Jak działa rakieta na paliwo stałe

Rakiety na paliwo stałe obejmują wszystkie starsze rakiety fajerwerków, jednak obecnie dostępne są bardziej zaawansowane paliwa, konstrukcje i funkcje z paliwami na paliwo stałe.

Stały gaz pędny rakiety zostały wynalezione przed rakietami zasilanymi płynem. Stały rodzaj paliwa zaczął się od wkładu naukowców Zasiadko, Konstantynow i Congreve. W stanie zaawansowanym rakiety na paliwo stałe są dziś w powszechnym użyciu, w tym podwójne silniki wspomagające Space Shuttle i stopnie podwyższające z serii Delta.

Pole powierzchni to ilość gazu pędnego wystawionego na wewnętrzne płomienie spalania, występująca w bezpośrednim związku z ciągiem. Zwiększenie pola powierzchni zwiększy ciąg, ale skróci czas spalania, ponieważ paliwo jest zużywane w przyspieszonym tempie. Optymalny ciąg jest zwykle stały, co można osiągnąć przez utrzymanie stałego pola powierzchni podczas całego oparzenia.

Przykłady konstrukcji ziaren o stałej powierzchni obejmują: spalanie końcowe, spalanie z rdzeniem wewnętrznym i zewnętrznym oraz spalanie wewnętrznego rdzenia gwiazdowego.

Różne kształty są wykorzystywane do optymalizacji relacji pchnięcia ziarna, ponieważ niektóre rakiety mogą wymagać początkowo element o wysokim ciągu do startu, podczas gdy niższy ciąg wystarcza na ciąg regresywny po uruchomieniu wymagania Skomplikowane wzory rdzenia ziarna, kontrolujące odsłoniętą powierzchnię paliwa rakiety, często mają części pokryte niepalnym tworzywem sztucznym (takim jak octan celulozy). Ta powłoka zapobiega zapalaniu się płomieni spalania wewnętrznego przez tę część paliwa, która zapala się dopiero później, gdy oparzenie bezpośrednio dotrze do paliwa.

Przy projektowaniu paliwa rakietowego należy wziąć pod uwagę impuls właściwy ziarna, ponieważ może to być zniszczenie różnicowe (wybuch) i skutecznie zoptymalizowana rakieta wytwarzająca ciąg.

• Po zapaleniu solidnej rakiety zużyje ona całe paliwo, bez żadnej opcji odcięcia lub regulacji ciągu. Rakieta księżycowa Saturn V zużyła prawie 8 milionów funtów ciągu, który nie byłby możliwy przy użyciu stałego paliwa, wymagającego płynnego paliwa o wysokim impulsie.
• Niebezpieczeństwo związane ze wstępnie zmieszanymi paliwami rakiet monopropelancyjnych, tj. Czasami nitrogliceryna, jest składnikiem.

Jedną z zalet jest łatwość przechowywania rakiet na paliwo stałe. Niektóre z tych rakiet to małe pociski, takie jak Uczciwy John i Nike Hercules; inne to duże pociski balistyczne, takie jak Polaris, Sierżant i Straż Przednia. Ciekłe materiały pędne mogą oferować lepszą wydajność, ale trudności w przechowywaniu paliwa i obchodzeniu się z cieczami w pobliżu zera absolutnego (0 stopni kelwin) ograniczył ich użycie, niezdolne do spełnienia rygorystycznych wymagań armii dotyczących jej siły ognia.

Rakiety napędzane paliwem płynnym zostały po raz pierwszy teoretyczne przez Tsiolkozskiego w jego „Badaniu przestrzeni międzyplanetarnej za pomocą urządzeń reaktywnych”, opublikowanym w 1896 r. Jego pomysł został zrealizowany 27 lat później, kiedy Robert Goddard wypuścił pierwszą rakietę na paliwo ciekłe.

Rakiety zasilane płynem popchnęły Rosjan i Amerykanów w głąb kosmosu potężnymi rakietami Energiya SL-17 i Saturn V. Wysoka siła ciągu tych rakiet umożliwiła nam nasze pierwsze podróże w kosmos. „Gigantyczny krok dla ludzkości”, który miał miejsce 21 lipca 1969 r., Kiedy Armstrong wszedł na Księżyc, był możliwy dzięki 8 milionom funtów ciągu rakiety Saturn V.

Dwa metalowe zbiorniki przechowują odpowiednio paliwo i utleniacz. Ze względu na właściwości tych dwóch cieczy są one zazwyczaj ładowane do swoich zbiorników tuż przed uruchomieniem. Oddzielne zbiorniki są konieczne, ponieważ wiele paliw ciekłych pali się w kontakcie. Po ustawionej sekwencji uruchamiania dwa zawory otwierają się, umożliwiając spływ cieczy przez rurociąg. Jeżeli zawory te po prostu się otworzą, umożliwiając przepływ ciekłych gazów pędnych do komory spalania, a wystąpiłaby słaba i niestabilna prędkość ciągu, tak więc albo dopływ gazu pod ciśnieniem, albo dopływ turbopompy używany.

