adım roket

Grafik: Falcon 9'da adım ayrımı
Delta II füzesinin üçüncü aşamasının ayrılması ve patlaması
Grafik: Satürn IB'de adım ayrımı
LGM-30 Minuteman III ICBM'nin uçuşu sırasında adım ayrımı

Bir aşamalı roket veya çok aşamalı roket , genellikle birbiri üzerine monte edilen , içinde artık ihtiyaç duyulmayan boş yakıt tanklarının ve motorların düşürüldüğü, böylece daha fazla hızlandırılmaları gerekmeyecek şekilde, boyutları küçülen birkaç roket aşamasından oluşur. yük. Bu şekilde, tek kademeli roketlere göre daha yüksek hızlar ve dolayısıyla daha yüksek yörüngeler elde edilir. Dünya yörüngelerine ulaşmak için kullanılan tüm roketler çok aşamalıydı ve öyle.

Öykü

Çok aşamalı füzelerin ilk tanımları ve çizimleri, 14. yüzyılda , Çinli bir ateşli silahlar kılavuzu olan Huo Lung Ching'de ortaya çıktı . Avusturyalı askeri teknisyen Conrad Haas , sanat kitabında (sadece 1961'de bulundu) 1529 ve 1556 yılları arasında çok aşamalı roket de dahil olmak üzere çok sayıda roket türünü tanımladı . Polonyalı topçu subayı Casimir Simienowicz , 1650'de üç aşamalı roketleri tanımladı. Rus öğretmen ve otodidakt Konstantin Ziolkowski , roket temel denklemiyle çok aşamalı prensibi bilimsel bir temele oturtmuştur. Bu, ağırlıksız uzayda tek kademeli bir roketin son hızının sadece motor gazlarının çıkış hızına ve kalkış kütlesinin nihai kütleye (kalkış kütlesi - yakıt) oranına bağlı olduğunu belirtir.

A9 / A10 adı altında , Alman mühendisler, İkinci Dünya Savaşı sırasında A4 roketini temel alan çok aşamalı bir roket geliştirmeye başladılar, ancak asla tamamlamadılar. Büyük çok aşamalı füzelerin geliştirilmesi, 1940'ların sonlarından itibaren özellikle Amerika Birleşik Devletleri ve Sovyetler Birliği'nde askeri kullanım için ilerlemiştir. Günümüzde yığılmış roketler ve güçlendiricili roketler kullanılan çeşitli konfigürasyonlar incelenmiştir .

Farklı konfigürasyonların karşılaştırılması. Soldan sağa: tek aşamalı füze, yığılmış iki aşamalı füze, güçlendiricili tek aşamalı füze, harici fırlatılabilir tanklara sahip füze.

tanım

En basit roketler, motorlu sadece bir aşamadan oluşur. Yığılmış füzeler durumunda, aşamalar üst üste dizilir ve birbiri ardına ateşlenir. Teorik olarak, bu işlem gerektiği kadar tekrarlanabilir, ancak dörtten fazla aşamada motorlar için harcanan çaba i'dir. NS. Genellikle kütle kazancından daha büyüktür. Kademeler aynı anda ateşlenir, ancak farklı sürelerde yanarsa, genellikle yarım kademe olarak sayılırlar. Bu ilke başlangıçta kullanılırsa, güçlendiricilerden söz edilir . Örneğin, Ariane 5 2,5 aşamalı bir rokettir: ilk aşama yanmadan önce güçlendiricilerini patlatır. İkinci aşama, genellikle kendi motoruna sahip olan bir yük taşır. Aslında bu üçüncü bir aşamadır, ancak fırlatıcılar söz konusu olduğunda genellikle sayılmaz. Bu, fırlatıcının bir parçası olmadığı için, planlanan yola ulaşmak için gerçek yükün sürüşü de sayılmaz.

