كيف تعمل الصواريخ مع كريس هادفيلد

من أجل الحصول على جسم ما إلى الفضاء ، فأنت تحتاج بشكل أساسي إلى ما يلي: الوقود والأكسجين للحرق ، والأسطح الديناميكية الهوائية ومحركات gimbaling للتوجيه ، وفي مكان ما لتخرج الأشياء الساخنة لتوفير قوة دفع كافية. بسيط.

يتم خلط الوقود والأكسجين وإشعالهما داخل محرك الصاروخ ، ثم يتمدد الخليط المتفجر المحترق ويصب في الجزء الخلفي من الصاروخ لخلق قوة الدفع اللازمة لدفعه للأمام. على عكس محرك الطائرة ، الذي يعمل داخل الغلاف الجوي وبالتالي يمكنه امتصاص الهواء للاندماج مع الوقود من أجل تفاعل الاحتراق ، يحتاج الصاروخ إلى أن يكون قادرًا على العمل في فراغ الفضاء ، حيث لا يوجد أكسجين. وفقًا لذلك ، لا يجب أن تحمل الصواريخ الوقود فحسب ، بل يجب أن تحمل أيضًا إمدادات الأكسجين الخاصة بها. عندما تنظر إلى صاروخ على منصة الإطلاق ، فإن معظم ما تراه هو ببساطة خزانات الوقود - الوقود والأكسجين - اللازمة للوصول إلى الفضاء.

كم أوقية في زجاجة نبيذ

داخل الغلاف الجوي ، يمكن أن تساعد الزعانف الديناميكية الهوائية في توجيه الصاروخ ، مثل الطائرة. خارج الغلاف الجوي ، على الرغم من ذلك ، لا يوجد شيء يمكن لتلك الزعانف أن تضغط عليه في فراغ الفضاء. لذلك تستخدم الصواريخ أيضًا محركات ذات محاور - محركات يمكنها التأرجح على محاور روبوتية - للتوجيه. نوع من مثل موازنة مكنسة في يدك. اسم آخر لهذا هو التوجه الموجه.

عادةً ما تُبنى الصواريخ في أقسام أو مراحل مكدسة منفصلة ، وهو مفهوم طوره كونستانتين تسيولكوفسكي ، مدرس الرياضيات الروسي ، وروبرت جودارد ، المهندس / الفيزيائي الأمريكي. المبدأ العملي وراء مراحل الصاروخ هو أننا نحتاج إلى قدر معين من الدفع لتجاوز الغلاف الجوي ، ثم دفع إضافي للتعجيل بسرعة كافية للبقاء في مدار حول الأرض (السرعة المدارية ، حوالي خمسة أميال في الثانية). من الأسهل للصاروخ الوصول إلى هذه السرعة المدارية دون الاضطرار إلى حمل الوزن الزائد لخزانات الوقود الفارغة وصواريخ المرحلة المبكرة. لذلك عندما يتم استهلاك الوقود / الأكسجين لكل مرحلة من مراحل الصاروخ ، نتخلى عن تلك المرحلة ، وتعود إلى الأرض.

تستخدم المرحلة الأولى في المقام الأول لجعل المركبة الفضائية فوق معظم الهواء ، على ارتفاع 150000 قدم أو أكثر. ثم تنقل المرحلة الثانية المركبة الفضائية إلى السرعة المدارية. في حالة صاروخ Saturn V ، كانت هناك مرحلة ثالثة تمكن رواد الفضاء من الوصول إلى القمر. يجب أن تكون هذه المرحلة الثالثة قادرة على التوقف والبدء ، من أجل إنشاء المدار الصحيح حول الأرض ، وبعد ذلك ، بمجرد فحص كل شيء بعد بضع ساعات ، دفعنا إلى القمر.

انتقل إلى القسم

• الديناميكا الهوائية للصواريخ: كيف تعمل الصواريخ
• الفيزياء الأساسية للصواريخ
• مكونات بناء الصواريخ
• تحسينات في الصواريخ
• تعرف على المزيد حول MasterClass لكريس هادفيلد

يعلمك القائد السابق لمحطة الفضاء الدولية علم استكشاف الفضاء وما يخبئه المستقبل.

