Τι είναι η πυραυλική επιστήμη;

Η πυραυλική επιστήμη έχει να κάνει με τη χρήση πυραυλικής πρόωσης για τη μετακίνηση οτιδήποτε από πυροτέχνημα σε επανδρωμένο διαστημόπλοιο.

Στην καρδιά του πυραύλου βρίσκεται ο Τρίτος Νόμος Κίνησης του Ισαάκ Νεύτωνα, κάτι που έχει καθιερωθεί εδώ και πάνω από 300 χρόνια. Λέει ότι κάθε δράση έχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση. Εάν σταθείτε μπροστά σε έναν τοίχο και τον πιέσετε δυνατά, θα μετακινηθείτε προς τα πίσω.

Ομοίως, αν σταθείτε σε ένα skateboard και πετάξετε ένα βαρύ αντικείμενο μακριά σας όσο πιο δυνατά μπορείτε (μην το δοκιμάσετε στο σπίτι), θα κυλήσετε προς την αντίθετη κατεύθυνση. Καθώς σπρώχνετε ένα αντικείμενο προς τα εμπρός, το αντικείμενο σπρώχνει προς τα πίσω σας με την ίδια δύναμη.

Σε έναν πύραυλο, το «αντικείμενο» που ωθείται είναι το τελικό προϊόν της καύσης καυσίμου, το οποίο εκτοξεύεται από το πίσω μέρος του πυραύλου καθώς καίγεται το καύσιμο, αναγκάζοντας τον πύραυλο να κινηθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Είναι περίπλοκη η επιστήμη των πυραύλων;

Καθόλου. Υπάρχουν τρεις βασικές απαιτήσεις για έναν πύραυλο που λειτουργεί:να τον κινήσει, να ξεπεράσει την έλξη της βαρύτητας και να σχεδιάσει μια πορεία. Καθένα από αυτά εξαρτάται από τη φυσική που είναι γνωστή από την εποχή του Νεύτωνα.

Ο πύραυλος στον κενό χώρο είναι εύκολος, αλλά στη Γη πρέπει να ξεπεράσουμε τη βαρύτητα του πλανήτη μας. Εδώ ένας πύραυλος είναι πολύ καλύτερος από ένα κανόνι. Ο συγγραφέας επιστημονικής φαντασίας Ιούλιος Βερν πρότεινε τη χρήση του τελευταίου για να εκτοξευθεί μια οβίδα που περιείχε τρεις επιβάτες στη Σελήνη τον 19ο αιώνα.

Αλλά ένα πυροβόλο πρέπει να ανεβάσει το ωφέλιμο φορτίο του στην ταχύτητα που χρειάζεται για να εγκαταλείψει τη βαρύτητα της Γης –την ταχύτητα διαφυγής– μέχρι να φύγει από την κάννη, γιατί μετά από αυτό οι μόνες δυνάμεις που δρουν πάνω του είναι η βαρύτητα και η αντίσταση του αέρα, που το επιβραδύνουν .

Η επιτάχυνση για να φτάσει το κέλυφος του Βερν στα απαιτούμενα 11,2 χλμ. ανά δευτερόλεπτο θα συνέτριβε τους επιβάτες μέσα. Αλλά ένας πύραυλος μπορεί να επιταχύνει πιο ήπια για όσο διαρκεί το καύσιμο του, βγαίνοντας σταδιακά έξω από τη βαρύτητα της Γης.

Όταν πρόκειται να σχεδιάσουμε μια πορεία, για άλλη μια φορά, το μόνο που χρειαζόμαστε είναι η φυσική του Νεύτωνα, η οποία μας επιτρέπει να καταλάβουμε πώς η διαδρομή πτήσης θα επηρεαστεί από τις βαρυτικές έλξεις της Γης, του Ήλιου και της Σελήνης (οι άλλοι πλανήτες θα έχουν επιρροές επίσης, αλλά αυτά είναι μικρά σε μια τοπική πτήση), συν τυχόν «καψίματα» του κινητήρα πυραύλων.

