การป้องกันและการทหาร

Rockets 101: จรวดทำงานอย่างไร?

Rockets 101: จรวดทำงานอย่างไร?

มนุษย์ใช้การระเบิดควบคุมเพื่อขับเคลื่อนวัตถุมาหลายศตวรรษแล้ว มักเรียกกันว่าจรวดปัจจุบันอุปกรณ์เหล่านี้มักใช้เป็นดอกไม้ไฟพลุสัญญาณอาวุธสงครามและสำหรับการสำรวจอวกาศ

แต่มันใช้งานได้จริงอย่างไร? ลองมาดูสั้น ๆ

บทความนี้ไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นแนวทางที่ครอบคลุมเนื่องจากวิทยาศาสตร์จรวดคือ "วิทยาศาสตร์จรวด"

จรวดทำงานอย่างไร?

คุณอาจอยากนึกถึงจรวดที่แสดงโดยเพียงแค่ "ดันตัวเองขึ้นไปในอากาศ" แต่เนื่องจากจรวดสามารถทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบในสุญญากาศในอวกาศนี่ไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นจริง

พวกเขาดำเนินการตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้โดยใช้หลักการของกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตันซึ่งมักระบุว่า 'สำหรับทุกการกระทำมีปฏิกิริยาที่เท่าเทียมกันและตรงข้ามกัน' ดังนั้นจรวดจึงทำงานได้จริงโดยใช้ประโยชน์จากโมเมนตัม - พลังที่วัตถุเคลื่อนที่มี

ทุกสิ่งมีความเท่าเทียมกันโดยไม่มีแรงภายนอกกลุ่มของโมเมนตัมรวมของวัตถุจะต้องคงที่ตลอดเวลา สิ่งนี้ถูกห่อหุ้มไว้ในกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามที่มีชื่อเสียงของนิวตัน

ลองนึกภาพว่ายืนอยู่บนสเก็ตบอร์ดในขณะที่ถือบาสเก็ตบอลไว้ในมือ

หากคุณขว้างบาสเก็ตบอลไปในทิศทางเดียวคุณ (และสเก็ตบอร์ด) จะกลิ้งไปในทิศทางตรงกันข้ามด้วยแรงที่เท่ากัน ยิ่งออกแรงในการขว้างบอลมากเท่าไหร่แรงก็จะขับเคลื่อนสเก็ตบอร์ดไปในทิศทางตรงกันข้าม

จรวดทำงานในลักษณะเดียวกัน ด้วยการไล่ไอเสียร้อนออกจากปลายด้านหนึ่งของจรวดจรวดจะถูกขับเคลื่อนไปในทิศทางตรงกันข้ามเช่นเดียวกับในตัวอย่างสเก็ตบอร์ด

เครื่องยนต์ของรถยนต์หรือเครื่องบินรวมทั้งเครื่องยนต์เจ็ทต้องการอากาศในการทำงาน (ดีก็ต้องมีออกซิเจน) และด้วยเหตุนี้จึงไม่สามารถทำงานในสุญญากาศของอวกาศได้ ในทางกลับกันจรวดทำงานได้ดีอย่างสมบูรณ์ในอวกาศ

แต่อย่างไร?

ซึ่งแตกต่างจากเครื่องยนต์สันดาปหรือเจ็ทจรวดจะมีสารออกซิไดเซอร์ เช่นเดียวกับน้ำมันเชื้อเพลิงสิ่งเหล่านี้สามารถอยู่ในรูปของแข็งของเหลวหรือไฮบริด (เพิ่มเติมในภายหลัง)

ตัวออกซิไดเซอร์และเชื้อเพลิงจะถูกผสมในห้องเผาไหม้ของจรวดและก๊าซไอเสียจะถูกขับออกด้วยความเร็วสูงจากด้านหลังของจรวด ทั้งหมดนี้ทำในกรณีที่ไม่มีอากาศ - ในความเป็นจริงไม่เหมือนกับรถยนต์และเครื่องบินจรวดไม่มีช่องรับอากาศใด ๆ

ที่เกี่ยวข้อง: SPINLAUNCH: ใครต้องการ ROCKETS เมื่อคุณสามารถใช้ SPACE CATAPULTS ได้?

