Hogyan szállnak vissza a rakéták a Földre? A lenyűgöző technika

Az óceán rakéta temető. A felégett rakéták, műholdak és űrsiklók ezreiből származó törmelékek lomtalanítják az óceán fenekét. A rakéták újrafelhasználása kevesebb hulladékot, kevesebb költséget és sokkal könnyebb visszatérést biztosít egy célállomásról.

Látni, hogy az űrhajók leszállnak és könnyen felszállnak, ezerszer láttuk a filmekben. Most ezt látjuk a való életben is. A SpaceX mostanra több mint 50 rakétát indított el és rakott le, amióta 2015 -ben elkezdték kipróbálni.

Tehát hogyan tudnak rakéták leszállni a Földre? Ez a cikk az újrafelhasználható rakéták mögött rejlő hihetetlen technológiát tárgyalja.

A rakéták leszállásának kihívásai

Számos kihívást jelent a rakéták leszállása, még akkor is, ha csak részben újrafelhasználhatók.

• Üzemanyag: Ahhoz, hogy elmeneküljön a Föld légköréből, egy rakétára van szükség, hogy elérje a hihetetlen 17 500 mérföldet óránként, más néven menekülési sebességet. Ez hatalmas mennyiségű üzemanyagot igényel. Az üzemanyag általában hihetetlenül drága folyékony oxigén. A rakéta sikeres leszállításához üzemanyagra van szükség tartalékban.
  instagram viewer
• Hővédelem: A valódi újrafelhasználás érdekében az egész rakétát hővédelemmel kell ellátni, amit általában csak arra a részre hagynak, amely visszaesik a Földre. Ez megakadályozza, hogy a rakéta egyes részei megsérüljenek vagy megsemmisüljenek, amikor újra belépnek a Föld légkörébe. Ez igaz arra is rakéták a Mars felé.
• Futómű: A rakéta futóművet is igényel. Ezt a lehető legkönnyebbé kell tenni, miközben meg kell őrizni a hatalmas rakéta eltartásához szükséges erőt (a SpaceX egyik rakétája, a Falcon 9 súlya 550 tonna).
• Súly: Minél nehezebb az űrhajó, annál több üzemanyagra van szükség, és annál nehezebb lesz az újbóli belépés. Az üres üzemanyagtartályok ellenállást és súlyt adnak a rakétának, ezért az üzemanyagtartályokat általában ledobják, és hagyják, hogy felégjenek a légkörben. Ezenkívül a hővédelem és a futómű is jelentős súlyt ad.

Mint említettük, A SpaceX -nek sikerült ez a hihetetlen teljesítmény most sokszor. Tehát mi a csodálatos technológia az újrafelhasználható rakéták mögött?

3D nyomtatás

A 3D nyomtatás az forradalmasító iparágak világszerte, nem utolsósorban a rakéták mögötti technológiával. Valójában néhány rakéta ma már szinte teljes egészében 3D nyomtatással rendelkezik.

A 3D nyomtatás egyik előnye, hogy a mérnökök összességében kevesebb alkatrészt tudnak előállítani. A nyomtatott alkatrészek sokkal összetettebbek lehetnek, és nem igényelnek drága és egyedi gyártási eszközöket minden alkatrészhez. Ez csökkenti a rakéták építésének költségeit és növeli a gyártási folyamat hatékonyságát.

A 3D nyomtatási üzemanyagtartályok azt jelentik, hogy nincs szükség varratokra a fémben - ez egy tipikus gyenge pont, amely problémákat okozhat a rakétákban. A 3D nyomtatás másik nagy előnye, hogy könnyű anyagokból optikai alkatrészeket lehet előállítani, csökkentve a rakéták össztömegét.

Retropropulzió és irányítás

Ahhoz, hogy egy rakéta leszállhasson, a retrográd tolóerőnek nagyobbnak kell lennie, mint a rakéta súlya. Vektorizálni is kell, ami azt jelenti, hogy a tolóerő irányított és felhasználható a rakéta leereszkedésének stabilizálására.

Ahhoz, hogy a retropropulzió stabilizálja a rakétát, rendkívül pontos információkkal kell rendelkeznie a rakéta helyzetéről, magasságáról és szögéről. Ehhez olyan csúcstechnológiájú rendszerekre van szükség, amelyek pontos, valós idejű méréseket végeznek, közvetlen visszacsatolással a tolóerőkhöz. Ezeket reakcióvezérlő rendszereknek (RCS) nevezik.

