science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Hoe raketmotoren werken

HowStuffWorks 2005 Zie meer raketfoto's.

Een van de meest verbazingwekkende inspanningen die de mens ooit heeft ondernomen, is de verkenning van de ruimte. Een groot deel van de verbazing is de complexiteit. Ruimteverkenning is ingewikkeld omdat er zoveel problemen zijn om op te lossen en obstakels te overwinnen. Je hebt dingen als:

  • Het vacuüm van de ruimte
  • Problemen met warmtebeheer
  • De moeilijkheid van opnieuw binnenkomen
  • Orbitale mechanica
  • Micrometeorieten en ruimtepuin
  • Kosmische en zonnestraling
  • De logistiek van het hebben van toiletfaciliteiten in een gewichtloze omgeving

Maar het grootste probleem is om genoeg energie te gebruiken om een ​​ruimteschip van de grond te krijgen. Dat is waar raketmotoren kom binnen.

Galerij met raketafbeeldingen

Raketmotoren zijn, aan de ene kant, zo eenvoudig dat je heel goedkoop je eigen modelraketten kunt bouwen en vliegen (zie de links op de laatste pagina van het artikel voor details). Anderzijds, raketmotoren (en hun brandstofsystemen) zijn zo ingewikkeld dat slechts drie landen ooit mensen in een baan om de aarde hebben gebracht. In dit artikel, we zullen naar raketmotoren kijken om te begrijpen hoe ze werken, evenals om een ​​deel van de complexiteit die hen omringt te begrijpen.

Wanneer de meeste mensen denken aan motoren of motoren, ze denken aan rotatie. Bijvoorbeeld, een heen en weer gaande benzinemotor in een auto produceert rotatie-energie om de wielen aan te drijven. Een elektromotor produceert rotatie-energie om een ​​ventilator aan te drijven of een schijf te laten draaien. Een stoommachine wordt gebruikt om hetzelfde te doen, net als een stoomturbine en de meeste gasturbines.

Raketmotoren zijn fundamenteel anders. Raketmotoren zijn: reactie motoren. Het basisprincipe voor het aandrijven van een raketmotor is het beroemde Newtoniaanse principe dat 'op elke actie een gelijke en tegengestelde reactie is'. Een raketmotor werpt massa in de ene richting en profiteert daardoor van de reactie die in de andere richting optreedt.

Dit concept van "massa gooien en profiteren van de reactie" kan in het begin moeilijk te vatten zijn, want dat lijkt niet te gebeuren. Raketmotoren lijken te gaan over vlammen en lawaai en druk, niet "dingen gooien". Laten we een paar voorbeelden bekijken om een ​​beter beeld van de werkelijkheid te krijgen:

  • Als je ooit een schot hebt geschoten jachtgeweer , vooral een groot 12-gauge jachtgeweer, dan weet je dat het veel "kick" heeft. Dat is, wanneer je op het pistool schiet, "schopt" het je schouder met veel kracht naar achteren. Die kick is een reactie. Een jachtgeweer schiet ongeveer een ons metaal in één richting met ongeveer 700 mijl per uur, en je schouder wordt geraakt door de reactie. Als je rolschaatsen droeg of op een skateboard stond toen je het pistool afschoot, dan zou het kanon zich gedragen als een raketmotor en zou je reageren door in de tegenovergestelde richting te rollen.
  • Als je ooit een grote hebt gezien brandslang sproeiend water, je hebt misschien gemerkt dat het veel kracht kost om de slang vast te houden (soms zie je twee of drie brandweerlieden die de slang vasthouden). De slang gedraagt ​​zich als een raketmotor. De slang werpt water in één richting, en de brandweerlieden gebruiken hun kracht en gewicht om de reactie tegen te gaan. Als ze de slang zouden loslaten, het zou met enorme kracht in het rond slaan. Als de brandweerlieden allemaal op skateboards stonden, de slang zou ze met grote snelheid achteruit stuwen!
  • Wanneer je opblaast ballon en laat het gaan zodat het door de kamer vliegt voordat de lucht op is, je hebt een raketmotor gemaakt. In dit geval, wat er wordt gegooid, zijn de luchtmoleculen in de ballon. Veel mensen geloven dat luchtmoleculen niets wegen, maar dat doen ze wel (zie de pagina over helium om een ​​beter beeld te krijgen van het gewicht van lucht). Als je ze uit het mondstuk van een ballon gooit, de rest van de ballon reageert in de tegenovergestelde richting.

Volgende, we zullen naar een ander scenario kijken dat actie en reactie verklaart:het ruimtehonkbal.

