Technológie (epizóda 23) Prečo lietajú vojenské rakety v Rumunsku

Napokon, prečo lietajú rakety? Nejako, ako v prípade vrtuľníkov, pretože sú škaredé a Zem ich odmieta? Tak sa pozrime.

prečo

PRINCÍPY

Neviem, či čitatelia vystrelili z pištole alebo nie (na tvárach niektorých čitateľov teraz vidím nejaké arogantné úsmevy); Budem predpokladať, že nie (ďalšie arogantné úsmevy) a budem vás vyzývať, aby ste si prezerali obrázky uvedené nižšie - animované súbory GIF. Ak obrázok nemá animáciu, kliknutím na ňu sa zobrazí animácia.

kopni späť - kliknutím zobrazíte animácie (zdroj: tenor, giphy)

Akákoľvek strelná zbraň (od muškety alebo arquebusu po kanón, cez pištoľ a brokovnicu) je založená na otvorenej hlaveň na jednom konci. Keď vystrelí zbraň, z hlavne vychádzajú v jednom smere veľmi vysoké plyny rýchlosti a teploty, čo je impulz. Na týchto obrázkoch je vidieť spätný ráz a je založený na základnom princípe fyziky - ochrana impulzov. A keďže sa zachová hybnosť, ukazuje sa, že strelná zbraň bude mať impulz aj v opačnom smere. Toto je princíp, na ktorom je založená prevádzka rakiet - odstránením plynu vysokou rýchlosťou v jednom smere sa generuje sila v opačnom smere. Rovnaké obrázky nám tiež ukazujú, že sila bola generovaná všetky súčasne, ale raketa potrebuje silu, ktorá je spojitá po dlhú dobu.

Ak sa ale pozrieme na balón, z ktorého vypúšťame vzduch, všimneme si presne toto - vzduch vychádza rýchlosťou jedným smerom a vytvára tlačnú silu v opačnom smere. Nasledujúci obrázok to ilustruje; je to tiež animovaný gif, takže ak nemá animáciu, kliknite na ňu a uvidíte ju animovanú.

Balón - kliknutím zobrazíte animáciu (zdroj: tenor, giphy)

Analýzou objektu z hľadiska jeho stability, bez toho aby sme zachádzali do podrobností, môžeme povedať, že objekt môže byť v jednom z nasledujúcich stavov:

  • v nestabilnom stave (napríklad pri pokuse o držanie ceruzky na končekoch prstov);
  • v stabilnom stave (napríklad keď sa kyvadlo vráti do bodu s minimálnou vzdialenosťou od zemského povrchu).

Rakety majú motor vzadu a ten ich tlačí, takže môžeme usúdiť, že ide o podobnú situáciu ako v prípade ceruzky v predchádzajúcom príklade. Akákoľvek neočakávaná sila môže telo pohnúť iným smerom, tlačná sila generovaná motorom tlačiacim raketu iným smerom, ako je potrebné. Okrem toho ešte viac komplikujú situáciu, keď sa nachádza v atmosfére rakiet, pôsobia ďalšie sily.

Sily pôsobiace na raketu sú rovnaké ako sily pôsobiace na letún a pri atmosférickom lete:

Podľa popisu týchto síl sme našli aj dva zaujímavé body:

  • váhové centrum: je bod, v ktorom môžeme uvažovať o tom, že je sústredená celá hmota tela. V prípade staršej ceruzky je to bod, v ktorom je rovnováha;
  • centrum tlaku: môžeme uvažovať, že ide o bod, kde sa koncentruje pôsobenie všetkých aerodynamických síl. Vizuálne to možno považovať za bod, ktorý rozdeľuje povrch strely na dve rovnaké časti, pričom predná a zadná časť majú rovnaký povrch.

Sú potrebné dve pozorovania alebo doplnenia:

  • je zrejmé, že v extraatmosférickom lete - na obežnej dráhe okolo Zeme - odpor k postupu a vztlak už nebude existovať, na raketu bude pôsobiť iba tlačná sila a hmotnosť;
  • akýkoľvek pohyb rakety sa robí okolo ťažiska.

Stabilný a nestabilný

Pozrime sa teraz na tieto dva štáty podrobne.

1. Nestabilný stav. Nasledujúci obrázok zobrazuje raketu v nestabilnom stave. Na obrázku vidíme:

  • trakcia - oranžová
  • odpor k postupu - čerešňa
  • váha - modrá
  • výťah - zelený
  • Cg - ťažisko
  • Cp - tlakové centrum
  • Vietor - sila pôsobiaca naraz na raketu

Nestabilný stav (zdroj: autor)

Všimnite si, že stred tlaku je pred ťažiskom. Raketa je spočiatku stabilná, čo je ideálna situácia, bez síl, aby ju narušila. Za predpokladu, že dôjde k rušivej sile - nárazovému vetru - bude pôsobiť cez stred tlaku. Bude mať za následok mierne pootočenie, a tým aj zväčšenie uhla nábehu α. Po zmene uhla nárazu bude mať za následok silu - výťah - ktorá bude mať rovnaký smer ako vietor, čoho dôsledkom bude rotačný pohyb okolo ťažiska. Tento posun sa potom zvýrazní odporom vpred, čím väčšia je bočná sila, tým väčší je uhol medzi pozdĺžnou osou a smerom letu. Raketa sa preto pokúsi otočiť a letieť späť, ale prítlačná sila to nedovolí, čo má za následok chaotický let.