Αυτό που κάνει τόσο δύσκολο τον επιτυχημένο πυραύλο δεν είναι τόσο η επιστήμη όσο η μηχανική. Υπάρχει τόσο πολύπλοκη τεχνολογία σε έναν πύραυλο που είναι απίστευτα δύσκολο να είσαι σίγουρος ότι όλα θα λειτουργήσουν.

Επομένως, η επιστήμη των πυραύλων δεν είναι "επιστήμη πυραύλων";

Όχι, αλλά τότε δεν μπορούν όλοι να κατανοήσουν τα βασικά της φυσικής.

Όταν, το 1920, ο Αμερικανός πρωτοπόρος πυραύλων Robert H Goddard είπε ότι ένας πύραυλος από τη Γη θα μπορούσε να φτάσει στη Σελήνη, The New York Times προφανώς απέτυχε να καταλάβει πώς λειτουργούν οι πύραυλοι.

Ένα άρθρο της εφημερίδας σχολίασε:«Εκείνος ο καθηγητής Γκόνταρντ, με την «καρέκλα» του στο Κολλέγιο Κλαρκ και την υποστήριξη του Ινστιτούτου Smithsonian, δεν γνωρίζει τη σχέση της δράσης με την αντίδραση και την ανάγκη να υπάρχει κάτι καλύτερο από ένα κενό ενάντια που να αντιδράσουμε – να το πούμε αυτό θα ήταν παράλογο. Φυσικά φαίνεται να του λείπει μόνο η γνώση που κυκλοφορεί καθημερινά στα λύκεια.»

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με την επιστήμη των πυραύλων:

• Μια ιστορία της πυραυλικής επιστήμης
• Επιστήμη πυραύλων για αρχάριους

Αυτό που έχασε το editorial είναι ότι ένας πύραυλος δεν πιέζει την ατμόσφαιρα - ωθείται από το καύσιμο που καίγεται που εκτοξεύεται από την πλάτη του.

Η εφημερίδα δημοσίευσε μια «διόρθωση» το 1969, όταν το Apollo 11 ήταν καθ' οδόν προς τη Σελήνη, αλλά ποτέ δεν ζήτησε συγγνώμη για την παραβίαση των νόμων της φυσικής του Νεύτωνα και τη φήμη του Γκόνταρντ.

Πώς λειτουργούν οι πύραυλοι;

Όλοι οι πύραυλοι λειτουργούν με βάση την αρχή της ρίψης κάτι από την πλάτη για να σπρώξουν τον πύραυλο προς τα εμπρός, αλλά το τι ακριβώς είναι αυτό το «κάτι» μπορεί να διαφέρει.

Μία από τις αρχαιότερες γνωστές συσκευές που χρησιμοποιούν πρόωση πυραύλων ήταν το aeolipile, το οποίο σχεδιάστηκε από τον Ήρωα της Αλεξάνδρειας τον 1ο αιώνα μ.Χ. Χρησιμοποιούσε ατμό που αναδύονταν από σωλήνες για να περιστρέψει μια μεταλλική μπάλα.

Οι περισσότεροι πύραυλοι χρησιμοποιούν εύφλεκτες ουσίες και τα ενεργητικά καυσαέρια που παράγονται από την καύση τους είναι αυτά που παρέχουν ώθηση. Αρχικά, τέτοιοι πύραυλοι τροφοδοτούνταν με πυρίτιδα, αλλά τα πιο μοντέρνα σχέδια χρησιμοποιούν είτε εξειδικευμένο στερεό καύσιμο είτε αέρια όπως το υδρογόνο, υγροποιημένα για να μεγιστοποιήσουν την ποσότητα που μπορεί να μεταφερθεί.

Οι διαστημικοί πύραυλοι πρέπει να μπορούν να λειτουργούν χωρίς αέρα, επομένως χρειάζονται ένα οξειδωτικό για να παίξει το ρόλο του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. Αυτό μπορεί να είναι υγρό οξυγόνο ή άλλες ουσίες.

Η πιο πρόσφατη τεχνολογία πυραύλων είναι η κίνηση ιόντων ή προωθητής. Αυτός είναι ένας πύραυλος με ηλεκτρική ενέργεια, όπου φορτισμένα σωματίδια (ιόντα) επιταχύνονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο για να εκτοξευθούν από το πίσω μέρος του πυραύλου.

