Войти
Запуск космического корабля Союз ТМА-9 с космодрома Байконур, Участок 1/5 в Казахстан A ракета (из итал. : rocchetto, горит. 'бобина') - это ракета, космический корабль, самолет или другое транспортное средство, которое получает тяга от ракетного двигателя . Выхлоп ракетного двигателя полностью формируется из топлива, находящегося внутри ракеты. Ракетные двигатели работают за счет действия и реакции и толкают ракеты вперед, просто выбрасывая их выхлопные газы в противоположном направлении с высокой скоростью, и поэтому могут работать в вакууме космоса.
На самом деле ракеты работают более эффективно в космосе, чем в атмосфере. Многоступенчатые ракеты способны достигать космической скорости от Земли и, следовательно, могут достигать неограниченной максимальной высоты. По сравнению с дыхательными двигателями, ракеты легкие, мощные и способны создавать большие ускорения. Для управления полетом ракеты используют импульс, аэродинамический профиль, вспомогательные реактивные двигатели, тягу на кардане, импульсные колеса, отклонение потока выхлопных газов, поток топлива, вращение или гравитация.
Ракеты для использования в военных и развлекательных целях относятся как минимум к 13 веку Китай. Значительного научного, межпланетного и промышленного использования не произошло до 20-го века, когда ракетная техника была технологией, способствующей космической эре, в том числе ступая на луну Земли. Ракеты теперь используются для фейерверков, вооружения, катапультируемых кресел, ракет-носителей для искусственных спутников, полет человека в космос и освоение космоса.
химические ракеты являются наиболее распространенным типом ракет большой мощности, которые обычно создают высокоскоростной выхлоп за счет сгорания топливо с окислителем . Сохраняемое топливо может быть простым сжатым газом или одним жидким топливом, которое диссоциирует в присутствии катализатора (монотопливо ), двумя жидкостями, которые самопроизвольно реагируют при контакте (гиперголический топливо ), две жидкости, которые должны воспламениться для реакции (например, керосин (RP1) и жидкий кислород, используемые в большинстве жидкостных ракет ), твердое сочетание топлива с окислителем (твердое топливо ) или твердое топливо с жидким или газообразным окислителем (гибридная топливная система ). Химические ракеты хранят большое количество энергии в легко высвобождаемой форме и могут быть очень опасными. Однако тщательное проектирование, тестирование, конструкция и использование сводят к минимуму риски.
Первый порох Ракеты с двигателем появились в средневековом Китае при династии Сун к 13 веку. Монголы переняли китайские ракетные технологии, и это изобретение распространилось через монгольские вторжения на Ближний Восток и в Европу в середине 13 века. Ракеты использовались военно-морским флотом Сун в ходе военных учений, датированных 1245 годом. Ракетный двигатель внутреннего сгорания упоминается в ссылке на 1264 год, где указано, что "земляная крыса", тип фейерверка, напугала Императрицу-Мать Гуншэн на пиру, устроенном в ее честь ее сыном императором Лицзуном. Впоследствии ракеты были включены в военный трактат Хуолунцзин, также известный как Руководство огненного дракона, написанный китайским артиллерийским офицером Цзяо Ю в середине 14 века. В этом тексте упоминается первая известная многоступенчатая ракета, «огненный дракон, выходящий из воды» (Huo long chu shui), предположительно использовавшаяся китайским флотом.
Средневековые и ранние современные ракеты использовались в качестве зажигательного оружия во время осад. Между 1270 и 1280 годами Хасан аль-Раммах написал аль-фурусийа ва аль-манасиб аль-харбийя («Книга о военном искусстве и изобретательных военных устройствах»), в которую вошли 107 рецептов пороха, 22 из которых для ракет. В Европе Конрад Кизер описал ракеты в своем военном трактате Беллифортис около 1405 года.
Уильям Конгрив во время бомбардировки Копенгагена (1807) Название «ракета» происходит от итальянского rocchetta, что означает «шпулька» или «маленькое веретено», данное из-за схожести по форме со шпулькой или катушкой, используемой для удерживания нити, подаваемой на прялка. Леонард Фронспергер и Конрад Хаас переняли итальянский термин на немецком языке в середине 16 века; «ракета» появляется в английском языке к началу 17 века. Artis Magnae Artilleriae pars prima, важная ранняя современная работа по ракетной артиллерии, написанная Казимежем Семеновичем, была впервые напечатана в Амстердаме в 1650 году.
Британцы батальон потерпел поражение во время войны силами Хайдера Али, которые эффективно применили майсорские ракеты и реактивную артиллерию против тесно сосредоточенных британских сил. Майсорские ракеты были первыми успешными ракетами в железном корпусе, разработанными в конце 18 века в Королевстве Майсур (часть современной Индии ) под правило Хайдера Али. Ракета Конгрева была британским оружием, разработанным и разработанным сэром Уильямом Конгривом в 1804 году. Эта ракета была основана непосредственно на майсорских ракетах, использовала сжатый порох и была участвовал в наполеоновских войнах. Фрэнсис Скотт Ки имел в виду именно ракеты Конгрева, когда писал о «красных бликах ракет», когда находился в плену на британском корабле, осадившем форт МакГенри в 1814 году. Совместно майсорские и британские нововведения увеличили эффективную дальность стрельбы боевых ракет со 100 до 2000 ярдов.
Первое математическое рассмотрение динамики ракетного двигателя принадлежит Уильяму Муру (1813 г.). В 1815 году Александр Дмитриевич Засядко построил ракетные пусковые площадки, позволяющие запускать ракеты залпами (по 6 ракет одновременно), и артиллерийские установки. Уильям Хейл в 1844 году значительно повысил точность ракетной артиллерии. Эдвард Мунье Боксер усовершенствовал ракету Конгрев в 1865 году.
