หลัก วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Rockets ทำงานร่วมกับ Chris Hadfield อย่างไร

Rockets ทำงานร่วมกับ Chris Hadfield อย่างไร

ในการนำวัตถุขึ้นสู่อวกาศ คุณต้องมีสิ่งต่อไปนี้: เชื้อเพลิงและออกซิเจนในการเผาไหม้ พื้นผิวแอโรไดนามิกและเครื่องยนต์ gimbling เพื่อบังคับทิศทาง และที่ไหนสักแห่งเพื่อให้สิ่งที่ร้อนออกมาเพื่อให้แรงขับเพียงพอ เรียบง่าย

เชื้อเพลิงและออกซิเจนถูกผสมและจุดไฟภายในเครื่องยนต์จรวด จากนั้นส่วนผสมที่ระเบิดและลุกไหม้จะขยายตัวและเทออกทางด้านหลังของจรวดเพื่อสร้างแรงขับที่จำเป็นในการขับเคลื่อนไปข้างหน้า เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์เครื่องบินซึ่งทำงานในชั้นบรรยากาศและสามารถนำอากาศไปรวมกับเชื้อเพลิงเพื่อทำปฏิกิริยาการเผาไหม้ได้ จรวดจำเป็นต้องสามารถทำงานในที่ว่างในอวกาศซึ่งไม่มีออกซิเจน ดังนั้น จรวดจึงต้องไม่เพียงบรรทุกเชื้อเพลิงเท่านั้น แต่ยังต้องจัดหาออกซิเจนด้วย เมื่อคุณดูจรวดบนแท่นปล่อยจรวด สิ่งที่คุณเห็นส่วนใหญ่เป็นเพียงแค่ถังเชื้อเพลิงและออกซิเจน ซึ่งจำเป็นต่อการเข้าสู่อวกาศ



ประโยคแรกของข่าว

ภายในชั้นบรรยากาศ ครีบตามหลักอากาศพลศาสตร์สามารถช่วยควบคุมจรวดได้เหมือนเครื่องบิน นอกเหนือจากชั้นบรรยากาศแล้ว ยังไม่มีครีบเหล่านั้นที่จะดันไปในสุญญากาศของอวกาศ ดังนั้นจรวดจึงใช้เครื่องยนต์กิมบอล ซึ่งเป็นเครื่องยนต์ที่สามารถแกว่งไปมาบนแกนหมุนของหุ่นยนต์เพื่อบังคับทิศทาง ราวกับถือไม้กวาดในมือให้สมดุล อีกชื่อหนึ่งสำหรับสิ่งนี้คือเวกเตอร์แรงขับ

โดยปกติแล้ว จรวดจะถูกสร้างขึ้นเป็นส่วนๆ ที่ซ้อนกันเป็นชั้นๆ หรือเป็นขั้นตอน ซึ่งเป็นแนวคิดที่พัฒนาโดย Konstantin Tsiolkovsky ครูคณิตศาสตร์ชาวรัสเซีย และ Robert Goddard วิศวกร/นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน หลักการปฏิบัติการเบื้องหลังระยะจรวดคือ เราต้องการแรงผลักดันจำนวนหนึ่งเพื่อให้อยู่เหนือชั้นบรรยากาศ จากนั้นจึงดันต่อไปเพื่อเร่งความเร็วให้เร็วพอที่จะอยู่ในวงโคจรรอบโลก (ความเร็วโคจร ประมาณห้าไมล์ต่อวินาที) ง่ายกว่าสำหรับจรวดที่จะไปถึงความเร็วของวงโคจรนั้นโดยไม่ต้องบรรทุกน้ำหนักส่วนเกินของถังเชื้อเพลิงที่ว่างเปล่าและจรวดระยะแรก ดังนั้นเมื่อเชื้อเพลิง/ออกซิเจนในแต่ละขั้นของจรวดถูกใช้จนหมด เราจะทิ้งระยะนั้นและตกลงสู่พื้นโลก

ขั้นตอนแรกใช้เป็นหลักเพื่อให้ยานอวกาศอยู่เหนืออากาศเกือบทั้งหมด จนถึงความสูง 150,000 ฟุตขึ้นไป ขั้นตอนที่สองจากนั้นทำให้ยานอวกาศมีความเร็วในวงโคจร ในกรณีของดาวเสาร์ V มีระยะที่สาม ซึ่งทำให้นักบินอวกาศสามารถไปยังดวงจันทร์ได้ ขั้นตอนที่สามนี้จะต้องสามารถหยุดและเริ่มต้นได้ เพื่อสร้างวงโคจรที่ถูกต้องรอบโลก จากนั้นเมื่อทุกอย่างได้รับการตรวจสอบในอีกไม่กี่ชั่วโมงต่อมา ก็ผลักเราไปยังดวงจันทร์



