, Hogy a hatalmas ugrás az emberiségnek nem az első lépés a Holdon, de elérve a Földet,
Az Univerzum törvényei az irányadók, a fizika, hogy nem változtatható meg minket. Mint ilyen, nehéz korlátai vannak annak, hogy mit tehetünk a rakétákkal és hogyan építjük őket. A rakéták működését a Tsiolkovsky rakéta egyenlet szabályozza, amelyet Konstantin Tsiolkovsky rakétatudósról neveztek el. Ez a cikk a rakétatudományt és azok következményeit szabályozó változók alapvető bevezetéseként szolgál. Mint ilyen, néhány általánosítás történik.
mielőtt eljutnánk a rakéta egyenlethez, vessünk egy pillantást az irányító játékosokra. Két alapvető dolog befolyásolja a rakéta világűrbe vezető útját: Delta-v és Exhaust velocity.
Delta-V
a világűr eléréséhez a rakétáknak energiát kell költeniük a föld (vagy más tárgy) gravitációja ellen. Ezt az energiát gyakran delta-v – ként fejezik ki.
a delta-v általában attól függ, hogy milyen messze van a Földtől (alacsony Föld körüli pálya,a Hold, a Mars stb.). Azt is növeli a mélyebb szeretne menni egy gravitációs kút (mondja a Föld felszínén, hogy a Hold felszínén). Adelta-v így határozza meg a cél eléréséhez szükséges energiát.
a hozzávetőlegesdelta-v a naprendszer különböző úticéljainak eléréséhez szükséges (vis-viva egyenlet segítségével kiszámítva) a következő:
1. Earth’s surface to Low Earth Orbit (LEO) = 9.3 km/s (at 250 km)2. LEO to Low Lunar Orbit (LLO) = 4 km/s3. LEO to surface of the Moon = 5.9 km/s4. LEO to Mars Transfer Orbit = 4 km/s5. LEO to the surface of Mars = 10.4 km/s
néhány érdekes dolog jön fel itt:
- a
delta-vtöbb mint kétszerese szükséges ahhoz, hogy a Föld felszínéről elérje az alacsony Földpályát (LEO), mint a LEO alacsony Holdpályáját (LLO). - A LEO és a Hold közötti úticél csak töredéke annak, ami ahhoz szükséges, hogy a Föld felszínéről csak Leót érjük el.
- a Föld felszíne a Leóhoz közel azonos a Leótól a Mars felszínéig.
ez figyelemre méltó, mivel azt jelenti, hogy a tér első gátja (a Föld felszíne LEO-hoz) sokkal magasabb, mint a későbbi. Olyan magas a Föld gravitációjának nagysága miatt.
az emberiség óriási ugrása tehát nem a Holdra lépett, hanem a Föld pályáját érte el!
kipufogási sebesség
a meghajtórendszer típusából rendelkezésre álló energiát gyakran Exhaust velocity – ként fejezik ki. Ez a küldetéshez szükséges delta-v eléréséhez szükséges.
A Rakétahajtóberendezések széles választékban vannak. A legtöbb rakétamotor kémiai hajtóanyagokat használ. Az energetikailag (különböző körülmények között) reakcióba lépő kémiai elemek azok, amelyeket a meghajtáshoz választanak, mivel nagy kipufogási sebességet biztosítanak. A hajtóanyagok különböző kombinációi eltérő kipufogási sebességet biztosítanak a különböző energiahatékonyságok miatt.
mindkét delta-vés Exhaust velocity a könnyebb összehasonlítás érdekében ugyanabban az egységben (km/s) vannak kifejezve. Itt vannak a jelenleg használatban lévő főbb kémiai meghajtórendszerek és átlagos kipufogási sebességük.
1. Solid propellant = 3 km/s
(E.g. The Space Shuttle)2. Kerosene-Oxygen = 3.1 km/s
(E.g. Falcon, Soyuz, Long March 6, Saturn V)3. Hypergols (propellants that ignite on contact) = 3.2 km/s
(E.g. PSLV, Proton)4. Hydrogen-Oxygen = 3.4 km/s
(E.g. Ariane 5, Delta IV)
Specific impulse defines how effectively a rocket uses propellant. A propulsion system with a higher specific impulse is more efficient and therefore less propellant mass is needed for a given delta-v.
Note: Higher specific impulse or exhaust velocity alone isn't enough to get something out of an object's gravitational well. The amount of thrust generated by the engine should be high too, which is why the low-thrust ion engines (despite having high specific impulse) can't get rockets out of Earth's gravity.
