Незважаючи на всю складність конструкції сучасних космічних кораблів, ракета - один з найпростіших літальних апаратів. В основі її пристрою лежить принцип, згідно з яким будь-яка дія породжує протидію. Ракета летить, викидаючи певну речовину зі своєї хвостовій частині. Незважаючи на всю цю простоту, ракети розроблялися і удосконалювалися протягом більш ніж семисот років. Ракети використовуються в дослідженнях космосу, в озброєннях, в рятувальних операціях та розвагах.
Реактивний двигун
Серед найбільш вражаючих властивостей ракети - її здатність забезпечувати власне рух навіть в повній порожнечі космічного простору, а також досягати за рахунок цієї реактивної сили приголомшливо високих швидкостей. Якимось чином ракета штовхає сама себе без допомоги зовнішніх сил, і створюється враження, ніби цей поштовх може повідомити їй скільки завгодно велике прискорення.
Зрозуміло, насправді ракета не може сама себе зрушити з місця, так само як і ви не можете підняти себе над землею за шнурки власних черевиків, і прискорення її має межу. Насправді ракета отримує рушійну реактивну силу, відштовхуючись від власного палива, а коли запас палива вичерпується, вона перестає набирати швидкість. Щоб зрозуміти, як ракета витягує реактивну силу з запасу палива, давайте подивимося, як працює третій закон Ньютона (той самий, що описує дію і протидію) стосовно до ракет.
Уявіть собі, що ви сидите на льоду посеред замерзлого ставка і ваші швидкість і імпульс дорівнюють нулю. Сонечко пригріває, і вологий лід дуже слизький. Схоже, як не старайся, вам не вдасться зрушити з місця. Як же вам дістатися до берега?
А що відбувається з вами? Ви переміщується до західного берега! Ви рухаєтеся, тому що, коли ви штовхнули кросовку в східному напрямку, вона з такою ж силою штовхнула вас на захід. При цьому ви передали імпульс кросівках - і вона теж передала вам імпульс, але спрямований у протилежний бік. Імпульс не може виникнути з нізвідки і зникнути в нікуди, він може бути лише перерозподілено. Навіть після того, як ви кинули кросівку, ваш сумарний імпульс дорівнює нулю. Величина імпульсу кросівки дорівнює величині вашого протилежно спрямованого імпульсу.
Природно, ваша маса набагато більша за масу кросівки, тому ви рухаєтеся набагато повільніше, ніж він. Імпульс дорівнює добутку маси на швидкість, і чим більше маса тіла, тим менша швидкість йому потрібна для отримання такого ж імпульсу. Так чи інакше ви домоглися, чого хотіли, - ви повільно ковзати до західного берега.
Ваша кінцева швидкість має межу, тому що вам вдалося повідомити кросівках лише невеликий імпульс, і ви також отримали від неї невеликий імпульс, спрямований в інший бік. Якби вам вдалося метнути її з більш високою швидкістю або запустити в повітря цілий ящик з взуттям, ваш імпульс був би куди більше і ви почали б ковзати швидше.
Однак кидатися кросівками не дуже ефективно. Куди ефективніше було б випустити в сторону східного берега швидкий потік газу. Навіть при кімнатній температурі швидкість молекул в повітрі дорівнює приблизно 1800 км / год. Якщо нагріти газ до 2800 ̊С - саме така температура газу в рідинному ракетному двигуні, - його молекули будуть рухатися втричі швидше. Кинувши що-небудь з такою швидкістю, ви отримаєте неабиякий за величиною імпульс, спрямований у протилежний кидка сторону.
Цей процес і реалізується в класичному ракетному двигуні (див. Рис.). В результаті хімічної реакції паливо перетворюється в сильно розігрітий газ реактивного струменя. Енергія, яка спочатку існувала у вигляді потенційної енергії хімічного палива, в розігрітому і запалав газі перетворюється в теплову (це головним чином кінетична енергія хаотичного руху крихітних молекул). Сопло ракетного двигуна направляє невпорядковані переміщення молекул в одну сторону, і двигуну повідомляється реактивна сила, спрямована в протилежний бік.
Молекулярна картина процесу в ракетному двигуні, який працює на хімічному паливі. Паливо згорає в камері двигуна, і з сопла викидається реактивна газовий струмінь. Сопло перетворює хаотичний тепловий рух молекул газу в упорядкований потік, спрямований від ракетного двигуна.
