Hoả tiễn hoặc phương tiện cất cánh nhờ lực đẩy từ động cơ khí phản ứng

So với các mục đích sử dụng khác, hãy xem Hoả tiễn (định hướng)

A hoả tiễn (từ người Ý: , thắp sáng ‘suốt chỉ’)[nb 1][1] là một hỏa tiễn, phi thuyền, phi cơ hoặc khác phương tiện nhận được đẩy từ một Động cơ hoả tiễn. Khí thải động cơ hoả tiễn được tạo dựng hoàn toàn từ thuốc phóng đưa trong hoả tiễn.[2] Động cơ hoả tiễn hoạt động bằng hành động & phản ứng & đẩy hoả tiễn về phía trước dễ dàng bằng cách xả khí thải của chúng theo hướng trái lại ở vận tốc cao, & vì thế có thể hoạt động trong máy hút bụi Không gian.

Trên thực tiễn, hoả tiễn hoạt động hiệu quả hơn trong không gian hơn là trong khí quyển. Hoả tiễn nhiều tầng có khả năng đạt được tốc độ thoát từ Địa cầu & vì thế có thể đạt được độ cao tối đa không hạn chế. So sánh với động cơ thổi khí, hoả tiễn có trọng lượng nhẹ & mạnh khỏe & có khả năng tạo nên gia tốc. Để điều khiển chuyến cất cánh của mình, hoả tiễn dựa trên Quán tính, airfoils, động cơ phản ứng phụ, lực đẩy gimballed, bánh xe động lượng, độ lệch của dòng khí thải, dòng chảy đẩy, quay, hoặc là Trọng tải.

Hoả tiễn dùng trong quân sự & tiêu khiển có thời đại ít đặc biệt là từ thế kỷ 13 Trung Quốc.[3] Việc sử dụng khoa học, liên hành tinh & công nghiệp đáng kể đã không xảy ra cho đến thế kỷ 20, khi hoả tiễn là công nghệ cho phép Niên đại không gian, kể cả đặt chân lên mặt trăng của Địa cầu. Hoả tiễn hiện được sử dụng cho bắn pháo bông, vũ khí, ghế phóng, phóng xe cho Vệ tinh nhân tạo, không gian nhân loại& thám hiểm không gian.

Hoả tiễn hóa học là loại hoả tiễn công suất lớn thông dụng nhất, thường tạo nên khí thải vận tốc cao bằng cách sự đốt cháy của nhiên liệu với một chất oxy hóa. Khí đẩy dự phòng có thể là khí điều áp dễ dàng hoặc khí đơn nhiên liệu lỏng phân chia khi có chất xúc tác (thuốc đơn bào), hai chất lỏng phản ứng tự phát khi tiếp xúc (chất đẩy hypergolic), hai chất lỏng phải được đốt cháy để phản ứng (như dầu hỏa (RP1) & oxy lỏng, được sử dụng trong đa số các hoả tiễn đẩy chất lỏng), sự phối hợp kiên cố của nhiên liệu với chất oxy hóa (nhiên liệu rắn), hoặc nhiên liệu rắn với chất oxy hóa lỏng hoặc khí (hệ thống đẩy hỗn hợp). Hoả tiễn hóa học tích trữ một lượng lớn năng lượng ở dạng dễ giải phóng, & có thể rất bất trắc. Ngoài ra, việc kiến trúc, thí nghiệm, xây dựng & sử dụng thận trọng sẽ cắt giảm nguy cơ.

Lịch sử

Trước tiên thuốc súng– Hoả tiễn mạnh khỏe đã tiến triển ở Trung Quốc thời trung cổ dưới triều đại nhà Tống vào thế kỷ 13. Người Mông Cổ đã vận dụng công nghệ hoả tiễn của Trung Quốc & phát minh này lan truyền qua Các cuộc xâm lược của người Mông Cổ đến Trung Đông & châu Âu vào giữa thế kỷ 13.[4] Hoả tiễn được ghi[] được sử dụng bởi hải quân nhà Tống trong 1 cuộc tập trận quân sự từ năm 1245. Động cơ hoả tiễn đốt trong được đề cập đến trong ebook đọc qua năm 1264, ghi lại rằng “chuột mặt đất”, một loại pháo bông, đã khiến cho Hoàng hậu-Mẹ Gongsheng sợ hãi trong một buổi tiệc được tổ chức để sướng tên bà bởi con trai bà ngọc hoàng Lizong.[5] Sau đó, hoả tiễn được mang vào chuyên luận quân sự , còn gọi là Sổ tay Fire Drake, do sĩ quan pháo binh Trung Quốc viết Jiao Yu vào giữa thế kỷ 14. Văn bản này đề cập đến hoả tiễn nhiều tầng, các ‘rồng lửa phun ra từ nước’ (Hoắc long chu tước), được nghĩ rằng đã được sử dụng bởi hải quân Trung Quốc.[6]

Hoả tiễn thời trung cổ & đầu hiện đại được sử dụng trong quân sự như vũ khí gây cháy trong bủa vây. Giữa 1270 & 1280, Hasan al-Rammah đã viết (), bao gồm 107 bí quyết chế tác thuốc súng, 22 bí quyết chế tác hoả tiễn.[7][8]Ở châu Âu, Konrad Kyeser miêu tả hoả tiễn trong chuyên luận quân sự của ông khoảng năm 1405.[9]

Tên “tên lửa” khởi đầu từ người Ý , có nghĩa là “suốt chỉ” hoặc “trục chính nhỏ”, do hình dạng cũng giống như suốt chỉ hoặc ống chỉ được sử dụng để giữ chỉ được mang vào bánh xe quay.Leonhard Fronsperger & Conrad Haas thông qua thuật ngữ Ý sang tiếng Đức vào giữa thế kỷ 16; “rocket” hiện ra trong tiếng Anh vào đầu thế kỷ 17.[1], một công việc trọng yếu ban đầu hiện đại về pháo hoả tiễn, bởi Kazimierz Siemienowicz, được in lần đầu trong Amsterdam vào năm 1650.

Các Hoả tiễn Mysorean là những hoả tiễn vỏ sắt thành công trước hết, được tiến triển vào cuối thế kỷ 18 trong Vương quốc Mysore (một phần của ngày nay Ấn Độ) dưới sự thống trị của Hyder Ali.[10] Các Hoả tiễn Congreve là một người Anh vũ khí được kiến trúc & tiến triển bởi Ngài William Congreve vào năm 1804. Hoả tiễn này được dựa trực tiếp vào hoả tiễn Mysorean, được sử dụng bột nén & được thực hiện ở Tranh đấu Napoleon. Chính hoả tiễn Congreve đã Francis Scott Key đang đề cập đến khi ông viết về “ánh sáng đỏ của tên lửa” khi bị giam cầm trên một con tàu Anh đang bao vây Pháo đài McHenry vào năm 1814.[11] Cùng với đó, các tái tạo của Mysorean & Anh đã tăng tầm bắn hiệu quả của hoả tiễn quân sự từ 100 lên 2.000 thước Anh.

Cách thức toán học trước hết về động lực đẩy hoả tiễn là do William Moore (1813). Năm 1815 Alexander Dmitrievich Zasyadko được xây dựng các bệ phóng hoả tiễn, cho phép hoả tiễn được bắn vào salvos (6 hoả tiễn cùng một lúc), & các thiết bị đặt súng. William Hale năm 1844 đã tăng đáng kể độ đúng đắn của pháo hoả tiễn. Võ sĩ Edward Mounier tái tạo thêm hoả tiễn Congreve vào năm 1865.