Уильям Лейтч впервые предложил концепцию использования ракет для полетов человека в космос в 1861 году. Константин Циолковский позже (в 1903 г.) также придумал эту идею и широко разработал теорию, которая послужила основой для последующего развития космических полетов. В 1920 году профессор Роберт Годдард из Университета Кларка опубликовал предложенные усовершенствования ракетной техники в статье Метод достижения экстремальных высот. В 1923 году Герман Оберт (1894–1989) опубликовал Die Rakete zu den Planetenräumen («Ракета в планетное пространство»)
Годдард с ракетой на жидком кислороде-бензине (1926) Современные ракеты возникла в 1926 году, когда Годдард прикрепил сверхзвуковое (де Лаваля ) сопло к камере сгорания высокого давления. Эти сопла превращают горячий газ из камеры сгорания в более холодную, гиперзвуковую, направленную струю газа, увеличивая более чем вдвое тягу и повышая КПД двигателя с 2% до 64%. Использование им жидкого топлива вместо пороха значительно снизило вес и повысило эффективность ракет. Их использование во время Второй мировой войны артиллерии развило технологию и открыло возможность полетов человека в космос после 1945 года.
В 1943 году производство V- 2 ракеты началось в Германии. Параллельно с немецкой программой по управляемым ракетам , ракеты также использовались на самолетах либо для обеспечения горизонтального взлета (RATO ), либо для вертикального взлета. (Bachem Ba 349 «Наттер») или для их питания (Me 163, см. список управляемых ракет Германии времен Второй мировой войны ). Ракетные программы союзников были менее технологичными, в основном полагаясь на неуправляемые ракеты, такие как советская ракета «Катюша» в роли артиллерии и американский противотанковый снаряд базука. В них использовалось твердое химическое топливо.
В 1945 году американцы захватили большое количество немецких ученых-ракетчиков, в том числе Вернера фон Брауна, и привезли их в Соединенные Штаты в рамках Операция Скрепка. После Второй мировой войны ученые использовали ракеты для изучения высотных условий с помощью радио телеметрии температуры и давления атмосферы, обнаружения космических лучей и других методов; обратите внимание также на Bell X-1, первую пилотируемую машину, преодолевшую звуковой барьер (1947). Самостоятельно в рамках космической программы Советского Союза исследования продолжались под руководством главного конструктора Сергея Королева (1907–1966).
Во время холодной войны ракеты стали чрезвычайно важными в военном отношении с развитием современных межконтинентальных баллистических ракет (МБР). 1960-е годы были отмечены бурным развитием ракетных технологий, особенно в Советском Союзе (Восток, Союз, Протон ) и в США (например, Х-15 ). Ракеты стали использоваться для освоения космоса. Американские программы с экипажем (Проект Меркурий, Проект Близнецы и позже программа Аполлон ) завершились в 1969 году первой пилотируемой высадкой на Луне - с использованием оборудования, запущенного ракетой Saturn V.
Воспроизвести медиа Запуск Apollo 15 ракеты Saturn V : T - 30 с до T + 40 с Ракетные аппараты часто имеют типичную форму высокой тонкой «ракеты», которая взлетает вертикально, но на самом деле существует множество различных типов ракет, включая:
Конструкция ракеты может быть такой же простой, как картонная трубка, заполненная водой. с черным порохом, но создание эффективной и точной ракеты или ракеты требует решения ряда сложных проблем. Основные трудности включают охлаждение камеры сгорания, перекачку топлива (в случае жидкого топлива), а также управление и корректировку направления движения.
Ракеты состоят из пропеллент, место для метательного взрывчатого вещества (например, топливный бак ) и сопло. Они также могут иметь один или несколько ракетных двигателей, устройство (а) направленной стабилизации (например, плавники, двигатели с нониусом или двигатель карданы для вектора тяги, гироскопы ) и конструкция (обычно монокок ) для удержания этих компонентов вместе. Ракеты, предназначенные для высокоскоростного использования в атмосфере, также имеют аэродинамический обтекатель ,, такой как носовой обтекатель, который обычно удерживает полезную нагрузку.
Помимо этих компонентов, ракеты могут иметь любое количество других компонентов, таких как крылья (ракетопланы ), парашюты, колеса (ракетные машины ), даже, в некотором смысле, человека (ракетный пояс ). Транспортные средства часто имеют навигационные системы и системы наведения, которые обычно используют спутниковую навигацию и инерциальные навигационные системы.
ракетный двигатель Viking 5C Ракетные двигатели работают по принципу реактивного движения. Ракетные двигатели, приводящие в действие ракеты, бывают самых разных типов; полный список можно найти в основной статье Ракетный двигатель. Большинство современных ракет - это ракеты с химическим приводом (обычно двигатели внутреннего сгорания, но некоторые используют разлагающееся монотопливо ), которые выделяют горячий выхлопной газ. Ракетный двигатель может использовать газовое топливо, твердое топливо, жидкое топливо или гибридную смесь твердого и жидкого топлива. Некоторые ракеты используют тепло или давление, которые поступают из источника, отличного от химической реакции топлива (-ов), например паровых ракет, солнечных тепловых ракет, ядерные тепловые ракеты двигатели или простые ракеты под давлением, такие как водометные ракеты или двигатели на холодном газе. С горючими порохами инициируется химическая реакция между топливом и окислителем в камере сгорания , и образующиеся горячие газы выходят из ракеты . сопло двигателя (или сопла ) на обращенном назад конце ракеты. Ускорение этих газов через двигатель оказывает силу ("тягу") на камеру сгорания и сопло, приводя в движение транспортное средство (согласно Третьему закону Ньютона ). На самом деле это происходит потому, что сила (давление, умноженная на площадь) на стенку камеры сгорания неуравновешивается отверстием сопла; в любом другом направлении дело обстоит иначе. Форма сопла также создает силу, направляя выхлопной газ вдоль оси ракеты.
Лампочка с газовым сердечником Ракетное топливо - это масса, которая сохраняется, обычно в той или иной форме топливный бак или кожух перед использованием в качестве движущей массы, которая выбрасывается из ракетного двигателя в виде жидкости жиклера производить тягу. Для химических ракет часто в качестве ракетного топлива используется топливо, такое как жидкий водород или керосин, сжигаемое с окислителем, таким как жидкий кислород или азотная кислота для производства больших объемов очень горячего газа. Окислитель либо хранится отдельно и смешивается в камере сгорания, либо поставляется предварительно смешанным, как в твердых ракетах.
