Kā raķetes nolaižas uz Zemes? Iespaidīgā tehnika

Okeāns ir raķešu kapsēta. Tūkstošiem sadedzināto raķešu, satelītu un lidaparātu gruveši piesārņo okeāna dibenu. Raķešu atkārtota izmantošana nozīmē mazāk atkritumu, mazākas izmaksas un daudz vieglāk atgriezties no galamērķa.

Redzēt, kā kosmosa kuģis nolaižas un viegli paceļas atkal, mēs esam redzējuši tūkstošiem reižu filmās. Tagad mēs to redzam arī reālajā dzīvē. SpaceX tagad ir veiksmīgi palaidis un nolaidis vairāk nekā 50 raķetes, kopš tās sāka izmēģināt 2015. gadā.

Tātad, kā raķetes spēj nolaisties uz Zemes? Šajā rakstā tiks apskatīta neticamā tehnoloģija, kas slēpjas aiz atkārtoti lietojamām raķetēm.

Raķešu desanta izaicinājumi

Raķešu nosēšanās rada vairākas problēmas, pat ja tās ir tikai daļēji atkārtoti izmantojamas.

• Degviela: Lai izbēgtu no Zemes atmosfēras, raķetei jāsasniedz neticami 17 500 jūdzes stundā, kas citādi pazīstama kā izbēgšanas ātrums. Tas prasa kolosālu degvielas daudzumu. Degviela parasti ir neticami dārgs šķidrais skābeklis. Lai veiksmīgi nolaistu raķeti, rezervē ir nepieciešama degviela.
instagram viewer
• Termiskā aizsardzība: Lai patiesi izmantotu atkārtoti, visai raķetei jābūt aprīkotai ar termisko aizsardzību, kas parasti tiek atstāta tikai tai daļai, kas nokritīs atpakaļ uz Zemi. Tas neļauj raķetes daļām tikt bojātām vai iznīcinātām, atkal nonākot Zemes atmosfērā. Tas attiecas arī uz raķetes, kas mērķētas uz Marsu.
• Šasija: Raķetei nepieciešama arī šasija. Tam jābūt pēc iespējas vieglākam, vienlaikus saglabājot spēku, kas nepieciešams masīvās raķetes atbalstam (Falcon 9, viena no SpaceX raķetēm, sver 550 tonnas).
• Svars: Jo smagāks ir kosmosa kuģis, jo vairāk degvielas ir nepieciešams, un grūtāk būs atgriezties. Tukšas degvielas tvertnes raķetei piešķir pretestību un svaru, tāpēc degvielas tvertnes parasti tiek nomestas un ļauts izdegt atmosfērā. Turklāt termiskā aizsardzība un šasija palielinās ievērojamu svaru.

Kā jau minējām, SpaceX ir izdevies ar šo neticamo varoņdarbu tagad daudzas reizes. Tātad, kāda ir pārsteidzošā tehnoloģija, kas slēpjas aiz atkārtoti lietojamām raķetēm?

3D druka

3D drukāšana ir revolucionāras nozares visā pasaulē, ne tikai raķešu tehnoloģijas. Patiesībā dažas raķetes tagad ir gandrīz pilnībā izdrukātas 3D formātā.

Viena 3D drukāšanas priekšrocība ir tā, ka inženieri kopumā var ražot mazāk detaļu. Drukātās detaļas var būt daudz sarežģītākas, un tām nav nepieciešami dārgi un unikāli ražošanas rīki katrai detaļai. Tas samazina raķešu būves izmaksas un palielina ražošanas procesa efektivitāti.

3D drukāšanas degvielas tvertnes nozīmē, ka jums nav vajadzīgas metāla šuves - tipiska vāja vieta, kas var radīt problēmas raķetēs. Vēl viena būtiska 3D drukāšanas priekšrocība ir spēja izgatavot optiskas detaļas no viegliem materiāliem, samazinot raķešu kopējo svaru.

Retropropulsija un vadība

Lai raķete nolaistos, retrogrādajai vilcei jābūt lielākai par raķetes svaru. Tas ir arī jāpārveido, kas nozīmē, ka vilce ir virziena virziena un to var izmantot, lai stabilizētu raķetes nolaišanos.

Lai retropropulsija stabilizētu raķeti, tai jābūt ļoti precīzai informācijai par raķetes atrašanās vietu, augstumu un leņķi. Tam nepieciešamas augsto tehnoloģiju sistēmas, kas nodrošina precīzus reāllaika mērījumus ar tiešu atgriezenisko saiti uz dzinējiem. Tos sauc par reakcijas kontroles sistēmām (RCS).

