Rakieta
Generalna charakterystyka i zasady działania
Rakieta różni się od silnika turboodrzutowego i innych silników „oddychających powietrzem” tym, że cały strumień wylotowy składa się z gazowych produktów spalania „materiałów pędnych” znajdujących się na pokładzie. Podobnie jak silnik turboodrzutowy, rakieta wytwarza ciąg przez wyrzut masy w tył z bardzo dużą prędkością.
NASA
Podstawowa zasada fizyczna związana z napędem rakietowym została sformułowana przez Sir Isaaca Newtona. Zgodnie z jego trzecim prawem ruchu, rakieta doświadcza wzrostu pędu proporcjonalnego do pędu unoszonego w wydechu,
gdzie M jest masą rakiety, ΔvR jest wzrostem prędkości rakiety w krótkim przedziale czasu, Δt, m° jest prędkością uwalniania masy w wydechu, ve jest efektywną prędkością wydechu (prawie równą prędkości strumienia i wziętą względem rakiety), a F jest siłą. Wielkość m°ve to siła napędowa, lub ciąg, wytwarzana w rakiecie przez wylot materiału pędnego,
NASA
Evidently ciąg może być duży przez użycie wysokiego wskaźnika zrzutu masy lub wysokiej prędkości wylotowej. Zastosowanie wysokiego m° szybko zużywa zapas paliwa (lub wymaga dużego zapasu), dlatego preferowane jest poszukiwanie wysokich wartości ve. Wartość ve jest ograniczona względami praktycznymi, określonymi przez sposób przyspieszania wydechu w dyszy naddźwiękowej i dostępną dostawę energii do ogrzewania materiału pędnego.
Większość rakiet czerpie swoją energię w postaci termicznej poprzez spalanie skondensowanej fazy materiałów pędnych przy podwyższonym ciśnieniu. Gazowe produkty spalania są wydalane przez dyszę, która przekształca większość energii cieplnej w energię kinetyczną. Maksymalna ilość dostępnej energii jest ograniczona do tej dostarczanej przez spalanie lub ze względów praktycznych wynikających z wysokiej temperatury. Wyższe energie są możliwe, jeżeli inne źródła energii (np. ogrzewanie elektryczne lub mikrofalowe) są wykorzystywane w połączeniu z chemicznymi materiałami pędnymi znajdującymi się na pokładzie rakiet, a ekstremalnie wysokie energie są osiągalne, gdy spaliny są przyspieszane elektromagnetycznie.
Efektywna prędkość wylotowa jest liczbą zalet napędu rakietowego, ponieważ jest miarą ciągu na jednostkę masy zużywanego materiału pędnego – tj,
Wartości ve są w zakresie 2,000-5,000 metrów (6,500-16,400 stóp) na sekundę dla chemicznych materiałów pędnych, podczas gdy wartości dwu- lub trzykrotnie większe są deklarowane dla materiałów pędnych ogrzewanych elektrycznie. Wartości przekraczające 40 000 metrów (131 000 stóp) na sekundę są przewidywane dla systemów wykorzystujących przyspieszenie elektromagnetyczne. W kręgach inżynierskich, zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych, efektywna prędkość wylotowa jest powszechnie wyrażana w jednostkach sekund, co określa się mianem impulsu właściwego. Wartości w sekundach uzyskuje się dzieląc efektywne prędkości wylotowe przez stały współczynnik 9,81 metra na sekundę podniesiony do kwadratu (32,2 stopy na sekundę podniesione do kwadratu).
W typowej misji z rakietą chemiczną od 50 do 95 procent lub więcej masy startowej stanowi materiał pędny. Można to przedstawić w perspektywie równania dla prędkości wypalania (zakładając lot bez grawitacji i oporu),
W tym wyrażeniu, Ms/Mp jest stosunkiem masy układu napędowego i struktury do masy paliwa, z typową wartością 0,09 (symbol ln oznacza logarytm naturalny). Mp/Mo jest stosunkiem masy paliwa do całkowitej masy startowej, z typową wartością 0,90. Typowa wartość ve dla układu wodorowo-tlenowego wynosi 3536 metrów (11 601 stóp) na sekundę. Z powyższego równania można obliczyć stosunek masy ładunku użytecznego do masy startowej (Mpay/Mo). Dla niskiej orbity okołoziemskiej vb wynosi około 7 544 metrów (24 751 stóp) na sekundę, co wymagałoby, aby Mpay/Mo wynosiło 0,0374. Innymi słowy, aby umieścić 50 000 kg (110 000 funtów) na niskiej orbicie okołoziemskiej, potrzebny byłby system startowy o masie 1 337 000 kg (2 948 000 funtów). Jest to optymistyczne wyliczenie, ponieważ równanie (4) nie uwzględnia wpływu grawitacji, oporu powietrza lub korekt kierunku podczas wznoszenia, które zauważalnie zwiększyłyby masę startową. Z równania (4) jasno wynika, że istnieje bezpośredni kompromis pomiędzy Ms i Mpay, dlatego też dokłada się wszelkich starań, aby projektować tak, aby masa konstrukcji była niska, a Ms/Mp jest drugą liczbą zalet układu napędowego. Podczas gdy różne proporcje mas są silnie uzależnione od misji, ładunek użyteczny rakiety generalnie stanowi niewielką część masy startowej.
Technika zwana wielokrotnym stagowaniem jest używana w wielu misjach w celu zminimalizowania rozmiaru pojazdu startowego. Pojazd nośny przenosi jako ładunek użyteczny drugą rakietę, która ma być odpalona po wypaleniu się pierwszego stopnia (który jest pozostawiony). W ten sposób obojętne elementy pierwszego stopnia nie są wynoszone do prędkości końcowej, a siła ciągu drugiego stopnia jest efektywniej wykorzystywana do przeniesienia ładunku użytecznego. Większość lotów kosmicznych wykorzystuje co najmniej dwa stopnie. Strategia ta jest rozszerzana na więcej stopni w misjach wymagających bardzo dużych prędkości. Amerykańskie załogowe misje księżycowe Apollo wykorzystywały w sumie sześć stopni.
NASA
Unikalne cechy rakiet, które czynią je użytecznymi, obejmują następujące elementy:
1. Rakiety mogą działać zarówno w przestrzeni kosmicznej, jak i w atmosferze ziemskiej.
2. Mogą być budowane tak, by zapewniać bardzo duży ciąg (nowoczesny ciężki booster kosmiczny ma ciąg startowy 3 800 kilonewtonów (850 000 funtów).
3. Układ napędowy może być stosunkowo prosty.
4. Układ napędowy może być utrzymywany w stanie gotowości do odpalenia (ważne w systemach wojskowych).
5. Małe rakiety mogą być wystrzeliwane z różnych platform startowych, od skrzynek do pakowania, przez wyrzutnie naramienne, po samoloty (nie ma odrzutu).
Te cechy wyjaśniają nie tylko dlaczego wszystkie rekordy prędkości i odległości są ustanawiane przez systemy rakietowe (powietrzne, lądowe, kosmiczne), ale także dlaczego rakiety są wyłącznym wyborem dla lotów kosmicznych. Doprowadziły one również do transformacji działań wojennych, zarówno strategicznych jak i taktycznych. Rzeczywiście, pojawienie się i rozwój nowoczesnych technologii rakietowych można prześledzić do rozwoju broni podczas i od II wojny światowej, z istotną częścią finansowane przez „agencji kosmicznej” inicjatyw, takich jak Ariane, Apollo i promów kosmicznych.
.