Иногда пропеллент не сгорает, но все еще подвергается химической реакции и может быть «монотопливом», таким как гидразин, закись азота или перекись водорода., который может быть каталитически разложен до горячего газа.
В качестве альтернативы можно использовать инертное топливо, которое может нагреваться извне, например, в паровой ракете, солнечной тепловой ракете или ядерных тепловых ракетах.
Для небольших ракет с низкими характеристиками, таких как двигатели с контролем ориентации, где высокие характеристики менее необходимы, в качестве топлива используется жидкость под давлением, которая просто выходит из космического корабля через сопло.
Первая ракета на жидком топливе, построенная Робертом Х. Годдардом, значительно отличалась от современных ракет. ракетный двигатель находился наверху, а топливный бак - внизу ракеты, основываясь на убеждении Годдарда, что ракета достигнет устойчивости, «свисая» с двигателя, как маятник в полете. Однако ракета отклонилась от курса и рухнула на расстоянии 184 футов (56 м) от стартовой площадки, что указывает на то, что ракета была не более стабильной, чем ракета с ракетным двигателем в основании.
Ракеты или другие подобные реактивные устройства, несущие собственное топливо, должны использоваться, когда нет другого вещества (земля, вода или воздух) или силы (гравитация, магнетизм, свет ), которые транспортное средство может с пользой использовать для движения, например, в космосе. В этих обстоятельствах необходимо иметь при себе весь используемый пропеллент.
Однако они также полезны и в других ситуациях:
A Ракета Trident II запускается с моря. В некоторых боевых вооружениях для приведения в движение боеголовок используются ракеты. своим целям. Ракета и ее полезный груз вместе обычно называют ракетой, если у оружия есть система наведения (не все ракеты используют ракетные двигатели, некоторые используют другие двигатели, такие как реактивные двигатели. ) или как ракета, если она неуправляемая. Противотанковые и зенитные ракеты используют ракетные двигатели для поражения целей на высокой скорости на дальности в несколько миль, в то время как межконтинентальные баллистические ракеты могут использоваться для доставки с расстояния в тысячи миль, а противоракетные баллистические ракеты пытаются их остановить. Ракеты также были испытаны для разведки, такие как ракета Ping-Pong, которая была запущена для наблюдения за вражескими целями, однако разведывательные ракеты никогда не находили широкого применения в вооруженных силах.
A Бампер зондирующая ракета Зондирующая ракета обычно используется для переноса приборов, снимающих показания на расстоянии от 50 километров (31 миль) до 1500 километров (930 миль) выше поверхность Земли. Первые изображения Земли из космоса были получены с ракеты Фау-2 в 1946 году (полет №13 ).
Ракетные двигатели также используются для приведения в движение ракеты сани по рельсам на чрезвычайно высокой скорости. Мировой рекорд для этого - 8,5 Маха.
Ракеты большего размера обычно запускаются с стартовой площадки, которая обеспечивает стабильную опору в течение нескольких секунд после зажигания. Благодаря высокой скорости выхлопа - от 2500 до 4500 м / с (от 9000 до 16 200 км / ч; от 5600 до 10 100 миль в час) - ракеты особеннополезны, когда требуются очень высокие скорости, например орбитальная скорость составляет примерно 7 800 м / с (28 000 км / ч; 17 000 миль в час). Космические аппараты, выведенные на орбитальные траектории, становятся искусственными спутниками, которые используются во многих коммерческих целях. Действительно, ракеты остаются единственным способом запуска космический корабль на орбиту и за ее пределы. Они также используются для быстрого ускорения космических аппаратов, когда они меняют орбиту или сходят с орбиты для посадки. Кроме того, ракета может использоваться для смягчения физического приземления с парашютом непосредственно перед приземлением (см. ретророзетка ).
Аполлон LES испытание на прерывание с стандартным модулем экипажа. Ракеты использовались для продвижения линии к пораженному кораблю, так что Бридж можно использовать для спасения на борту. Ракеты также используются для запуска аварийных ракет.
. Некоторые пилотируемые ракеты, в частности, Сатурн V и Союз, имеют пусковые системы спасения. Это небольшая, обычно твердотопливная ракета, способная в любой момент отвести пилотируемую капсулу от транспортного средства в безопасное место. Эти типы систем эксплуатировались несколько раз, как во время испытаний, так и в полете, и каждый раз работали правильно.
Так было, когда Система обеспечения безопасности (советская номенклатура) успешно оторвала капсулу L3 во время трех из четырех неудачных запусков советской лунной ракеты, N1 автомобили 3L, 5L и 7L. Во всех трех капсула, хотя и не отвинченная, была спасена от разрушения. Только три вышеупомянутые ракеты N1 имели функциональные системы обеспечения безопасности. У выдающейся машины, 6L, были макеты верхних ступеней, и поэтому у нее не было системы эвакуации, что привело к ускорению ускорителю N1 100% -ный шанс выхода из неудачного запуска.
Успешный побег из капсулы с экипажем произошел, когда Союз Т-10, выполнявший миссию на Космическую станцию Салют 7 , взорвался на площадка.
Твердотопливная ракета катапультируемые кресла используются во многих военных самолетах, чтобы увести экипаж в безопасное место транспортных средств, когда управление полетом потеряно.
Модель ракеты - это небольшая ракета предназначена для работы на малых высотах (например, 100–500 м (330–1640 футов) для модели весом 30 г (1,1 унции)) и могут подниматься различными способами.
Согласно Кодексу безопасности Национальной ассоциации ракетной техники США (nar), модели ракет изготавливаются из бумаги, дерева, пластика и других легких материалов. Код также содержит рекомендации по использованию двигателя, выбору места запуска, методам запуска, размещению пусковой установки, проектированию и развертыванию системы восстановления и т. Д. С начала 1960-х годов копия Кодекса безопасности ракетных моделей прилагается к большинству комплектов ракетных моделей и двигателей. Несмотря на эти соображения, указанные соображения оказались очень безопасными и считанными факторами вдохновения для детей, которые в конечном итоге стали учеными и инженеры.