ข้ามไปที่มาตรา


Chris Hadfield สอนการสำรวจอวกาศ Chris Hadfield สอนการสำรวจอวกาศ

อดีตผู้บัญชาการของสถานีอวกาศนานาชาติสอนคุณเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ของการสำรวจอวกาศและสิ่งที่จะเกิดขึ้นในอนาคต

เรียนรู้เพิ่มเติม กำลังโหลดเครื่องเล่นวิดีโอ เล่นวีดีโอ เล่น ปิดเสียง เวลาปัจจุบัน0:00 / Duration0:00 โหลดแล้ว:0% ประเภทสตรีมมีชีวิตหาทางถ่ายทอดสด กำลังเล่นสด เวลาที่เหลือ0:00 อัตราการเล่น
  • 2x
  • 1.5x
  • 1x, เลือกแล้ว
  • 0.5x
1xบทที่
  • บทที่
คำอธิบาย
  • คำอธิบายปิด, เลือกแล้ว
คำบรรยาย
  • การตั้งค่าคำบรรยาย, เปิดกล่องโต้ตอบการตั้งค่าคำบรรยาย
  • ปิดคำบรรยาย, เลือกแล้ว
  • ภาษาอังกฤษ คำบรรยาย
ระดับคุณภาพ
    แทร็กเสียง
      เต็มจอ

      นี่คือหน้าต่างโมดอล

      จุดเริ่มต้นของหน้าต่างโต้ตอบ Escape จะยกเลิกและปิดหน้าต่าง



      ข้อความ สี ขาว ดำ แดง เขียว น้ำเงิน เหลือง Magenta Cyanความโปร่งใสทึบแสงกึ่งโปร่งใสพื้นหลัง สี ดำ ขาว แดง เขียว น้ำเงิน เหลือง Magenta Cyanความโปร่งใสทึบแสงกึ่งโปร่งใสโปร่งใสหน้าต่าง สี ดำ ขาว แดง เขียว น้ำเงิน เหลือง ม่วงแดง ฟ้าความโปร่งใสโปร่งใสกึ่งโปร่งแสงขนาดแบบอักษร50%75%100%125%150% 175% 200% 300% 400%รูปแบบขอบข้อความไม่มียกขึ้นหดหู่เครื่องแบบDropshadowFont FamilyProportional Sans-SerifMonospace Sans-SerifProportional SerifMonospace SerifCasualScriptSmall Caps Resetคืนค่าการตั้งค่าทั้งหมดเป็นค่าเริ่มต้นเสร็จแล้วปิด Modal Dialog

      สิ้นสุดหน้าต่างโต้ตอบ

      ที่ซึ่งจรวดมีรูปร่างของมัน

      Chris Hadfield Had

      สอนการสำรวจอวกาศ

      สำรวจคลาส

      จรวดแอโรไดนามิกส์: วิธีการทำงานของจรวด

      แม้แต่ Lunar Module ซึ่งนักบินอวกาศของ Apollo เคยไปถึงพื้นผิวดวงจันทร์และด้านหลังก็เป็นจรวดสองขั้นตอน เมื่อเราปล่อยจากดวงจันทร์เพื่อกลับบ้าน ขั้นลงจอดถูกทิ้งไว้บนพื้นผิว

      จรวดชุดแรกที่สร้างขึ้นเป็นแบบใช้ครั้งเดียว โดยไม่ต้องคิดที่จะกลับมาใช้อีก กระสวยอวกาศเป็นยานอวกาศลำแรกที่ได้รับการออกแบบให้ใช้ซ้ำ และสามารถบินไปยังอวกาศได้ร้อยครั้ง แม้แต่เครื่องเร่งความเร็วจรวดแบบแข็งก็ยังใช้ซ้ำได้บางส่วน—สามารถกู้คืนได้หลังจากตกลงไปในมหาสมุทร กอบกู้ ทำความสะอาด และรับรองซ้ำ และเติมเชื้อเพลิงสำหรับการยิงในภายหลัง ทุกวันนี้ บริษัทต่างๆ กำลังสร้างจรวดที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้มากขึ้น SpaceX สามารถเปิดตัวและลงจอดในขั้นตอนแรกของจรวดฟอลคอน ฟื้นตัวเหมือนเดิมและพร้อมที่จะเติมเชื้อเพลิงเหลวอีกครั้ง เทคโนโลยีที่คล้ายกันนี้กำลังถูกใช้โดย Blue Origin สำหรับจรวด Shepard ใหม่ของพวกเขา