كريس هادفيلد

يعلم استكشاف الفضاء

الديناميكا الهوائية للصواريخ: كيف تعمل الصواريخ

حتى الوحدة القمرية - التي استخدمها رواد فضاء أبولو للوصول إلى سطح القمر والعودة منها - كانت صاروخًا من مرحلتين. عندما انطلقنا من القمر للعودة إلى الوطن ، تركت مرحلة الهبوط على السطح.

الصواريخ الأولى التي تم بناؤها كانت تستخدم مرة واحدة ، دون التفكير في إعادة استخدامها مرة أخرى. كان مكوك الفضاء أول مركبة فضائية تم تصميمها لإعادة استخدامها ، وكانت قادرة على الطيران إلى الفضاء مائة مرة. حتى معززات الصواريخ الصلبة الخاصة بها كانت قابلة لإعادة الاستخدام جزئيًا - يمكن استعادتها بعد سقوطها في المحيط ، ثم إنقاذها وتنظيفها وإعادة اعتمادها ، وإعادة تعبئتها بالوقود لعمليات الإطلاق اللاحقة. اليوم ، تقوم الشركات ببناء المزيد من الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام ؛ سبيس إكس قادرة على إطلاق المرحلة الأولى من صاروخ فالكون ثم الهبوط فيها ، وتم استعادتها سليمة وجاهزة لتعبئتها مرة أخرى بالوقود السائل. تستخدم Blue Origin أيضًا تقنية مماثلة لصاروخ New Shepard.

هناك نوعان رئيسيان من الوقود المستخدم لإخراج الصواريخ من الأرض: صلب وسائل. الصواريخ الصلبة بسيطة وموثوقة ، مثل الشمعة الرومانية ، وبمجرد اشتعالها لا يوجد ما يمنعها: فهي تحترق حتى تنفد ، ولا يمكن خنقها للتحكم في الدفع. توفر الصواريخ السائلة قوة دفع أقل ، ولكن يمكن التحكم فيها ، مما يسمح لرواد الفضاء بتنظيم سرعة المركبة الصاروخية ، وحتى إغلاق وفتح صمامات الوقود لإيقاف تشغيل الصاروخ وتشغيله.

استخدم مكوك الفضاء مجموعة من الصواريخ الصلبة والسائلة للإطلاق. تم استخدام معززات الصواريخ الصلبة فقط لأخذ الطاقم فوق الهواء ؛ بينما صواريخ الوقود السائل تحترق طوال الوقت.

الفيزياء الأساسية للصواريخ

القوة الدافعة الأساسية وراء بناء الصواريخ هي قانون نيوتن الذي يتعامل مع الفيزياء المتغيرة. نظرًا لأن الصاروخ يجب أن يكون ديناميكيًا هوائيًا أثناء التخلص من الكتلة (الوقود الذي يحترق من خلاله) ، فإن قانون نيوتن الثالث للأفعال وردود الفعل يدخل حيز التنفيذ. عندما يشتعل الصاروخ ، يحترق الوقود ويخرج من العادم الخلفي ، مما يتسبب في تسارع الصاروخ ودفعه للأمام بسرعة أكبر. يفترض هذا أن الصاروخ يعمل بدون قوة سحب.

ومع ذلك ، هناك تحذير: لكي تطير في الفضاء ، تحتاج إلى المرور عبر الغلاف الجوي للأرض ، ثم الإسراع حتى تنطلق بسرعة كافية حتى تتمكن من البقاء في المدار بنجاح. العائق الرئيسي لتحقيق ذلك هو السحب الذي تسببه المقاومة من الغلاف الجوي. يتم تحديد قوة السحب بالمعادلة التالية:

د = 12 ρ ع 2 ج د س

د = السحب. السحب هو القوة التي تبطئك. من المهم أن نتذكر أن السحب قوة. تدفع قوة السحب ضد سفينة الفضاء الخاصة بك - وإذا لم يكن مسموحًا بها بشكل مدروس في تصميم سفينة الفضاء - فيمكنها منع سفينة الفضاء من التحرك بشكل أسرع ، أو حتى تمزيق السفينة.