Любители строят и летают на самых разных моделях ракет. Многие компании производят комплекты и детали для моделей ракет, но из-за присущей им простоты известно, что некоторые любители делают ракеты практически из чего угодно. Ракеты также используются в некоторых типах бытовых и профессиональных фейерверков. Водяная ракета - это тип модели ракеты, в которой в качестве реакционной массы используется вода. Сосуд под давлением (двигатель ракеты) обычно представляет собой использованную пластиковую бутылку для безалкогольных напитков. Вода вытесняется сжатым газом, сжатым воздухом. Это пример третьего закона движения Ньютона.
Масштаб любительской ракетной техники может охватывать небольшие ракеты, запущенной на собственном заднем дворе, до ракеты, достигшей космоса. Любительская ракетная техника делится на три категории в соответствии с общими импульсами двигателя : маломощные, средние и высокомощные.
ракеты на основе перекиси водорода используются для питания реактивные ранцы и использовались для питания автомобилей, а ракетная машина держит все время (хотя и неофициально) драг-рейсинг рекорд.
Corpulent Stump - это самая мощная некоммерческая ракета, когда-либо запущенная на двигателе Aerotech в Соединенном Королевстве.
Воспроизвести медиа Видео для запуска Space Shuttle Endeavour на STS-134 Запуск для орбитальные космические полеты или в межпланетное пространство обычно осуществляются из фиксированного местоположения на земле, но также возможны с самолета или корабля.
Технологии запуска ракет включают в себя весь набор систем, необходимых для успешного запуска транспортных средств, не только само транспортное средство, но также, центр управления полетами, стартовую площадку, наземные станции и станции слежения, для успешного запуска или восстановления или того и другого. Их часто вместе называют «сегментом заземления ».
Орбитальные ракеты-носители обычно взлетают вертикально, а затем постепенно наклоняться, обычно следуя траектории гравитационного разворота.
Оказавшись над большей частью атмосферы, аппарат затем вращает реактивный двигатель под углом, направляя его в основном горизонтально, но несколько вниз, что позволяет аппарату набирать и поддерживать высоту, увеличивая горизонтальную скорость. По мере увеличения скорости аппарат будет становиться все более и более горизонтальным, пока на орбитальной скорости двигатель не отключится.
Все текущие аппараты проходят этап подготовки, то есть сбрасывают оборудование на пути к орбите. Хотя были предложены аппараты, которые могли бы достичь орбиты без промежуточных ступеней, ни один из них не был построен, и если бы он был приведен в действие только ракетами, экспоненциально возрастающие потребности в топливе такого аппарата сделает его полезную нагрузку крошечной или вообще не существующей. Большинство современных ракет-носителей «расходуют» выброшенное оборудование, как правило, позволяя ему упасть в океан, но восстановить и повторно использовать выброшенное оборудование либо с помощью парашюта, либо с помощью силовой посадки.
Неровная траектория полета ракеты-носителя PSLV в сторону полярных склонов, избегая суши Шри-Ланки. При запуске космического корабля на орбиту «изгиб» представляет собой управляемый поворот с приводом во время фазы подъема, который приводит к отклонению траектории полета ракеты от «прямой» путь. Искривление необходимо, если желаемый азимут запуск для достижения желаемого наклонения орбиты должен проходить по наземному пути над сушей (или над населенным районом, например, Россия обычно запускает над сушей, но над незаселенными районами), или если ракета пытается достичь орбитальной плоскости, которая не достигает широты места запуска. Изогнутые ноги нежелательны из-за использования дополнительных топливных средств на борту, что приводит к увеличению нагрузки и производительности транспортного средства.
Рабочие и СМИ свидетелями испытания системы шумоподавления на стартовой площадке 39A.Выхлоп ракеты генерирует значительное количество акустической энергии. Когда сверхзвуковой выхлоп сталкивается с окружающим воздухом, образуются ударные волны. Интенсивность звука от этих ударных волн зависит от размера ракеты, а также от скорости истечения. Интенсивность звука больших ракет с высокими высокими органами может убить с близкого расстояния.
Space Shuttle создавал 180 дБ шума вокруг своей базы. Для борьбы с этим НАСА разработало систему шумоподавления, которая может направлять воду со скоростью до 900 000 галлонов в минуту (57 м / с) на стартовую площадку. Вода снижает уровень шума со 180 дБ до 142 дБ (проектное требование - 145 дБ). Без системы подавления звука акустические волны отражались от стартовой площадки в сторону ракеты, вызывающей вибрацию чувствительной полезной нагрузки и экипажа. Эти акустические волны могут быть сильными, что могут повредить или разрушить ракету.
Шум обычно наиболее интенсивен, когда ракета находится близко к земле, поскольку шум двигателей исходит от реактивного, а также отражается от земли. Этот шум можно несколько уменьшить за счет пламенных траншей с крышами, нагнетания воды вокруг струи и отклонения струи под углом.
Для пилотируемых ракет используются различные методы снижения интенсивности звука для пассажиров, и обычно использование астронавтов подальше от ракетных двигателей значительно помогает. Для пассажиров и экипажа, когда транспортное средство движется на сверхзвуковом уровне, звук отключается, поскольку звуковые волны больше не могут поспевать за автомобилем.