Meer over raketmotoren

Stem af op het Turbo Channel -- the place to be voor programma's over auto's, motorfietsen, vliegtuigen en al het andere met een motor.

Inhoud
  1. Actie en reactie:het ruimtehonkbalscenario
  2. Stoot
  3. Vaste-brandstofraketten:brandstofmengsel
  4. Vaste-brandstofraketten:kanaalconfiguratie
  5. Raketten met vloeibare stuwstof
  6. De toekomst van raketmotoren

Actie en reactie:het ruimtehonkbalscenario

Een externe camera legt een close-up van een Space Shuttle Main Engine vast tijdens een testvuur in het John C. Stennis Space Center in Hancock County, Missen. Foto met dank aan NASA

Stel je de volgende situatie voor:je draagt ​​een ruimtepak en je zweeft in de ruimte naast de spaceshuttle; je hebt toevallig een honkbal in je hand.

Als je de honkbal gooit, je lichaam zal reageren door in de tegenovergestelde richting van de bal te bewegen. Het ding dat de snelheid bepaalt waarmee je lichaam weg beweegt, is de gewicht van het honkbal dat je gooit en de hoeveelheid versnelling dat je erop toepast. Massa vermenigvuldigd met versnelling is kracht (f =m * a). Welke kracht je ook uitoefent op het honkbal, het wordt gecompenseerd door een identieke reactiekracht die op je lichaam wordt uitgeoefend (m * a =m * a). Dus laten we zeggen dat de honkbal 1 pond weegt, en je lichaam plus het ruimtepak weegt 100 pond. Je gooit de honkbal weg met een snelheid van 32 voet per seconde (21 mph). Het is te zeggen, je versnelt het 1-pond honkbal met je arm zodat het een snelheid van 21 mph verkrijgt. Je lichaam reageert, maar hij weegt 100 keer meer dan de honkbal. Daarom, het beweegt weg met een honderdste van de snelheid van het honkbal, of 0,32 voet per seconde (0,21 mph).

Als u meer wilt genereren stoot van je honkbal, je hebt twee opties:de massa vergroten of de versnelling vergroten. Je kunt een zwaardere honkbal gooien of een aantal honkballen achter elkaar gooien (de massa vergroten), of je kunt de honkbal sneller gooien (verhogen van de versnelling erop). Maar dat is alles wat je kunt doen.

Een raketmotor werpt over het algemeen massa in de vorm van een hogedrukgas . De motor gooit de gasmassa in de ene richting naar buiten om een ​​reactie in de tegenovergestelde richting te krijgen. De massa komt van het gewicht van de brandstof die de raketmotor verbrandt. Het verbrandingsproces versnelt de brandstofmassa zodat deze met hoge snelheid uit de raketstraal komt. Het feit dat de brandstof bij verbranding verandert van een vaste stof of vloeistof in een gas, verandert niets aan de massa. Als je een pond raketbrandstof verbrandt, een pond uitlaat komt uit het mondstuk in de vorm van een hoge temperatuur, gas met hoge snelheid. De vorm verandert, maar de massa niet. Het verbrandingsproces versnelt de massa.

Laten we hierna meer te weten komen over stuwkracht.

Stoot

De "kracht" van een raketmotor wordt zijn . genoemd stoot . Stuwkracht wordt gemeten in "pond stuwkracht" in de VS en in Newton volgens het metrieke stelsel (4,45 Newton stuwkracht is gelijk aan 1 pond stuwkracht). Een pond stuwkracht is de hoeveelheid stuwkracht die nodig is om een ​​object van 1 pond stil te houden tegen de zwaartekracht op aarde in. Dus op aarde, de versnelling van de zwaartekracht is 32 voet per seconde per seconde (21 mph per seconde). Als je in de ruimte zweefde met een zak honkballen en je gooide één honkbal per seconde van je af met een snelheid van 21 mph, je honkballen zouden het equivalent van 1 pond stuwkracht genereren. Als je de honkballen in plaats daarvan met 42 mph zou gooien, dan zou je 2 pond stuwkracht genereren. Als je ze naar 2 gooit, 100 mph (misschien door ze uit een soort honkbalgeweer te schieten), dan genereer je 100 pond stuwkracht, enzovoort.