      เชื้อเพลิงหลักที่ใช้ขับจรวดออกจากโลกมีอยู่ 2 ประเภท ได้แก่ ของแข็งและของเหลว จรวดแบบแข็งนั้นเรียบง่ายและเชื่อถือได้ เช่นเดียวกับเทียนโรมัน และเมื่อจุดไฟแล้วจะไม่มีการหยุดพวกมัน: พวกมันจะเผาไหม้จนกว่ามันจะหมด และไม่สามารถควบคุมเพื่อควบคุมแรงขับได้ จรวดเหลวให้แรงขับแบบดิบน้อยกว่า แต่สามารถควบคุมได้ ทำให้นักบินอวกาศควบคุมความเร็วของจรวดได้ และแม้กระทั่งปิดและเปิดวาล์วจรวดเพื่อปิดและเปิดจรวด

      กระสวยอวกาศใช้จรวดทั้งที่เป็นของแข็งและของเหลวในการปล่อยจรวด บูสเตอร์จรวดแบบแข็งถูกใช้เพื่อพาลูกเรือขึ้นไปบนอากาศเท่านั้น ในขณะที่จรวดเชื้อเพลิงเหลวเผาไหม้ตลอดเวลา

      Chris Hadfield สอนการสำรวจอวกาศ Dr. Jane Goodall สอนการอนุรักษ์ Neil deGrasse Tyson สอนการคิดเชิงวิทยาศาสตร์และการสื่อสาร Matthew Walker สอนวิทยาศาสตร์ของการนอนหลับที่ดีขึ้น

      ฟิสิกส์พื้นฐานของจรวด

      แรงผลักดันพื้นฐานเบื้องหลังการสร้างจรวดคือกฎของนิวตันที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์แปรผัน เนื่องจากจรวดต้องเป็นอากาศพลศาสตร์ในขณะที่ปล่อยมวล (เชื้อเพลิงที่เผาไหม้) กฎข้อที่สามของนิวตันสำหรับการกระทำและปฏิกิริยาจึงเข้ามามีบทบาท เมื่อจรวดติดไฟ เชื้อเพลิงจะเผาไหม้และออกจากท่อไอเสียด้านหลัง ทำให้จรวดเร่งความเร็วและขับเคลื่อนไปข้างหน้าด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ นี่ถือว่าจรวดทำงานโดยไม่มีแรงลาก

      อย่างไรก็ตาม มีข้อแม้อยู่: เพื่อที่จะบินในอวกาศ คุณต้องผ่านชั้นบรรยากาศของโลก แล้วเร่งความเร็วจนกว่าคุณจะไปได้เร็วพอที่จะอยู่ในวงโคจรได้สำเร็จ อุปสรรคหลักในการบรรลุสิ่งนี้คือการลากที่เกิดจากการต่อต้านจากชั้นบรรยากาศ แรงลากถูกกำหนดโดยสมการต่อไปนี้:

      D = 12 ρ v 2 C D S

      D = ลาก ลากเป็นแรงที่ทำให้คุณช้าลง สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าการลากคือแรง แรงลากจะกดทับยานอวกาศของคุณ และหากไม่ได้รับอนุญาตอย่างรอบคอบในการออกแบบยานอวกาศ สามารถป้องกันไม่ให้ยานอวกาศแล่นเร็วขึ้น หรือแม้กระทั่งฉีกเรือออกจากกัน

      ρ = rho ความหนาแน่น—หรือความหนา—ของอากาศรอบๆ เรือของคุณ
      เมื่อยานอวกาศเคลื่อนออกจากโลกและสูงขึ้นในชั้นบรรยากาศ ความหนาแน่นของอากาศก็ลดลง ดังนั้นจึงลากตามสมการได้ โปรดทราบว่าความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศที่ระดับความสูงใดๆ นั้นแปรผัน เนื่องจากอากาศจะขยายตัวเมื่อถูกความร้อนจากแสงแดด อากาศที่อุ่นกว่าจะมีความหนาแน่นน้อยกว่า และจำไว้ว่าในสุญญากาศของอวกาศ ความหนาแน่นนั้นเป็นศูนย์ ดังนั้น (โดยสมการ) จึงแทบไม่มีการลากที่นั่น

      v = ความเร็วหรือความเร็วของยานอวกาศของคุณ สังเกตว่าในสมการลากเป็นฟังก์ชันของความเร็วคูณความเร็วหรือ v กำลังสอง ดังนั้นเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น แรงต้านจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว—ความเร็วสองเท่า, แรงลากสี่เท่า และอื่นๆ นี่คือเหตุผลที่คริส แฮดฟิลด์ นักบินอวกาศผู้มีชื่อเสียงกล่าวว่าการบินจรวดผ่านชั้นบรรยากาศเป็นส่วนที่ยากที่สุด: ในขั้นตอนนี้ ความเร็วของจรวดคือ เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องที่อากาศยังหนา เมื่อคุณอยู่นอกชั้นบรรยากาศ คุณสามารถเพิ่มความเร็วได้โดยไม่ต้องเพิ่มแรงลาก เนื่องจากไม่มีความหนาแน่นของบรรยากาศ