Баллон с сужающейся насадкой. При этом само сопло не толкает баллон, а тянет его за собой. Сужающееся / расширяющееся сопло было бы лучше. Эффект сгорания топлива в ракетном двигателе заключается в увеличении внутренней энергии образующихся газов за счет использования накопленной химической энергии в топливе. По мере увеличения внутренней энергии увеличивается, и сопло используется для преобразования этой энергии в направленную кинетическую энергию. Это тягугу к окружающей среде, которую выбрасывают эти газы. Идеальное направление движения выхлопа должно быть таким, чтобы вызывать тягу. В конце камеры сгорания горячий, энергичный газовый флюид не может двигаться вперед, и поэтому он толкается вверх к верхней части камеры сгорания ракетного двигателя. По мере приближения продуктов сгорания к выходу из камеры сгорания их скорость увеличивается. Воздействие сужающейся части сопла ракетного двигателя на текучую среду газов, сгорания под высоким давлением, происходит в том, что эти газы ускоряются до высокой скорости. Чем выше скорость газов, тем ниже давление газа (принцип Бернулли или сохранение энергии ), действующее на эту часть камеры сгорания. В правильно спроектированном двигателе поток достижения 1 Маха в горловине сопла. В этот момент скорость потока увеличивается. За горловиной сопла колоколообразная расширяющаяся часть двигателя позволяет газам, которые расширяются, давить на эту часть ракетного двигателя. Таким образом, раструбная часть сопла дает дополнительную тягу. Проще говоря, для каждого действия действует равная и противоположная реакция согласно третьему закону Ньютона, в результате чего газы вызывают реакцию силы на ракету, заставляя ее разгонять ракету.
Тяга создается давлением, действующим как на камеру сгорания, так и на сопло. В закрытой камере давления равны в каждом направлении, и ускорение не происходит. Если в нижней части камеры внутреннее отверстие, давление больше не на недостающую секцию. Это отверстие позволяет выхлопу выходить. Остающееся давление толкают ракету.
Форма сопла важна. Представьте воздушный шар, который работает в движении воздухом, выходящим из сужающегося сопла. В этом случае сочетание давления воздуха и вязкого трения таково, что сопло не толкает баллон, а тянется им. Использование сужающегося / расширяющегося сопла дает больше силы, поскольку выхлоп также давит на него, когда он расширяется наружу, примерно вдвое увеличивающаяся общая общая. Если пропеллент непрерывно добавляется в камеру, это давление может поддерживаться до тех пор, пока остается пропеллент. Обратите внимание на то, что в камере сгорания в камере сгорания перемещается топливо в камере сгорания.
В качестве побочного эффекта эти давления на ракете также воздействуют на выхлопные газы в противоположном направлении и ускоряют их до очень высоких скоростей (согласно Третьему закону Ньютона ). Из принципа увеличения количества движения скорость истощения определяет, насколько увеличивается количество движения данного количества топлива. Это называется удельным импульсом ракеты. Альтернативно, газу, газу, топливо и выхлоп в полете. Следовательно, чем выше чистая скорость выхлопа в одном направлении, тем большей скорости ракета может достичь в противоположном направлении. Это особенно верно, поскольку масса корпуса ракеты обычно намного меньше, чем окончательная общая масса выхлопных газов.
Силы на ракете в полете Общее исследование сил на ракете является частью области баллистики. Космические аппараты дополнительно изучаются в подполе астродинамики.
На летающие ракеты в первую очередь влияют следующие факторы:
Кроме того, инерция и центробежная псевдосила могут быть значительными из-за траектории ракеты вокруг центра небесного тела; когда достигаются достаточно высокие скорости в правильном направлении и на высоте, получается стабильная орбита или космическая скорость.
Эти силы при наличии стабилизирующего хвоста (оперение ), если не будут предприняты преднамеренные усилия по управлению, естественным образом заставят транспортное средство следовать примерно по параболической траектории, называемой гравитационный разворот, и эта траектория часто используется, по крайней мере, во время начальной части запуска. (Это верно, даже если ракетный двигатель установлен на носу.) Таким образом, транспортные средства могут поддерживать низкий или даже нулевой угол атаки , что минимизирует поперечное напряжение при запуске . транспортное средство, позволяющее использовать более слабую и, следовательно, более легкую ракету-носитель.
Сопротивление - это сила, противоположная направлению движения ракеты относительно любого воздуха, через который она движется. Это снижает скорость транспортного средства и создает нагрузку на конструкцию. Силы замедления для быстро движущихся ракет рассчитываются с использованием уравнения сопротивления ..
Сопротивление можно минимизировать с помощью аэродинамического носового конуса и формы с высоким баллистическим коэффициентом («классическая» форма ракеты - длинная и тонкая), и сохраняя угол атаки ракеты как можно меньшим.
Во время запуска, когда скорость транспортного средства увеличивается, а атмосфера становится более разреженной, возникает точка максимального аэродинамического сопротивления, называемая max Q. Это определяет минимальную аэродинамическую прочность транспортного средства, так как ракета должна избегать коробления под действием этих сил.
Форма реактивного двигателя изменяется в зависимости от внешнего давления воздуха.. Сверху вниз: Типичный ракетный двигатель может обрабатывать значительную часть своей массы в топливе каждую секунду, при этом топливо покидает сопло со скоростью несколько километров в секунду. Это означает, что удельная тяговооруженность ракетного двигателя, а часто и всего транспортного средства, может быть очень высоким, в крайних случаях более 100. Это сопоставимо с другими реактивными двигательными установками, которое может превышать 5 для некоторых лучших двигателей.
Можно показать, что чистая тяга ракеты составляет:
где:
расход топлива (кг / с или фунт / с) 
эффективная скорость выхлопа (м / с или фут / с) эффективная скорость выхлопа 
Скорость потока топлива через ракетный двигатель часто преднамеренно изменяется в течение полета, чтобы обеспечить способ управления тягой и, следовательно, воздушной скоростью транспортного средства. Это, например, позволяет минимизировать аэродинамические потери и может ограничить увеличение перегрузок из-за снижения пороховой нагрузки.