William Leitch lần trước hết đề nghị định nghĩa sử dụng hoả tiễn để có thể cất cánh vào vũ trụ vào năm 1861.[12] Konstantin Tsiolkovsky sau đó (năm 1903) cũng tạo dựng sáng kiến này & tiến triển rộng rãi một nền tảng lý thuyết tạo nền móng cho sự tiến triển của tàu vũ trụ sau này. Năm 1920, Giáo sư Robert Goddard của Đại học Clark thông báo những tái tạo được đề nghị cho công nghệ hoả tiễn trong .[13] Năm 1923, Hermann Oberth (1894–1989) xuất bản (“Tên lửa vào không gian hành tinh”)

Goddard với hoả tiễn xăng-oxy lỏng (1926)

Hoả tiễn hiện đại khởi đầu từ năm 1926 khi Goddard gắn một siêu tiếng động (de Laval) vòi phun áp suất cao buồng đốt. Những vòi phun này biến khí nóng từ buồng đốt thành một chất làm giảm nhiệt độ, siêu âm, tia khí có hướng cao, tăng hơn gấp đôi lực đẩy & chuyên sâu năng suất động cơ từ 2% lên 64%.[13] Việc sử dụng thuốc phóng lỏng thay vì thuốc súng hạ thấp đáng kể trọng lượng & tăng hiệu quả của hoả tiễn. Việc sử dụng chúng trong Tranh đấu Toàn cầu II pháo binh đã tiến triển công nghệ này hơn nữa & mở ra khả năng không gian nhân loại sau năm 1945.

Năm 1943 sản xuất Hoả tiễn V-2 khởi đầu ở Đức. Đồng thời với tiếng Đức hoả tiễn dẫn đường chương trình, hoả tiễn cũng được sử dụng trên phi cơ, để suport bay theo phương ngang (RATO), bay thẳng đứng (Bachem Ba 349 “Natter”) hoặc để phân phối năng lượng cho chúng (Tôi 163, xem danh mục các hoả tiễn dẫn đường trong Thế chiến II của Đức). Các chương trình hoả tiễn của Đồng minh ít công nghệ hơn, chính yếu dựa trên hoả tiễn không điều khiển như Liên Xô Hoả tiễn Katyusha trong vai trò pháo binh, & chống tăng Mỹ bazooka đường đạn. Những chất đẩy hóa học rắn Like New 99% này.

Người Mỹ đã bắt một sll người Đức nhà khoa học hoả tiễn, kể cả Wernher von Braun, vào năm 1945, & mang họ đến Hoa Kỳ như một phần của Kẹp giấy hoạt động. Sau Thế chiến II, các nhà khoa học đã sử dụng hoả tiễn để tìm hiểu điều kiện độ cao, bằng sóng vô tuyến từ xa nhiệt độ & áp suất của khí quyển, phát hiện các tia vũ trụ, & các kỹ thuật khác; cũng cảnh báo Chuông X-1, chiếc xe trước hết phá vỡ vật cản tiếng động (Năm 1947). Một cách độc lập, trong Chương trình vũ trụ của Liên Xô tìm hiểu tiếp tục theo khả năng chỉ huy của nhà kiến trúc chính Sergei Korolev (1907–1966).

Trong Tranh đấu lạnh hoả tiễn trở nên cực kỳ trọng yếu về mặt quân sự với sự tiến triển của hoả tiễn đạn đạo xuyên lục địa (ICBM). Những năm 1960 nhìn thấy ​​sự tiến triển lập tức của công nghệ hoả tiễn, nhất là ở Liên Xô (Vostok, Soyuz, Proton) & ở Hoa Kỳ (chẳng hạn: X-15). Hoả tiễn được sử dụng cho thám hiểm không gian. Các chương trình do ê-kíp của Mỹ (Dự án Mercury, Dự án Gemini & sau này Chương trình Apollo) lên đến đỉnh điểm vào năm 1969 với phi hành đoàn trước hết bay xuống trên mặt trăng – sử dụng thiết bị do Sao Thổ V hoả tiễn.

Các loại

Cấu hình xe

– 30 giây thông qua + 40 giây

Ra mắt Apollo 15 Sao Thổ V hoả tiễn:- 30 giây thông qua+ 40 giây

Các phương tiện hoả tiễn thường được chế tác theo kiểu nguyên mẫu là “tên lửa” cao mỏng bay theo phương thẳng đứng, nhưng thực tiễn có nhiều loại hoả tiễn khác nhau bao gồm:[14][15]

Kiến trúc

Một kiến trúc hoả tiễn có thể dễ dàng như một ống bìa cứng chứa đầy bột màu đen, nhưng để tạo nên một hoả tiễn hoặc hoả tiễn hiệu quả, đúng đắn bao gồm việc giải quyết một số vấn đề khốn khó. Những khốn khó chính bao gồm làm giảm nhiệt độ buồng đốt, bơm nhiên liệu (trong trường hợp là nhiên liệu lỏng), điều khiển & hiệu chỉnh hướng chuyển động.[20]

Các thành phần

Hoả tiễn bao gồm một thuốc phóng, một nơi để đặt thuốc phóng (ví dụ như thùng thuốc phóng), & một vòi phun. Họ cũng có thể có một hoặc nhiều động cơ hoả tiễn, (các) thiết bị ổn định hướng (nhu la vây, động cơ vernier hoặc động cơ gimbals cho lực đẩy vectoring, con quay hồi chuyển) & một cấu tạo (thường là monocoque) để giữ các thành phần đó lại với nhau. Hoả tiễn dành riêng cho mục đích sử dụng khí quyển vận tốc cao cũng có khí động học fairing ví dụ như một mũi nón, thường chứa trọng tải.[21]

Cũng như các thành phần này, hoả tiễn có thể có bất kỳ thành phần nào khác, ví dụ như cánh (máy cất cánh hoả tiễn), , bánh xe (xe hoả tiễn), thậm chí, theo một nghĩa nào đó, một người (vành đai hoả tiễn). Phương tiện thường xuyên có hệ thống định vị & hệ thống chỉ dẫn thường sử dụng định vị vệ tinh & hệ thống định vị quán tính.

Động cơ

Động cơ hoả tiễn 5C của người Viking

Động cơ hoả tiễn sử dụng phép tắc sự chuyển động do phản lực.[2] Động cơ hoả tiễn phân phối năng lượng cho hoả tiễn có rất nhiều loại khác nhau; một danh mục đầy đủ có thể được tìm ra trong nội dung chính, Động cơ hoả tiễn. Đa phần các hoả tiễn hiện tại là hoả tiễn chạy bằng năng lượng hóa học (thường là động cơ đốt trong,[22] nhưng một số sử dụng phân hủy thuốc đơn bào) phát ra nóng khí thải. Một động cơ hoả tiễn có thể sử dụng khí đẩy, thuốc phóng rắn, chất lỏng đẩy, hoặc một hỗn hợp lai của cả rắn & lỏng. Một số hoả tiễn sử dụng nhiệt hoặc áp suất được phân phối từ một nguồn khác với phản ứng hóa học của (các) chất đẩy, ví dụ như hoả tiễn hơi nước, hoả tiễn nhiệt mặt trời, hoả tiễn nhiệt hạt nhân động cơ hoặc hoả tiễn điều áp dễ dàng như hoả tiễn nước hoặc là máy đẩy ga lạnh. Với các chất đẩy dễ cháy, một phản ứng hóa học được khởi đầu giữa nhiên liệu & chất oxy hóa bên trong sự đốt cháy buồng, & kết quả là khí nóng tăng tốc ra khỏi vòi phun động cơ hoả tiễn (hoặc là vòi phun) ở đầu hướng ra phía sau của hoả tiễn. Các sự tăng tốc các khí này thông qua động cơ ảnh hưởng lực (“lực đẩy”) lên buồng đốt & vòi phun, đẩy xe (theo Định luật thứ ba của Newton). Điều này thực sự xảy ra do lực (diện tích theo thời gian áp suất) lên thành buồng đốt không cân đối khi mở vòi phun; đây không phải là trường hợp theo bất kỳ hướng nào khác. Hình dạng của vòi phun cũng mang lại lực bằng cách hướng khí thải xuôi theo trục của hoả tiễn.[2]

Thuốc phóng

Bóng đèn lõi khí

Thuốc phóng hoả tiễn là khối lượng được lưu trữ, thường ở một số dạng thuốc phóng thùng hoặc vỏ, trước khi được sử dụng làm lực đẩy được đẩy ra từ một Động cơ hoả tiễn dưới dạng một dịch máy cất cánh phản lực để sản xuất đẩy.[2] So với hoả tiễn hóa học thường các chất đẩy là một loại nhiên liệu như hydro lỏng hoặc là dầu hỏa được đốt cháy bằng chất ôxy hóa như oxy lỏng hoặc là axit nitric để tạo nên khối lượng lớn khí rất nóng. Chất oxy hóa hoặc được giữ biệt lập & trộn lẫn trong buồng đốt, hoặc được trộn trước, như với hoả tiễn rắn.

