Jak działa silnik raketowy: drugie prawo Newtona, nozle de Laval i stagowanie

Trzecie prawo Newtona to cała historia

Każde działanie ma równą i przeciwną reakcję. Silnik rakiety spala paliwo tworząc ogromnie ciepłe, ciśnione gaz, a ten gaz wypływa przez nozle de Laval na dole rakiety — Trzecie Prawo Newtona rzuciło rakietę w przeciwnym kierunku. Crucjalnie, raketa nie napina się przeciwko otaczającemu jej powietrzu: reakcja ma miejsce między rakietą a własnym wydzielonym wydechem, dlatego silniki rakiety działają idealnie w próżni kosmicznej. Rozpuść balon i puść go bez związkowania — powietrze wypływa przez tył i balon leci do przodu. To dokładnie jak działa raketa, tylko z ciepłym gazem pod mucha ciśnienia. Nozle de Laval Saturn V wydzielali wydech na prawie 3 km/s, co stanowi około dziewięć razy prędkość dźwięku.

Dlaczego rakietę dominuje paliwo

Aby uciec z powagi Ziemi, raketa musi osiągnąć około 11,2 km/s — czyli około 40 000 km/h. Problem polega na tym, że cięższa raketa wymaga więcej paliwa, ale więcej paliwa sprawia, że jest jeszcze cięższa, co znowu wymaga więcej paliwa. Konstantin Tsiolkovsky opisał to jako „tyranię równania rakietowego” w 1903 roku. Praktyczny rezultat: typowa raketa zawiera około 90% paliwa od masy przy startowaniu. Raketa Saturn V ważyła 2 970 000 kg na stacji, a Apollo, który rzeczywiście dotarł do Księżyca i powrócił, ważył tylko około 28 800 kg — co wynosi około 1% całkowitej masy.

Stagowanie: zrzucanie nieważnych części podczas lotu

Inżynierowie rozwiązują problem paliwa poprzez stagowanie: zamiast jednego duzego silnika raketowego, kilka mniejszych silników jest ustawiane na siebie. Pierwszy etap odpala się i podnosi całe pojazd; po wykorzystaniu całego paliwa jest zrzucany, co natychmiast odbiera silnikowi masę. Drugi etap od razu odpala się bez obciążenia ciężkim, pustym pierwszym etapem, co znacznie powieksza jego efektywność — a jeśli jest trzeci etap, przewozi ładunek resztkę drogi do orbity lub dalej. Jest to taka sama logika jak zrzucanie pustego butelki z wodą przed bieganiem. Silnik Falcon 9 firmy SpaceX idzie jeszcze dalej, lądując pierwszy etap ponownie na statku roboczym, co pozwala na jego ponowne wykorzystanie i znacznie obniżyć koszty startu.

Nozle de Laval

Sama forma nozla ma nieocenioną wartość. Nozle de Laval zacina się do gardła, a następnie rozszerza ponownie, przyspieszając ciepłe gaz wybuchowe od podświetlonego do supersonycznego prędkości, gdy rozszerzają się przez oddzielny sekcję odchylną. Ciśnienie komory, pole gardła i stosunek pól nozla (pole wyjściowe ÷ pole gardła) razem ustawiają, jak efektywnie energia cieplna przelicza się na siłę napędową, oraz jak dobrze plama wydusienna pasuje do ciśnienia otoczenia przy zadanej wysokości — nozle dostosowane do poziomu morza są nadwykrocone w pustce, a odwrotnie. Realne silniki, takie jak Saturn V (35 100 kN siły napędowej) i Starship firmy SpaceX (~74 000 kN), przepuszczają ogromną ilość masy przez nozle zaprojektowane dokładnie na ten kompromis.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Rocket Engine — de Laval Nozzle & Thrust i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.