ρ = rho ، كثافة - أو سمك - الهواء حول سفينتك.
مع تحرك سفينة الفضاء بعيدًا عن الأرض وأعلى في الغلاف الجوي ، تنخفض كثافة الهواء وبالتالي ، وفقًا للمعادلة ، تتسحب. لاحظ أن كثافة الغلاف الجوي عند أي ارتفاع معين متغيرة لأن الهواء يتمدد عندما تدفئه الشمس - الهواء الأكثر دفئًا يكون أقل كثافة. وتذكر أنه في فراغ الفضاء ، تكون الكثافة صفرًا بشكل أساسي ، لذلك (حسب المعادلة) لا يوجد أي مقاومة تقريبًا هناك.

v = السرعة ، أو سرعة سفينة الفضاء الخاصة بك. لاحظ أن السحب في المعادلة دالة على السرعة مضروبة في السرعة ، أو v تربيع. وهكذا مع زيادة السرعة ، يزداد السحب بسرعة - ضعف السرعة ، وأربعة أضعاف السحب ، وما إلى ذلك. وهذا هو السبب في أن رائد الفضاء الشهير كريس هادفيلد يقول أن تحليق صاروخ عبر الغلاف الجوي هو الجزء الأصعب: في هذه المرحلة تكون سرعة الصاروخ تتزايد باستمرار حيث لا يزال الهواء كثيفًا. بمجرد أن تكون خارج الغلاف الجوي ، على الرغم من ذلك ، يمكنك زيادة السرعة دون زيادة قوة السحب لأنه لا توجد كثافة جوية.

CD = معامل السحب ، خاصية انسيابية المركبة وخشونة السطح.

S = منطقة المقطع العرضي لسفينة الفضاء الخاصة بك. تساعد المنطقة السفلية (فكر في: الصواريخ النحيفة مقابل الصواريخ الدهنية) على تقليل السحب. المعنى الضمني هو أن السحب الجوي يمثل مشكلة أكبر بكثير لسفن الفضاء التي لا تزال في الغلاف الجوي وتحاول المغادرة مقارنة بسفينة مثل محطة الفضاء الدولية ، وهي مرتفعة جدًا فوق الكوكب بحيث لا يوجد سوى كمية دقيقة من الهواء كثافة تعمل ضدها. لهذا السبب يمكن أن يكون شكل محطة الفضاء الدولية صعبًا ، ولهذا السبب يجب أن تكون السفن الصاروخية مبسطة.

تخلق معادلة السحب هدفًا واضحًا في تصميم الصاروخ واستراتيجية الطيران. لا يقتصر الأمر على أن الصواريخ الأكثر كفاءة لها مناطق منخفضة فحسب ، بل إنها تقوم أيضًا بأكبر قدر ممكن من تسارعها (زيادة السرعة إلى السرعة المدارية) بمجرد وصولها فوق الغلاف الجوي إلى مناطق ذات كثافة هواء منخفضة.

فئة رئيسية

اقترح لك

دروس عبر الإنترنت تدرس من قبل أعظم العقول في العالم. توسيع معرفتك في هذه الفئات.

يعلم استكشاف الفضاء

يعلم الحفظ

يعلم التفكير العلمي والاتصال

يعلم علم النوم الأفضل

ما هي علامات التنجيم الخاصة بي

مكونات بناء الصواريخ

فكر مثل المحترفين

يعلمك القائد السابق لمحطة الفضاء الدولية علم استكشاف الفضاء وما يخبئه المستقبل.

صُممت الصواريخ خصيصًا لتحمل قوى الوزن والدفع الشديدة ، ولتكون ديناميكية هوائية قدر الإمكان. وبالتالي ، هناك عدد قليل من الأنظمة الهيكلية المعمول بها والتي وحدت بناء معظم الصواريخ. يمثل مخروط الأنف والإطار والزعنفة جزءًا من الهيكل العظمي لشكل الصاروخ ، وهو عبارة عن مساحة سطح كبيرة غالبًا ما يتم بناؤها من الألومنيوم أو التيتانيوم الذي يتم تطبيقه بطبقة حماية حرارية. تشكل المضخات والوقود والفوهة جزءًا من نظام الدفع ، مما يتيح للصاروخ إنتاج قوة دفع.

