HowStuffWorks 2005 Guarda altre immagini di razzi. Uno degli sforzi più sorprendenti che l'uomo abbia mai intrapreso è l'esplorazione dello spazio. Una grande parte dello stupore è la complessità. L'esplorazione dello spazio è complicata perché ci sono tanti problemi da risolvere e ostacoli da superare. Hai cose come:
Ma il problema più grande di tutti è sfruttare abbastanza energia semplicemente per far decollare un'astronave. Ecco dove motori a razzo Si accomodi.
I motori a razzo sono, da una parte, così semplice che puoi costruire e far volare i tuoi razzi modello in modo molto economico (vedi i link nell'ultima pagina dell'articolo per i dettagli). D'altra parte, i motori a razzo (e i loro sistemi di alimentazione) sono così complicati che solo tre paesi hanno mai messo persone in orbita. In questo articolo, esamineremo i motori a razzo per capire come funzionano, oltre a comprendere alcune delle complessità che li circondano.
Quando la maggior parte delle persone pensa ai motori o ai motori, pensano alla rotazione. Per esempio, un motore a benzina alternativo in un'auto produce energia di rotazione per azionare le ruote. Un motore elettrico produce energia rotazionale per azionare una ventola o far girare un disco. Un motore a vapore viene utilizzato per fare la stessa cosa, così come una turbina a vapore e la maggior parte delle turbine a gas.
I motori a razzo sono fondamentalmente diversi. I motori a razzo sono reazione motori. Il principio di base che guida un motore a razzo è il famoso principio newtoniano che "ad ogni azione c'è una reazione uguale e contraria". Un motore a razzo sta lanciando massa in una direzione e come risultato beneficia della reazione che si verifica nell'altra direzione.
Questo concetto di "lanciare massa e beneficiare della reazione" può essere difficile da comprendere all'inizio, perché non sembra essere ciò che sta accadendo. I motori a razzo sembrano essere fuoco, rumore e pressione, non "lanciare cose". Diamo un'occhiata ad alcuni esempi per avere un'immagine migliore della realtà:
Prossimo, esamineremo un altro scenario che spiega azione e reazione:il baseball spaziale.
Altro sui motori a razzo
Sintonizzati su Turbo Channel, il posto dove stare per programmare sulle auto, motociclette, aerei e tutto il resto con un motore.
Contenuti
Una telecamera remota cattura una vista ravvicinata di un motore principale dello Space Shuttle durante un tiro di prova presso il John C. Stennis Space Center nella contea di Hancock, Mancare. Foto per gentile concessione della NASA Immagina la seguente situazione:stai indossando una tuta spaziale e stai fluttuando nello spazio accanto alla navetta spaziale; ti capita di avere una palla da baseball in mano.
Se lanci la palla da baseball, il tuo corpo reagirà muovendosi nella direzione opposta alla palla. La cosa che controlla la velocità con cui il tuo corpo si allontana è il il peso della palla da baseball che lanci e la quantità di accelerazione che lo applichi. La massa moltiplicata per l'accelerazione è la forza (f =m * a). Qualunque forza applichi alla palla da baseball sarà equalizzata da una forza di reazione identica applicata al tuo corpo (m * a =m * a). Quindi diciamo che la palla da baseball pesa 1 sterlina, e il tuo corpo più la tuta spaziale pesa 100 libbre. Lanci via la palla da baseball a una velocità di 32 piedi al secondo (21 mph). Vale a dire, acceleri la palla da 1 libbra con il braccio in modo che ottenga una velocità di 21 mph. Il tuo corpo reagisce, ma pesa 100 volte di più del baseball. Perciò, si allontana a un centesimo della velocità della palla da baseball, o 0,32 piedi al secondo (0,21 mph).
Se vuoi generare di più spinta dal tuo baseball, hai due opzioni:aumentare la massa o aumentare l'accelerazione. Puoi lanciare una palla da baseball più pesante o lanciare una serie di palle da baseball una dopo l'altra (aumentando la massa), oppure puoi lanciare la palla più velocemente (aumentando l'accelerazione su di essa). Ma questo è tutto ciò che puoi fare.
