Часто про речі, не настільки складні, як здається на перший погляд, кажуть, що це — «не наука про ракети». Усе, що пов’язано із запусками космічних апаратів, справді потребує ґрунтовних знань із математики та фізики. Однак основні принципи роботи реактивних двигунів не такі складні, як може здатися.
1. Як реактивні двигуни відштовхуються від порожнечі?
Для руху в космосі необхідно вміти відштовхнутися від порожнечі, оскільки більше там нічого немає. Реактивний двигун є одним із небагатьох рушіїв, які можуть це зробити. Для цього він використовує закон збереження імпульсу. Якщо відштовхнути від себе певну масу з певною швидкістю, то сам отримаєш імпульс, чисельно рівний добуткові цієї маси на її швидкість і спрямований у протилежний бік.
У реактивних двигунах як робоче тіло виступають гази, що утворюються внаслідок згоряння палива. Вони мають невелику масу відносно всієї ракети, але дуже велику швидкість. Відповідно, кожну секунду при ввімкненому двигуні космічний апарат отримує невелике, але постійне прискорення.
2. Чому реактивні літаки не можуть полетіти в космос?
На перший погляд може здатися, що рушій ракети — це те саме, що дозволяє рухатись атмосферним літальним апаратам. І те, й інше називається реактивними двигунами та використовує для прискорення принцип збереження імпульсу. Але є суттєва різниця. Двигунам літаків для роботи потрібне навколишнє повітря.
Для того, аби паливо згоріло та хімічна енергія перетворилася на імпульс, необхідно, щоб у двигун під певним тиском потрапляв кисень. Саме тому літаки не можуть літати навіть на великих висотах, не кажучи вже про вакуум. Їхні двигуни там просто припиняють працювати.
3. Що горить у ракетних двигунах?
Відсутність повітря у космосі означає, що те, з чим буде реагувати паливо, треба брати з собою. Саме тому ракети містять ємності не лише для палива, а й для окисника. Ці два компоненти подаються у камеру згоряння та реагують, утворюючи гази та виділяючи певну кількість теплоти.
Теплова енергія переходить у механічний рух молекул. Газ намагається розширитися, але єдиний напрямок, у якому він це може робити, — крізь отвір, який називається соплом. Так утворюється потік речовини, що створює прискорення космічного корабля. Звичайно, вся ця система потребує великої кількості палива для тривалої роботи.
4. Що таке тяга?
Тяга є основною характеристикою ракетного двигуна. По суті, це сила, яку він може створювати. Якщо поділити її на масу ракети чи космічного апарата, отримаємо прискорення, яке він набуває в результаті роботи двигуна у космічному просторі. Своєю чергою, ця сила чисельно дорівнює добутку маси газів, що з нього витекли, на отримане прискорення. Нарешті, прискорення газів — це швидкість, якої вони набули за секунду.
Для того, аби ракета злетіла, тяга двигуна має бути більшою за силу тяжіння й опору повітря, що на неї діють. Різниця цих сил, поділена на масу ракети, дає її прискорення під час старту.
5. Чому ракетам треба так багато палива?
Однак тяга — лише одна з основних характеристик ракетних двигунів. Друга називається питомим імпульсом. Це імпульс, який створюється при викиданні з сопла одного кілограма газів, що утворилися внаслідок реакції горіння. Чисельно ця величина завжди дорівнює швидкості газів, а вона не може бути більшою, ніж та, яку надала їм хімічна реакція.
Саме тому сучасним ракетам для старту із Землі потрібно так багато палива й окисника. Їхній питомий імпульс не перевищує 4,5–5 км/с. Через це відношення маси речовини, яку треба спалити, до маси всієї ракети настільки велике.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Приєднуйтесь: https://t.me/ustmagazine