Een van de grappige problemen die raketten hebben, is dat de objecten die de motor wil gooien, eigenlijk iets wegen, en de raket moet dat gewicht dragen. Dus laten we zeggen dat je een uur lang 100 pond stuwkracht wilt genereren door elke seconde een honkbal te gooien met een snelheid van 2, 100 mph. Dat betekent dat je moet beginnen met 3, 600 honkballen van 1 pond (er zijn er 3, 600 seconden in een uur), of 3, 600 pond honkballen. Aangezien je slechts 100 pond weegt in je ruimtepak, je kunt zien dat het gewicht van je "brandstof" het gewicht van de lading (jij) in de schaduw stelt. In feite, de brandstof weegt 36 keer meer dan het laadvermogen. En dat is heel gebruikelijk. Daarom moet je nu een enorme raket hebben om een ​​klein mensje de ruimte in te krijgen -- je moet veel brandstof vervoeren.

Je kunt de gewichtsvergelijking heel duidelijk zien op de Space Shuttle. Als je ooit de Space Shuttle hebt zien lanceren, je weet dat er drie delen zijn:

  • De Orbiter
  • De grote externe tank
  • De twee solide raketboosters (SRB's)

De Orbiter weegt 165, 000 pond leeg. De externe tank weegt 78, 100 pond leeg. De twee solide raketboosters wegen 185, 000 pond leeg per stuk. Maar dan moet je de brandstof inladen. Elke SRB bevat 1,1 miljoen pond brandstof. De externe tank bevat 143, 000 gallons vloeibare zuurstof (1, 359, 000 pond) en 383, 000 gallons vloeibare waterstof (226, 000 pond). Het hele voertuig -- shuttle, externe tank, solide raketomhulsels en alle brandstof -- heeft een totaal gewicht van 4,4 miljoen pond bij de lancering. 4,4 miljoen pond om 165 te krijgen, 000 pond in een baan om de aarde is een behoorlijk groot verschil! Om eerlijk te zijn, de orbiter kan ook een 65 dragen, 000-pond laadvermogen (tot 15 x 60 voet), maar het blijft een groot verschil. De brandstof weegt bijna 20 keer meer dan de Orbiter [bron:The Space Shuttle Operator's Manual].

Al die brandstof wordt uit de achterkant van de Space Shuttle gegooid met een snelheid van misschien 6, 000 mph (typische raketuitlaatsnelheden voor chemische raketten variëren tussen 5, 000 en 10, 000 km/u). De SRB's branden ongeveer twee minuten en genereren elk ongeveer 3,3 miljoen pond stuwkracht bij de lancering (2,65 miljoen pond gemiddeld over de verbranding). De drie hoofdmotoren (die de brandstof in de externe tank gebruiken) branden ongeveer acht minuten, genereren van 375, 000 pond stuwkracht elk tijdens het branden.

In de volgende sectie, we zullen kijken naar het specifieke brandstofmengsel in raketten met vaste brandstof.

Vaste-brandstofraketten:brandstofmengsel

Een vastebrandstofraket direct voor en na ontsteking

Raketmotoren met vaste brandstof waren de eerste motoren die door de mens werden gemaakt. Ze zijn honderden jaren geleden uitgevonden in China en worden sindsdien op grote schaal gebruikt. De regel over "de rode schittering van de raket" in het volkslied (geschreven in het begin van de 19e eeuw) heeft het over kleine militaire vastebrandstofraketten die worden gebruikt om bommen of brandbommen af ​​te leveren. Je kunt dus zien dat raketten al een tijdje in gebruik zijn.

Het idee achter een eenvoudige raket op vaste brandstof is eenvoudig. Wat je wilt doen is iets maken dat heel snel brandt maar niet explodeert. Zoals u waarschijnlijk weet, buskruit ontploft. Buskruit bestaat voor 75% uit nitraat, 15% koolstof en 10% zwavel. In een raketmotor, je wilt geen explosie -- je wilt dat de kracht gelijkmatiger vrijkomt over een bepaalde periode. Daarom zou je de mix kunnen veranderen in 72% nitraat, 24% koolstof en 4% zwavel. In dit geval, in plaats van buskruit, je krijgt een eenvoudige raketbrandstof. Dit soort mengsel zal zeer snel verbranden, maar het explodeert niet als het correct is geladen. Hier is een typische dwarsdoorsnede:

Links zie je de raket voor ontsteking. De vaste brandstof wordt groen weergegeven. Het is cilindrisch, met een buis in het midden geboord. Als je de brandstof aansteekt, het brandt langs de wand van de buis. Zoals het brandt, het brandt naar buiten in de richting van de behuizing totdat alle brandstof is opgebrand. In een kleine modelraketmotor of in een kleine flesraket kan de verbranding een seconde of minder duren. In een Space Shuttle SRB met meer dan een miljoen pond brandstof, het branden duurt ongeveer twee minuten.

