Технологии (епизода 23) Зошто летаат воени ракети Романија

На крајот на краиштата, зошто летаат ракетите? Некако, како во случајот со хеликоптерите, затоа што тие се грди и Земјата ги отфрла? Па да видиме.

ПРИЧИНИ

Не знам дали читателите пукаа со пиштол или не (сега гледам некои арогантни насмевки на лицата на некои читатели); Јас нема да претпоставам (други арогантни насмевки) и ќе ве повикам да ги видите сликите подолу - анимирани gif-датотеки. Ако сликата нема анимација, кликнете на неа за да ја видите анимирана.

повратен удар - кликнете за да ги видите анимациите (извор: тенор, гифи)

Секое огнено оружје (од мускет или аркебус до топ, преку пиштол и ловечка пушка) се базира на отворено цевче на едниот крај. Кога оружје пука, од цевката во една насока излегуваат гасови со голема брзина и температура, што е импулс. Она што може да се види на овие слики е повраќање и се заснова на основен принцип на физиката - зачувување на импулсот. И како што се зачувува моментумот, излегува дека огненото оружје исто така ќе има импулс во спротивна насока. Ова е принципот врз кој се заснова работата на ракетите - со отстранување на гас со голема брзина во една насока, се создава сила во спротивна насока. Исто така, истите слики ни покажуваат дека силата е генерирана истовремено, но на ракетата и треба сила што е континуирана подолго време.

Но, ако погледнеме балон од кој ослободуваме воздух, го забележуваме токму ова - воздухот излегува во една насока со брзина и генерира сила на туркање во спротивна насока. Следната слика го илустрира ова; исто така е анимиран гиф, па ако нема анимација, кликнете на него за да го видите анимиран.

Балон - кликнете за да ја видите анимацијата (извор: тенор, гифи)

Анализирајќи објект во однос на неговата стабилност, без да навлегуваме во детали, можеме да кажеме дека објектот може да биде во една од следниве состојби:

во нестабилна состојба (на пример, кога се обидувате да држите молив на врвот на прстот);
во стабилна состојба (на пример кога нишалото се враќа на точката со минимално растојание од површината на Земјата).

Ракетите имаат мотор во задниот дел и тој ги турка, па можеме да сметаме дека станува збор за ситуација слична на моливката во претходниот пример. Секоја неочекувана сила може да го придвижи телото во друга насока, силата на туркање генерирана од моторот што ја турка ракетата во друга насока од посакуваното. Покрај тоа, за дополнително да се комплицира ситуацијата, кога е во атмосферата на ракетите, дејствуваат другите сили.

Силите што дејствуваат на ракетата се исти како оние кои дејствуваат на авион и во атмосферски лет се:

Следејќи го описот на овие сили, најдовме и две интересни точки:

центар за тежина: е точката каде што можеме да сметаме дека целата маса на тело е концентрирана. Во случај на претходниот молив, тоа е точката во која е во рамнотежа;
центар на притисок: можеме да сметаме дека тоа е точката каде што е концентрирано дејството на сите аеродинамички сили. Визуелно, може да се смета како точка што ја дели површината на ракетата на два еднакви делови, предните и задните делови се еднакви по површината.

Потребни се две согледувања или додатоци:

очигледно, во вон-атмосферскиот лет - на орбитата околу Земјата - отпорот за напредување и носењето на товарот повеќе нема да постојат, на ракетата што дејствува само на силата на притисок и тежината;
секое движење на ракета се прави околу центарот на гравитација.

Стабилен и нестабилен

Ајде сега детално да ги разгледаме двете состојби.

1. Нестабилна состојба. Следната слика покажува ракета во нестабилна состојба. Она што го гледаме на сликата се:

влечење - портокалова
отпорност на напредување - цреша
тежина - сина
лифт - зелена
Cg - центар на гравитација
Cp - центар за притисок
Ветер - сила што дејствува истовремено на ракетата

Нестабилна состојба (извор: автор)

Забележете дека центарот на притисок е пред центарот на гравитација. Првично, ракетата е стабилна, идеална ситуација, без сили да ја наруши. Под претпоставка дека се појави вознемирувачка сила - налет на ветер - тоа ќе делува низ центарот на притисок. Тоа ќе резултира со мала ротација и, според тоа, зголемување на аголот на напад α. Следејќи ја промената на аголот на напад, ќе настане сила - лифт - која ќе има иста насока како и ветерот, а последицата е ротационо движење околу центарот на гравитација. Ова поместување потоа се нагласува со отпорот нанапред, колку е поголема страничната сила, толку е поголем аголот помеѓу надолжната оска и насоката на летот. Затоа, ракетата ќе се обиде да се сврти и да лета назад, но силата на притисок не дозволува ова да резултира со хаотичен лет.