Đôi lúc chất đẩy không bị đốt cháy nhưng vẫn trải qua một phản ứng hóa học & có thể là một chất ‘đơn bào’ ví dụ như hydrazine, nitơ oxit hoặc là hydrogen peroxide đó có thể là xúc tác bị phân hủy thành khí nóng.

Xem Thêm  Hiện tượng siêu trăng tròn tháng 6 tạo bước ngoặt nào cho 12 chòm sao?

không chỉ thế, có thể sử dụng chất đẩy trơ có thể được gia nhiệt bên ngoài, ví dụ như trong hoả tiễn hơi nước, hoả tiễn nhiệt mặt trời hoặc là hoả tiễn nhiệt hạt nhân.[2]

So với hoả tiễn bé hơn, năng suất thấp như bộ đẩy làm chủ thái độ khi năng suất cao là ít thiết yếu hơn, chất lỏng có áp suất được sử dụng làm chất đẩy có thể thoát ra khỏi tàu vũ trụ thông qua một vòi đẩy.[2]

Ngụy biện hoả tiễn con lắc

Trước tiên hoả tiễn nhiên liệu lỏng, được xây dựng bởi Robert H. Goddard, độc đáo đáng kể đối với hoả tiễn hiện đại. Các Động cơ hoả tiễn ở trên cùng & thùng nhiên liệu ở dưới cùng của hoả tiễn,[23] dựa theo niềm tin của Goddard rằng hoả tiễn sẽ đạt được sự ổn định bằng cách “treo” khỏi động cơ như một con lắc trong chuyến cất cánh.[24] Ngoài ra, hoả tiễn chệch hướng & rơi cách xa 184 feet (56 m) trang khởi động,[25] nêu ra rằng hoả tiễn không ổn định hơn một hoả tiễn với động cơ hoả tiễn ở chân đế.[26]

Sử dụng

Hoả tiễn hoặc tương đương khác thiết bị phản ứng Việc đưa theo thuốc phóng riêng phải được sử dụng khi không có chất khác (đất, nước, hoặc không khí) hoặc lực (Trọng tải, từ tính, ánh sáng) Này là một phương tiện có thể được sử dụng hữu dụng cho động cơ đẩy, ví dụ như trong không gian. Trong những trường hợp này, cần phải thực hiện toàn bộ các thuốc phóng được sử dụng.

Ngoài ra, chúng cũng hữu dụng trong các tình huống khác:

Quân đội

Một số vũ khí quân sự sử dụng hoả tiễn để đẩy đầu đạn đến mục tiêu của họ. Hoả tiễn & trọng tải của nó cùng với nhau thường được gọi là khi vũ khí có một hệ thống chỉ dẫn (không phải toàn bộ các hoả tiễn đều sử dụng động cơ hoả tiễn, một số sử dụng động cơ khác như máy cất cánh phản lực) hoặc như một nếu nó không được chỉ dẫn. Chống tăng & hoả tiễn phòng không sử dụng động cơ hoả tiễn để gia nhập vào các mục tiêu ở vận tốc cao ở khoảng cách vài dặm, trong lúc hoả tiễn liên lục địa có thể được sử dụng để phân phối nhiều đầu đạn hạt nhân từ hàng ngàn dặm, & hoả tiễn chống đạn đạo phấn đấu ngăn chặn chúng. Hoả tiễn cũng từng được thí nghiệm thám thính, ví dụ như Hoả tiễn Ping-Pong, được phóng để thăm dò các mục tiêu của đối phương, bên cạnh đó, hoả tiễn trinh sát chưa khi nào được sử dụng rộng rãi trong quân đội.

Khoa học & tìm hiểu

Hoả tiễn tiếng động hay được sử dụng để đưa các thiết bị đo số đọc từ 50 km (31 mi) đến 1.500 km (930 mi) trên mặt phẳng Địa cầu.[27]Các những hình ảnh trước hết về Địa cầu từ ​​không gian được lấy từ một V-2 hoả tiễn năm 1946 (chuyến cất cánh số 13).[28]

Động cơ hoả tiễn cũng được sử dụng để đẩy xe trượt hoả tiễn xuôi theo một đường tàu với vận tốc cực cao. Kỷ lục toàn cầu cho điều đó là Mach 8,5.[29]

Chuyến cất cánh không gian

Hoả tiễn to hơn thường được phóng từ một bệ phóng phân phối suport ổn định cho đến vài giây sau khoảng thời gian đánh lửa. Do tốc độ khí thải cao — 2.500 đến 4.500 m / s (9.000 đến 16.200 km / h; 5.600 đến 10.100 dặm / giờ) – bánh răng đặc biệt hữu dụng khi cần vận tốc rất cao, ví dụ như vận tốc quỹ đạo ở khoảng 7.800 m / s (28.000 km / h; 17.000 dặm / giờ). Tàu vũ trụ mang vào quỹ đạo quỹ đạo trở thành Vệ tinh nhân tạo, được sử dụng cho nhiều mục đích thương mại. Thật vậy, hoả tiễn vẫn là cách duy nhất để phóng phi thuyền vào quỹ đạo & xa hơn nữa.[30] Chúng cũng được sử dụng để tăng tốc lập tức tàu vũ trụ khi chúng biến đổi quỹ đạo hoặc rời quỹ đạo cho đổ bộ. không chỉ thế, hoả tiễn có thể được sử dụng để làm mềm một chiếc dù cứng bay xuống ngay mau chóng trước khi bay xuống (xem dấu ngoặc kép).

Cứu hộ

Hoả tiễn được sử dụng để đẩy một đường dây đến một con tàu thụ động để Phao bơi có thể được sử dụng để giải cứu những người trên tàu. Hoả tiễn cũng được sử dụng để phóng pháo sáng nguy cấp.

Một số hoả tiễn được tổ lái, nhất là Sao Thổ V[31] & Soyuz,[32]khởi động hệ thống thoát hiểm. Đây là một loại hoả tiễn nhỏ, thường rắn, có khả năng kéo phi hành đoàn rời khỏi phương tiện chính về phía an toàn ngay mau chóng. Các loại hệ thống này đã được vận hành nhiều lần, cả trong công cuộc thí nghiệm & cất cánh, & vận hành đúng đắn mỗi lần.

Đây là trường hợp khi Hệ thống bảo đảm an toàn (Danh pháp của Liên Xô) đã rút bỏ thành công viên đạn L3 trong ba trong số bốn lần phóng hoả tiễn mặt trăng của Liên Xô thất bại, N1 xe cộ 3L, 5L & 7L. Trong cả ba trường hợp, viên nang, dù rằng chưa được vặn, đã được cứu khỏi bị phá hủy. Chỉ có ba hoả tiễn N1 nói trên có Hệ thống Bảo đảm An toàn tính năng. Chiếc xe xuất sắc, 6L, có các công đoạn phía trên giả & vì thế không có hệ thống thoát nào đem lại cho bộ tăng cường N1 tỷ lệ thành công 100% khi phóng ra từ một lần phóng không thành công.[33][34][35][36]

1 cuộc trốn thoát thành công của một viên nang có phi hành đoàn xảy ra khi Soyuz T-10, trong một bổ phận cho Salyut 7 trạm không gian, phát nổ trên miếng đệm.[37]

Hoả tiễn rắn đẩy ghế phóng được sử dụng trong nhiều máy cất cánh quân sự để đẩy phi hành đoàn đến nơi an toàn khỏi phương tiện khi mất quyền điều khiển chuyến cất cánh.[38]

Sở thích, thể thao & tiêu khiển

Hoả tiễn mô hình là một hoả tiễn nhỏ được kiến trúc để đạt độ cao thấp (chẳng hạn: 100–500 m (330–1.640 ft) cho mô hình 30 g (1,1 oz)) & được bình phục bằng nhiều phương tiện.