Οι προωθητήρες χρησιμοποιούνται πιο συχνά για πυραύλους διεύθυνσης καθώς είναι πολύ ακριβείς αλλά αρκετά αδύναμοι. Ωστόσο, θα μπορούσαν να παρέχουν την κύρια πρόωση για έναν πύραυλο που σχεδιάστηκε για χρήση στο βαθύ διάστημα.

Πώς ξεκίνησε η επιστήμη των πυραύλων;

Εκτός από τους ελληνικούς πυραύλους ατμού, οι πρώτοι πύραυλοι κατασκευάστηκαν για επιδείξεις πυροτεχνημάτων και ως όπλα στην Κίνα, όπου χρονολογούνται τουλάχιστον από τον 13ο αιώνα.

Οι μεταλλικοί πύραυλοι για όπλα άρχισαν να χρησιμοποιούνται στη Δύση τον 19ο αιώνα. Ήταν δύσκολο να στοχεύσουν, αλλά παρείχαν ένα αποτελεσματικό όπλο τρόμου και έγιναν δημοφιλείς για χρήση από πλοία, καθώς οι πύραυλοι δεν έχουν ανάκρουση – σε αντίθεση με τα όπλα.

Αυτό το είδος χρήσης είχε στο μυαλό του ο Francis Scott Key, συγγραφέας του εθνικού ύμνου των ΗΠΑ, όταν αναφέρθηκε στην "κόκκινη λάμψη των πυραύλων".

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με την εξερεύνηση του διαστήματος:

• Μετακινηθείτε, Άρη:γιατί πρέπει να κοιτάξουμε πιο μακριά για μελλοντικές ανθρώπινες αποικίες
• Η «σύλληψη προσεδάφισης παλετών» της NASA θα μπορούσε να έρθει σύντομα σε μια Σελήνη κοντά σας

Όσον αφορά τα διαστημικά ταξίδια, οι πύραυλοι εμφανίστηκαν σε ιστορίες δεκαετίες πριν γίνουν πρακτικοί.

Όταν το αμερικανικό κατεστημένο άρχισε να εργάζεται για πρώτη φορά με πυραύλους τη δεκαετία του 1930, ο στρατός λέγεται ότι έμοιαζε πολύ με επιστημονική φαντασία, έτσι η βάση ανάπτυξης στην Πασαντένα της Καλιφόρνια ονομάστηκε Jet Propulsion Laboratory, παρόλο που δεν λειτούργησε ποτέ τζετ, μόνο ρουκέτες.

Ομοίως, τα πακέτα πυραύλων που χρησιμοποιούνται για να βοηθήσουν τα αεροσκάφη να απογειώνονται από μικρούς διαδρόμους λέγεται ότι είχαν «JATO» (απογείωση με υποβοήθηση jet) για να αποφευχθεί η λέξη «R».

Οι διαστημικοί πύραυλοι των ΗΠΑ και της ΕΣΣΔ μετά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο ήταν αρχικά εμπνευσμένοι από το γερμανικό όπλο V-2. Ο προγραμματιστής του, ο Wernher von Braun, δεν ενδιαφερόταν καθόλου για τη σύγκρουση, αλλά είδε τη δουλειά του ως έναν τρόπο να κάνει τα όνειρά του για διαστημικά ταξίδια πραγματικότητα.

Μετά τον πόλεμο, και οι δύο υπερδυνάμεις ανέπτυξαν πυραύλους από το V-2 και οι πύραυλοι Atlas που χρησιμοποιήθηκαν για να οδηγήσουν τους πρώτους Αμερικανούς αστροναύτες στο διάστημα σχεδιάστηκαν αρχικά ως διηπειρωτικοί βαλλιστικοί πύραυλοι. Ακόμη και ο πύραυλος Saturn V που χρησιμοποιήθηκε στο πρόγραμμα Apollo είχε μια γενεαλογία που ανήκε στη σειρά Jupiter στους πυραύλους Redstone.