من أجل التحكم في مسار الرحلة ، يجب أن يكون هناك مستوى من التعديل على اتجاه طيران الصاروخ. الصواريخ النموذجية ، مثل صواريخ الزجاجة ، أو صواريخ أخرى أصغر تنطلق مباشرة في الهواء وتعود للأسفل حيث يحلو لها. يتطلب الصاروخ المخصص للفضاء قدرًا أكبر من التحكم والمرونة: وهنا يأتي دور الدفع المحوري. وكجزء من نظام التوجيه ، تسمح الزوايا المحورية لفوهة العادم بالدوران حسب الحاجة ، وإعادة توجيه مركز الثقل وإعادة توجيه الصاروخ نحو الصاروخ. الاتجاه الصحيح.

تحسينات في الصواريخ

اختيار المحررين

كانت هناك تغييرات قليلة في الكيمياء الأساسية لوقود الصواريخ منذ بداية رحلات الفضاء ، ولكن هناك تصميمات قيد الإعداد لصواريخ أكثر كفاءة في استهلاك الوقود. من أجل تحسين كفاءتها ، يجب أن تكون الصواريخ أقل جوعًا للوقود ، مما يعني أن الوقود يحتاج إلى الخروج من الخلف بأسرع ما يمكن لإعطاء الزخم المطلوب ، وتحقيق نفس الدفع. الغاز المؤين ، الذي يتم دفعه عبر فوهة صاروخ باستخدام مسرع مغناطيسي ، يزن أقل بكثير من وقود الصواريخ التقليدي. يتم دفع الجسيمات المتأينة إلى خارج الجزء الخلفي من الصاروخ بسرعة عالية بشكل لا يصدق ، مما يعوض عن وزنها الصغير أو كتلتها. يعمل الدفع الأيوني بشكل جيد للدفع الطويل والمستدام ، ولكن بسبب ذلك
إنها تخلق دافعًا أقل تحديدًا ، فهي تعمل حتى الآن فقط على الأقمار الصناعية الصغيرة الموجودة بالفعل في المدار ولم يتم توسيعها لسفن الفضاء الكبيرة. للقيام بذلك يتطلب مصدر طاقة قوي - ربما نووي ، أو شيء لم يتم اختراعه بعد.

لقد تحسنت سفن الفضاء منذ أن بدأنا السفر إلى الفضاء في الستينيات ، ولكن الكثير من تقنيتنا الحالية تنبع من تلك التصميمات الأولى. حدسيًا ، يبدو أنه من المنطقي أن تكون سفينة الفضاء مدببة ، مثل الطائرات عالية السرعة. ومع ذلك ، أظهرت الأبحاث التي أجريت في الخمسينيات من القرن الماضي أنه بالنسبة للسرعات المدارية ، لا توجد مادة يمكن أن تكون قوية بما يكفي لتحمل الحرارة الهائلة على هذا الطرف المدبب. أدرك مهندس لامع يُدعى ماكس فاجيت أن سفن الفضاء العائدة يجب أن تكون غير حادة ، لنشر الحرارة الشديدة والضغط على مساحة كبيرة. لقد كان مفتاحًا في تصميم عطارد ، وبالتالي ولدت كبسولة الفضاء. كان الزئبق والجوزاء يدوران بشكل أساسي في قمرة القيادة باستخدام أنظمة ميكانيكية لإبقاء الطاقم على قيد الحياة: تنظيم ضغط الهواء ، ومعالجة الأكسجين / ثاني أكسيد الكربون ، والتحكم في درجة الحرارة ، وتخزين الطعام والمياه. لقد أثبتوا أن رحلات الفضاء المدارية كانت ممكنة للبشر وفتحوا الباب لمزيد من الاستكشاف ، مما قادنا إلى ما نحن فيه في استكشاف الفضاء اليوم.