Vaste-brandstofraketten:kanaalconfiguratie

Als je leest over geavanceerde vaste-brandstofraketten zoals de vaste-raketboosters van de Shuttle, je leest vaak dingen als:

Het drijfgasmengsel in elke SRB-motor bestaat uit een ammoniumperchloraat (oxidator, 69,6 gewichtsprocent), aluminium (brandstof, 16 procent), ijzeroxide (een katalysator, 0,4 procent), een polymeer (een bindmiddel dat het mengsel bij elkaar houdt, 12,04 procent), en een epoxyhardingsmiddel (1,96 procent). Het drijfgas is een 11-punts stervormige perforatie in het voorste motorsegment en een dubbele afgeknotte kegelperforatie in elk van de achterste segmenten en achterafsluiting. Deze configuratie zorgt voor een hoge stuwkracht bij ontsteking en vermindert vervolgens de stuwkracht met ongeveer een derde 50 seconden na het opstijgen om overbelasting van het voertuig tijdens maximale dynamische druk te voorkomen. [bron:NASA]

In deze paragraaf wordt niet alleen het brandstofmengsel besproken, maar ook de configuratie van het kanaal dat in het midden van de brandstof is geboord. Een "11-punts stervormige perforatie" kan er als volgt uitzien:

Het idee is om het oppervlak van het kanaal te vergroten, waardoor het brandgebied en dus de stuwkracht wordt vergroot. Terwijl de brandstof verbrandt, de vorm egaliseert in een cirkel. In het geval van de GAR's, het geeft de motor een hoge initiële stuwkracht en een lagere stuwkracht in het midden van de vlucht.

Vaste brandstof raketmotoren hebben drie belangrijke voordelen:

  • Eenvoud
  • Goedkoop
  • Veiligheid

Ze hebben ook twee nadelen:

  • Stuwkracht kan niet worden gecontroleerd.
  • Eenmaal ontstoken, de motor kan niet worden gestopt of opnieuw worden gestart.

De nadelen betekenen dat vastebrandstofraketten nuttig zijn voor taken met een korte levensduur (zoals raketten), of voor boostersystemen. Wanneer u de motor moet kunnen besturen, u moet een vloeibaar drijfgassysteem gebruiken. We zullen hierna leren over die en andere mogelijkheden.

Raketten met vloeibare stuwstof

Dr. Robert H. Goddard en zijn vloeibare zuurstof-benzineraket in het frame van waaruit hij op 16 maart werd afgevuurd, 1926, in Kastanjebruin, Mass. Het vloog slechts 2,5 seconden, klom 41 voet, en landde op 50 meter afstand in een koolveld. Foto met dank aan NASA

1926, Robert Goddard testte de eerste raketmotor met vloeibare stuwstof. Zijn motor gebruikte benzine en vloeibare zuurstof. Hij werkte ook aan en loste een aantal fundamentele problemen op bij het ontwerpen van raketmotoren, inclusief pompmechanismen, koelstrategieën en stuurinrichtingen. Deze problemen maken raketten met vloeibare stuwstof zo ingewikkeld.

Het basisidee is eenvoudig. In de meeste raketmotoren met vloeibare stuwstof, een brandstof en een oxidatiemiddel (bijvoorbeeld benzine en vloeibare zuurstof) worden in een verbrandingskamer gepompt. Daar branden ze om een ​​hogedruk- en hogesnelheidsstroom van hete gassen te creëren. Deze gassen stromen door een mondstuk dat ze verder versnelt (5, 000 tot 10, 000 mph uitrijsnelheden zijn typisch), en dan verlaten ze de motor. Het volgende sterk vereenvoudigde diagram toont u de basiscomponenten.

Dit diagram toont niet de werkelijke complexiteit van een typische motor (zie enkele links onderaan de pagina voor goede afbeeldingen en beschrijvingen van echte motoren). Bijvoorbeeld, het is normaal dat de brandstof of het oxidatiemiddel een koud, vloeibaar gemaakt gas is, zoals vloeibare waterstof of vloeibare zuurstof. Een van de grote problemen in een raketmotor met vloeibare stuwstof is het koelen van de verbrandingskamer en het mondstuk, dus de cryogene vloeistoffen worden eerst rond de oververhitte delen gecirculeerd om ze af te koelen. De pompen moeten extreem hoge drukken genereren om de druk te overwinnen die de brandende brandstof in de verbrandingskamer creëert. De hoofdmotoren in de Space Shuttle gebruiken eigenlijk twee pomptrappen en verbranden brandstof om de pompen van de tweede trap aan te drijven. Al dit pompen en koelen zorgt ervoor dat een typische motor voor vloeibaar drijfgas meer lijkt op een loodgietersproject dat in de war is dan wat dan ook - kijk naar de motoren op deze pagina om te zien wat ik bedoel.