2. Стабилна состојба. Следната слика покажува ракета во стабилна состојба. Она што го гледаме на сликата се:

влечење - портокалова
отпорност на напредување - цреша
тежина - сина
лифт - зелена
Cg - центар на гравитација
Cp - центар за притисок
Ветер - сила што дејствува истовремено на ракетата

Стабилна состојба (извор: автор)

Забележете дека центарот на притисок е зад центарот на гравитација. Првично - како и во претходниот случај - ракетата е стабилна, претставува идеална ситуација, без сили да ја наруши. Ракетата забрзува непрекинато, движењето е линеарно во правец на силата на притисок. Под претпоставка дека повторно се појавува вознемирувачка сила - налет на ветер - тоа ќе делува низ центарот на притисок, предизвикувајќи ракетата да ротира околу центарот на гравитација и со тоа да го смени аголот на напад α. Оваа промена на аголот на напад ќе предизвика сила - лифтот, кој овојпат има спротивна насока од вознемирувачката. Ракетата продолжува да лета стабилно, а траекторијата е само малку променета.

Пушка пронајдена на Интернет - на повеќе места - вели дека е идеално што помеѓу центарот на гравитација и центарот на притисок има растојание од 1,5-2 дијаметри на ракетата. Па, вреди да се запамети.

Во пракса

Значи, ова е моментот кога ќе дојдеме до начинот на работа и целта на некои елементи што се среќаваат за време на читањата и секојдневниот живот. Поаѓајќи од двете горенаведени состојби, ги набудуваме ситуациите подолу.
1. Потребата за уредување на центарот на притисок зад центарот на гравитација го одредува изгледот на крилјата на ракетите, кои имаат улога да обезбедат стабилност во атмосферскиот лет со промена на положбата на центарот на притисок. Ова го забележуваме на голем број ракети - на пример Saturn V, Saturn I, AIM-9 Sidewinder, AIM-120 AMRAAM.

Сатурн И.Б. (извор: pinterest)

Сатурн В. (извор: НАСА)

AIM-9 Sidewinder (извор: blogspot)

ЦЕЛ-120 АМРААМ (извор: Меѓународно деловно време, непознато)

2. Потребата за влечење на вектор - промена на насоката на гасниот млаз до централната оска - што најчесто се постигнува со промена на ориентацијата на ракетниот мотор или со промена на ориентацијата на млазницата. Тоа е методот што го користат повеќето ракети - примери за Сатурн V, Сокол 9, Електрон.

Rocketdyne F-1 (извор: Смитсонијан)

SpaceX Мерлин (извор: имгур)

Rocketlab Rutherford (извор: Rocketlab)

3. Потрошувачката на гориво ја менува позицијата на центарот на гравитација. Првата покажува еволуција на центарот на гравитација за ракетата Сатурн V што ја лансираше мисијата Аполо 11. Втората слика ја покажува еволуцијата на позицијата на центарот на гравитација и центарот на притисок во период од 140 секунди.

Сатурн V - центар на гравитација (извор: НАСА)

Сатурн V - центар на гравитација и центар на притисок (извор: НАСА)

4. Системот за спасување што се користи во Меркур, Близнаци, Аполо, Сојуз има центар на притисок под центарот на гравитација за да се одржи стабилноста доколку е потребно негово активирање.

ЛЕС Меркур (извор: americanspacecraft.com)

ЛЕС Аполо (извор: НАСА)

ЛЕС Сојуз ТМА (извор: Википедија)

5. Капсулите што се користат за повторно влегување во атмосферата (Меркур, Близнаци, Аполо, Сојуз, Змеј, Орион) имаат тежиште под центарот на притисокот за да се обезбеди нивната стабилност. Сепак, капсулите користат трик за контрола на правецот на летот - тежиштето не е точно на надолжната оска, туку малку ексцентрично. Ротирањето на капсулата ја менува својата позиција, а со тоа и лифтот, а со тоа и насоката на летот.

Капсула со жива (извор: Collectspace.com)

Капсула Близнаци (извор: Смитсонијан)

Аполо капсула (извор: НАСА)

Капсула сојуз (Извор: Имгур)

6. Огнометот би се движел хаотично ако немал центар на притисок зад центарот на гравитација, поради што тие го имаат тој стап во задниот дел.

ПОIАРНИ РАБОТИ (извор: bestwallpaper, Популарна механика, Википедија)

Пред крајот, ако сакате да продолжите да читате, препорачувам постара статија за моторите што ги користат ракетите. Исто така, да не заборавиме: има и дел каде се собираат некои од написите за просторни теми - https://www.rumaniamilitar.ro/orizont .

И сега да ве растажи. Ова е само едно од прашањата за стабилност што се разгледуваат при градење ракета. Само резиме на неколку теми на дебата:

пресметка, конструкција и тестирање на мотори;
пресметка и проценка на различните сили што дејствуваат на ракетите;
интеракција со кулата за лансирање ракета;
аеродинамика и лет на различна надморска височина и брзина;
пресметка на оптимални траектории;
систем за контрола и водење;
намалување на вибрациите.

Уредување:
- 2020-01-26 14:45:00 часот - наведен „екстра-атмосферски лет во орбитата на Земјата“