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

• จรวดแอโรไดนามิกส์: วิธีการทำงานของจรวด
• ฟิสิกส์พื้นฐานของจรวด
• ส่วนประกอบของการก่อสร้างจรวด
• การปรับปรุงใน Rockets
• เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ MasterClass ของ Chris Hadfield

อดีตผู้บัญชาการของสถานีอวกาศนานาชาติสอนคุณเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ของการสำรวจอวกาศและสิ่งที่จะเกิดขึ้นในอนาคต

Chris Hadfield Had

สอนการสำรวจอวกาศ

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

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

สอนการสำรวจอวกาศ

สอนการอนุรักษ์

สอนการคิดเชิงวิทยาศาสตร์และการสื่อสาร

พระอาทิตย์ขึ้นและดาวศุกร์ของฉันคืออะไร

สอนวิทยาศาสตร์การนอนหลับที่ดีขึ้น

ส่วนประกอบของการก่อสร้างจรวด

คิดอย่างมืออาชีพ

อดีตผู้บัญชาการของสถานีอวกาศนานาชาติสอนคุณเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ของการสำรวจอวกาศและสิ่งที่จะเกิดขึ้นในอนาคต

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

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