Allerlei brandstofcombinaties worden gebruikt in raketmotoren voor vloeibare stuwstof. Bijvoorbeeld:

  • Vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof - gebruikt in de hoofdmotoren van de Space Shuttle
  • Benzine en vloeibare zuurstof - gebruikt in de vroege raketten van Goddard
  • Kerosine en vloeibare zuurstof - gebruikt op de eerste trap van de grote Saturn V-boosters in het Apollo-programma
  • Alcohol en vloeibare zuurstof - gebruikt in de Duitse V2-raketten
  • Stikstoftetroxide/monomethylhydrazine - gebruikt in de Cassini-motoren

De toekomst van raketmotoren

Dit beeld van een xenon-ionenmotor, gefotografeerd door een poort van de vacuümkamer waar het werd getest in het Jet Propulsion Laboratory van NASA, toont de vage blauwe gloed van geladen atomen die door de motor worden uitgestoten. De ionenvoortstuwingsmotor is de eerste niet-chemische voortstuwing die wordt gebruikt als het primaire middel om een ​​ruimtevaartuig voort te stuwen. Foto met dank aan NASA

We zijn gewend om chemische raketmotoren te zien die hun brandstof verbranden om stuwkracht te genereren. Er zijn echter veel andere manieren om stuwkracht te genereren. Elk systeem dat massa gooit, zou het doen. Als je een manier zou kunnen bedenken om honkballen te versnellen tot extreem hoge snelheden, je zou een levensvatbare raketmotor hebben. Het enige probleem met zo'n benadering zou zijn dat de "uitlaat" van het honkbal (hogesnelheidshonkballen) door de ruimte zou blijven stromen. Dit kleine probleem zorgt ervoor dat ontwerpers van raketmotoren de voorkeur geven aan gassen voor het uitlaatproduct.

Veel raketmotoren zijn erg klein. Bijvoorbeeld, Attitude-stuwraketten op satellieten hoeven niet veel stuwkracht te produceren. Een veelgebruikt motorontwerp dat op satellieten wordt gevonden, gebruikt helemaal geen "brandstof" -- stikstof stuwraketten onder druk blaas eenvoudig stikstofgas uit een tank door een mondstuk. Boegschroeven zoals deze hielden Skylab in een baan om de aarde, en worden ook gebruikt op het bemande manoeuvreersysteem van de shuttle.

Nieuwe motorontwerpen proberen manieren te vinden om te versnellen ionen of atomaire deeltjes tot extreem hoge snelheden om efficiënter stuwkracht te creëren. NASA's Deep Space-1-ruimtevaartuig was de eerste die ionenmotoren gebruikte voor voortstuwing [bron:SPACE.com]. Zie deze pagina voor aanvullende bespreking van plasma- en ionenmotoren.

Voor meer informatie over raketmotoren en aanverwante onderwerpen, bekijk de links op de volgende pagina.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

  • Hoe Space Shuttles werken
  • Hoe de EZ-Rocket werkt
  • Hoe Fusion Propulsion zal werken
  • Hoe luchtademende raketten zullen werken
  • Hoe elektromagnetische voortstuwing zal werken
  • Hoe de Aptera Hybrid werkt
  • Kun je een raketmotor maken met waterstofperoxide en zilver?

Meer geweldige links

  • Aandrijvingsefficiëntie van een motor - vergelijkingen
  • Nationale Vereniging van Rocketry
  • Hoe te ontwerpen, Bouw en test kleine raketmotoren op vloeibare brandstof
  • NASA:beginnershandleiding voor het modelleren van raketten

No

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Beperkingen Enzymen die worden gebruikt in DNA-vingerafdrukken
  2. De 3 soorten bacteriën
  3. Uitbreidingen van het cytoplasma
  4. Waarom zijn sommige dieren moeilijker te klonen dan andere?
  5. Is genie genetisch?
  6. Menselijke evolutie: tijdlijn, stadia, theorieën en bewijsmateriaal
  7. Probeer deze 5 dagelijkse gewoonten om je leven dit jaar te verbeteren
  8. Hoe diepe hersenstimulatie werkt
  9. Hoe een hart voor een wetenschapsproject te bouwen

Wetenschap