2. Stabilný stav. Nasledujúci obrázok ukazuje raketu v stabilnom stave. Na obrázku vidíme:

  • trakcia - oranžová
  • odpor k postupu - čerešňa
  • váha - modrá
  • výťah - zelený
  • Cg - ťažisko
  • Cp - tlakové centrum
  • Vietor - sila pôsobiaca naraz na raketu

Stabilný stav (zdroj: autor)

Všimnite si, že centrum tlaku je za ťažiskom. Spočiatku - rovnako ako v predchádzajúcom prípade - je raketa stabilná, čo je ideálna situácia, bez síl, aby ju narušila. Raketa nepretržite akceleruje, pohyb je lineárny v smere tlačnej sily. Za predpokladu, že sa opäť objaví rušivá sila - nárazový vietor - bude pôsobiť cez stred tlaku, čo spôsobí rotáciu rakety okolo ťažiska, a tým zmení uhol dopadu α. Táto zmena uhla nábehu spôsobí silu - výťah, ktorý má tentoraz opačný smer ako ten rušivý. Raketa naďalej stabilne letí, trajektória sa zmenila len mierne.

Zbraň nájdená na internete - na niekoľkých miestach - hovorí, že je ideálne, aby medzi ťažiskom a tlakovým stredom bola vzdialenosť 1,5-2 priemeru rakety. No stojí za to pamätať.

V praxi

Takže, tu je ten okamih, keď sa dostaneme k tomu, ako to funguje, a k účelu niektorých prvkov, s ktorými sa stretávame počas čítaní a každodenného života. Vychádzajúc z dvoch vyššie uvedených stavov sledujeme nižšie uvedené situácie.
1. Potreba usporiadať ťažisko tlaku za ťažiskom určuje vzhľad krídel na raketách, ktorých úlohou je zaistenie stability pri atmosférickom lete zmenou polohy ťažiska tlaku. Všímame si to na veľkom počte rakiet - napríklad Saturn V, Saturn I, AIM-9 Sidewinder, AIM-120 AMRAAM.

Saturn IB (zdroj: pinterest)

Saturn V (zdroj: NASA)

AIM-9 Sidewinder (zdroj: blogspot)

AIM-120 AMRAAM (zdroj: International Business Time, neznámy)

2. Potreba vektorovej trakcie - zmena smeru lúča plynu k stredovej osi - ktorá sa najčastejšie dosahuje zmenou orientácie raketového motora alebo zmenou orientácie trysky. Je to metóda používaná väčšinou rakiet - príklady pre Saturn V, Falcon 9, Electron.

Rocketdyne F-1 (zdroj: Smithsonian)

SpaceX Merlin (zdroj: imgur)

Rocketlab Rutherford (zdroj: Rocketlab)

3. Spotreba paliva mení polohu ťažiska. Prvý ukazuje vývoj ťažiska rakety Saturn V, ktorá odštartovala misiu Apollo 11. Druhý obrázok ukazuje vývoj polohy ťažiska a ťažiska tlaku za obdobie 140 sekúnd.

Saturn V - ťažisko (zdroj: NASA)

Saturn V - ťažisko a stred tlaku (zdroj: NASA)

4. Záchranný systém používaný v Merkúroch, Blížencoch, Apolle a Sojuzu má stred tlaku pod ťažiskom, aby udržal stabilitu, ak je potrebná jeho aktivácia.

LES Ortuť (zdroj: americanspacecraft.com)

LES Apollo (zdroj: NASA)

LES Sojuz TMA (zdroj: Wikipedia)

5. Kapsuly používané na opätovný vstup do atmosféry (Merkúr, Blíženci, Apollo, Sojuz, Drak, Orion) majú ťažisko pod stredom tlaku, aby sa zabezpečila ich stabilita. Kapsuly však používajú na ovládanie smeru letu trik - ťažisko nie je presne na pozdĺžnej osi, ale mierne excentrické. Otáčaním kapsuly sa mení jej poloha, a teda zdvih a teda smer letu.

Ortuťová kapsula (zdroj: collectspace.com)

Kapsula Gemini (zdroj: Smithsonian)

Kapsula Apollo (zdroj: NASA)

Kapsula Sojuz (Zdroj: Imgur)

6. Zábavná pyrotechnika by sa pohybovala chaoticky, ak by nemala stred tlaku za ťažiskom, a preto má túto palicu vzadu.

OHŇOSTROJE (zdroj: bestwallpaper, Popular Mechanics, Wikipedia)

Pred koncom, ak chcete pokračovať v čítaní, odporúčam starší článok o motoroch používaných raketami. Nezabúdajme tiež: existuje aj časť, kde sú agregované niektoré články o priestorových témach - https://www.rumaniamilitary.ro/orizont .

A teraz aby si bola smutná. Toto je len jeden z problémov so stabilitou, ktoré sa berú do úvahy pri stavbe rakety. Len zhrnutie niekoľkých tém debaty:

  • výpočet, konštrukcia a testovanie motorov;
  • výpočet a odhad rôznych síl pôsobiacich na rakety;
  • interakcia s raketometnou vežou;
  • aerodynamika a let v rôznych nadmorských výškach a rýchlostiach;
  • výpočet optimálnych trajektórií;
  • riadiaci a navádzací systém;
  • redukcia vibrácií.

Upraviť:
- 2020-01-26 14:45:00 - uvedený „let mimo atmosféry na obežnej dráhe Zeme“