Технології (епізод 23) Чому Румунія літає військовими ракетами

Зрештою, чому ракети літають? Якось, як у випадку з вертольотами, тому що вони потворні, а Земля їх відкидає? Тож подивимось.

чому

принципи

Я не знаю, читачі вистрілили з пістолета чи ні (зараз я бачу деякі зарозумілі посмішки на обличчях деяких читачів); Я припускаю, що ні (інші зарозумілі посмішки) і закликаю вас переглянути зображення нижче - анімовані gif-файли. Якщо зображення не має анімації, натисніть на нього, щоб побачити його анімованим.

відкат - натисніть, щоб переглянути анімацію (джерело: тенор, гіфі)

Будь-яка вогнепальна зброя (від мушкета чи аркебуса до гармати, через пістолет та рушницю) базується на відкритому стволі з одного кінця. Коли зброя стріляє, дуже високі швидкості та температурні гази виходять із стовбура в одному напрямку, що є імпульсом. На цих зображеннях можна побачити віддачу, яка базується на базовому фізичному принципі - збереження імпульсів. І оскільки імпульс зберігається, виявляється, вогнепальна зброя також матиме імпульс у зворотному напрямку. На цьому принципі базується робота ракет - шляхом видалення газу на високій швидкості в одному напрямку створюється сила в протилежному напрямку. Крім того, ті самі зображення показують нам, що всі сили генерувались одночасно, але ракеті потрібна сила, яка триває тривалий час.

Але якщо ми подивимось на повітряну кулю, з якої ми випускаємо повітря, ми помічаємо саме це - повітря виходить в одному напрямку зі швидкістю і створює штовхаючу силу в протилежному напрямку. Наступне зображення це ілюструє; це також анімований gif, тому якщо у нього немає анімації, клацніть на ньому, щоб побачити його анімованим.

Повітряна куля - натисніть, щоб побачити анімацію (джерело: тенор, гіфі)

Аналізуючи об'єкт з точки зору його стійкості, не вдаючись до подробиць, можна сказати, що об'єкт може знаходитися в одному з наступних станів:

  • у нестабільному стані (наприклад, при спробі тримати олівець на кінчику пальця);
  • у стабільному стані (наприклад, коли маятник повертається до точки з мінімальною відстанню від поверхні Землі).

Ракети мають двигун ззаду, і він штовхає їх, тому ми можемо вважати, що це ситуація, подібна до ситуації з олівцем у попередньому прикладі. Будь-яка несподівана сила може рухати тіло в іншому напрямку - сила штовхання, що створюється двигуном, що штовхає ракету в іншому напрямку, ніж бажано. Крім того, для подальшого ускладнення ситуації, коли вона знаходиться в атмосфері на ракетах, діють інші сили.

Сили, що діють на ракету, такі ж, як сили, що діють на літак і в атмосферному польоті:

Після опису цих сил ми також виявили дві цікаві точки:

  • центр ваги: це точка, де ми можемо вважати, що вся маса тіла зосереджена. У випадку з попереднім олівцем це точка, в якій він знаходиться в рівновазі;
  • центр тиску: ми можемо вважати, що саме в цьому місці зосереджена дія всіх аеродинамічних сил. Візуально це можна розглядати як точку, яка розділяє поверхню ракети на дві рівні частини, причому передня та задня частини однакові за поверхнею.

Потрібні два зауваження або доповнення:

  • очевидно, що в позаатмосферному польоті - на орбіті навколо Землі - опір просуванню та підйому більше не існуватиме, на ракету діє лише сила штовхання та вага;
  • будь-який рух ракети здійснюється навколо центру ваги.

Стійкий і нестійкий

Давайте тепер детально розглянемо ці два стани.

1. Нестабільний стан. На наступному зображенні зображена ракета в нестабільному стані. На малюнку ми бачимо:

  • тяга - помаранчевий
  • стійкість до наступу - вишня
  • вага - синій
  • підйомник - зелений
  • Cg - центр ваги
  • Ср - центр тиску
  • Вітер - сила, що діє одночасно на ракету

Нестабільний стан (джерело: автор)

Зверніть увагу, що центр тиску знаходиться перед центром ваги. Спочатку ракета стабільна, будучи ідеальною ситуацією, без сил, щоб її турбувати. Припускаючи, що виникає тривожна сила - порив вітру - вона діятиме через центр тиску. Це призведе до невеликого обертання і, отже, збільшення кута атаки α. Після зміни кута атаки приведе до сили - підйому, яка матиме той самий напрямок, що і вітер, наслідком чого буде обертальний рух навколо центру ваги. Потім це зміщення посилюється прямим опором, чим більша бічна сила, тим більший кут між поздовжньою віссю та напрямком польоту. Тому ракета намагатиметься розвернутися і полетіти назад, але сила штовхання не дозволить цьому привести до хаотичного польоту.