Theo Hoa Kỳ Hiệp hội hoả tiễn đất nước (nar) Mã an toàn,[39] hoả tiễn mô hình được làm bằng giấy, gỗ, nhựa & các Nguyên vật liệu nhẹ khác. Mã này cũng phân phối chỉ dẫn sử dụng động cơ, lựa chọn vị trí khởi chạy, cách thức khởi chạy, địa điểm trình khởi chạy, kiến trúc & triển khai hệ thống khôi phục, v.v. Kể từ đầu những năm 1960, bản sao của Bộ luật an toàn hoả tiễn mẫu đã được phân phối cho đa số các bộ & động cơ hoả tiễn mẫu. Bỏ mặc mối liên hệ vốn có của nó với các chất cực kỳ dễ cháy & các vật thể có đầu nhọn di chuyển ở vận tốc cao, hoả tiễn mô hình đã được minh chứng trong lịch sử[40][41] là một sở thích rất an toàn & đã được ghi nhận là nguồn cảm xúc trọng yếu cho những đứa trẻ cuối cùng trở thành các nhà khoa học & Kỹ sư.[42]

Những người có sở thích chế tác & cất cánh nhiều loại hoả tiễn mô hình. Nhiều công ty du học sản xuất các bộ & phòng ban hoả tiễn mô hình nhưng do tính dễ dàng vốn có của chúng, một số người có sở thích đã biết chế tác hoả tiễn từ đa số mọi thứ. Hoả tiễn cũng được sử dụng trong một số loại hình gia dụng & chuyên nghiệp bắn pháo bông. A hoả tiễn nước là một loại hoả tiễn mô hình sử dụng nước làm khối lượng phản ứng của nó. Bình tích áp (động cơ của hoả tiễn) thường là lọ nước ngọt bằng nhựa Like New 99%. Nước được ép ra ngoài bằng khí có áp, thường là khí nén. Nó là một chẳng hạn về định luật chuyển động thứ ba của Newton.

Quy mô của hoả tiễn nghiệp dư có thể từ một hoả tiễn nhỏ phóng ở sân sau của bản thân mình đến một hoả tiễn vươn tới không gian.[43] Hoả tiễn nghiệp dư được chia thành ba loại theo tổng động cơ tác động: công suất thấp, công suất bình quân & năng lượng cao.

Hydrogen peroxide hoả tiễn được sử dụng để phân phối năng lượng gói máy cất cánh phản lực,[44] & đã được sử dụng để phân phối năng lượng ô tô & một chiếc xe hoả tiễn giữ mọi niên đại (dù rằng không chính thức) đua moto kéo ghi lại.[45]

Gốc cây là hoả tiễn phi thương mại mạnh nhất từng được phóng trên một Aerotech ở Vương quốc Anh.

Chuyến cất cánh

Khởi chạy cho quỹ đạo không gian, hoặc vào không gian liên hành tinh, thường là từ một địa điểm cố định trên mặt đất, nhưng cũng có thể từ máy cất cánh hoặc tàu.

Các công nghệ phóng hoả tiễn bao gồm toàn thể tập hợp các hệ thống thiết yếu để phóng thành công một phương tiện, không những chính phương tiện này mà còn hệ thống điều khiển bắn, trọng tâm làm chủ bổ phận, bệ phóng, trạm mặt đất& trạm theo dõi thiết yếu để khởi chạy hoặc khôi phục thành công hoặc cả hai. Chúng thường được gọi chung là “phân khúc mặt đất“.

Quỹ đạo phóng xe thường bay theo chiều thẳng đứng, & sau đó khởi đầu nghiêng dần về phía sau, thường là theo trọng tải quay quỹ đạo.

Khi đã ở trên phần nhiều bầu khí quyển, chiếc xe sau đó sẽ nghiêng tia phản lực hoả tiễn, hướng nó phần nhiều theo chiều ngang nhưng hơi hướng xuống dưới, điều này cho phép chiếc xe tăng & sau đó duy trì độ cao trong lúc tăng vận tốc ngang. Khi vận tốc tăng dần, xe sẽ ngày càng nằm ngang cho đến khi ở vận tốc quỹ đạo, động cơ sẽ ngắt.

Toàn bộ các loại xe lúc này , nghĩa là, loại bỏ Hartware trên đường lên quỹ đạo. Mặc du phương tiện đã được đề nghị mà có thể đạt đến quỹ đạo mà không cần dàn dựng, chưa từng được xây dựng &, nếu chỉ được phân phối bởi hoả tiễn, yêu cầu nhiên liệu ngày càng tăng theo cấp số nhân của một chiếc xe như thế sẽ khiến cho tải trọng hữu dụng của nó trở nên nhỏ tuổi hoặc không tồn tại. Đa phần các phương tiện phóng lúc này & lịch sử đều “tiêu tốn” Hartware máy cất cánh phản lực của họ, thường là cho phép nó lao xuống biển, nhưng một số đã khôi phục & sử dụng lại Hartware máy cất cánh phản lực, bằng dù hoặc bằng cách bay xuống đẩy.

Sri Lanka

đất đai.

Đường cất cánh được gắn thẻ của Google khi khởi chạy PSLV để tránh các góc nghiêng cựcđất đai.

Khi phóng tàu vũ trụ lên quỹ đạo, một “dogleg”là một chuyển hướng được suport, có chỉ dẫn trong công đoạn cất cánh lên khiến cho đường cất cánh của hoả tiễn lệch khỏi đường” thẳng “. Phải có một đầu cắm nếu phương vị phóng mong đợi, để đạt được độ nghiêng quỹ đạo mong đợi, sẽ thực hiện đường đất trên đất liền (hoặc qua khu vực đông cư dân, chẳng hạn: Nga thường phóng trên đất liền, nhưng trên các khu vực không có cư dân) hoặc nếu hoả tiễn đang phấn đấu tiếp cận một máy cất cánh quỹ đạo không đạt vĩ độ của website khởi chạy. Dogle không mong đợi do cần thêm nhiên liệu trên tàu, gây tải nặng hơn & giảm năng suất của xe.[46][47]

Tiếng ồn

Công nhân & giới truyền thông nhìn thấy ​​cuộc thí nghiệm Hệ thống nước triệt tiêu tiếng động tại Bệ phóng 39A

Khí thải hoả tiễn tạo nên một lượng năng lượng tiếng động đáng kể. Như siêu tiếng động khí thải va chạm với không khí chung quanh, sóng xung kích được tạo dựng. Các cường độ tiếng động từ các sóng xung kích này lệ thuộc vào kích cỡ của hoả tiễn cũng như tốc độ xả. Cường độ tiếng động của hoả tiễn lớn, năng suất cao có thể gây qua đời ở cự ly gần.[48]

Các Tàu con thoi tạo nên 180 dB tiếng ồn chung quanh nền tảng của nó.[49] Để chống lại điều này, NASA đã tiến triển một hệ thống ngăn chặn tiếng động có thể chảy nước với vận tốc lên đến 900.000 gallon mỗi phút (57 m3/ s) lên bệ phóng. Nước làm giảm độ ồn từ 180 dB xuống 142 dB (yêu cầu kiến trúc là 145 dB).[50] Còn nếu không có hệ thống triệt tiêu tiếng động, sóng âm sẽ phản xạ khỏi bệ phóng về phía hoả tiễn, làm rung chuyển tải trọng nhạy cảm & phi hành đoàn. Những sóng âm này có thể rất cực kỳ nghiêm trọng để làm hỏng hoặc phá hủy hoả tiễn.

