Roketler Chris Hadfield ile Nasıl Çalışır?

Bir nesneyi uzaya götürmek için, esasen şunlara ihtiyacınız vardır: Yakmak için yakıt ve oksijen, yönlendirmek için aerodinamik yüzeyler ve yalpalayan motorlar ve yeterli itme sağlamak için sıcak maddenin dışarı çıkması için bir yer. Basit.

Yakıt ve oksijen roket motorunun içinde karıştırılır ve ateşlenir ve ardından patlayan, yanan karışım genişler ve roketi ileri itmek için gereken itişi oluşturmak için roketin arkasından dışarı dökülür. Atmosfer içinde çalışan ve bu nedenle yanma reaksiyonu için yakıtla birleştirmek için havayı alabilen bir uçak motorunun aksine, bir roketin oksijenin olmadığı uzay boşluğunda çalışabilmesi gerekir. Buna göre roketler sadece yakıt değil, aynı zamanda kendi oksijen kaynaklarını da taşımak zorundadır. Fırlatma rampasındaki bir rokete baktığınızda, gördüğünüz şeylerin çoğu basitçe, uzaya gitmek için gerekli olan yakıt ve oksijen yakıt tanklarıdır.

edebiyatta büyülü gerçekçilik nedir

Atmosfer içinde, aerodinamik kanatçıklar, bir uçak gibi roketin yönlendirilmesine yardımcı olabilir. Ancak atmosferin ötesinde, bu kanatçıkların uzay boşluğunda iteceği hiçbir şey yok. Bu nedenle roketler, yönlendirmek için yalpalama motorları - robotik pivotlar üzerinde sallanabilen motorlar - kullanır. Elindeki süpürgeyi dengelemek gibi. Bunun bir diğer adı da vektörlü itme kuvvetidir.

Roketler normalde, Rus matematik öğretmeni Konstantin Tsiolkovsky ve Amerikalı bir mühendis/fizikçi olan Robert Goddard tarafından geliştirilen bir kavram olan, ayrı yığılmış bölümlerde veya aşamalarda inşa edilir. Roket aşamalarının ardındaki çalışma prensibi, atmosferin üzerine çıkmak için belirli bir miktarda itmeye ve ardından Dünya'nın yörüngesinde kalmaya yetecek kadar hızlı bir hıza (yörünge hızı, saniyede yaklaşık beş mil) ulaşmak için daha fazla itmeye ihtiyacımız olmasıdır. Bir roketin, boş yakıt tanklarının ve erken aşama roketlerin aşırı ağırlığını taşımak zorunda kalmadan bu yörünge hızına ulaşması daha kolaydır. Yani bir roketin her aşaması için yakıt/oksijen tükendiğinde, o aşamayı atıyoruz ve Dünya'ya geri düşüyor.

İlk aşama, öncelikle uzay aracını havanın çoğunun üzerinde, 150.000 fit veya daha yüksek bir yüksekliğe çıkarmak için kullanılır. İkinci aşama daha sonra uzay aracını yörünge hızına getirir. Satürn V örneğinde, astronotların Ay'a gitmesini sağlayan üçüncü bir aşama vardı. Bu üçüncü aşama, Dünya çevresinde doğru yörüngeyi kurmak için durup başlayabilmeliydi ve ardından, birkaç saat sonra her şey kontrol edildikten sonra, bizi Ay'a itti.

Bölüme Atla

• Roket Aerodinamiği: Roketler Nasıl Çalışır?
• Roketlerin Temel Fiziği
• Roket Yapımının Bileşenleri
• Roketlerdeki İyileştirmeler
• Chris Hadfield'in MasterClass'ı Hakkında Daha Fazla Bilgi Edinin

Uluslararası Uzay İstasyonunun eski komutanı size uzay araştırma bilimini ve geleceğin neler getireceğini öğretiyor.

Chris Hadfield

Uzay Keşfi Öğretir

Roket Aerodinamiği: Roketler Nasıl Çalışır?

Apollo astronotlarının Ay'ın yüzeyine çıkıp geri dönmek için kullandıkları Ay Modülü bile iki aşamalı bir roketti. Eve dönmek için Ay'dan yola çıktığımızda, iniş aşaması yüzeyde kaldı.

İnşa edilen ilk roketler tek kullanımlıktı ve onları tekrar kullanma düşüncesi yoktu. Uzay Mekiği, yeniden kullanılmak üzere tasarlanmış ilk uzay aracıydı ve uzaya yüz kez uçulabiliyordu. Katı roket güçlendiricileri bile kısmen yeniden kullanılabilirdi - okyanusa düştükten sonra kurtarılabilir, kurtarılabilir, temizlenebilir ve yeniden sertifikalandırılabilir ve daha sonraki fırlatmalar için yakıtla doldurulabilirdi. Bugün şirketler daha da fazla yeniden kullanılabilir roketler inşa ediyor; SpaceX, Falcon roketinin ilk aşamasını fırlatabilir ve ardından iniş yapabilir, bozulmamış ve tekrar sıvı yakıtla doldurulmaya hazır hale getirildi. Benzer teknoloji Blue Origin tarafından New Shepard roketleri için de kullanılıyor.