Μπορούν οι πύραυλοι να χρησιμοποιήσουν οξυγόνο από την ατμόσφαιρα;

Οι διαστημικοί πύραυλοι μεταφέρουν ένα οξειδωτικό, όπως οξυγόνο ή υπεροξείδιο του υδρογόνου, για να επιτρέψουν στο καύσιμο να καεί στο διάστημα. Ωστόσο, για το πρώτο και πιο δύσκολο μέρος της εκτόξευσης, ταξιδεύουν στην ατμόσφαιρα.

Εάν μπορούσαν να πάρουν οξυγόνο καθώς πήγαιναν, θα μείωνε σημαντικά το βάρος απογείωσης. Επομένως, θα ήταν τεράστιο πλεονέκτημα η χρήση ατμοσφαιρικού οξυγόνου όσο είναι διαθέσιμο.

Το πρόβλημα είναι ότι πρόκειται για μια τεράστια τεχνική πρόκληση.

Σε έναν πύραυλο υδρογόνου/οξυγόνου, όπως πολλοί που χρησιμοποιούνται από τη NASA, το οξυγόνο πρέπει να συμπιεστεί και να ψυχθεί στους -140°C πριν αναμιχθεί με το υδρογόνο, το οποίο πρέπει να πραγματοποιηθεί περίπου στο 1/100ο του δευτερολέπτου, αποφεύγοντας τον πάγο. μπλοκαρίσματα από την υγρασία στον αέρα.

Αυτό έχει επιτευχθεί στο σύστημα πρόωσης SABER που κατασκευάστηκε από τη βρετανική εταιρεία Reaction Engines. Η ελπίδα είναι ότι σύντομα θα χρησιμοποιηθεί σε κινητήρες πυραύλων που λειτουργούν, σχεδιασμένοι για το διαστημικό αεροπλάνο SKYLON.

Γιατί οι μεγάλοι πύραυλοι έχουν πολλαπλά στάδια;

Μια από τις μεγαλύτερες διαφορές μεταξύ των πυραύλων της πρώιμης επιστημονικής φαντασίας και των πραγματικών που μετέφεραν τους ανθρώπους στο διάστημα ήταν ότι οι πραγματικοί πύραυλοι είχαν πολλαπλά στάδια που έπεσαν καθώς ο πύραυλος έφευγε από τη Γη.

Αυτή η ιδέα αναπτύχθηκε για πρώτη φορά από τον Ρώσο δάσκαλο και πρωτοπόρο πυραύλων Konstantin Tsiolkovsky ήδη από το 1903.

Τα στάδια αντικατοπτρίζουν την ανάγκη μεταφοράς πολλών καυσίμων για να επιτραπεί στον πύραυλο να ξεφύγει από τη βαρυτική έλξη της Γης. Όταν οι δεξαμενές καυσίμου είναι άδειες, είναι απλώς επιπλέον μάζα που πρέπει να επιταχυνθεί, σπαταλώντας καύσιμο.

Αφήνοντας ένα στάδιο όταν το καύσιμο έχει εξαντληθεί (ή έχοντας εξωτερικές δεξαμενές μιας χρήσης όπως το Διαστημικό Λεωφορείο), το σκάφος που απομένει γίνεται πολύ πιο ελαφρύ και χρειάζεται λιγότερα καύσιμα για να το επιταχύνει.

Ο Tsiolkovsky ήταν θεωρητικός και ήταν ο Goddard που κατασκεύασε τους πρώτους πρακτικούς πειραματικούς πυραύλους πολλαπλών σταδίων.

Τα διαστημόπλοια που επιστρέφουν στη Γη χρησιμοποιούν έναν συνδυασμό αντίστασης αέρα, φτερών (κυρίως στο Διαστημικό Λεωφορείο) και αλεξίπτωτων για να επιβραδύνουν το σκάφος κατά την επανείσοδο, σε αντίθεση με τα περισσότερα διαστημόπλοια επιστημονικής φαντασίας, τα οποία προσγειώνονται αργά υπό την ισχύ πυραύλων.

Οι πύραυλοι χρησιμοποιούνται για προσγείωση όπου δεν υπάρχει αέρας και σχετικά μικρή βαρύτητα, όπως στη Σελήνη, αλλά ένα πλοίο απλά δεν μπορεί να μεταφέρει αρκετά καύσιμα για να κάνει μια ήπια προσγείωση στη Γη – χρησιμοποιεί το μεγαλύτερο μέρος του καυσίμου του για να απομακρυνθεί αρχικά .