      CD = ค่าสัมประสิทธิ์การลาก ลักษณะของรถเพรียวลมและความขรุขระของพื้นผิว

      S = พื้นที่หน้าตัดของยานอวกาศของคุณ พื้นที่ด้านล่าง (คิดว่า: จรวดผอมกับอ้วน) ช่วยลดแรงต้าน ความหมายก็คือ แรงดึงดูดของบรรยากาศเป็นปัญหาที่ใหญ่กว่ามากสำหรับยานอวกาศที่ยังคงอยู่ในชั้นบรรยากาศและพยายามจะออกจากชั้นบรรยากาศมากกว่าสำหรับเรืออย่างสถานีอวกาศนานาชาติ ซึ่งอยู่สูงเหนือโลกมากจนมีอากาศเพียงไม่กี่นาที ความหนาแน่นที่กระทำต่อมัน นั่นเป็นสาเหตุที่สถานีอวกาศนานาชาติสามารถมีรูปร่างที่ไม่สวยงาม และเหตุใดจรวดจึงต้องมีความคล่องตัว

      สมการลากสร้างเป้าหมายที่ชัดเจนในการออกแบบจรวดและกลยุทธ์การบิน จรวดที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดไม่เพียงแต่มีพื้นที่ต่ำกว่าเท่านั้น แต่ยังเร่งความเร็วให้มากที่สุด (เพิ่มความเร็วเป็นความเร็ววงโคจร) ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เมื่อพวกเขาขึ้นเหนือบรรยากาศไปยังพื้นที่ที่มีความหนาแน่นของอากาศต่ำ

      ระดับผู้เชี่ยวชาญ

      แนะนำสำหรับคุณ

      ชั้นเรียนออนไลน์ที่สอนโดยจิตใจที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในโลก ขยายความรู้ของคุณในหมวดหมู่เหล่านี้

      Chris Hadfield Had

      สอนการสำรวจอวกาศ

      เรียนรู้เพิ่มเติม Dr. Jane Goodall

      สอนการอนุรักษ์

      เรียนรู้เพิ่มเติม Neil deGrasse Tyson

      สอนการคิดเชิงวิทยาศาสตร์และการสื่อสาร

      พระอาทิตย์ขึ้นและดาวศุกร์ของฉันคืออะไร
      เรียนรู้เพิ่มเติม Matthew Walker

      สอนวิทยาศาสตร์การนอนหลับที่ดีขึ้น

      เรียนรู้เพิ่มเติม

      ส่วนประกอบของการก่อสร้างจรวด

      คิดอย่างมืออาชีพ

      อดีตผู้บัญชาการของสถานีอวกาศนานาชาติสอนคุณเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ของการสำรวจอวกาศและสิ่งที่จะเกิดขึ้นในอนาคต

      ดูชั้นเรียน

      จรวดได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะให้ทนทานต่อน้ำหนักและแรงขับที่รุนแรง และมีลักษณะตามหลักอากาศพลศาสตร์มากที่สุด ดังนั้นจึงมีระบบโครงสร้างสองสามระบบที่สร้างมาตรฐานให้กับการสร้างจรวดส่วนใหญ่ กรวยจมูก โครง และครีบเป็นส่วนหนึ่งของโครงกระดูกของรูปร่างจรวด ซึ่งเป็นพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ที่มักสร้างจากอะลูมิเนียมหรือไททาเนียมที่เคลือบด้วยชั้นป้องกันความร้อน ปั๊ม เชื้อเพลิง และหัวฉีดเป็นส่วนหนึ่งของระบบขับเคลื่อน ซึ่งช่วยให้จรวดผลิตแรงขับได้