โมเลกุลของไอเสียของจรวดมีขนาดเล็กมาก แต่จะออกจากหัวฉีดของจรวดเร็วมาก (ทำให้มีโมเมนตัมมาก) ในความเป็นจริงเพียงพอที่จะจัดหาโมเมนตัมหลายตันให้กับวัตถุที่ต้องการเพื่อหลีกหนีจากแรงโน้มถ่วงของโลก

อะไรคือชิ้นส่วนหลักของจรวด?

จรวดสมัยใหม่ส่วนใหญ่ประกอบด้วยอย่างน้อยสองขั้นตอน นี่คือส่วนของจรวดที่เรียงซ้อนกันอยู่ด้านบนของกันและกันในเปลือกทรงกระบอก (aka serial staging)

ตัวอย่างของการแสดงจรวดในรูปแบบนี้คือชุด Saturn V ของ NASA

จรวดชนิดอื่นใช้การแสดงละครแบบขนาน ในกรณีนี้ขั้นตอนแรกที่เล็กกว่าจะรัดเข้ากับลำตัวของจรวด "ค้ำจุน" กลาง จรวดเช่น Titan III ของ NASA และ Delta II ใช้การแสดงละครแบบนี้

แต่ละขั้นตอนจะมีชุดเครื่องยนต์ของตัวเองซึ่งจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการออกแบบ ตัวอย่างเช่นขั้นตอนแรกของ Falcon 9 ของ SpaceX มีเครื่องยนต์เก้าเครื่องในขณะที่จรวด Antares ของ Northrop Grumman มีสองเครื่อง

งานของขั้นตอนแรกคือการนำจรวดออกจากชั้นบรรยากาศที่ต่ำกว่า อาจมีหรือไม่มีตัวช่วยเสริมด้านข้างเพื่อช่วยด้วย

เนื่องจากระยะเริ่มต้นนี้ต้องรับน้ำหนักของจรวดทั้งลูก (พร้อมน้ำหนักบรรทุกและเชื้อเพลิงที่ไม่ได้ใช้) จึงมักเป็นส่วนที่ใหญ่ที่สุดและทรงพลังที่สุด

ในขณะที่จรวดเร่งความเร็วในตอนแรกมันจะพบกับแรงต้านทางอากาศที่เพิ่มขึ้น แต่เมื่อเคลื่อนที่สูงขึ้นบรรยากาศก็จะบางลงและความต้านทานของอากาศจะลดลง

ซึ่งหมายความว่าความเครียดที่จรวดประสบในระหว่างการยิงโดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้นในตอนแรกจนถึงจุดสูงสุดแล้วตกลงกลับลงมา ความดันสูงสุดเรียกว่า max q

สำหรับ SpaceX Falcon 9 และ United Launch Alliance Atlas V มักจะพบ max q ในระหว่างนั้น 80 และ 90 วินาที ของการเปิดตัวที่ระดับความสูงระหว่างเจ็ด (11 กม.) ถึง เก้าไมล์ (14.5 กม.).

เมื่อขั้นตอนแรกเสร็จสิ้นการปฏิบัติหน้าที่จรวดมักจะทิ้งส่วนนั้นและจุดไฟขั้นที่สอง ขั้นตอนที่สองมีงานที่ต้องทำน้อยกว่า (เนื่องจากมีมวลน้อยกว่าที่จะเคลื่อนย้าย) และมีข้อได้เปรียบคือมีบรรยากาศที่บางกว่าเพื่อต่อสู้กับ

ด้วยเหตุนี้ขั้นตอนที่สองมักประกอบด้วยเครื่องยนต์เดี่ยวเท่านั้น จรวดส่วนใหญ่จะพ่นแฟริ่งของพวกมันในขั้นตอนนี้ด้วยเช่นกัน (นี่คือหมวกทรงแหลมที่ปลายจรวดเพื่อป้องกันน้ำหนักบรรทุก)

ในอดีตส่วนล่างของจรวดที่ถูกทิ้งจะเผาไหม้ในชั้นบรรยากาศ แต่เริ่มต้นในราวทศวรรษ 1980 วิศวกรได้เริ่มออกแบบส่วนเหล่านี้เพื่อให้สามารถกู้คืนและนำกลับมาใช้ใหม่ได้

บริษัท เอกชนเช่น SpaceX และ Blue Origin ได้ใช้หลักการนี้ต่อไปและได้ออกแบบให้พวกเขาสามารถกลับสู่โลกและลงจอดได้เอง สิ่งนี้มีประโยชน์เนื่องจากยิ่งชิ้นส่วนสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้มากเท่าไหร่การปล่อยจรวดที่ถูกลงก็สามารถกลายเป็นได้

ใช้เชื้อเพลิงใดในจรวด?

