandet mellan framdrivningssystemets och strukturens massa och drivmedelsmassan, med ett typiskt värde på 0,09 (symbolen ln står för naturlig logaritm). Mp/Mo är förhållandet mellan drivmedelsmassan och den totala startmassan, med ett typiskt värde på 0,90. Ett typiskt värde för ve för ett väte-syresystem är 3 536 meter (11 601 fot) per sekund. Utifrån ovanstående ekvation kan förhållandet mellan nyttolastmassan och startmassan (Mpay/Mo) beräknas. För en låg jordbana är vb cirka 7 544 meter (24 751 fot) per sekund, vilket skulle kräva att Mpay/Mo är 0,0374. Med andra ord skulle det krävas ett startsystem på 1 337 000 kg (2 948 000 pund) för att placera 50 000 kg (110 000 pund) i en låg bana runt jorden. Detta är en optimistisk beräkning eftersom ekvation (4) inte tar hänsyn till effekten av gravitation, motstånd eller riktningskorrigeringar under uppstigningen, vilket skulle öka startmassan märkbart. Av ekvation (4) framgår det tydligt att det finns en direkt avvägning mellan Ms och Mpay, så att alla ansträngningar görs för att konstruera för låg strukturell massa, och Ms/Mp är en andra siffra för framdrivningssystemet. Även om de olika massförhållandena som väljs beror starkt på uppdraget, utgör raketnytta i allmänhet en liten del av startmassan.
En teknik som kallas multiple staging används i många uppdrag för att minimera storleken på startfordonet. En bärraket bär en andra raket som nyttolast, som ska avfyras efter utbränning av det första steget (som lämnas kvar). På detta sätt transporteras inte de inerta komponenterna i den första etappen till sluthastighet, utan den andra etappens dragkraft används mer effektivt till nyttolasten. Vid de flesta rymdflygningar används minst två steg. Strategin utökas till fler steg i uppdrag som kräver mycket höga hastigheter. Vid de bemannade månuppdragen i Apollo användes totalt sex steg.
NASA
De unika egenskaper hos raketer som gör dem användbara är bland annat följande:
1. Raketer kan fungera såväl i rymden som i jordens atmosfär.
2. De kan byggas för att ge mycket hög dragkraft (en modern tung rymdbooster har en startdragkraft på 3 800 kilonewton (850 000 pund).
3. Framdrivningssystemet kan vara relativt enkelt.
4. Framdrivningssystemet kan hållas i ett tillstånd där det kan vara redo att avfyras (viktigt i militära system).
5. Små raketer kan avfyras från en mängd olika uppskjutningsplattformar, från packlådor till axelskjutare och flygplan (det finns ingen rekyl).
Dessa egenskaper förklarar inte bara varför alla hastighets- och avståndsrekord sätts av raketsystem (i luften, på land och i rymden), utan också varför raketer är det exklusiva valet för rymdfärder. De har också lett till en omvandling av krigföring, både strategiskt och taktiskt. Uppkomsten och utvecklingen av modern raketteknik kan faktiskt spåras till vapenutvecklingen under och efter andra världskriget, där en betydande del har finansierats genom initiativ från ”rymdorganisationer” som Ariane-, Apollo- och rymdfärjeprogrammen.