Reakcióvezérlő rendszerek

Az RCS kis irányú tolóerőt biztosít több irányba a rakéta magasságának és forgásának szabályozására. Vegye figyelembe azt a tényt, hogy a forgatás magában foglalhatja a dőlést, a dőlést és az elfordulást, és hogy az RCS -nek mindezt egyidejűleg meg kell akadályoznia, miközben szabályozza a rakéta leereszkedését.

Az RCS számos tolóerőt használ, amelyek optimális konfigurációban vannak elhelyezve a rakéta körül. A tolóhajtóművek fő kihívása az üzemanyag megóvásának biztosítása.

Az egyik példa a SpaceX Merlin rakétarendszere. Ez egy 10 különálló motorcsomag, amelyet egy tripla redundáns vezérlőrendszer vezérel. A 10 motor mindegyikében van egy feldolgozó egység, és minden feldolgozó egység három számítógépet használ, amelyek folyamatosan figyelik egymást, hogy drasztikusan csökkentsék a hibák esélyét.

A Merlin motor hajtóanyagként RP-1 (magasan finomított kerozin) és folyékony oxigént használ. A motor legújabb verziója a maximális tolóerő 39% -áig képes fojtani (szabályozva, hogy mennyi energiát használ), ami elengedhetetlen a magas szintű irányításhoz a rakéta leszállásakor.

Rácsúszó

A rács uszonyokat arra használják, hogy az újrafelhasználható rakétákat, mint például a Falcon 9, leszállási helyzetükbe vezessék. Az 50 -es években feltalált rácsbordákat több rakétában is használták.

A rácsos uszonyok úgy néznek ki, mint a burgonyatörők, amelyek merőleges szögben kilógnak a rakétából. Ezeket azért használják, mert lehetővé teszik a magas szintű irányítást a rakétarepülés felett hiperszonikus és szuperszonikus sebességgel. Ezzel szemben a hagyományos szárnyak lökéshullámokat okoznak és növelik a légellenállást ennél sokkal nagyobb sebességnél.

Mivel a rácsbordák lehetővé teszik a légáramlást az uszonyon keresztül, sokkal kisebb ellenállású, míg a rakéta forgatható vagy stabilizálható az uszony szárnyhoz hasonló elforgatásával vagy feldöntésével, de hatékonyabban.

Egy másik ok, amiért rácsbírságot alkalmaznak, az az, hogy az újrafelhasználható rakétákkal gyakorlatilag hátrafelé repülnek, amikor leszállnak. Ez azt jelenti, hogy a rakéta elülső és hátsó végeinek nagyon hasonlónak kell lenniük, hogy mindkét irányba irányíthatók legyenek.

Futómű

Nyilvánvaló, hogy egy újrafelhasználható rakétának szüksége lesz valamilyen futóműre. Ezeknek elég könnyűnek kell lenniük ahhoz, hogy ne növeljék drasztikusan a repüléshez és az újbóli belépéshez szükséges üzemanyagmennyiséget, de elég erősnek kell lenniük ahhoz, hogy megtartsák a rakéta súlyát.

Jelenleg a SpaceX rakéták 4 leszálló lábat használnak, amelyeket repülés közben a rakéta testéhez hajtanak. Ezeket a leszállás előtt a gravitáció segítségével kihajtják.

Elon Musk azonban 2021 januárjában kijelentette, hogy a SpaceX valaha volt legnagyobb rakétája, a Super Heavy Booster esetében a rakéta "elfogására" törekszenek a kilövőtorony karja segítségével. Ez csökkenti a rakéta súlyát, mert nem lesz szüksége leszálló lábakra.

A kilövőtoronyban való leszállás azt is jelenti, hogy a rakétát nem kell szállítani újrafelhasználás céljából. Ehelyett csak vissza kell szerelni és üzemanyaggal ellátni, ahol van.

Ez nem minden

A rakéták évtizedek óta felszállnak és repülnek az űrbe, de ha biztonságosan visszatérnek a Földre újrafelhasználásukhoz, sok technológiai áttörést igényeltek.

Nem tudtuk lefedni a rakétákban használt összes csodálatos technológiát, amelyek vissza tudnak szállni a Földre, de reméljük, hogy ebben a cikkben valami újat tanult! Az űrrepülési technológia gyorsan terjed, és izgalmas elgondolkodni azon, hogy mi lehetséges néhány év múlva.

Hogyan lehet élőben nézni a SpaceX -et

Szeretné elkapni a SpaceX következő repülését az űrbe? Itt nézheti meg a következő bemutatót.

Olvassa tovább

A szerzőről