Prostsze z nich, zasilanie gazem pod ciśnieniem, dodaje do układu napędowego zbiornik gazu pod wysokim ciśnieniem. Gaz, niereaktywny, obojętny i lekki gaz (taki jak hel), jest utrzymywany i regulowany pod silnym ciśnieniem przez zawór / regulator.

Drugim, często preferowanym rozwiązaniem problemu przenoszenia paliwa jest turbopompa. Pompa turbopompowa działa tak samo, jak zwykła pompa i omija układ pod ciśnieniem, wysysając propelenty i przyspieszając je do komory spalania.

Utleniacz i paliwo są mieszane i zapalane w komorze spalania i powstaje ciąg.

Niestety ostatni punkt sprawia, że ​​rakiety na paliwo ciekłe są skomplikowane i złożone. Prawdziwie nowoczesny, płynny silnik dwubiegunowy ma tysiące połączeń rurowych przenoszących różne płyny chłodzące, paliwowe lub smarowe. Różne podzespoły, takie jak turbopompa lub regulator, składają się również z osobnego zawrotu głowy rur, przewodów, zaworów sterujących, mierników temperatury i rozpór wsporczych. Biorąc pod uwagę wiele części, prawdopodobieństwo niepowodzenia jednej funkcji integralnej jest duże.

Jak wspomniano wcześniej, ciekły tlen jest najczęściej stosowanym utleniaczem, ale ma również swoje wady. Aby osiągnąć stan ciekły tego pierwiastka, temperatura musi wynosić -183 stopni Celsjusza uzyskane - warunki, w których tlen łatwo odparowuje, tracąc tylko dużą ilość utleniacza podczas ładowania. Kwas azotowy, kolejny silny utleniacz, zawiera 76% tlenu, jest w stanie ciekłym w STP i ma wysoką zawartość środek ciężkości― Wszystkie wielkie zalety. Ten ostatni punkt jest pomiarem podobnym do gęstości, a gdy rośnie, podobnie jak osiągi paliwa. Ale kwas azotowy jest niebezpieczny w transporcie (mieszanina z wodą wytwarza silny kwas) i wytwarza szkodliwe produkty uboczne podczas spalania paliwa, dlatego jego użycie jest ograniczone.

Fajerwerki, opracowane przez starożytnych Chińczyków w II wieku pne, są najstarszą i najprostszą formą rakiet. Pierwotnie fajerwerki miały cele religijne, ale później zostały przystosowane do celów wojskowych w średniowieczu w postaci „płonących strzał”.

W X i XIII wieku Mongołowie i Arabowie sprowadzili główny składnik tych wczesnych rakiet na Zachód: proch strzelniczy. Chociaż działo i działo stały się głównymi osiągnięciami od czasu wschodniego wprowadzenia prochu, rakiety również przyniosły skutek. Rakiety te były zasadniczo powiększonymi fajerwerkami, które napędzały, oprócz łuku lub armaty, pakiety wybuchowych prochów.

Podczas wojen imperialistycznych pod koniec XVIII wieku pułkownik Congreve opracował swoje słynne rakiety, które pokonują dystans czterech mil. „Czerwony blask rakiet” (hymn amerykański) rejestruje użycie wojny rakietowej, w jej wczesnej formie strategii wojskowej, podczas inspirującej bitwy Fort McHenry.

Bezpiecznik (sznurek bawełniany pokryty prochem) jest oświetlony zapałką lub „punkiem” (drewnianym kijem z przypominającą węgiel czerwoną końcówką). Ten bezpiecznik szybko pali się w rdzeniu rakiety, gdzie zapala ściany prochu wewnętrznego rdzenia. Jak wspomniano wcześniej, jedną z substancji chemicznych w prochu jest azotan potasu, najważniejszy składnik. Struktura molekularna tej substancji chemicznej, KNO3, zawiera trzy atomy tlenu (O3), jeden atom azotu (N) i jeden atom potasu (K). Trzy atomy tlenu uwięzione w tej cząsteczce zapewniają „powietrze”, którego lontu i rakieta użyły do ​​spalania pozostałych dwóch składników, węgla i siarki. W ten sposób azotan potasu utlenia reakcję chemiczną poprzez łatwe uwalnianie tlenu. Ta reakcja nie jest jednak spontaniczna i musi zostać zainicjowana przez upał, taki jak mecz lub „punk”.