Roketleri Dünya'dan çıkarmak için kullanılan iki ana yakıt türü vardır: katı ve sıvı. Katı roketler, bir Roma mumu gibi basit ve güvenilirdir ve bir kez ateşlendiğinde onları durdurmak mümkün değildir: bitene kadar yanarlar ve itişi kontrol etmek için kısılamazlar. Sıvı roketler daha az ham itme sağlar, ancak kontrol edilebilir, bu da astronotların bir roket gemisinin hızını düzenlemesine ve hatta roketi kapatıp açmak için itici valfleri kapatıp açmasına izin verir.

Uzay Mekiği, fırlatma için katı ve sıvı roketlerin bir kombinasyonunu kullandı. Katı roket güçlendiriciler yalnızca mürettebatı havanın üzerine çıkarmak için kullanıldı; sıvı yakıtlı roketler tüm zaman boyunca yandı.

Roketlerin Temel Fiziği

Roket yapımının arkasındaki en temel itici güç, değişken fizikle ilgilenen Newton Yasasıdır. Bir roket, kütle (yaktığı yakıt) atarken aerodinamik olması gerektiğinden, Newton'un eylemler ve reaksiyonlar için üçüncü yasası devreye girer. Bir roket ateşlendiğinde, yakıt yanar ve arka egzozdan çıkar, bu da roketin hızlanmasına ve giderek daha fazla hızla ileriye doğru ilerlemesine neden olur. Bu, roketin sürükleme kuvveti olmadan çalıştığını varsayar.

Ancak bir uyarı var: Uzayda uçmak için Dünya'nın atmosferini geçmeniz ve ardından yörüngede başarılı bir şekilde kalabilmeniz için yeterince hızlı gidene kadar hızlanmanız gerekir. Bunu başarmanın önündeki en büyük engel, atmosferden gelen direncin neden olduğu sürtünmedir. Sürükleme kuvveti aşağıdaki denklemle belirlenir:

D = 12 ρ v 2 C D S

D = sürükle. Sürükleme, sizi yavaşlatan bir güçtür. Sürtünmenin bir güç olduğunu hatırlamak önemlidir. Sürükleme kuvveti uzay geminize doğru iter ve - uzay gemisinin tasarımında düşünceli bir şekilde izin verilmezse - uzay gemisinin daha hızlı gitmesini engelleyebilir, hatta gemiyi parçalayabilir.

ρ = rho, geminizin etrafındaki havanın yoğunluğu veya kalınlığı.
Uzay gemisi Dünya'dan uzaklaştıkça ve atmosferde yükseldikçe hava yoğunluğu azalır ve denkleme göre sürüklenir. Herhangi bir irtifada atmosferin yoğunluğunun değişken olduğuna dikkat edin, çünkü hava güneş tarafından ısıtıldığında genişler - daha sıcak hava daha az yoğundur. Ve unutmayın ki uzay boşluğunda yoğunluk esasen sıfırdır, yani (denklemle) orada neredeyse hiç sürükleme yoktur.

v = hız veya uzay geminizin hızı. Denklemde, sürüklemenin hız çarpı hızın veya v karenin bir fonksiyonu olduğuna dikkat edin. Böylece hız arttıkça, direnç hızla artar - hızın iki katı, sürtünmenin dört katı, vb. Bu nedenle ünlü astronot Chris Hadfield, atmosferde bir roket uçurmanın en zor kısım olduğunu söylüyor: bu aşamada roketin hızı havanın hala kalın olduğu yerde sürekli artıyor. Yine de atmosferin ötesine geçtiğinizde, atmosferik yoğunluk olmadığı için sürtünme kuvvetini artırmadan hızı artırabilirsiniz.

CD = sürüklenme katsayısı, araç akıcılığının ve yüzey pürüzlülüğünün bir özelliği.

S = uzay geminizin kesit alanı. Daha düşük bir alan (düşün: sıska roketlere karşı şişman roketler) sürtünmeyi azaltmaya yardımcı olur. Bunun anlamı, atmosferik sürüklenmenin, hala atmosferde olan ve ayrılmaya çalışan uzay gemileri için, gezegenin çok üzerinde olan ve sadece bir dakikalık hava miktarı olan Uluslararası Uzay İstasyonu gibi bir gemi için olduğundan çok daha büyük bir problem olduğudur. buna karşı hareket eden yoğunluk. Bu yüzden ISS bu kadar hantal bir şekle sahip olabilir ve roket gemilerinin bu yüzden modernize edilmesi gerekiyor.