Un motore a razzo generalmente lancia una massa sotto forma di a gas ad alta pressione . Il motore emette la massa di gas in una direzione per ottenere una reazione nella direzione opposta. La massa deriva dal peso del carburante che brucia il motore a razzo. Il processo di combustione accelera la massa di carburante in modo che esca dall'ugello del razzo ad alta velocità. Il fatto che il combustibile si trasformi da solido o liquido in gas quando brucia non ne modifica la massa. Se bruci mezzo chilo di carburante per missili, una libbra di scarico esce dall'ugello sotto forma di una temperatura elevata, gas ad alta velocità. La forma cambia, ma la massa no. Il processo di combustione accelera la massa.
Impariamo di più sulla spinta dopo.
La "forza" di un motore a razzo si chiama sua spinta . La spinta è misurata in "libbre di spinta" negli Stati Uniti e in Newton sotto il sistema metrico (4,45 Newton di spinta equivale a 1 libbra di spinta). Una libbra di spinta è la quantità di spinta necessaria per mantenere fermo un oggetto di 1 libbra contro la forza di gravità sulla Terra. Quindi sulla Terra, l'accelerazione di gravità è di 32 piedi al secondo al secondo (21 mph al secondo). Se galleggiavi nello spazio con un sacco di palle da baseball e ne lanciavi una al secondo a 21 miglia orarie, le tue palle da baseball genererebbero l'equivalente di 1 libbra di spinta. Se invece dovessi lanciare le palle da baseball a 42 mph, allora genereresti 2 libbre di spinta. Se li lanci a 2, 100 mph (forse sparandogli con una specie di pistola da baseball), quindi stai generando 100 libbre di spinta, e così via.
Uno dei problemi divertenti che hanno i razzi è che gli oggetti che il motore vuole lanciare in realtà pesano qualcosa, e il razzo deve portare quel peso in giro. Quindi diciamo che vuoi generare 100 libbre di spinta per un'ora lanciando una palla da baseball ogni secondo alla velocità di 2, 100 miglia orarie. Ciò significa che devi iniziare con 3, 600 palle da baseball da 1 libbra (ce ne sono 3, 600 secondi in un'ora), o 3, 600 libbre di palle da baseball. Dato che pesi solo 100 libbre nella tua tuta spaziale, puoi vedere che il peso del tuo "carburante" fa impallidire il peso del carico utile (tu). Infatti, il carburante pesa 36 volte di più del carico utile. E questo è molto comune. Ecco perché devi avere un enorme razzo per portare una persona minuscola nello spazio in questo momento:devi trasportare molto carburante.
Puoi vedere l'equazione del peso molto chiaramente sullo Space Shuttle. Se hai mai visto il lancio dello Space Shuttle, sai che ci sono tre parti:
L'Orbiter pesa 165, 000 libbre vuote. Il serbatoio esterno pesa 78, 100 libbre vuote. I due propulsori a razzo solido pesano 185, 000 libbre vuote ciascuno. Ma poi devi caricare il carburante. Ogni SRB contiene 1,1 milioni di libbre di carburante. Il serbatoio esterno contiene 143, 000 galloni di ossigeno liquido (1, 359, 000 sterline) e 383, 000 galloni di idrogeno liquido (226, 000 sterline). L'intero veicolo - navetta, serbatoio esterno, involucri di propulsori a razzo solido e tutto il carburante - ha un peso totale di 4,4 milioni di libbre al momento del lancio. 4,4 milioni di sterline per ottenere 165, 000 libbre in orbita sono una bella differenza! Ad essere onesti, l'orbiter può trasportare anche un 65, Carico utile di 000 libbre (fino a 15 x 60 piedi di dimensione), ma è ancora una grande differenza. Il carburante pesa quasi 20 volte di più dell'Orbiter [fonte:The Space Shuttle Operator's Manual].
Tutto quel carburante viene espulso dal retro dello Space Shuttle a una velocità forse di 6, 000 mph (le velocità di scarico tipiche dei razzi per i razzi chimici variano tra 5, 000 e 10, 000 miglia orarie). Gli SRB bruciano per circa due minuti e generano circa 3,3 milioni di libbre di spinta ciascuno al momento del lancio (2,65 milioni di libbre in media durante la combustione). I tre motori principali (che utilizzano il carburante nel serbatoio esterno) bruciano per circa otto minuti, generando 375, 000 libbre di spinta ciascuno durante l'ustione.