Tiếng ồn nói chung là dữ dội nhất khi hoả tiễn ở gần mặt đất, vì tiếng ồn từ động cơ phát ra từ máy cất cánh phản lực, cũng như phản xạ khỏi mặt đất. Tiếng ồn này có thể được giảm thiểu phần nào bằng các rãnh lửa có mái che, bằng cách phun nước chung quanh máy cất cánh phản lực & bằng cách làm chệch hướng máy cất cánh phản lực một góc.[48]

So với hoả tiễn có phi hành đoàn, các cách thức khác nhau được sử dụng để giảm cường độ tiếng động cho hành khách, & điển hình là việc sắp đặt các phi hành gia ở xa động cơ hoả tiễn sẽ giúp ích đáng kể. So với hành khách & phi hành đoàn, khi một chiếc xe đi siêu tiếng động tiếng động bị ngắt do sóng âm không còn theo kịp với xe.[48]

Vật lý

Hoạt động

Một quả bóng cất cánh có vòi nhỏ. Trong trường hợp này, bản thân vòi phun không đẩy quả bóng cất cánh mà được kéo bởi nó. Một vòi phun hội tụ / phân kỳ sẽ tốt hơn.

Các hiệu ứng Tiến trình đốt cháy chất đẩy trong động cơ hoả tiễn là làm tăng nội năng của các khí tạo nên, tận dụng năng lượng hóa học dự phòng trong nhiên liệu.[] Khi nội năng tăng, áp suất tăng & một vòi phun được sử dụng để chuyển năng lượng này thành động năng có hướng. Điều này tạo nên lực đẩy chống lại môi trường chung quanh mà các khí này được giải phóng.[] Hướng chuyển động lý tưởng của ống xả là hướng để gây ra lực đẩy. Ở đầu trên cùng của buồng đốt, chất lỏng khí nóng, năng lượng chẳng thể di chuyển về phía trước, & vì thế, nó đẩy lên trên đối với đỉnh của động cơ hoả tiễn buồng đốt. Khi khí cháy tiến gần lối ra của buồng đốt, chúng sẽ tăng vận tốc. Công dụng của hội tụ một phần của vòi phun động cơ hoả tiễn vào chất lỏng áp suất cao của khí cháy, là khiến cho khí tăng vận tốc cao. Vận tốc của khí càng lớn thì áp suất của khí càng giảm (nguyên lý của Bernoulli hoặc là bảo toan năng lượng) công dụng lên phần đó của buồng đốt. Trong động cơ được kiến trúc thích hợp, lưu lượng sẽ đạt Mach 1 tại họng vòi phun. Tại thời điểm đó vận tốc của dòng chảy tăng trưởng. Bên ngoài cổ họng của vòi phun, một phòng ban co giãn hình chuông của động cơ cho phép các khí đang co giãn đẩy vào phòng ban đó của động cơ hoả tiễn. Do vậy, phần chuông của vòi phun tạo thêm lực đẩy. Nói một cách dễ dàng, so với mọi hành động đều có phản ứng đồng đẳng & trái lại, theo Định luật thứ ba của Newton với kết quả là các khí thoát ra tạo nên phản ứng của một lực lên hoả tiễn khiến nó tăng tốc hoả tiễn.[51][nb 2]

Lực đẩy của hoả tiễn là do áp suất công dụng lên cả buồng đốt & vòi phun

Trong một buồng kín, áp suất theo mỗi hướng bằng nhau & không xảy ra gia tốc. Nếu có một lỗ hở ở dưới cùng của buồng thì áp suất không còn ảnh hưởng lên phần bị thiếu. Khe hở này cho phép khí thải thoát ra ngoài. Các áp suất sót lại tạo nên một lực đẩy về phía đối mặt với lỗ mở, & những căng thẳng đó là thứ đẩy hoả tiễn đi theo.

Hình dạng của vòi phun là trọng yếu. Hãy xem một quả bóng cất cánh được đẩy bằng không khí đi ra từ một vòi nhỏ. Trong trường hợp này, sự phối hợp giữa áp suất không khí & ma sát nhớt sao cho vòi phun không đẩy quả bóng cất cánh nhưng bởi nó.[53] Sử dụng vòi phun hội tụ / phân kỳ sẽ tạo nên nhiều lực hơn vì ống xả cũng ép lên nó khi nó mở rộng ra bên ngoài, hầu hết tăng gấp đôi tổng lực. Nếu khí đẩy liên tục được bổ sung vào buồng thì các áp suất này có thể được duy trì trong thời gian chất đẩy vẫn còn. Note rằng trong trường HĐ cơ đẩy chất lỏng, các máy bơm di chuyển chất đẩy vào buồng đốt phải duy trì áp suất to hơn áp suất buồng đốt – thường là theo bậc 100 atm.[2]

Như một công dụng phụ, những căng thẳng này lên hoả tiễn cũng ảnh hưởng lên ống xả theo hướng trái lại & đẩy ống xả này lên vận tốc rất cao (theo Định luật thứ ba của Newton).[2] Từ phép tắc của bảo toàn động lượng Vận tốc xả của hoả tiễn quyết định mức độ tăng động lượng được tạo nên so với một lượng thuốc phóng khẳng định. Đây được gọi là hoả tiễn của .[2] Bởi vì hoả tiễn, thuốc phóng & khí thải trong công cuộc cất cánh, không có bất kỳ ảnh hưởng bên ngoài nào, có thể được xem như là một hệ thống kín, tổng động lượng luôn không đổi. Do vậy, vận tốc thực của khí thải theo 1 hướng càng nhanh thì vận tốc hoả tiễn có thể đạt được theo hướng trái lại càng lớn. Điều này đặc biệt đúng vì khối lượng của thân hoả tiễn thường thấp hơn nhiều đối với tổng khối lượng khí thải cuối cùng.

Lực lượng hoả tiễn đang cất cánh

Lực lượng hoả tiễn đang cất cánh

Tìm hiểu chung về lực lượng trên hoả tiễn là một phần của ngành nghề đạn đạo. Tàu vũ trụ được tìm hiểu sâu hơn trong ngành nghề con của chiêm tinh học.

Hoả tiễn cất cánh chính yếu bị tác động bởi những điều sau:[54]

không chỉ thế, quán tính & lực giả ly tâm có thể đáng kể do đường đi của hoả tiễn quanh tâm của một thiên thể; khi đạt được vận tốc đủ cao theo đúng hướng & độ cao thì quỹ đạo hoặc là tốc độ thoát nhận được.

Những lực này, với một đuôi ổn định ( ) ý chí lúc này, trừ khi các cố gắng làm chủ có chủ ý được thực hiện, tự nhiên khiến cho chiếc xe đuổi theo hình parabol quỹ đạo gọi là a trọng tải quay& quỹ đạo này hay được sử dụng ít nhất trong phần đầu của lần phóng. (Điều này đúng ngay cả khi động cơ hoả tiễn được lắp ở mũi.) Do vậy, các phương tiện có thể duy trì mức thấp hoặc thậm chí bằng không góc tấn công, cắt giảm chiều ngang nhấn mạnh trên khởi động xe, cho phép khởi động một chiếc xe yếu hơn & vì thế nhẹ hơn.[55][56]

Kéo

Lực kéo là lực ngược với hướng chuyển động của hoả tiễn đối với bất kỳ không khí nào mà nó đang đi qua. Điều này làm chậm vận tốc của xe & tạo nên trọng tải cho cấu trúc. Lực giảm tốc so với hoả tiễn di chuyển nhanh được tính bằng cách dùng phương trình kéo.

Có thể cắt giảm lực kéo bằng khí động học mũi nón & bằng cách dùng hình dạng có hệ số đạn đạo (hình dạng hoả tiễn “cổ điển” — dài & mỏng) & bằng cách giữ cho hoả tiễn góc tấn công chậm nhất có thể.