és specific impulseegyszerűen a exhaust velocity a rakétához viszonyítva. Tehát egy rakéta általában hatékonyabb, ha jobb kipufogási sebességekkel rendelkezik, feltételezve, hogy a rakéta teljes tömege megegyezik. A különböző típusú hajtóanyagok azonban eltérő szerkezeti követelményeket támasztanak velük, amelyek növelhetik a tömeget. Ez a Mass rationevű harmadik tényezőhöz vezet.
tömegarány
Mass ratio egy adott célállomás teljes rakétatömege osztva a száraz rakétatömeggel (i.e a hajtóanyag nélkül). A nagyobb tömegarányok azt jelentik, hogy a szükséges hajtóanyag mennyisége rendkívül nagyobb, mint a rakéta többi része. Ez elvezet minket, amit híresen ismert, mint a rakéta egyenlet, amely korlátozza, hogy mennyi hasznos teher a rakéta képes szállítani egy adott rendeltetési helyre.
A rakéta egyenlet
a rakéta egyenlet a fent tárgyalt három mennyiségre vonatkozik:
mass ratio = e ^ (delta-v/exhaust velocity),where 'e' is the mathematical constant equal to ~2.72
a rakéta egyenletének bonyolult következményei vannak, amelyek első pillantásra nem feltétlenül nyilvánvalóak. A tömegarány közvetlenül függ a delta-v és exhaust velocityértéktől. Vessen egy pillantást az alábbi grafikonra, amely a rakéta egyenletéből származik. Összehasonlítja a (delta-v/exhaust velocity)mass ratioértéket.
Mass ratiodelta-v gyorsan lő. Forrás: Wikipedia
egy adott rendeltetési hely esetében két forgatókönyv létezik:
1. If delta-v <= exhaust velocity, the mass ratio is low and large payloads are thus possible.2. If delta-v > exhaust velocity, the mass ratio exponentially increases and only tiny payloads are allowed. Most of the ship will be propellant mass.
a mass ratio így nagyon gyorsan kicsúszhat az ellenőrzés alól. Amint azt a fenti grafikon mutatja, egy (delta-v/exhaust velocity) 3 érték esetén a szükséges tömegarány óriási 20! Ez azt jelenti, hogy a rakéta 20-szor több üzemanyagot fog szállítani, mint a rakéta többi tömege! Lassan egyre nehezebb kijutni a Föld gravitációs hatásából.
Ezen a területen, mi a végén rakéták, amelyek több mint 80-90% , mint csak a hajtóanyag. Még a hatalmas Saturn V is, amely űrhajósokat helyezett a Holdra, 85% – os hajtóanyag és 15% – os rakéta volt. Még kisebb százalék a hasznos teher tömege, amely hasonlóan kapcsolódik.
alapvetően a dolgok űrbe dobása nagyon drága és nem hatékony.
A rakéta egyenlet zsarnoksága
Ha a Föld sugara nagyobb (~ 9700 km), a delta-v követelmény nagyon magas lenne, és a tömegfrakció hatalmas lenne. A mérnöki gyakorlati korlátoknak köszönhetően még a legenergetikusabb kémiai hajtóanyag (hidrogén-oxigén) sem lenne képes arra, hogy egy rakéta elérje a helyet. Nem lenne olyan típusú űrprogram, amely most van, azaz amely kémiai hajtóanyagokat használ. A probléma megoldásának egyetlen módja az lenne, ha túllépnénk a kémiai meghajtáson (pl. nukleáris meghajtás). Jó dolog, hogy a Föld nem elég nagy, azt hiszem!
ha a Föld 50% – kal nagyobb lenne, nem lenne olyan típusú űrprogram, mint most.
A Holdra
azonban még nekünk is vannak következményei a rakéták működésének korlátozására. Mivel a Föld gravitációs vonzása még mindig elég nagy ahhoz, hogy kémiai hajtóanyag-rakétáink soha nem lehetnek sokkal hatékonyabbak, a Hold érdekes helyré válik.
a Hold nyersanyagainak kinyerése és hasznosítása megszabadít minket attól, hogy mindent az űrbe húzzunk a Föld nagy gravitációs vonzásából. A Hold sokkal alacsonyabb delta-v követelmény, hogy a naprendszer különböző rendeltetési helyeire menjen, ezáltal a rakétaegyenlet következményeit a mi javunkra helyezzük. Van egy cikkünk az alábbiakban.