Πώς λειτουργεί ένας Πυραύλος στερεών προωθητών

Οι ρουκέτες στερεών καυσίμων περιλαμβάνουν όλες τις παλαιότερες πυραύλες πυροπροστασίας, ωστόσο, υπάρχουν σήμερα πιο προηγμένα καύσιμα, σχέδια και λειτουργίες με στερεά προωθητικά.

Στερεό προωθητικό οι ρουκέτες εφευρέθηκαν πριν από πυραύλους που τροφοδοτούνται με υγρό. Ο τύπος στερεών προωθητών ξεκίνησε με τη συμβολή των επιστημόνων Zasiadko, Constantinov, και Congreve. Τώρα σε προηγμένη κατάσταση, οι ρουκέτες στερεών καυσίμων παραμένουν σε ευρεία χρήση σήμερα, συμπεριλαμβανομένων των διπλών ενισχυτικών κινητήρων Space Shuttle και των ενισχυτικών σταδίων της σειράς Delta.

Η επιφάνεια είναι η ποσότητα του προωθητικού που εκτίθεται σε εσωτερικές φλόγες καύσης, που υπάρχουν σε άμεση σχέση με την ώθηση. Μία αύξηση στην επιφανειακή περιοχή θα αυξήσει την ώθηση αλλά θα μειώσει το χρόνο καύσης από τη στιγμή που το προωθητικό καταναλώνεται με επιταχυνόμενη ταχύτητα. Η βέλτιστη ώθηση είναι τυπικά σταθερή, η οποία μπορεί να επιτευχθεί διατηρώντας μια σταθερή επιφάνεια σε όλο το έγκαυμα.

Παραδείγματα σχεδίων σταθερών επιφανειών επιφάνειας περιλαμβάνουν: καύση στο τέλος, εσωτερική πυρήνα και καύση εξωτερικού πυρήνα και καύση πυρήνα εσωτερικού πυρήνα.

Διάφορα σχήματα χρησιμοποιούνται για τη βελτιστοποίηση των σχέσεων ώθησης κόκκων δεδομένου ότι μερικοί πυραύλοι μπορεί να απαιτούν ένα αρχικά υψηλή συνιστώσα ώθησης για απογείωση, ενώ μια χαμηλότερη ώθηση θα αρκεί για την μετά την εκτόξευσή της παλινδρομική ώθηση απαιτήσεις. Συμπληρωματικά σχέδια πυρήνα κόκκων, για τον έλεγχο της εκτεθειμένης επιφάνειας του καυσίμου του πυραύλου, συχνά έχουν μέρη επικαλυμμένα με ένα μη εύφλεκτο πλαστικό (όπως οξική κυτταρίνη). Αυτή η επίστρωση εμποδίζει τις φλόγες εσωτερικής καύσης να αναφλέξουν το μέρος του καυσίμου, αναφλέγονται μόνο αργότερα όταν η καύση φτάσει άμεσα στο καύσιμο.

Κατά το σχεδιασμό του προωθητικού πυραύλου πρέπει να ληφθεί υπόψη ο συγκεκριμένος παλμός των σιτηρών, καθώς μπορεί να είναι η βλάβη διαφοράς (έκρηξη) και μια βελτιστοποιημένη ώθηση που παράγει πυραύλους.

• Μόλις ανάψει ένας στερεός πυραύλος, θα καταναλώσει το σύνολο του καυσίμου του, χωρίς καμία επιλογή για διακοπή ή ρύθμιση ώσης. Ο πυραύλος του φεγγαριού Saturn V χρησιμοποίησε σχεδόν 8 εκατομμύρια λίβρες ώσης που δεν θα ήταν εφικτές με τη χρήση στερεού προωθητικού, που απαιτεί ένα υψηλό ειδικό ωστικό καύσιμο προωθητικό.
• Ο κίνδυνος που ενέχεται στα προαναμεμιγμένα καύσιμα μονοστροβιγοειδών πυραύλων δηλ. Μερικές φορές η νιτρογλυκερίνη είναι ένα συστατικό.

Ένα πλεονέκτημα είναι η ευκολία αποθήκευσης πυραύλων στερεών προωθητών. Ορισμένες από αυτές τις ρουκέτες είναι μικρά βλήματα, όπως η Honest John και η Nike Hercules. άλλοι είναι μεγάλοι βαλλιστικοί πυραύλοι όπως Polaris, λοχίας και Vanguard. Τα υγρά προωθητικά μπορεί να προσφέρουν καλύτερες επιδόσεις, αλλά οι δυσκολίες αποθήκευσης και χειρισμού υγρών κοντά στο απόλυτο μηδέν (0 μοίρες Κέλβιν) έχει περιορίσει τη χρήση τους ανίκανη να ανταποκριθεί στις αυστηρές απαιτήσεις που απαιτεί ο στρατός από τη δύναμή του πυρός.