      เพื่อควบคุมเส้นทางการบิน จำเป็นต้องมีการปรับระดับเหนือทิศทางการบินของจรวด จรวดจำลอง เช่น จรวดขวด หรือจรวดขนาดเล็กอื่นๆ ยิงขึ้นไปในอากาศและกลับลงมาตามที่ต้องการ จรวดที่ถูกลิขิตไว้สำหรับอวกาศต้องการการควบคุมและความยืดหยุ่นที่มากขึ้น: นี่คือที่มาของ gimbal thrust ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของระบบนำทาง มุมของ gimbal ช่วยให้หัวฉีดไอเสียหมุนได้ตามต้องการ โดยเปลี่ยนจุดศูนย์ถ่วงและเปลี่ยนตำแหน่งจรวดไปที่ ทิศทางที่ถูกต้อง

      การปรับปรุงใน Rockets

      บรรณาธิการ Pick

      อดีตผู้บัญชาการของสถานีอวกาศนานาชาติสอนคุณเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ของการสำรวจอวกาศและสิ่งที่จะเกิดขึ้นในอนาคต

      มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในเคมีพื้นฐานของเชื้อเพลิงจรวดตั้งแต่เริ่มต้นการบินในอวกาศ แต่มีการออกแบบในการทำงานสำหรับจรวดที่ประหยัดเชื้อเพลิงมากขึ้น เพื่อที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพ จรวดจะต้องกินน้ำมันน้อยลง ซึ่งหมายความว่าเชื้อเพลิงจะต้องไหลออกมาทางด้านหลังให้เร็วที่สุดเพื่อให้มีโมเมนตัมตามที่ต้องการและบรรลุแรงขับแบบเดียวกัน ก๊าซไอออไนซ์ที่ขับผ่านหัวฉีดจรวดโดยใช้เครื่องเร่งแม่เหล็ก มีน้ำหนักน้อยกว่าเชื้อเพลิงจรวดแบบเดิมอย่างมาก อนุภาคไอออไนซ์จะถูกผลักออกทางด้านหลังของจรวดด้วยความเร็วสูงอย่างเหลือเชื่อ ซึ่งจะชดเชยน้ำหนักหรือมวลของพวกมันเพียงเล็กน้อย การขับเคลื่อนด้วยไอออนทำงานได้ดีสำหรับการขับเคลื่อนที่ยาวนานและยั่งยืน แต่เพราะ
      มันสร้างแรงกระตุ้นจำเพาะที่ต่ำกว่า จนถึงตอนนี้ใช้งานได้กับดาวเทียมขนาดเล็กที่อยู่ในวงโคจรแล้วเท่านั้น และยังไม่ได้ขยายขนาดสำหรับยานอวกาศขนาดใหญ่ การทำเช่นนี้จะต้องใช้แหล่งพลังงานที่ทรงพลัง—บางทีอาจเป็นนิวเคลียร์ หรือสิ่งที่ยังไม่ได้ประดิษฐ์ขึ้น

      ยานอวกาศได้รับการปรับปรุงตั้งแต่เราเริ่มเดินทางสู่อวกาศในปี 1960 แต่เทคโนโลยีในปัจจุบันของเราส่วนใหญ่มาจากการออกแบบครั้งแรกเหล่านั้น ตามสัญชาตญาณ ดูเหมือนว่ายานอวกาศควรมีความแหลมคม เหมือนกับเครื่องบินความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม การวิจัยที่ทำขึ้นในปี 1950 แสดงให้เห็นว่าสำหรับความเร็วของวงโคจร ไม่มีวัสดุใดที่แข็งแกร่งพอที่จะรับความร้อนมหาศาลจากปลายแหลมนั้น วิศวกรผู้เก่งกาจชื่อ Max Faget ตระหนักดีว่ายานอวกาศที่กลับเข้ามาใหม่นั้นจำเป็นต้องทำแบบทื่อๆ เพื่อกระจายความร้อนและความกดดันที่รุนแรงไปทั่วพื้นที่ขนาดใหญ่ เขาเป็นกุญแจสำคัญในการออกแบบดาวพุธ และด้วยเหตุนี้แคปซูลอวกาศจึงถือกำเนิดขึ้น ปรอทและราศีเมถุนกำลังโคจรรอบห้องนักบินด้วยระบบกลไกเพื่อให้ลูกเรือมีชีวิตอยู่: การควบคุมความดันอากาศ กระบวนการผลิตออกซิเจน/CO2 การควบคุมอุณหภูมิ และการจัดเก็บอาหารและน้ำ พวกเขาพิสูจน์ว่ายานอวกาศโคจรเป็นไปได้สำหรับมนุษย์และเปิดประตูเพื่อสำรวจเพิ่มเติม ซึ่งนำเราไปสู่จุดที่เราอยู่ในการสำรวจอวกาศในปัจจุบัน


      บทความที่น่าสนใจ