Nella sezione successiva, esamineremo la particolare miscela di carburante nei razzi a combustibile solido.
Un razzo a combustibile solido immediatamente prima e dopo l'accensione I motori a razzo a combustibile solido sono stati i primi motori creati dall'uomo. Sono stati inventati centinaia di anni fa in Cina e da allora sono stati ampiamente utilizzati. La frase sul "bagliore rosso del razzo" nell'inno nazionale (scritto all'inizio del 1800) parla di piccoli razzi militari a combustibile solido usati per sganciare bombe o dispositivi incendiari. Quindi puoi vedere che i razzi sono in uso da un po'.
L'idea alla base di un semplice razzo a combustibile solido è semplice. Quello che vuoi fare è creare qualcosa che bruci molto velocemente ma non esploda. Come probabilmente saprai, esplode la polvere da sparo. La polvere da sparo è composta per il 75% da nitrati, 15% di carbonio e 10% di zolfo. In un motore a razzo, non vuoi un'esplosione:vorresti che il potere venisse rilasciato in modo più uniforme per un periodo di tempo. Quindi potresti cambiare il mix al 72% di nitrati, 24% di carbonio e 4% di zolfo. In questo caso, invece di polvere da sparo, ottieni un semplice carburante per missili. Questo tipo di mix brucerà molto rapidamente, ma non esplode se caricato correttamente. Ecco una tipica sezione trasversale:
Sulla sinistra vedete il razzo prima dell'accensione. Il combustibile solido è mostrato in verde. è cilindrico, con un tubo forato nel mezzo. Quando accendi il carburante, brucia lungo la parete del tubo. Mentre brucia, brucia verso l'esterno verso l'involucro finché tutto il carburante non è bruciato. In un piccolo modello di motore a razzo o in un minuscolo razzo a bottiglia, l'ustione potrebbe durare un secondo o meno. In uno Space Shuttle SRB contenente oltre un milione di libbre di carburante, l'ustione dura circa due minuti.
Quando leggi di razzi avanzati a combustibile solido come i razzi a propellente solido dello Shuttle, leggi spesso cose come:
La miscela propellente in ciascun motore SRB è costituita da un perclorato di ammonio (ossidante, 69,6 per cento in peso), alluminio (carburante, 16 per cento), ossido di ferro (un catalizzatore, 0,4 per cento), un polimero (un legante che tiene insieme la miscela, 12,04 per cento), e un agente indurente epossidico (1,96 percento). Il propellente è una perforazione a forma di stella a 11 punte nel segmento motorio anteriore e una perforazione a doppio tronco di cono in ciascuno dei segmenti posteriori e chiusura a poppa. Questa configurazione fornisce un'elevata spinta all'accensione e quindi riduce la spinta di circa un terzo 50 secondi dopo il decollo per evitare sollecitazioni eccessive del veicolo durante la massima pressione dinamica. [fonte:NASA]Questo paragrafo discute non solo la miscela di carburante, ma anche la configurazione del canale perforato al centro del carburante. Una "perforazione a forma di stella a 11 punte" potrebbe assomigliare a questa:
L'idea è di aumentare la superficie del canale, aumentando così l'area di bruciatura e quindi la spinta. Mentre il carburante brucia, la forma si uniforma in un cerchio. Nel caso degli SRB, conferisce al motore una spinta iniziale elevata e una spinta inferiore a metà del volo.
I motori a razzo a combustibile solido hanno tre importanti vantaggi:
Hanno anche due svantaggi:
Gli svantaggi significano che i razzi a combustibile solido sono utili per compiti di breve durata (come i missili), o per i sistemi booster. Quando devi essere in grado di controllare il motore, è necessario utilizzare un sistema a propellente liquido. Impareremo di seguito queste e altre possibilità.