Για να επιστρέψετε στη Γη με πυραύλους θα χρειαζόταν κάποιας μορφής ικανότητα ανεφοδιασμού καυσίμων στο διάστημα, κάτι που δεν είναι επί του παρόντος εφικτό.

Πού έχουν χρησιμοποιηθεί πύραυλοι;

Είμαστε εξοικειωμένοι με τους πυραύλους σε εκθέσεις πυροτεχνημάτων και διαστημικά οχήματα, αλλά ο στρατός έχει κάνει χρήση της τεχνολογίας πυραύλων στον πόλεμο για μεγάλο χρονικό διάστημα, από πρώιμες συσκευές που ήταν κάτι περισσότερο από πύραυλοι από μεταλλικά μπουκάλια μέχρι σύγχρονους πυραύλους και πυραυλοβόλους.

Αλλού, οι πύραυλοι είχαν μια σωτήρια χρήση σε φωτοβολίδες διάσωσης, ως ένας τρόπος για να φέρουν μια γραμμή μεταξύ πλοίων για να οδηγήσουν τους εγκλωβισμένους ναύτες στην ασφάλεια και στα καθίσματα εκτίναξης των στρατιωτικών αεροπλάνων.

Το jetpack που χρησιμοποιήθηκε στην ταινία του James Bond Thunderball ήταν ακριβέστερα ένα πακέτο πυραύλων, ενώ οι πύραυλοι έχουν επίσης τροφοδοτήσει αυτοκίνητα και έλκηθρα για να καταγράφουν ταχύτητες. Εάν θέλετε πολλή ώθηση για σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα, ένας πύραυλος είναι συχνά η καλύτερη λύση.

Θα χρησιμοποιούμε πάντα πυραύλους;

Ορισμένοι πύραυλοι, όπως οι μονάδες ιόντων, είναι πάντα πιθανό να είναι χρήσιμοι. Αλλά θα ήταν ιδανικό αν μπορούσαμε να αντικαταστήσουμε τους πυραύλους, τόσο για να απομακρυνθούμε από τη Γη όσο και για το είδος της μακροπρόθεσμης επιτάχυνσης που απαιτείται για να κάνουμε το ταξίδι στο εξωτερικό Ηλιακό Σύστημα ή ακόμα και σε άλλα αστέρια, συνηθισμένο.

Μια εναλλακτική λύση για τους πυραύλους είναι ο διαστημικός ανελκυστήρας.

Αυτό περιλαμβάνει τη διέλευση ενός εξαιρετικά μεγάλου καλωδίου από έναν δορυφόρο μέχρι την επιφάνεια της Γης. Στη συνέχεια, μια μηχανική συσκευή θα χρησιμοποιηθεί για να ανέβει επάνω του, μεταφέροντας ένα ωφέλιμο φορτίο στο διάστημα. Είναι μια εξαιρετική ιδέα, καθώς θα ήταν πολύ φθηνότερο από τους πύραυλους και δεν χρειάζεται να μεταφέρει τα καύσιμα.

Αλλά δεν έχουμε υλικά αρκετά ισχυρά για να φτιάξουμε έναν διαστημικό ανελκυστήρα από τη Γη.

Το καλώδιο θα πρέπει να έχει μήκος σχεδόν 38.000 χλμ. Ένα τυπικό χαλύβδινο καλώδιο 28 mm αυτού του μήκους, ικανό να υποστηρίξει περίπου 50 τόνους, θα ζύγιζε 115.000 τόνους. Κατ' αρχήν, ωστόσο, έχουμε υλικά αρκετά ισχυρά για να φτιάξουμε έναν διαστημικό ανελκυστήρα στη Σελήνη.

Όσον αφορά το βαθύ διάστημα, θα μπορούσαμε να αντικαταστήσουμε ορισμένες από τις απαιτήσεις για πυραύλους με ηλιακά πανιά, τα οποία χρησιμοποιούν την πίεση του ηλιακού φωτός για να επιταχύνουν σταδιακά ένα σκάφος ή οδηγούς μάζας, που είναι σαν εξωτερικοί προωθητές που σπρώχνουν ολόκληρο το πλοίο.