Trong lúc phóng, khi vận tốc xe tăng trưởng & bầu khí quyển mỏng đi, có 1 điểm lực cản khí động học tối đa được gọi là tối đa Q. Điều này xác nhận sức mạnh khí động học tối thiểu của phương tiện, vì hoả tiễn phải tránh vênh váo dưới các lực này.[57]

Lực đẩy ròng

Để có mô hình cụ thể hơn về lực đẩy thực của động cơ hoả tiễn bao gồm ảnh hưởng của áp suất khí quyển, hãy xem Động cơ hoả tiễn § Lực đẩy tịnh

  • Không được mở rộng
  • Mở rộng lý tưởng
  • Mở rộng quá mức
  • Mở rộng quá mức

Hình dạng phản lực hoả tiễn biến đổi dựa theo áp suất không khí bên ngoài. Từ đầu đến cuối:

Một động cơ hoả tiễn điển hình có thể giải quyết một phần đáng kể khối lượng của chính nó trong chất đẩy mỗi giây, với chất đẩy rời vòi phun với vận tốc vài km / giây. Điều này có nghĩa là tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng của một động cơ hoả tiễn & thường là toàn thể phương tiện có thể rất cao, trong những trường hợp cực đoan trên 100. Điều này đối với các động cơ đẩy phản lực khác có thể vượt quá 5 so với một số[58] động cơ.[59]

Có thể chứng tỏ rằng lực đẩy thuần của hoả tiễn là:

F n = m ˙ v e {displaystyle F_ {n} = {dot {m}}; v_ {e}}

[2]:

2–14

Ở đâu:

m ˙ = {displaystyle {dot {m}} =,}

lưu lượng đẩy (kg / s hoặc lb / s)

v e = {displaystyle v_ {e} =,}

các tốc độ xả hiệu quả (m / s hoặc ft / s)

Vận tốc xả hiệu quả v e {displaystyle v_ {e}} nhiều hơn hoặc ít hơn vận tốc khí thải rời khỏi xe, & trong khoảng chân không, tốc độ xả hiệu dụng thường bằng vận tốc xả bình quân thực tiễn xuôi theo trục đẩy. Ngoài ra, vận tốc xả hiệu quả cho phép có nhiều tổn thất khác nhau, & đáng Note là giảm khi vận hành trong môi trường khí quyển.

Vận tốc dòng khí đẩy qua động cơ hoả tiễn thường được biến đổi một cách có chủ ý trong một chuyến cất cánh, để phân phối cách làm chủ lực đẩy & vì thế vận tốc không khí của phương tiện. Chẳng hạn, điều này cho phép cắt giảm tổn thất khí động học[57] & có thể giới hạn sự tăng trưởng của -củng cố do giảm trọng tải thuốc phóng.

Tổng xung động

Xung lực được khái niệm là một lực công dụng lên một vật thể theo thời gian, mà khi không có lực đối nghịch (lực cuốn hút & lực cản khí động học), sẽ làm biến đổi Quán tính (tích phân khối lượng & tốc độ) của vật. Do vậy, nó là chỉ số loại năng suất tốt nhất (khối lượng tải trọng & khả năng tốc độ đầu cuối) của hoả tiễn, hơn là lực đẩy bay, khối lượng hoặc “sức mạnh”. Tổng xung lực của một hoả tiễn (công đoạn) đốt cháy chất đẩy của nó là:[2]:27

Tôi = ∫ F d t {displaystyle I = int Fdt}

Khi có lực đẩy cố định, điều này dễ dàng là:

Tôi = F t {displaystyle I = Ft;}

Tổng xung của hoả tiễn nhiều tầng là tổng xung của các công đoạn riêng rẽ.

Xung lực rõ ràng

Như có thể thấy từ phương trình lực đẩy, vận tốc hiệu dụng của ống xả làm chủ lượng lực đẩy được tạo nên từ một lượng nhiên liệu rõ ràng được đốt cháy trong một giây.

Một phép đo tương tự, xung lực thực trên một nhà cung cấp trọng lượng của chất đẩy được đẩy ra, được gọi là Xung lực rõ ràng, Tôi S p {displaystyle I_ {sp}}, & đây là một trong những số liệu trọng yếu nhất miêu tả năng suất của hoả tiễn. Nó được khái niệm sao cho nó liên quan đến tốc độ xả hiệu quả bằng:

v e = Tôi S p ⋅ g 0 {displaystyle v_ {e} = I_ {sp} cdot g_ {0}}

[2]:

29

Ở đâu:

Tôi S p {displaystyle I_ {sp}}

có nhà cung cấp giây

g 0 {displaystyle g_ {0}}

là gia tốc ở mặt phẳng Địa cầu

Như thế, xung lực riêng càng lớn thì lực đẩy thực & năng suất của động cơ càng lớn. Tôi S p {displaystyle I_ {sp}} được xác nhận bằng phép đo trong lúc thử động cơ. Trong thực tiễn, tốc độ xả hiệu quả của hoả tiễn khác nhau nhưng có thể rất cao, ~ 4500 m / s, khoảng 15 lần vận tốc tiếng động trong không khí của mực nước biển.

Delta-v (phương trình hoả tiễn)

Các delta-v Công suất của hoả tiễn là tổng tốc độ biến đổi theo lý thuyết mà hoả tiễn có thể đạt được mà không có bất kỳ sự can thiệp nào từ bên ngoài (không có lực cản của không khí hoặc trọng tải hoặc các lực khác).

Bao giờ v e {displaystyle v_ {e}} là hằng số, delta-v mà phương tiện hoả tiễn có thể phân phối có thể được tính toán từ Phương trình hoả tiễn Tsiolkovsky:[63]

Δ v   = v e ln ⁡ m 0 m 1 {displaystyle Delta v = v_ {e} ln {frac {m_ {0}} {m_ {1}}}}

Ở đâu:

m 0 {displaystyle m_ {0}}

là tổng khối lượng ban đầu, bao gồm cả chất đẩy, tính bằng kg (hoặc lb)

m 1 {displaystyle m_ {1}}

là tổng khối lượng cuối cùng tính bằng kg (hoặc lb)

v e {displaystyle v_ {e}}

là tốc độ xả hiệu quả tính bằng m / s (hoặc ft / s)

Δ v   {displaystyle Delta v}

là delta-v tính bằng m / s (hoặc ft / s)

Khi phóng từ địa cầu, thực tiễn delta-vs so với một hoả tiễn duy nhất đưa theo tải trọng có thể là vài km / s. Một số kiến trúc lý thuyết có hoả tiễn với vận tốc delta-vs trên 9 km / s.

Delta-v yêu cầu cũng có thể được tính toán cho một thao tác rõ ràng; chẳng hạn như delta-v để phóng từ mặt phẳng Địa cầu tới Quỹ đạo địa cầu thấp là khoảng 9,7 km / s, cho chiếc xe với vận tốc nghiêng khoảng 7,8 km / s ở độ cao khoảng 200 km. Trong chế độ này, khoảng 1,9 km / s bị mất trong dây khí cầu, lực cuốn hút & tăng độ cao.

Tỉ lệ m 0 m 1 {displaystyle {frac {m_ {0}} {m_ {1}}}} đôi lúc được gọi là .

Tỷ lệ khối lượng

Phương trình hoả tiễn Tsiolkovsky đặt ra mối quan hệ giữa tỷ lệ khối lượng & tốc độ cuối cùng theo bội số của vận tốc khí thải

Hầu hết toàn thể khối lượng của một phương tiện phóng bao gồm thuốc phóng.[64] Tỷ lệ khối lượng, so với bất kỳ ‘đốt cháy’ nào, là tỷ số giữa khối lượng ban đầu của hoả tiễn & khối lượng cuối cùng của nó.[65] Mọi thứ khác đều bằng nhau, tỷ lệ khối lượng cao là mong đợi để có năng suất tốt, vì nó nêu ra rằng hoả tiễn nhẹ & vì thế hoạt động tốt hơn, về căn bản cùng những nguyên nhân mà trọng lượng thấp là mong đợi trong xe thể thao.