Il dottor Robert H. Goddard e il suo razzo a benzina e ossigeno liquido nel telaio da cui è stato sparato il 16 marzo, 1926, a Auburn, Massa. Ha volato per soli 2,5 secondi, salito 41 piedi, ed è atterrato a 184 piedi di distanza in una zona di cavoli. Foto per gentile concessione della NASA Nel 1926, Robert Goddard ha testato il primo motore a razzo a propellente liquido. Il suo motore utilizzava benzina e ossigeno liquido. Ha anche lavorato e risolto una serie di problemi fondamentali nella progettazione di motori a razzo, compresi i meccanismi di pompaggio, strategie di raffreddamento e disposizioni di governo. Questi problemi sono ciò che rende i razzi a propellente liquido così complicati.
L'idea di base è semplice. Nella maggior parte dei motori a razzo a propellente liquido, un combustibile e un ossidante (ad esempio, benzina e ossigeno liquido) vengono pompati in una camera di combustione. Lì bruciano per creare un flusso ad alta pressione e ad alta velocità di gas caldi. Questi gas fluiscono attraverso un ugello che li accelera ulteriormente (5, 000 a 10, le velocità di uscita di 000 mph sono tipiche), e poi lasciano il motore. Il seguente diagramma altamente semplificato mostra i componenti di base.
Questo diagramma non mostra le reali complessità di un motore tipico (vedi alcuni dei link in fondo alla pagina per buone immagini e descrizioni di motori reali). Per esempio, è normale che il carburante o l'ossidante sia un gas liquefatto freddo come l'idrogeno liquido o l'ossigeno liquido. Uno dei grandi problemi in un motore a razzo a propellente liquido è il raffreddamento della camera di combustione e dell'ugello, quindi i liquidi criogenici vengono prima fatti circolare intorno alle parti surriscaldate per raffreddarle. Le pompe devono generare pressioni estremamente elevate per vincere la pressione che il combustibile in combustione crea nella camera di combustione. I motori principali dello Space Shuttle utilizzano effettivamente due stadi di pompaggio e bruciano carburante per azionare le pompe del secondo stadio. Tutto questo pompaggio e raffreddamento fa sembrare un tipico motore a propellente liquido più simile a un progetto idraulico andato in tilt che a qualsiasi altra cosa:guarda i motori in questa pagina per vedere cosa intendo.
Tutti i tipi di combinazioni di carburante vengono utilizzati nei motori a razzo a propellente liquido. Per esempio:
Questa immagine di un motore agli ioni di xeno, fotografato attraverso una porta della camera a vuoto dove è stato testato presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, mostra il debole bagliore blu degli atomi carichi emessi dal motore. Il motore a propulsione ionica è la prima propulsione non chimica ad essere utilizzata come mezzo principale per azionare un veicolo spaziale. Foto per gentile concessione della NASA Siamo abituati a vedere motori a razzo chimici che bruciano il loro carburante per generare spinta. Tuttavia, ci sono molti altri modi per generare spinta. Qualsiasi sistema che genera massa andrebbe bene. Se riuscissi a trovare un modo per accelerare le palle da baseball a velocità estremamente elevate, avresti un motore a razzo valido. L'unico problema con un tale approccio sarebbe lo "scarico" del baseball (palle da baseball ad alta velocità) lasciato scorrere nello spazio. Questo piccolo problema fa sì che i progettisti di motori a razzo preferiscano i gas per il prodotto di scarico.
Molti motori a razzo sono molto piccoli. Per esempio, i propulsori di assetto sui satelliti non hanno bisogno di produrre molta spinta. Un design comune del motore trovato sui satelliti non utilizza affatto "carburante" - propulsori ad azoto pressurizzati è sufficiente soffiare gas azoto da un serbatoio attraverso un ugello. Propulsori come questi hanno tenuto Skylab in orbita, e sono utilizzati anche sul sistema di manovra con equipaggio della navetta.
Nuovi design del motore stanno cercando di trovare modi per accelerare ioni o particelle atomiche a velocità estremamente elevate per creare la spinta in modo più efficiente. La navicella spaziale Deep Space-1 della NASA è stata la prima a utilizzare motori ionici per la propulsione [fonte:SPACE.com]. Vedere questa pagina per ulteriori discussioni sui motori al plasma e ionici.
Per ulteriori informazioni sui motori a razzo e argomenti correlati, controlla i link nella pagina successiva.