Διαβάστε ακόμη περισσότερα σχετικά με την εξερεύνηση του διαστήματος και την πυραυλική επιστήμη:

• Πώς συγκρίνεται ο SpaceX Falcon με άλλους πυραύλους;
• Γιατί το πρώτο φυτό που αναπτύχθηκε στη Σελήνη είναι ένα σημαντικό ορόσημο στην εξερεύνηση του διαστήματος
• Το ταξίδι στο διάστημα επηρεάζει τα καρδιακά κύτταρα, αλλά μόνο προσωρινά
• Διαστημικός πόλεμος:η νέα κούρσα εξοπλισμών πάνω από τα κεφάλια μας

Αλλά η πιο δραματική εναλλακτική, που ονειρεύτηκε το 1958, είναι να προωθήσει ένα πλοίο εκρήγνυται μικροσκοπικά πυρηνικά φορτία πίσω του, οδηγώντας το ωστικό κύμα.

Το αρχικό Project Orion είχε το σύνθημα «Ο Άρης το 1966, ο Κρόνος το 1970». Δεν κατασκευάστηκε ποτέ (εν μέρει επειδή η αρχική ιδέα να χρησιμοποιηθούν αυτά τα πυρηνικά φορτία για απογείωση από τη Γη ήταν, το λιγότερο, μη πρακτική).

Αλλά η ιδέα επανεξετάστηκε σε μεταγενέστερα διαστημόπλοια. Το τεράστιο πλεονέκτημα του πυρηνικού καυσίμου είναι ότι συμπιέζει πολύ περισσότερη ενέργεια σε μια συγκεκριμένη μάζα, αλλά οι κίνδυνοι που συνεπάγονται έχουν κάνει μέχρι στιγμής αυτήν την προσέγγιση μη πρακτική.

• Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο τεύχος 287 του BBC Science Focus – μάθετε πώς να εγγραφείτε εδώ

Συστολή της γλώσσας

Βαλλιστικός πύραυλος - Αυτό που ξεκινάει με δύναμη, φτάνοντας σε σημαντικό ύψος πριν πέσει σε ελεύθερη πτώση στον στόχο του. Ο V-2 ήταν ο πρώτος βαλλιστικός πύραυλος.

Διηπειρωτικός βαλλιστικός πύραυλος (icbm) - Οι σύγχρονοι διαστημικοί πύραυλοι αναπτύχθηκαν ως επί το πλείστον από πυραύλους που έχουν σχεδιαστεί για την αποστολή πυρηνικών πυραύλων σε όλο τον κόσμο.

Ιόντα -  Ο «προωστήρας» ή «οδήγηση ιόντων» χρησιμοποιεί ιόντα ως μάζα αντίδρασης. Τα ιόντα είναι άτομα στα οποία αφαιρούνται ή προστίθενται ηλεκτρόνια και, ως εκ τούτου, έχουν ηλεκτρικό φορτίο που σημαίνει ότι μπορούν να προωθηθούν από ένα ηλεκτρικό πεδίο.

Meganewtons (MN) - Τα Newton (N) είναι η τυπική μονάδα δύναμης. 1Ν είναι η δύναμη που απαιτείται για την επιτάχυνση 1kg έως 1m ανά δευτερόλεπτο ανά δευτερόλεπτο. Η δύναμη προς τα κάτω στο 1kg λόγω της βαρύτητας της Γης είναι 9,81N. Ένα meganewton είναι ένα εκατομμύριο newton.

Μάζα αντίδρασης -  Τα πράγματα που πετιούνται από το πίσω μέρος ενός πυραύλου για να τον σπρώξουν προς τα εμπρός. Σε έναν παραδοσιακό χημικό πύραυλο αυτό είναι το καυσαέριο από την καύση του καυσίμου.

Πώση -  Το ποσό της δύναμης που δημιουργείται από έναν κινητήρα για την ώθηση ενός οχήματος προς τα εμπρός, όπως η δύναμη που δημιουργείται από έναν κινητήρα πυραύλων.