Импульс определяется как сила, действующая на объект во времени, которая в отсутствие противодействующих сил (гравитация и аэродинамическое сопротивление) изменяет импульс ( интеграл массы и скорости) объекта. Таким образом, это лучший показатель класса характеристик (масса полезной нагрузки и предельная скорость) ракеты, а не взлетная тяга, масса или «мощность». Полный импульс ракеты (ступени), сжигающей топливо, составляет:
Когда есть фиксированная тяга, это просто:
Полный импульс многоступенчатой ракеты - это сумма импульсов отдельных ступеней.
| Ракета | Топливо | Isp, вакуум (а) |
|---|---|---|
| Космический челнок. жидкостные двигатели | LOX /LH2 | 453 |
| Спейс шаттл. твердотопливные двигатели | APCP | 268 |
| Спейс шаттл. OMS | NTO / MMH | 313 |
| Saturn V. ступень 1 | LOX / RP-1 | 304 |
Как видно из уравнения секунды тяги, эффективная скорость выхлопа контролирует тяги, создаваемую определенным топливом сжигается за.
Эквивалентная мера, чистый импульс на единицу веса выброшенного пороха, называется удельным импульссом, 
где:
имеет единицу измерения в секундах 
- ускорение у поверхности Земли Таким образом, чем больше удельный импульс, тем больше полезная тяга и производительность двигателя.
Карта приблизительной Дельта-v вокруг Солнечной системы между Землей и Марсом Дельта -v мощность ракеты - это теоретическое полное изменение скорости, которое ракета может достичь без какого-либо внешнего вмешательства (без сопротивления воздуха, силы тяжести или других сил).
Когда
}где:
- начальная общая масса, включая топливо, в кг (или фунтах) 
- конечная общая масса в кг (или фунтах) - эффективная скорость выхлопа в м / с (или футах / с) 
- это дельта-v в м / с (или фут / с) При запуске с Земли практическая дельта-vs для одиночных ракет, несущих полезную нагрузку может составлять несколько км / с. Некоторые теоретические разработки имеют ракеты с дельта-против более 9 км / с.
Требуемая дельта-v также может быть рассчитана для конкретного маневра; например, delta-v для запуска с поверхности Земли на низкую околоземную орбиту составляет около 9,7 км / с, что оставляет транспортное средство с боковой скоростью около 7,8 км / с на высоте около 200 км. В этом маневре около 1,9 км / с теряется на сопротивление воздуха, сопротивление силы тяжести и набор высоты.
Отношение 
Уравнение ракеты Циолковского дает соотношение между отношением масс и конечной скоростью, кратной скорости истечения. Практически вся масса ракеты-носителя состоит из топлива. Массовое отношение для любого «ожога» - это отношение между начальной массой ракеты и ее конечной массой. При прочих равных условиях для хороших характеристик желательна высокая массовая доля, поскольку она указывает на то, что ракета легкая и, следовательно, работает лучше, по сути, по тем же причинам, по которым малый вес желателен для спортивных автомобилей.
Ракеты как группа имеют наивысшую удельную тягу среди двигателей любого типа; и это помогает транспортным средствам достичь высокого отношения массы, что улучшает летные характеристики. Чем выше передаточное число, тем меньше масса двигателя требуется. Это позволяет переносить еще больше топлива, значительно улучшая дельта-v. В качестве альтернативы, некоторые ракеты, например, для сценариев спасения или гонок, несут относительно небольшое количество топлива и полезной нагрузки и, следовательно, нуждаются только в легкой конструкции и вместо этого достигают высоких ускорений. Например, система спасения "Союз" может производить 20 г.
Достижимые соотношения масс сильно зависят от многих факторов, таких как тип топлива, конструкция двигателя, используемого в транспортном средстве, запас прочности конструкции и методы строительства.
Наивысшие отношения масс обычно достигаются с жидкостными ракетами, и эти типы обычно используются для орбитальных ракет-носителей, ситуация, которая требует высокого дельта-v. Жидкие пропелленты обычно имеют плотность, аналогичную плотности воды (за заметными исключениями жидкий водород и жидкий метан ), и эти типы могут использовать легкие резервуары низкого давления и обычно работают при высоких температурах. производительность турбонасосов для нагнетания пороха в камеру сгорания.
Некоторые заметные массовые доли приведены в следующей таблице (некоторые самолеты включены для сравнения):
| Транспортное средство | Взлетная масса | Конечная масса | Масса соотношение | Массовая доля |
|---|---|---|---|---|
| Ariane 5 (транспортное средство + полезная нагрузка) | 746000 кг (~ 1,645,000 фунтов) | 2,700 кг + 16,000 кг (~ 6000 фунтов + ~ 35,300 фунтов) | 39,9 | 0,975 |
| Titan 23G первая ступень | 117,020 кг (258,000 фунтов) | 4,760 кг (10,500 фунтов) | 24,6 | 0,959 |
| Saturn V | 3,038,500 кг (~ 6,700,000 фунтов) | 13,300 кг + 118,000 кг (~ 29,320 фунтов + ~ 260,150 фунтов) | 23,1 | 0,957 |
| Space Shuttle (транспортное средство + полезная нагрузка) | 2 040 000 кг (~ 4500 000 фунтов) | 104 000 кг + 28 800 кг (~ 230 000 фунтов + ~ 63 500 фунтов) | 15,4 | 0,935 |
| Saturn 1B (только ступень) | 448 648 кг (989 100 фунтов) | 41594 кг (91700 фунтов) | 10,7 | 0,907 |
| Virgin Atlantic GlobalFlyer | 10 024,39 кг (22 100 фунтов) | 1678,3 кг (3700 фунтов) | 6,0 | 0,83 |
| V-2 | 13000 кг (~ 28 660 фунтов) (12,8 тонны) | 3,85 | 0,74 | |
| X-15 | 15420 кг (34000 фунтов) | 6,620 кг (14 600 фунтов) | 2,3 | 0,57 |
| Concorde | ~ 181000 кг (400000 фунтов) | 2 | 0,5 | |
| Boeing 747 | ~ 363000 кг (800000 фунтов) | 2 | 0,5 |
Постановка космического корабля включает сброс ненужных деталей ракеты, чтобы уменьшить массу. 