Sürükleme denklemi, roket tasarımı ve uçuş stratejisinde net bir hedef oluşturur. En verimli roketler yalnızca daha düşük alanlara sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda hızlanmalarının (hızdan yörünge hızına artış) mümkün olduğu kadar çoğunu, atmosferin üzerine daha düşük hava yoğunluğuna sahip alanlara ulaştıklarında yaparlar.

güneş ay yükselen birleşik okuma

Usta sınıfı

Sizin için Önerilen

Dünyanın en büyük beyinleri tarafından verilen çevrimiçi dersler. Bu kategorilerdeki bilginizi genişletin.

Uzay Keşfi Öğretir

Korumayı Öğretir

Bilimsel Düşünmeyi ve İletişimi Öğretir

Daha İyi Uyku Bilimini Öğretir

Roket Yapımının Bileşenleri

Profesyonel gibi düşünün

Uluslararası Uzay İstasyonunun eski komutanı size uzay araştırma bilimini ve geleceğin neler getireceğini öğretiyor.

Roketler, yoğun ağırlık ve itme kuvvetlerine dayanacak ve mümkün olduğunca aerodinamik olacak şekilde özel olarak tasarlanmıştır. Bu nedenle, çoğu roketin yapımını standartlaştıran birkaç yapısal sistem mevcuttur. Burun konisi, çerçevesi ve kanatçık, roket şeklinin iskeletinin bir parçasıdır; bu, genellikle bir termal koruma tabakası ile uygulanan alüminyum veya titanyumdan yapılmış geniş bir yüzey alanıdır. Pompalar, yakıt ve meme, roketin itme üretmesini sağlayan tahrik sisteminin bir parçasını oluşturur.

Uçuş yolunu kontrol etmek için roketin uçuş yönü üzerinde bir ayar seviyesi olması gerekir. Şişe roketleri gibi model roketler veya diğer daha küçük roketler doğrudan havaya fırlar ve istedikleri yere geri dönerler. Uzaya gidecek bir roket çok daha fazla kontrol ve esneklik gerektirir: yalpalanmış itme burada devreye girer. Yönlendirme sisteminin bir parçası olarak, yalpalama açıları egzoz memesinin gerektiği gibi dönmesine izin vererek, ağırlık merkezini yeniden yönlendirir ve roketi yeniden konumlandırır. doğru yön.

Roketlerdeki İyileştirmeler

Editörün Seçimi

Uzay uçuşunun başlangıcından bu yana roket yakıtının temel kimyasında çok az değişiklik oldu, ancak daha fazla yakıt verimli roketler için tasarımlar var. Verimliliklerini artırmak için roketlerin daha az yakıta aç olması gerekir, bu da yakıtın istenen ivmeyi vermek ve aynı itişi elde etmek için mümkün olduğunca hızlı bir şekilde arkadan çıkması gerektiği anlamına gelir. Manyetik bir hızlandırıcı kullanılarak bir roket memesinden itilen iyonize gaz, geleneksel roket yakıtlarından önemli ölçüde daha hafiftir. İyonize parçacıklar, küçük ağırlıklarını veya kütlelerini telafi eden inanılmaz yüksek bir hızla roketin arkasından dışarı itilir. İyon tahriki, uzun, sürekli tahrik için iyi çalışır, ancak
daha düşük bir özgül dürtü yaratır, şimdiye kadar yalnızca yörüngede olan küçük uydularda çalışır ve büyük uzay gemileri için ölçeklendirilmemiştir. Bunu yapmak için güçlü bir enerji kaynağı gerekir - belki nükleer veya henüz icat edilmemiş bir şey.

1960'larda uzaya seyahat etmeye başladığımızdan beri uzay gemileri gelişti, ancak mevcut teknolojimizin çoğu bu ilk tasarımlardan geliyor. Sezgisel olarak, bir uzay gemisinin yüksek hızlı bir uçak gibi sivri olması mantıklı görünüyor. Ancak 1950'lerde yapılan araştırmalar, yörünge hızları için hiçbir malzemenin o sivri uçtaki muazzam ısıyı alacak kadar sert olamayacağını gösterdi. Max Faget adlı parlak bir mühendis, yoğun ısıyı ve basıncı geniş bir alana yaymak için yeniden giriş yapan uzay gemilerinin kör olması gerektiğini fark etti. Merkür'ü tasarlamanın anahtarıydı ve böylece uzay kapsülü doğdu. Mercury ve Gemini esasen mürettebatı canlı tutmak için mekanik sistemlere sahip kokpitlerin etrafında dönüyorlardı: hava basıncı regülasyonu, oksijen/CO2 işleme, sıcaklık kontrolü ve yiyecek ve su depolama. Yörüngesel uzay uçuşunun insanlar için mümkün olduğunu kanıtladılar ve daha fazlasını keşfetmenin kapısını açarak bizi bugün uzay araştırmalarında bulunduğumuz yere götürdüler.