Частина 2 - Втеча з привабливості Землі

На даний момент людина може вийти в космос лише на борту ракети або космічного човника, і знову ж таки необхідно надати космічному кораблю достатню швидкість, щоб він міг врятуватися від земного потягу. Але швидкість - це не все, ми також спробуємо розмістити наш космічний корабель на орбіті навколо планети, відмінної від Землі.

1. Вийти з атмосфери

Як нам вийти з атмосфери? Це набагато легше сказати, ніж зробити. Для того, щоб мати можливість вийти з атмосфери і знову увійти в «космос», нам слід спочатку відійти від тяги землі, від сили тяжіння, яка пришпилює нас до землі. Оскільки ми досить довго божеволіли від висоти і були добре проінформовані про все це, наш космічний корабель повинен досягти певної швидкості, щоб позбутися цієї сили тяжіння. Ця швидкість настільки важлива, що ми дали їй назву: це швидкість випуску.

Перш ніж говорити про швидкість випуску, ми повинні спочатку поглянути на сили, які утримують нашу ракету на землі.

Ми знаємо, що ракета зазнає земного притягання, наприклад:

маса Землі (в кг)

маса ракети (в кг)

d відстань між центром ракети та землею (в м)

так колись на землі ми маємо d яка буде дорівнювати радіусу землі.

На землю гравітаційна сила - це вага, зазначена P = m.g

при g інтенсивність гравітаційного притягання становить:

Нерухомий або рухомий об'єкт на поверхні Землі має механічну енергію Em. Він складається з 2 енергій, кінетичної енергії Ec, пов'язаної зі швидкістю та потенційної енергії Ep, пов'язаної з його положенням, наприклад:

На поверхні Землі ракета має гравітаційну потенційну енергію Ep, а ракета, будучи нерухомою, має кінетичну енергію нуль Ec = 0.

Отже, маємо:

На нескінченній відстані ракета мала б нульову гравітаційну потенційну енергію.

З збереженням енергій ми маємо:

Щоб витягнути ракету із земного тяжіння, їй потрібно надати кінетичну енергію, рівну гравітаційній потенційній енергії.

Ми маємо:

швидкість випуску отже, є мінімальною швидкістю, яку повинен мати об’єкт, щоб подолати вплив сили земного тяжіння.

Отже, швидкість випуску:

Обчисліть швидкість випуску Землі

Для розрахунку швидкості випуску позбутися від гравітаційного тяги Землі (м.с -1)

Маса Землі MTerre = 5,98 × 10 24 кг

Екваторіальний радіус Землі RTerre = 6,38 × 10 6 м. (Будемо вважати, що запуск ракети відбувається на землі, на екваторі)

G = 6,67 × 10 -11 Нм 2. Кг -2

Замінюючи букви не їх значення, ми отримуємо таку формулу:

Швидкість випуску Землі становить 11182 м/с або близько 11,2 км/с

2. Який двигун використовувати?

Зараз ми знаємо, що для того, щоб залишити землю, необхідно досягти швидкості звільнення Землі приблизно 11,2 м.с -1,

але ми все ще не знаємо, який двигун ми будемо використовувати для руху нашої ракети з такою швидкістю.

Для нашої ракети ми розглянемо три категорії двигунів:

- хімічний рушійний двигун

- атомний двигун

- іонно-силовий двигун

а) хімічний рушійний двигун

Хімічний двигун є найбільш розповсюдженим і найбільш використовуваним. Цей тип двигуна також є найстарішим.

Всі хімічні двигуни дотримуються одного принципу:

Для приведення в рух ракети ці двигуни викидають один із газів з максимально можливою швидкістю: чим вища швидкість викиду газу, тим ефективнішим та економічнішим є двигун. Щоб гази досягали максимально можливої швидкості, вони повинні бути дуже гарячими, легкими та під високим тиском.

Щоб досягти успіху у відправленні газів з дуже високою швидкістю, необхідно викликати якомога енергійнішу реакцію. Дві речовини, які називаються пропелентами, будуть реагувати в спеціально розробленій камері згоряння, щоб перетворити будь-яку енергію, що виділяється в результаті реакції, на швидкість викиду газу. Ці реакції майже завжди є горінням, для отримання горіння знадобиться паливо та окислювач, ракетні палива виконують таку роль: одне - окислювач, інше - паливо.

Найбільш використовуваними парами пального є:

Азотна кислота/гас
Рідкий дигідроген/рідкий діоксид
Діоксиген/гідразин
Перекис азоту/гас
Перекис азоту/гідразин

схема хімічного реактора (зображення взято з сайту http://accrodavion.be)

Експлуатація «хімічного» двигуна

- Родовища всмоктуються з резервуарів (1; 2) насосами (3; 4)

- Ці насоси приводяться в дію турбіною, що приводиться в дію газом при запуску

-Холодніше з двох паливов циркулюватиме в стінках, забезпечуючи охолодження камери згоряння (5).