Аполлон 6 при сбрасывании межкаскадного кольца До сих пор ни одна ракета не могла достичь требуемой скорости (дельта-v) для достижения орбиты, потому что топливо , бак, конструкция, наведение, клапаны, двигатели и т. Д., Требуется определенный минимальный процент взлетной массы, который слишком велик для топлива, которое оно несет, для достижения того дельта-v, несущего разумную полезные нагрузки. Поскольку одноступенчатый переход на орбиту до сих пор был невозможен, орбитальные ракеты всегда имеют более одной ступени.
Например, первая ступень Saturn V, несущая вес верхних ступеней, смогла достичь отношения масс около 10 и выдать удельный импульс 263 секунды.. Это дает дельта-v около 5,9 км / с, тогда как дельта-v около 9,4 км / с требуется для выхода на орбиту со всеми допустимыми потерями.
Эта проблема часто решается с помощью постановки - ракета сбрасывает лишний вес (обычно пустой бак и связанные с ним двигатели) во время запуска. Постановка является либо последовательной, когда ракеты загораются после того, как предыдущая ступень упала, либо параллельной, когда ракеты горят вместе, а затем отделяются, когда они сгорают.
Максимальные скорости, которые могут быть достигнуты при постановке, теоретически ограничены только скоростью света. Однако полезная нагрузка, которую можно нести, геометрически уменьшается с каждой необходимой дополнительной ступенью, в то время как дополнительная дельта-v для каждой ступени просто складывается.
Согласно второму закону Ньютона, ускорение 
где m - мгновенная масса транспортного средства, а 
По мере того, как оставшееся топливо уменьшается, ракетные аппараты становятся легче, и их ускорение имеет тенденцию увеличиваться до тех пор, пока топливо не будет исчерпано. Это означает, что большая часть изменения скорости происходит ближе к концу горения, когда автомобиль намного легче. Однако при необходимости тягу можно уменьшить, чтобы компенсировать или изменить ее. Перебои в ускорении также возникают при сгорании ступеней, часто начиная с более низкого ускорения с каждой новой ступенью.
Пиковые ускорения могут быть увеличены за счет разработки транспортного средства с уменьшенной массой, обычно достигаемой за счет уменьшения топливной нагрузки и емкости топливных баков и связанных с ними конструкций, но, очевидно, это уменьшает дальность полета, дельта-v и время горения. Тем не менее, для некоторых приложений, в которых используются ракеты, очень желательно высокое пиковое ускорение, применяемое в течение короткого времени.
Минимальная масса транспортного средства состоит из ракетного двигателя с минимальным количеством топлива и конструкции для его перевозки. В этом случае удельная тяга ракетного двигателя ограничивает максимальное ускорение, которое может быть разработано. Оказывается, что ракетные двигатели обычно имеют действительно отличное соотношение тяги к массе (137 для двигателя НК-33 ; у некоторых твердотопливных ракет более 1000), и почти все действительно с большим g транспортные средства используют или использовали ракеты.
Высокое ускорение, которым обладают ракеты, означает, что ракетные аппараты часто способны вертикальный взлет, а в некоторых случаях при соответствующем наведении и управлении двигателями также вертикальная посадка. Для выполнения этих операций двигатели транспортного средства должны обеспечивать больше, чем локальное ускорение свободного падения.
Space Shuttle Atlantis во время фазы запуска Ракеты-носители взлетают с большим количеством огня, шума и драмы, и может показаться очевидным, что они крайне неэффективны. Однако, хотя они далеки от совершенства, их энергоэффективность не так плоха, как можно было бы предположить.
Плотность энергии типичного ракетного топлива часто составляет примерно одну треть от плотности обычного углеводородного топлива; основную массу составляет (часто относительно недорогой) окислитель. Тем не менее, при взлете ракета имеет большое количество энергии в топливе и окислителе, хранящемся в аппарате. Конечно, желательно, чтобы как можно больше энергии пороха использовалось в качестве кинетической или потенциальной энергии корпуса ракеты.
Энергия из топлива теряется на сопротивление воздуха и сопротивление силы тяжести и используется для набора высоты и скорости ракеты. Однако большая часть потерянной энергии попадает в выхлоп.
В химическом двигателе КПД двигателя - это просто соотношение кинетической мощности выхлопных газов и мощности, получаемой в результате химической реакции:
КПД двигателя 100% (КПД двигателя 
Однако КПД двигателя - это еще не все история. Как и другие реактивные двигатели, но особенно в ракетах из-за их высоких и обычно фиксированных скоростей выхлопа, ракетные аппараты крайне неэффективны на низких скоростях независимо от эффективности двигателя. Проблема в том, что на низких скоростях выхлоп уносит назад огромное количество кинетической энергии. Это явление называется пропульсивной эффективностью (
Однако по мере увеличения скорости результирующая скорость выхлопных газов падает, а общая энергетическая эффективность транспортного средства поднимается, достигая пика около 100% КПД двигателя, когда транспортное средство движется точно с той же скоростью, что и выхлопные газы. В этом случае выхлоп в идеале остановился бы в пространстве позади движущегося транспортного средства, забирая нулевую энергию, и из-за сохранения энергии вся энергия будет в конечном итоге в транспортном средстве. Затем эффективность снова падает на еще более высоких скоростях, поскольку выхлопные газы движутся вперед - следуя за транспортным средством.
График мгновенной пропульсивной эффективности (синий) и общий КПД ракеты, разгоняющейся из состояния покоя (красный) в процентах от КПД двигателя Исходя из этих принципов, можно показать, что тяговая эффективность 
И общий (мгновенный) энергоэффективность 
Например, из уравнения с 
Поскольку энергия в конечном итоге исходит от топлива, эти соображения означают, что ракеты в основном полезны, когда требуется очень высокая скорость, например, межконтинентальные баллистические ракеты или орбитальный запуск. Например, космический челнок НАСА запускает свои двигатели в течение примерно 8,5 минут, потребляя 1000 тонн твердого топлива (содержащего 16% алюминия) и дополнительно 2000000 литров жидкого топлива (106 261 кг жидкого водорода топлива) для подъема транспортного средства массой 100000 кг (включая 25000 кг полезной нагрузки) на высоту 111 км и орбитальную скорость 30 000 км / ч. На этой высоте и скорости транспортное средство имеет кинетическую энергию около 3 ТДж и потенциальную энергию примерно 200 ГДж. Учитывая начальную энергию 20 ТДж, космический шаттл имеет около 16% энергоэффективности при запуске орбитального аппарата.