Οι πυροσβεστικές ρευστώσεις θεωρήθηκαν αρχικά από τον Tsiolkozski στην «Διερεύνηση του διαπλανητικού χώρου με τη βοήθεια αντιδραστικών συσκευών», που δημοσιεύθηκε το 1896. Η ιδέα του πραγματοποιήθηκε 27 χρόνια αργότερα όταν ο Robert Goddard ξεκίνησε τον πρώτο πυραυλοκίνητο πυροκροτητή.

Οι ρουκέτες με υγρό καύσιμο προωθούσαν τους Ρώσους και τους Αμερικανούς βαθιά στην εποχή του χρόνου με τους ισχυρούς πυραύλους Energiya SL-17 και Saturn V. Οι υψηλές ικανότητες ώθησης αυτών των πυραύλων επέτρεψαν την πρώτη μας διαδρομή στο διάστημα. Το «γιγαντιαίο βήμα για την ανθρωπότητα» που έλαβε χώρα στις 21 Ιουλίου 1969, καθώς ο Armstrong ανέβηκε στο φεγγάρι, κατέστη δυνατή από τα 8 εκατομμύρια λίβρες ώσης του πυραύλου Κρόνος V.

Δύο μεταλλικές δεξαμενές κρατούν το καύσιμο και το οξειδωτικό αντίστοιχα. Λόγω των ιδιοτήτων αυτών των δύο υγρών, συνήθως φορτώνονται στις δεξαμενές τους ακριβώς πριν από την εκτόξευση. Οι ξεχωριστές δεξαμενές είναι απαραίτητες, επειδή πολλά υγρά καύσιμα καίγονται κατά την επαφή. Μετά από μια ορισμένη ακολουθία εκτόξευσης, ανοίγουν δύο βαλβίδες, επιτρέποντας στο υγρό να ρέει κάτω από το σωλήνα. Εάν αυτές οι βαλβίδες απλώς ανοίξουν επιτρέποντας τα υγρά προωθητικά να ρέουν μέσα στο θάλαμο καύσης, α θα εμφανισθεί ασθενής και ασταθής ρυθμός ωθήσεως, οπότε είτε είναι μία τροφοδοσία αερίου υπό πίεση είτε μία τροφοδοσία με turbopump μεταχειρισμένος.

Το απλούστερο από τα δύο, η πίεση υπό πίεση αερίου, προσθέτει μια δεξαμενή αερίου υψηλής πίεσης στο σύστημα πρόωσης. Το αέριο, ένα αδρανές, αδρανές και ελαφρύ αέριο (όπως το ήλιο) συγκρατείται και ρυθμίζεται υπό έντονη πίεση από μία βαλβίδα / ρυθμιστή.

Η δεύτερη, και συχνά προτιμώμενη, λύση στο πρόβλημα μεταφοράς καυσίμου είναι μια turbopump. Ένα στρόβιλο είναι το ίδιο με μια κανονική αντλία σε λειτουργία και παρακάμπτει ένα σύστημα υπό πίεση αερίου με την αναρρόφηση των προωθητικών και την επιτάχυνσή τους στο θάλαμο καύσης.

Ο οξειδωτής και το καύσιμο αναμιγνύονται και αναφλέγονται μέσα στο θάλαμο καύσης και δημιουργείται ώση.

Δυστυχώς, το τελευταίο σημείο καθιστά τις ρουκέτες υγρών προωθητών πολύπλοκες και περίπλοκες. Ένας πραγματικός σύγχρονος υγρός διπλός κινητήρας έχει χιλιάδες συνδέσεις σωληνώσεων που φέρουν διάφορα υγρά ψύξης, τροφοδοσίας ή λίπανσης. Επίσης, τα διάφορα υποσυστήματα, όπως το turbopump ή ο ρυθμιστής, αποτελούνται από ξεχωριστό ίλιγγο σωλήνων, καλωδίων, βαλβίδων ελέγχου, μετρητών θερμοκρασίας και υποστηριγμάτων στήριξης. Δεδομένων των πολλών τμημάτων, η πιθανότητα μιας ολοκληρωμένης αποτυχίας είναι μεγάλη.