2. Стабільний стан. На наступному малюнку зображена ракета в стабільному стані. На малюнку ми бачимо:

  • тяга - помаранчевий
  • стійкість до наступу - вишня
  • вага - синій
  • підйомник - зелений
  • Cg - центр ваги
  • Ср - центр тиску
  • Вітер - сила, що діє одночасно на ракету

Стабільний стан (джерело: автор)

Зверніть увагу, що центр тиску знаходиться позаду центру ваги. Спочатку - як і в попередньому випадку - ракета стабільна, будучи ідеальною ситуацією, без сил, щоб її турбувати. Ракета безперервно прискорюється, рух є лінійним у напрямку сили штовхання. Припустивши знову, що виникає тривожна сила - порив вітру - вона діятиме через центр тиску, змушуючи ракету обертатися навколо центру ваги і, таким чином, змінювати кут атаки α. Ця зміна кута атаки спричинить силу - підйом, який цього разу має протилежний напрямок до тривожного. Ракета продовжує стабільно літати, траєкторія змінилася лише незначно.

Пістолет, знайдений в Інтернеті - у кількох місцях - говорить, що ідеально, щоб між центром ваги та центром тиску була відстань 1,5-2 діаметра ракети. Ну, про це варто пам’ятати.

На практиці

Отже, це момент, коли ми досягаємо способу функціонування та призначення деяких елементів, що зустрічаються під час читань та повсякденного життя. Починаючи з двох станів вище, ми спостерігаємо ситуації нижче.
1. Необхідність розташування центру тиску позаду центру ваги визначає зовнішній вигляд крил на ракетах, які виконують роль забезпечення стійкості в атмосферному польоті шляхом зміни положення центру тиску. Ми помічаємо це на великій кількості ракет - наприклад, Saturn V, Saturn I, AIM-9 Sidewinder, AIM-120 AMRAAM.

Сатурн ІБ (джерело: pinterest)

Сатурн V (джерело: NASA)

Боковий вітер AIM-9 (джерело: blogspot)

AIM-120 AMRAAM (джерело: International Business Time, невідомо)

2. Необхідність векторної тяги - зміна напрямку газового струменя на центральну вісь - що найчастіше досягається зміною орієнтації ракетного двигуна або зміною орієнтації сопла. Саме цей метод використовується більшістю ракет - приклади для Сатурна V, Сокола 9, Електрона.

Rocketdyne F-1 (джерело: Smithsonian)

SpaceX Merlin (джерело: imgur)

Rocketlab Резерфорд (джерело: Rocketlab)

3. Витрата палива змінює положення центру ваги. На першому зображено еволюцію центру ваги для ракети «Сатурн V», яка запустила місію «Аполлон 11.».

Сатурн V - центр ваги (джерело: NASA)

Сатурн V - центр ваги і центр тиску (джерело: NASA)

4. Рятувальна система, що використовується в Меркурії, Близнюках, Аполлоні, Союзі, має центр тиску нижче центру ваги, щоб підтримувати стабільність, якщо необхідна її активація.

LES Меркурій (джерело: americanspacecraft.com)

ЛЕС Аполлон (джерело: NASA)

ЛЕС Союз ТМА (джерело: Вікіпедія)

5. Капсули, що використовуються для повторного потрапляння в атмосферу (Меркурій, Близнюки, Аполлон, Союз, Дракон, Оріон), мають центр ваги нижче центру тиску для забезпечення їх стійкості. Однак капсули використовують трюк для управління напрямком польоту - центр ваги знаходиться не точно на поздовжній осі, а трохи ексцентричний. Обертаючи капсулу, змінюється її положення, а отже і підйом, а отже, і напрямок польоту.

Ртутна капсула (джерело: collectspace.com)

Капсула Близнюки (джерело: Smithsonian)

Капсула Аполлон (джерело: NASA)

Капсула "Союз" (Джерело: Imgur)

6. Феєрверки рухалися б хаотично, якби у них не було центру тиску позаду центру ваги, саме тому у них була палиця в спині.

феєрверки (джерело: bestwallpaper, Popular Mechanics, Wikipedia)

До кінця, якщо ви хочете продовжувати читати, я рекомендую стару статтю про двигуни, що використовуються ракетами. Також не забуваймо: є також розділ, де деякі статті про просторові теми узагальнені - https://www.rumaniamilitary.ro/orizont .

А тепер щоб вам було сумно. Це лише одне з питань стабільності, яке враховується при побудові ракети. Лише короткий зміст кількох тем дискусій:

  • розрахунок, конструкція та випробування двигунів;
  • розрахунок і оцінка різних сил, що діють на ракети;
  • взаємодія з ракетною баштою;
  • аеродинаміка та політ на різній висоті та швидкості;
  • розрахунок оптимальних траєкторій;
  • система управління та наведення;
  • зменшення вібрації.

Редагувати:
- 2020-01-26 14:45:00 - зазначено «позаатмосферний політ на орбіті Землі»