Reakcijas kontroles sistēmas

RCS nodrošina nelielu vilces daudzumu vairākos virzienos, lai kontrolētu raķetes augstumu un rotāciju. Ņemiet vērā faktu, ka rotācija var ietvert pagriezienu, soli un pagriešanos un ka RCS būs jānovērš tas viss vienlaikus, vienlaikus kontrolējot arī raķetes nolaišanos.

RCS izmanto vairākus dzinējus, kas optimālā konfigurācijā izvietoti ap raķeti. Galvenais dzinēju izaicinājums ir degvielas taupīšanas nodrošināšana.

Viens piemērs ir SpaceX Merlin raķešu sistēma. Šis ir 10 atsevišķu dzinēju komplekts, ko kontrolē trīskāršā vadības sistēma. Katram no 10 dzinējiem ir apstrādes iekārta, un katrā apstrādes vienībā tiek izmantoti trīs datori, kas pastāvīgi uzrauga viens otru, lai krasi samazinātu kļūdu iespējamību.

Merlin dzinējs kā propelenti izmanto RP-1 (augsti attīrītu petroleju) un šķidro skābekli. Jaunākā dzinēja versija var droselēt (kontrolēt, cik daudz enerģijas tas patērē) līdz 39% no tā maksimālās vilces, kas ir būtiski augsta līmeņa vadībai, nolaižot raķeti.

Režģa spuras

Režģa spuras tiek izmantotas, lai novietotu atkārtoti lietojamas raķetes, piemēram, Falcon 9, to nosēšanās stāvoklī. 50. gados izgudrotās režģu spuras ir izmantotas vairākās raķetēs.

Režģu spuras ir kā kartupeļu biezeni, kas izliekas perpendikulārā leņķī no raķetes. Tos izmanto, jo tie ļauj augstu kontroli pār raķešu lidojumu hiperskaņas un virsskaņas ātrumā. Turpretī tradicionālie spārni izraisa triecienviļņus un palielina pretestību ar šo daudz lielāku ātrumu.

Tā kā režģu spuras ļauj gaisa plūsmai iet caur pašu spuru, tai ir daudz mazāka pretestība, savukārt raķeti var pagriezt vai stabilizēt, pagriežot vai saliekot spuru tāpat kā spārnu, bet efektīvāk.

Vēl viens iemesls, kāpēc tiek izmantoti režģa naudas sodi, ir tas, ka ar atkārtoti lietojamām raķetēm tās tehniski lido atpakaļ. Tas nozīmē, ka raķetes priekšējam un aizmugurējam galam jābūt diezgan līdzīgiem, lai tos varētu kontrolēt jebkurā virzienā.

Šasija

Acīmredzot atkārtoti lietojamai raķetei būs nepieciešama kāda veida šasija. Tiem jābūt pietiekami viegliem, lai krasi nepalielinātu degvielas daudzumu, kas vajadzīgs lidojumam un atkārtotai iekāpšanai, bet arī pietiekami izturīgiem, lai noturētu raķetes svaru.

Šobrīd SpaceX raķetēs tiek izmantotas 4 nosēšanās kājas, kas lidojuma laikā ir salocītas pret raķetes ķermeni. Pirms nosēšanās tie tiek salocīti, izmantojot gravitācijas spēku.

Bet Elons Musks 2021. gada janvārī paziņoja, ka SpaceX visu laiku lielākajai raķetei Super Heavy pastiprinātājam tie centīsies “noķert” raķeti, izmantojot palaišanas torņa roku. Tas samazinās raķetes svaru, jo tai vairs nebūs vajadzīgas nosēšanās kājas.

Nosēšanās palaišanas tornī nozīmē arī to, ka raķete nebūs jāpārvadā atkārtotai izmantošanai. Tā vietā tas vienkārši būs jāuzstāda un jāuzpilda degviela, kur tas atrodas.

Tas vēl nav viss

Raķetes ir pacēlušās un lido kosmosā gadu desmitiem, taču, lai tās droši atgrieztos uz Zemes atkārtotai izmantošanai, ir vajadzīgi daudzi tehnoloģiski sasniegumi.

Mēs nevarējām aptvert visas raķetēs izmantotās pārsteidzošās tehnoloģijas, kas var nolaisties uz Zemes, bet mēs ceram, ka šajā rakstā jūs uzzinājāt kaut ko jaunu! Kosmosa lidojumu tehnoloģija strauji paplašinās, un ir aizraujoši apsvērt, kas varētu būt iespējams pēc dažiem īsiem gadiem.

Kā skatīties SpaceX palaišanu tiešraidē

Vai vēlaties panākt SpaceX nākamo lidojumu kosmosā? Šeit jūs varat skatīties nākamo palaišanu.

Lasīt Tālāk

Par autoru