-Камера попереднього згоряння отримує весь паливо, що охолоджує камеру згоряння, і невелику частину іншого. Тому в цій камері попереднього згоряння є значний надлишок пального, тому реакція між ними в цій камері попереднього згоряння є частковою.

-Ця часткова реакція є навмисною, вона дозволяє перевести дух, щоб повернути турбіну, не маючи занадто високої температури, щоб не пошкодити турбіну.

-Коли двигун запускається, турбіна приводиться в дію під тиском у баку (8)

-Після запуску турбіни результат (газ) часткової реакції та надлишок пального буде передаватися в камеру згоряння по трубопроводу (6)

б) атомні двигуни

Існує трохи більше десяти різних способів використання ядерної енергії, ми побачимо лише два типи двигунів: атомний тепловий двигун і двигун, що вибухає. Ми вибрали ці два двигуни, оскільки вони представляють дві крайності спектру різних ядерних двигунів.

Ядерний тепловий двигун

Принцип роботи ядерного теплового двигуна для ракети порівняно простий для розуміння:

Гази нагріваються до дуже високої температури завдяки теплу, яке виділяється ядерними розщепленнями, що виникають у реакторі. Замість того, щоб виробляти газ, що викидається, як у хімічному двигуні, ядерний реактор нагріває газ на борту (зазвичай це дигідрод, оскільки це найлегший газ, який можна знайти)

Схема нуклеотермічного двигуна (схема веб-сайту acrodavion.be)

Циркуляція водню в стінках дає можливість регулювати температуру реактора, газ буде нагріватися і розширюватися. Це розширення буде приводити в дію турбіну, яка буде приводити в дію насос, який буде впорскувати більше газу в контур.

У ядерному реакторі газ, який проходить через нього, нагрівається до екстремальних температур, близько 2500 ° C, це раптове підвищення температури спричинить надзвичайне розширення водню, прискорення і вихід газу з реактора до дуже велика швидкість.

На перший погляд, цей тип ядерних двигунів був би надзвичайно цікавим: він приводить у рух максимально легкий газ (Н2), завдяки чому газ може викидатися з максимально можливою швидкістю. Цей двигун також має лише один ланцюг живлення, що значно спрощує роботу двигуна.

На жаль, цей тип реактора, яким би блискучим він не був на перший погляд, приносить свою частку недоліків. По-перше, гази, що виділяються цими двигунами, є радіоактивними, що робить їх використання в атмосфері неможливим. Крім того, якщо ми хочемо використовувати цей двигун, нам слід захистити екіпаж від шкідливого випромінювання, яке випромінює реактор, ці протирадіаційні екрани дуже важкі, тому значно збільшують вагу, яку доведеться підняти. Нарешті, ядерний двигун не можна вимкнути миттєво, повинен бути час, коли ми продовжуємо постачати реактор воднем для охолодження реактора, блокуючи нові ядерні реакції всередині нього. Проблема полягає в тому, що чим більше двигун охолоджується, тим сильніше падає ефективність двигуна, оскільки водень нагрівається менше, отже, менше розширюється, тому буде мати дедалі меншу швидкість.

Коротше кажучи, ми не можемо використовувати цей двигун для зльоту з Землі, але ми можемо розглянути можливість використання його в космосі, випромінювання (и) не може завдати шкоди атмосфері Землі, ми також повинні захищати астронавтів.

Ядерний вибуховий двигун

Теорія двигуна внутрішнього згоряння може бути дивною, але надзвичайно спрощеною: мова йде про приведення в дію нашої ракети послідовними ядерними вибухами. Як би неправдоподібно це здавалося, цей тип двигуна ефективний і часто простіший за більшість інших ядерних двигунів.

Схема вибуху ядерного двигуна

(Ця схема належить accrodavion.be Примітка редактора acrodavion.be:

"форма, надана ядерним зарядам на кресленні вище, була обрана лише для кращого ілюстрування того, що вони є бомбами.

Насправді вантажі повинні містити якомога менше «упаковки». Прості сфери явно чіткіше вказані ".)

Робота двигуна ядерного згоряння:

Бомби відправляються у гігантському дзвоні (чорним кольором) одна за одною. Сильне магнітне поле (показано фіолетовим кольором) перенаправляє продукти ділення ядра, спричинені бомбою, таким чином, що вони спрямовані назад. Дзвін охолоджується шляхом абляції: товщина газу біля стіни служить тепловим захистом. Цей тип двигуна має ті ж недоліки, що і атомний тепловий двигун, який заважає нам використовувати його для своєї ракети під час нашого перебування на Землі.