Таким образом, реактивные двигатели с лучшим соответствием скорости и скорости выхлопа реактивной струи (например, турбовентиляторные двигатели - несмотря на их худшие
Одна тонкая особенность ракет связана с энергией. Ракетная ступень, неся заданную нагрузку, способна выдавать определенное дельта-v. Эта дельта-v означает, что скорость увеличивается (или уменьшается) на определенную величину, независимо от начальной скорости. Однако, поскольку кинетическая энергия является квадратичным законом скорости, это означает, что чем быстрее ракета движется до сгорания, тем больше орбитальной энергии она набирает или теряет.
Этот факт используется в межпланетных путешествиях. Это означает, что количество дельта-v для достижения других планет, сверх того, чтобы достичь космической скорости, может быть намного меньше, если дельта-v применяется, когда ракета движется с высокой скоростью, близко к Земле или другой поверхности планеты. ; тогда как ожидание, пока ракета не замедлится на высоте, умножает усилие, необходимое для достижения желаемой траектории.
Space Shuttle Challenger разорвано на части T + 73 секунды после выхода горячих газов из SRB, что привело к разрушению Стопка шаттла Надежность ракет, как и всех физических систем, зависит от качества инженерного проектирования и строительства.
Из-за огромной химической энергии в ракетном топливе (большая энергия по весу, чем у взрывчатых веществ, но ниже, чем у бензина ), последствия аварий могут быть серьезными. У большинства космических миссий есть проблемы. В 1986 году, после катастрофы космического корабля «Челленджер» , американский физик Ричард Фейнман, работавший в Комиссии Роджерса, оценил вероятность небезопасных условий для запуск «Шаттла» составил примерно 1%; совсем недавно исторический риск полета на человека при орбитальном космическом полете был рассчитан как около 2% или 4%.
Стоимость ракет можно грубо разделить на затраты на топливо., затраты на получение и / или производство «сухой массы» ракеты, а также затраты на любое необходимое вспомогательное оборудование и средства.
Большую часть взлетной массы ракеты обычно составляет топливо. Однако топливо редко бывает дороже бензина за килограмм более чем в несколько раз (по состоянию на 2009 год бензин стоил около 1 доллара за кг [0,45 доллара за фунт] или меньше), и хотя требуются значительные количества топлива для всех ракет, кроме самых дешевых, оно Оказывается, что затраты на топливо обычно сравнительно невелики, хотя и не совсем незначительны. При стоимости жидкого кислорода 0,15 доллара США за килограмм (0,068 доллара США за фунт) и жидкого водорода 2,20 доллара США за кг (1,00 доллара США за фунт), космический шаттл Space Shuttle в 2009 году имел расходы на жидкое топливо примерно в 1,4 миллиона долларов на каждый запуск стоимостью 450 долларов США. миллионов за счет прочих расходов (при этом 40% массы топлива, используемого в нем, составляют жидкости во внешнем топливном баке, 60% твердые частицы в SRB ).
Даже несмотря на то, что ракетное топливо не является ракетным, сухая масса часто составляет лишь 5–20% от общей массы, тем не менее, эта стоимость преобладает. Для оборудования с характеристиками, используемыми в орбитальных ракетах-носителях , расходы составляют 2000–10 000 долларов США + за килограмм сухой массы распространены, в первую очередь, при проектировании, производстве и испытаниях; сырье обычно составляет около 2% от общих расходов. Для большинства ракет, за исключением многоразовых (двигатели челнока), двигатели должны работать не более нескольких минут, что упрощает
Экстремальные требования к характеристикам ракет, выходящих на орбиту, коррелируют с высокими стоимость, включая тщательный контроль качества для обеспечения надежности, несмотря на ограниченные коэффициенты безопасности, допустимые по причинам веса. Компоненты, производимые в небольших количествах, если они не обрабатываются индивидуально, могут предотвратить амортизацию затрат на исследования и разработки и оборудование по сравнению с массовым производством в такой степени, которая наблюдается при более пешеходном производстве. Среди ракет на жидком топливе сложность может зависеть от того, сколько оборудования должно быть легким, например, двигатели с питанием от давления могут иметь на два порядка меньше деталей, чем двигатели с насосом, но чаще всего приводят к большему весу из-за необходимости большего давления в баке как следствие, используются только в небольших маневрирующих двигателях.
Чтобы изменить предыдущие факторы для орбитальных ракет-носителей, предложенные методы включают массовое производство простых ракет в больших количествах или в больших масштабах или разработку многоразовых ракет предназначен для очень частых полетов, чтобы окупить свои первоначальные расходы на многие полезные нагрузки или снизить требования к характеристикам ракет за счет создания неракетной системы космического запуска для части скорости выхода на орбиту (или всего этого но с большинством методов, предполагающих использование ракет).
Затраты на вспомогательное оборудование, затраты на дальность и стартовые площадки обычно увеличиваются в зависимости от размера ракеты, но меньше зависят от скорости запуска, и поэтому могут считаться приблизительно фиксированными затратами.
Ракеты, не связанные с запуском на орбиту (например, военные ракеты и ракетный взлет ), обычно не требующие сопоставимых характеристик, а иногда и массового производства, часто относительно недороги.
С начала 2010-х годов появились новые частные варианты для получения услуг космических полетов, что оказало существенное ценовое давление на существующий рынок.
Авиационный портал 
Военный портал 
Ракетный портал 
Космический портал Списки
Общая ракетная техника
Ракетная тяга
Рекреационная ракетная техника
Вооружение
Ракеты для исследований
Разное
.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с Ракеты. |
 | Найдите rocket в Wiktionary, бесплатном словаре. |
Управляющие агентства
Информационные сайты