Якщо вам коли-небудь доводилося спостерігати старт великий ракети, ви, мабуть, помітили дзвоновидні сопла, через які викидаються гази. Кожне сопло направляє реактивну газову струмінь назад і в результаті дозволяє ракеті витягти максимально можливий спрямований вперед імпульс і набрати максимально можливу швидкість. Як ми побачимо в главі 6, сопло дозволяє газам перетворити різні види внутрішньої енергії в кінетичну енергію; сопло ідеально підходить для того, щоб направити потік і розігнати молекули. Оптимальна форма сопла ракетного двигуна - це форма пісочного годинника. Таке сопло називається соплом Лаваля в честь його винахідника - шведа Карла Густава де Лаваля.
Для більш повного розуміння того, чому для сопла ракетного двигуна потрібно настільки складна форма, необхідно вивчити фізику газових потоків, швидкість яких близька до швидкості звуку або перевищує її. Пізніше ми поговоримо про це докладніше, а поки нам досить буде коротко торкнутися даної теми.
Усередині ракети, біля входу в сопло Лаваля, гарячий газ сильно стиснутий і знаходиться під величезним тиском. Подібно газу з аерозольного балончика, розпечений газ з прискоренням вилітає з сопла в напрямку області більш низького тиску. Звуження сопла сприяє зростанню прискорення до певної межі. Найбільшу вузьку частину сопла газ проходить зі швидкістю звуку, і його властивості починають кардинально змінюватися. Потім сопло розширюється, щоб розігнати надзвукову реактивну газову струмінь ще сильніше. Тут, на зростаючій частині дзвони, вихідний невеликий обсяг сильно стисненого газу збільшується, і розпечений газ вже підготовлений для того, щоб вийти з сопла в навколишній простір.
Оптимальний (тобто забезпечує максимальну реактивну силу) діаметр зовнішньої половини сопла Лаваля залежить від зовнішніх умов. На невеликій висоті над рівнем моря струмінь газу виходить в повітря, що знаходиться під нормальним атмосферним тиском, і в цьому випадку краще всього підходить щодо вузьке сопло. У стратосфері і в космосі гази виходять в розріджену середу або в вакуум, тому потрібно більш широке сопло. Як правило, конструктори знаходять якесь компромісне рішення, щоб сопло підходило і для тих, і для інших умов.
До моменту виходу з сопла вихідна енергія газу майже повністю переходить в кінетичну, а швидкість газового потоку спрямована геть від сопла. Однак оскільки газ продовжує горіти навіть після викиду з сопла, його кінетична енергія і швидкість зростають до фантастичних величин. Завдяки конструкції сопла Лаваля швидкість виділення реактивного газового струменя - тобто швидкість спрямованого назад потоку газів, що виходить з двигуна ракети, - досягає значень від 10 000 до 16 000 км / ч.
Ракета викидає реактивний струмінь назад і повідомляє їй спрямований назад імпульс. Реактивна газовий струмінь посилає ракету вперед і тим самим замикає процес передачі імпульсу. Все, що потрібно для отримання реактивної рушійної сили, - це власне викид газів; ракеті не потрібно відштовхуватися від будь-якого іншого тіла, і вона відмінно летить навіть в повній порожнечі. «Відштовхнувшись» з достатньою силою від власного викиду, ракета не тільки компенсує власну вагу, але і піднімається з прискоренням. У момент старту космічний човник разом з паливним баком важить близько 20 000 000 Н, а реактивна сила дорівнює приблизно 30 000 000 Н. Це означає, що шаттл може рухатися вгору з прискоренням удвічі меншим, ніж прискорення вільного падіння! У міру того як корабель спалює своє паливо і його вага і маса зменшуються, він спрямовується увись все швидше.
Поширена помилка: дія і протидія в ракетах
Помилка: Щоб почати рух, ракета повинна надати протидію якомусь сторонньому тілу.
Насправді: Оскільки рух ракети передбачає дію двох рівних і протилежно спрямованих сил - дії і протидії, ракета виштовхує назад реактивну газову струмінь (дія), а реактивна струмінь штовхає ракету (протидія). Якщо струмінь газів і вдаряється в що-небудь після виходу з сопла, це не має відношення до реактивному руху ракети.