Hoả tiễn là nhóm có giá trị cao nhất tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng của bất kỳ loại động cơ nào; & điều này giúp xe đạt được tỷ lệ khối lượng, giúp cải tổ năng suất của các chuyến cất cánh. Tỷ lệ này càng cao thì khối lượng động cơ cần được chở càng ít. Điều này cho phép đưa theo nhiều chất đẩy hơn, cải tổ đáng kể delta-v. không chỉ thế, một số hoả tiễn như cho các cốt chuyện giải cứu hoặc đua moto đưa theo tương đối ít chất đẩy & tải trọng, vì thế chỉ cần một cấu tạo nhẹ & thay vào đó đạt được vận tốc cao. Chẳng hạn, hệ thống thoát hiểm Soyuz có thể tạo nên 20.[32]

Tỷ lệ khối lượng có thể đạt được lệ thuộc nhiều vào nhiều yếu tố như loại chất đẩy, kiến trúc của động cơ xe sử dụng, biên độ an toàn của cấu trúc & kỹ thuật xây dựng.

Tỷ lệ khối lượng cao nhất thường đạt được với hoả tiễn lỏng & những loại này hay được sử dụng cho phương tiện phóng quỹ đạo, một tình huống đòi hỏi một vùng đồng bằng cao-v. Thuốc phóng dạng lỏng thường có mật độ cũng giống như nước (với các ngoại lệ đáng Note là hydro lỏng & mêtan lỏng), & những loại này có thể sử dụng các bình chứa nhẹ, áp suất thấp & thường chạy năng suất cao tuốc bin phản lực để ép chất đẩy vào buồng đốt.

Một số phần khối lượng đáng Note được tìm ra trong bảng sau (một số máy cất cánh được bao gồm cho mục đích so sánh):

Dàn dựng

Việc dàn dựng tàu vũ trụ liên quan tới việc thả các phòng ban không thiết yếu của hoả tiễn để giảm khối lượng.

Cho đến nay, tốc độ thiết yếu (delta-v) để đạt được quỹ đạo đã không đạt được bởi bất kỳ hoả tiễn đơn lẻ nào vì thuốc phóng, bồn chứa, cấu tạo, chỉ dẫn, van & động cơ, v.v., lấy một tỷ lệ % khối lượng bay tối thiểu rõ ràng quá lớn so với chất đẩy mà nó đưa theo để đạt được mức delta-v đưa tải trọng hợp lý. Từ Một công đoạn đến quỹ đạo cho đến nay vẫn chưa thể đạt được, hoả tiễn quỹ đạo luôn có nhiều hơn một công đoạn.

Chẳng hạn, công đoạn trước hết của Saturn V, đưa trọng lượng của các tầng trên, có thể đạt được tỷ lệ khối lượng trong khoảng 10, & đạt được xung rõ ràng là 263 giây. Điều này cho phép delta-v vào khoảng 5,9 km / s trong lúc delta-v khoảng 9,4 km / s là thiết yếu để đạt được quỹ đạo với toàn bộ các tổn thất cho phép.

Vấn đề này thường được khắc phục bằng dàn dựng—the rocket sheds excess weight (usually empty tankage and associated engines) during launch. Staging is either where the rockets light after the previous stage has fallen away, or , where rockets are burning together and then detach when they burn out.[71]

The maximum speeds that can be achieved with staging is theoretically limited only by the speed of light. However the payload that can be carried goes down geometrically with each extra stage needed, while the additional delta-v for each stage is simply additive.

Acceleration and thrust-to-weight ratio

From Newton’s second law, the acceleration, a {displaystyle a}, of a vehicle is simply:

a = F n m {displaystyle a={frac {F_{n}}{m}}}

Ở đâu m is the instantaneous mass of the vehicle and F n {displaystyle F_ {n}} is the net force acting on the rocket (mostly thrust, but air drag and other forces can play a part).

As the remaining propellant decreases, rocket vehicles become lighter and their acceleration tends to increase until the propellant is exhausted. This means that much of the speed change occurs towards the end of the burn when the vehicle is much lighter.[2] However, the thrust can be throttled to offset or vary this if needed. Discontinuities in acceleration also occur when stages burn out, often starting at a lower acceleration with each new stage firing.

Peak accelerations can be increased by designing the vehicle with a reduced mass, usually achieved by a reduction in the fuel load and tankage and associated structures, but obviously this reduces range, delta-v and burn time. Still, for some applications that rockets are used for, a high peak acceleration applied for just a short time is highly desirable.

The minimal mass of vehicle consists of a rocket engine with minimal fuel and structure to carry it. Trong trường hợp đó tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng[nb 3] of the rocket engine limits the maximum acceleration that can be designed. It turns out that rocket engines generally have truly excellent thrust to weight ratios (137 for the NK-33 động cơ;[72] some solid rockets are over 1000[2]:442), and nearly all really cao g vehicles employ or have employed rockets.

The high accelerations that rockets naturally possess means that rocket vehicles are often capable of bay thẳng đứng, and in some cases, with suitable guidance and control of the engines, also vertical landing. For these operations to be done it is necessary for a vehicle’s engines to provide more than the local gia tốc trọng trường.

Năng lượng

Năng suất năng lượng

Khởi động xe take-off with a great deal of flames, noise and drama, and it might seem obvious that they are grievously inefficient. However, while they are far from perfect, their energy efficiency is not as bad as might be supposed.

The energy density of a typical rocket propellant is often around one-third that of conventional hydrocarbon fuels; the bulk of the mass is (often relatively inexpensive) oxidizer. Nevertheless, at take-off the rocket has a great deal of energy in the fuel and oxidizer stored within the vehicle. It is of course desirable that as much of the energy of the propellant end up as động học hoặc là năng lượng tiềm năng of the body of the rocket as possible.

Energy from the fuel is lost in air drag and gravity drag and is used for the rocket to gain altitude and speed. However, much of the lost energy ends up in the exhaust.[2]:37–38

In a chemical propulsion device, the engine efficiency is simply the ratio of the kinetic power of the exhaust gases and the power available from the chemical reaction:[2]:37–38

η c = 1 2 m ˙ v e 2 η c o m b u S t Tôi o n P c h e m {displaystyle eta _{c}={frac {{frac {1}{2}}{dot {m}}v_{e}^{2}}{eta _{combustion}P_{chem}}}}

100% efficiency within the engine (engine efficiency η c = 100 % {displaystyle eta _{c}=100%}) would mean that all the heat energy of the combustion products is converted into kinetic energy of the jet. This is not possible, but the near-adiabatic high expansion ratio nozzles that can be used with rockets come surprisingly close: when the nozzle expands the gas, the gas is cooled and accelerated, and an energy efficiency of up to 70% can be achieved. Most of the rest is heat energy in the exhaust that is not recovered.[2]:37–38 The high efficiency is a consequence of the fact that rocket combustion can be performed at very high temperatures and the gas is finally released at much lower temperatures, and so giving good Carnot hiệu quả.

However, engine efficiency is not the whole story. In common with the other jet-based engines, but particularly in rockets due to their high and typically fixed exhaust speeds, rocket vehicles are extremely inefficient at low speeds irrespective of the engine efficiency. The problem is that at low speeds, the exhaust carries away a huge amount of động năng rearward. This phenomenon is termed propulsive efficiency ( η p {displaystyle eta _ {p}}).[2]:37–38

However, as speeds rise, the resultant exhaust speed goes down, and the overall vehicle energetic efficiency rises, reaching a peak of around 100% of the engine efficiency when the vehicle is travelling exactly at the same speed that the exhaust is emitted. In this case the exhaust would ideally stop dead in space behind the moving vehicle, taking away zero energy, and from conservation of energy, all the energy would end up in the vehicle. The efficiency then drops off again at even higher speeds as the exhaust ends up traveling forwards – trailing behind the vehicle.