Όπως σημειώθηκε προηγουμένως, το οξυγόνο είναι το οξυγόνο που χρησιμοποιείται πιο συχνά, αλλά έχει και τα μειονεκτήματά του. Για να επιτευχθεί η υγρή κατάσταση αυτού του στοιχείου, πρέπει να υπάρχει θερμοκρασία -183 βαθμούς Κελσίου - συνθήκες υπό τις οποίες το οξυγόνο εξατμίζεται εύκολα, χάνοντας ένα μεγάλο ποσό οξειδωτικού μόνο κατά τη φόρτωση. Το νιτρικό οξύ, ένας άλλος ισχυρός οξειδωτής, περιέχει 76% οξυγόνο, βρίσκεται σε υγρή κατάσταση στο STP και έχει υψηλό ειδικού βάρους- όλα τα μεγάλα πλεονεκτήματα. Το τελευταίο σημείο είναι μια μέτρηση παρόμοια με την πυκνότητα και καθώς αυξάνεται υψηλότερα ώστε να κάνει την απόδοση του προωθητικού. Όμως, το νιτρικό οξύ είναι επικίνδυνο στο χειρισμό (το μείγμα με το νερό παράγει ένα ισχυρό οξύ) και παράγει επιβλαβή υποπροϊόντα στην καύση με καύσιμο, οπότε η χρήση του είναι περιορισμένη.

Αναπτύχθηκε τον 2ο αιώνα π.Χ., από τους αρχαίους Κινέζους, τα πυροτεχνήματα είναι η παλαιότερη μορφή των ρουκετών και τα πιο απλοϊκά. Αρχικά, τα πυροτεχνήματα είχαν θρησκευτικούς σκοπούς αλλά αργότερα προσαρμόστηκαν για στρατιωτική χρήση κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα με τη μορφή "φλεγόμενων βέλη".

Κατά τη διάρκεια του δέκατου και του δέκατου τρίτου αιώνα, οι Μογγόλοι και οι Άραβες έφεραν τη μεγαλύτερη συνιστώσα αυτών των πρώιμων πυραύλων στη Δύση: πυρίτιδα. Παρόλο που το κανόνι και το πυροβόλο όπλο έγιναν οι σημαντικότερες εξελίξεις από την ανατολική εισαγωγή της πυρίτιδας, προέκυψαν και πυραύλοι. Αυτοί οι πυραύλοι ήταν ουσιαστικά μεγεθυσμένα πυροτεχνήματα που προωθούσαν, πέρα ​​από τον τόξο ή το κανόνι, πακέτα εκρηκτικής πυρίτιδας.

Κατά τους τελευταίους ιμπεριαλιστικούς πολέμους του 18ου αιώνα, ο συνταγματάρχης Congreve ανέπτυξε τους φημισμένους πυραύλους του, οι οποίοι φτάνουν σε απόσταση τεσσάρων μιλίων. Η «κόκκινη λάμψη» των ρουκετών (Αμερικανικός Ύμνος) καταγράφει τη χρήση του πολεμικού πυραύλου, στην αρχική του μορφή στρατιωτικής στρατηγικής, κατά τη διάρκεια της εμπνευσμένης μάχης Fort McHenry.

Μια ασφάλεια (σπάγγος βαμβακιού επικαλυμμένη με πυρίτιδα) φωτίζεται από έναν αγώνα ή από ένα «punk» (ένα ξύλινο ραβδί με μια κόκκινη λάμψη που μοιάζει με άνθρακα). Αυτή η ασφάλεια καίγεται γρήγορα στον πυρήνα του πυραύλου όπου ανάβει τα τοιχώματα του πυροβόλου όπλου του εσωτερικού πυρήνα. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως μία από τις χημικές ουσίες στην πυρίτιδα είναι το νιτρικό κάλιο, το πιο σημαντικό συστατικό. Η μοριακή δομή αυτού του χημικού, KNO3, περιέχει τρία άτομα οξυγόνου (O3), ένα άτομο αζώτου (N) και ένα άτομο καλίου (K). Τα τρία άτομα οξυγόνου που είναι κλειδωμένα σε αυτό το μόριο παρέχουν τον "αέρα" που η ασφάλεια και ο πυραύλος χρησιμοποιούσαν για να καούν τα άλλα δύο συστατικά, τον άνθρακα και το θείο. Έτσι, το νιτρικό κάλιο οξειδώνει τη χημική αντίδραση απελευθερώνοντας εύκολα το οξυγόνο του. Αυτή η αντίδραση δεν είναι αυθόρμητη και πρέπει να ξεκινήσει από θερμότητα όπως ο αγώνας ή το punk.