стабілізація ракети
Поки ракета розсікає шари атмосфери, їй найкраще летіти носом вперед. Навіть птах, яка раптом полетить хвостом вперед, буде виглядати досить безглуздо, але втратила стабілізацію ракета до того ж надзвичайно небезпечна. Щоб зберегти правильну орієнтацію, ракета повинна мати динамічної обертальної стійкістю. Чимало ракет було дистанційно знищено незабаром після запуску, оскільки вони втратили динамічну стійкість і стали безладно перекидатися в повітрі.
Ракета динамічно стійка, якщо сумарний момент доданих до неї сил щодо її центру мас дорівнює нулю при її орієнтації носом вперед. При будь-якому відхиленні від цього положення вона повинна повертатися до нього. Будь-які моменти сил повинні або знову і знову розгортати ракету носом вперед, або вони повинні бути пренебрежимо малі.
Ракетний конструктор зобов'язаний прийняти до уваги дві причини виникнення моментів сил. По-перше, силу тяги двигуна. Розташований в задній частині ракети двигун штовхає ракету вперед, і потенційно це може мати неприємні наслідки. Зрештою, навіть звичайну візок легше направити в потрібну сторону, якщо тягнути її спереду, а не штовхати ззаду. Для того щоб ракета постійно була орієнтована носом вперед, двигун повинен створювати силу тяги, спрямовану точно до центру мас, - тоді на ракету не діє момент сили. Якщо один з двигунів не зовсім точно орієнтований, його тяга може створити момент сили, який почне закручувати злітає ракету. Моменти сил, що виникають із-за зсуву двигуна, - одна з найпоширеніших причин краху сучасних ракет. Збій в роботі самого двигуна або його системи управління може привести до того, що ракета вийде з-під контролю.
По-друге, на ракету, поки вона знаходиться в атмосфері, можуть діяти моменти аеродинамічних сил. Аеродинаміку ми будемо вивчати в 6-му розділі, а поки досить сказати, що оточуючий ракету повітряний потік допомагає ракеті летіти носом вперед за умови, що опір повітря у її хвостовій частині більше, ніж спереду. В цьому випадку аеродинамічні сили прикладені до хвоста ракети позаду центру мас і направляють її носом вперед.
Стійкість найпростішої ракети забезпечується виключно аеродинамікою. Хвостове оперення ракети сприяє формуванню аеродинамічних сил, які утримують її хвіст ззаду. Сопла двигунів теж ретельно вирівняні так, щоб реактивна газовий струмінь не створювала моменти сили відносно центру мас ракети. Така ракета летить по прямій, але нею важко керувати.
У сучасних високотехнологічних ракет хвостового оперення немає, вони стабілізуються за рахунок реактивних сил. Такі ракети вміють контролювати власну орієнтацію і повертати сопла двигунів таким чином, щоб скорегувати траєкторію. Крім того, на корпусі таких ракет є додаткові невеликі рульові двигуни, які створюють моменти сил і підтримують правильну орієнтацію ракети. Більшість сучасних ракет-носіїв взагалі не мають стабілізаторів. Їх стійкість і маневреність повністю забезпечують знаходяться під постійним контролем двигуни.
Те, що корекція траєкторії польоту здійснюється виключно за допомогою реактивного газового струменя, стає принципово важливим, коли космічний апарат залишає атмосферу Землі. У безповітряному просторі, де не виникають моменти аеродинамічних сил, політ корабля прямує лише спеціальними керманичами двигунами, які короткими викидами реактивних газових струменів повертають корабель в потрібному напрямку. Крила і хвостове оперення потрібні космічний човник лише при поверненні на Землю, коли він починає планувати в атмосфері. На орбіті ні крила, ні хвіст не працюють, тому що там немає повітря, від якого вони могли б відштовхнутися.
Однак будь-який поважаючий себе командир космічного екіпажу хоче, щоб його корабель виглядав як можна більш елегантно - вже не гірше, ніж зорельоти, які нам показують в блокбастерах. Космічні літальні апарати в кіно майже завжди прикрашені абсолютно марними в космічному просторі хвостовим оперенням і крилами. І коли ви в черговий раз побачите на екрані міжгалактичний крейсер з елегантними крилами і хвостом, не забувайте, що анітрохи не менш ефективним буде зореліт, схожий, скажімо, на гігантський і незграбний шкільний автобус.
Переклад з англійської мови Е. Валкіной і Ю. Пліскін