Plot of instantaneous propulsive efficiency (blue) and overall efficiency for a rocket accelerating from rest (red) as percentages of the engine efficiency

From these principles it can be shown that the propulsive efficiency η p {displaystyle eta _ {p}} for a rocket moving at speed u {displaystyle u} với một tốc độ xả c {displaystyle c} Là:

η p = 2 u c 1 + ( u c ) 2 {displaystyle eta _{p}={frac {2{frac {u}{c}}}{1+({frac {u}{c}})^{2}}}}

[2]:

37–38

And the overall (instantaneous) energy efficiency η {displaystyle eta} Là:

η = η p η c {displaystyle eta =eta _{p}eta _{c}}

For example, from the equation, with an η c {displaystyle eta _ {c}} of 0.7, a rocket flying at Mach 0.85 (which most aircraft cruise at) with an exhaust velocity of Mach 10, would have a predicted overall energy efficiency of 5.9%, whereas a conventional, modern, air-breathing jet engine achieves closer to 35% efficiency. Thus a rocket would need about 6x more energy; and allowing for the specific energy of rocket propellant being around one third that of conventional air fuel, roughly 18x more mass of propellant would need to be carried for the same journey. This is why rockets are rarely if ever used for general aviation.

Since the energy ultimately comes from fuel, these considerations mean that rockets are mainly useful when a very high speed is required, such as ICBM hoặc là phóng quỹ đạo. Chẳng hạn, NASA‘S tàu con thoi fires its engines for around 8.5 minutes, consuming 1,000 tonnes of solid propellant (containing 16% aluminium) and an additional 2,000,000 litres of liquid propellant (106,261 kg of hydro lỏng fuel) to lift the 100,000 kg vehicle (including the 25,000 kg payload) to an altitude of 111 km and an orbital tốc độ of 30,000 km/h. At this altitude and velocity, the vehicle has a kinetic energy of about 3 TJ and a potential energy of roughly 200 GJ. Given the initial energy of 20 TJ,[nb 4] the Space Shuttle is about 16% energy efficient at launching the orbiter.

Thus jet engines, with a better match between speed and jet exhaust speed (such as turbofans—in spite of their worse η c {displaystyle eta _ {c}})—dominate for subsonic and supersonic atmospheric use, while rockets work best at hypersonic speeds. On the other hand, rockets serve in many short-range low speed military applications where their low-speed inefficiency is outweighed by their extremely high thrust and hence high accelerations.

Hiệu ứng Oberth

One subtle feature of rockets relates to energy. A rocket stage, while carrying a given load, is capable of giving a particular delta-v. This delta-v means that the speed increases (or decreases) by a particular amount, independent of the initial speed. Ngoài ra, vì động năng is a square law on speed, this means that the faster the rocket is travelling before the burn the more năng lượng quỹ đạo it gains or loses.

This fact is used in interplanetary travel. It means that the amount of delta-v to reach other planets, over and above that to reach escape velocity can be much less if the delta-v is applied when the rocket is travelling at high speeds, close to the Earth or other planetary surface; whereas waiting until the rocket has slowed at altitude multiplies up the effort required to achieve the desired trajectory.

Safety, reliability and accidents

The reliability of rockets, as for all physical systems, is dependent on the quality of engineering thiết kế and construction.

Because of the enormous chemical energy in rocket propellants (greater energy by weight than explosives, but lower than xăng), consequences of accidents can be severe. Most space missions have some problems.[73] Năm 1986, sau Thảm họa tàu con thoi Challenger, Nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman, đã phục vụ trên Ủy ban Rogers, estimated that the chance of an unsafe condition for a launch of the Shuttle was very roughly 1%;[74] more recently the historical per person-flight risk in orbital spaceflight has been calculated to be around 2%[75] or 4%.[76]

Costs and economics

The costs of rockets can be roughly divided into propellant costs, the costs of obtaining and/or producing the ‘dry mass’ of the rocket, and the costs of any required support equipment and facilities.[77]

Most of the takeoff mass of a rocket is normally propellant. However propellant is seldom more than a few times more expensive than gasoline per kilogram (as of 2009 gasoline was about $1/kg [$0.45/lb] or less), and although substantial amounts are needed, for all but the very cheapest rockets, it turns out that the propellant costs are usually comparatively small, although not completely negligible.[77] With liquid oxygen costing $0.15 per kilogram ($0.068/lb) and liquid hydrogen $2.20/kg ($1.00/lb), the Tàu con thoi in 2009 had a liquid propellant expense of approximately $1.4 million for each launch that cost $450 million from other expenses (with 40% of the mass of propellants used by it being liquids in the thùng nhiên liệu bên ngoài, 60% solids in the SRBs).[78][79][80]

Even though a rocket’s non-propellant, dry mass is often only between 5–20% of total mass,[81] nevertheless this cost dominates. For hardware with the performance used in orbital phóng xe, expenses of $2000–$10,000+ per kilogram of trọng lượng khô are common, primarily from engineering, fabrication, and testing; raw materials amount to typically around 2% of total expense.[82][83] For most rockets except reusable ones (shuttle engines) the engines need not function more than a few minutes, which simplifies thiết kế.

Extreme performance requirements for rockets reaching orbit correlate with high cost, including intensive quality control to ensure reliability despite the limited các yếu tố an toàn allowable for weight reasons.[83] Components produced in small numbers if not individually machined can prevent amortization of Rvàamp;D and facility costs over mass production to the degree seen in more pedestrian manufacturing.[83] Amongst liquid-fueled rockets, complexity can be influenced by how much hardware must be lightweight, like pressure-fed engines can have two orders of magnitude lesser part count than pump-fed engines but lead to more weight by needing greater tank pressure, most often used in just small maneuvering thrusters as a consequence.[83]

To change the preceding factors for orbital launch vehicles, proposed methods have included mass-producing simple rockets in large quantities or on large scale,[77] hoặc đang tiến triển reusable rockets meant to fly very frequently to amortize their up-front expense over many payloads, or reducing rocket performance requirements by constructing a phóng không hoả tiễn system for part of the velocity to orbit (or all of it but with most methods involving some rocket use).

The costs of support equipment, range costs and launch pads generally scale up with the size of the rocket, but vary less with launch rate, and so may be considered to be approximately a fixed cost.[77]

Rockets in applications other than launch to orbit (such as military rockets and rocket-assisted take off), commonly not needing comparable performance and sometimes mass-produced, are often relatively inexpensive.

2010s emerging private competition

Since the early 2010s, new private options for obtaining spaceflight services emerged, bringing substantial price pressure into the existing market.[84][85][86][87]

Tìm hiểu thêm

Chú thích

  1. ^, first attested in 1566 (OED), adopted from the Italian term, given due to the similarity in shape to the bobbin or spool used to hold the thread to be fed to a spinning wheel. The modern Italian term is .

    Tiếng Anh, first attested in 1566 (OED), adopted from the Italian term, given due to the similarity in shape to the bobbin or spool used to hold the thread to be fed to a spinning wheel. The modern Italian term is

  2. ^[52]

    “If you have ever seen a big fire hose spraying water, you may have noticed that it takes a lot of strength to hold the hose (sometimes you will see two or three firefighters holding the hose). The hose is acting like a rocket engine. The hose is throwing water in one direction, and the firefighters are using their strength and weight to counteract the reaction. If they were to let go of the hose, it would thrash around with tremendous force. If the firefighters were all standing on skateboards, the hose would propel them backward at great speed!”

  3. ^

    F/Wg

    is a dimensionless parameter that is identical to the acceleration of the rocket propulsion system (expressed in multiples of

    g0

    ) … in a gravity-free vacuum”[2]:

    442

    “thrust-to-weight ratiois a dimensionless parameter that is identical to the acceleration of the rocket propulsion system (expressed in multiples of) … in a gravity-free vacuum”

  4. ^

    The energy density is 31MJ per kg for aluminum and 143 MJ/kg for liquid hydrogen, this means that the vehicle consumes around 5 TJ of solid propellant and 15 TJ of hydrogen fuel.

Cơ quan chủ quản

Trang thông tin

By ads_law

Trả lời