จรวดสมัยใหม่มักจะใช้เชื้อเพลิงเหลวของแข็งหรือไฮบริด รูปแบบของเหลวของเชื้อเพลิงมีแนวโน้มที่จะถูกจัดประเภทเป็นปิโตรเลียม (เช่นน้ำมันก๊าด) cryogens (เช่นไฮโดรเจนเหลว) หรือไฮโดรโกลิก (เช่นไฮดราซีน)

ในบางกรณีสามารถใช้แอลกอฮอล์ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์หรือไนตรัสออกไซด์ได้

สารขับดันที่เป็นของแข็งมักจะมาในสองรูปแบบ: ที่เป็นเนื้อเดียวกันและแบบผสม ทั้งสองมีความหนาแน่นสูงมีเสถียรภาพที่อุณหภูมิห้องและจัดเก็บได้ง่าย

อดีตอาจเป็นได้ทั้งเบสธรรมดา (เช่นไนโตรเซลลูโลส) หรือฐานคู่ (เช่นส่วนผสมของไนโตรเซลลูโลสและไนโตรกลีเซอรีน) ในทางกลับกันสารขับเคลื่อนที่เป็นของแข็งผสมให้ใช้เกลือแร่ที่ตกผลึกหรือบดละเอียดเป็นตัวออกซิไดเซอร์

ในกรณีส่วนใหญ่เชื้อเพลิงที่แท้จริงมักจะเป็นอะลูมิเนียม โดยปกติเชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์จะถูกยึดไว้พร้อมกับสารยึดเกาะโพลีเมอร์ที่ใช้ในระหว่างการเผาไหม้

แผ่นยิงจรวดทำงานอย่างไร?

Launchpads ตามชื่อคือแพลตฟอร์มที่ใช้ยิงจรวด พวกเขามักจะรวมตัวกันเป็นส่วนหนึ่งของอาคารสิ่งอำนวยความสะดวกหรือสถานีอวกาศขนาดใหญ่

Launchpad ทั่วไปจะประกอบด้วยแพดหรือฐานปล่อยซึ่งโดยปกติจะเป็นโครงสร้างโลหะที่รองรับจรวดในแนวตั้งก่อนที่จะระเบิด โครงสร้างเหล่านี้จะมีสายสะดือที่เติมเชื้อเพลิงให้กับจรวดและให้สารหล่อเย็นก่อนปล่อยรวมถึงฟังก์ชั่นอื่น ๆ

นอกจากนี้ยังมีแนวโน้มที่จะมีแท่งสายฟ้าเพื่อป้องกันจรวดในช่วงพายุฟ้าผ่า

คอมเพล็กซ์การเปิดตัวจะแตกต่างกันไปในการออกแบบขึ้นอยู่กับการออกแบบของจรวดและความต้องการของผู้ปฏิบัติงาน ตัวอย่างเช่น NASA Kennedy Space Center ได้ออกแบบกระสวยอวกาศให้ยึดติดกับจรวดในแนวตั้งและเคลื่อนย้ายไปยังฐานปล่อยบนยานพาหนะขนาดใหญ่ที่มีลักษณะคล้ายรถถังที่เรียกว่า "Crawler"

ในรัสเซียจรวดถูกประกอบและเคลื่อนย้ายในแนวนอนไปยังฐานปล่อยก่อนที่จะยกขึ้นในแนวตั้ง ในแหล่งกำเนิด.


ดูวิดีโอ: ความทาทายดานวศวกรรม ตอน การสรางจรวดขนสอวกาศ (พฤศจิกายน 2021).