Aşama ayrımı

Teknik uygulama zorludur ve kesin zamanlama gerektirir. Özellikle yüksek mekanik yüklere maruz kalan basamaklar arasındaki bağlantı mekanik olarak ayrılmalıdır. Bu genellikle piroteknik olarak, örneğin piro cıvatalar veya kesme yükleri aracılığıyla , bazen de gerdirme kayışı sistemleri aracılığıyla veya pnömatik olarak yapılır . Bundan sonra, bir çarpışmadan kaçınılmalıdır. Ayrılacak kademede hala artık bir itme kuvveti varsa, üst kademede, onları alt kademeden uzaklaştıran ve böylece sıvı roketlerde itici gazların belirli bir konumunu sağlayan küçük yardımcı motorlar kullanılabilir (bkz. Ullage ). Son olarak, üst kademenin doğru ateşleme sırası üzerinden geçilmelidir.

Başarısız bir ayırma örneği, Ekim 2018'deki insanlı Soyuz MS-10 uçuşudur . Soyuz'da , diğer şeylerin yanı sıra, tanklarından kalan oksijen, birinci aşama güçlendiricileri ayırmak için kullanılır; gaz, yükselticinin tepesinden dışarı akar ve bir geri tepme yaratır. Hidroforlardan birinin oksijen valfi açılmadı, bunun üzerine ikinci kademe ile çarpıştı ve yakıt deposuna zarar verdi. İki mürettebat üyesiyle birlikte uzay gemisi, kurtarma motorları aracılığıyla otomatik olarak emniyete alındı.

Bugünkü durum

Satürn V , lansmanı roket Apollo ay misyonları , üç roket aşamadan oluşuyordu. Günümüzde uzay yolculuğunda kullanılan aşamalı roketlerin çoğu da üç aşamalıdır, ancak iki veya dört aşamalı sistemler de vardır. Güçlendiricisini bağımsız bir seviye olarak sayarsanız, Hint PSLV'sinin beş seviyesi bile vardır. Son aşama, uyduyu mevcut dünya yörüngesinden daha yüksek veya gezegenler arası bir yörüngeye fırlattığı için bazen tekme aşaması veya tekme motoru olarak adlandırılır .

Bazı füzeler farklı üst aşamalarla donatılabilir. Daha sonra çoğunlukla üst seviye ve alt seviyenin her birinin kendi kontrol sistemi vardır ( jiroskop sistemleri ve diğer sensörler ). Ariane gibi diğer roketler, temel olarak, en üst aşamada oturan ve tüm aşamaları kontrol eden tek bir kontrol sistemine sahiptir (Ariane 5 GS ve Ariane 5 ECA gibi farklı üst aşamalara sahip versiyonlarda bile). Üst seviye genellikle alt seviyesinden , patlamadan önce küçük patlayıcı yükler ile ayrılır .

Bir Satürn V'nin ikinci roket aşaması , birincinin üzerine indirildi.

Son hız, dünyanın yerçekimi alanından kaynaklanan negatif ivme göz ardı edilirse, her aşamada ayrı ayrı ulaşılan hızlardan oluşur :

burada C 1 ve çıkış hızı gazların arasından birinci aşama motoru (saniyede bir kaç km) ve ln m duran için logaritması ilgili kütle oranının bir kalkış ağırlığı için boş ağırlığı . Unutulmamalıdır ki , boş ağırlık olarak m 1 de ikinci ve üçüncü aşamaları vb. taşımak zorundadır, ancak m 3 sadece faydalı yükü – uydu veya uyduları – taşımak zorundadır .

Boş ağırlık füze gövdesi (stabilite nedeniyle çok ince olmamalıdır olan) tespit edilir, aynı zamanda değil sadece Laval memesi ve yakıt - pompası ve yardımcı ünite. Ucuz roketlerde kütle oranı 5'in üzerindedir, böylece meme hızları c = 3 km/s civarında olan motorlar yaklaşık 5 km/s'ye (3 km/sn · ln 5 = 4,8 km/sn) ulaşırlar. Bununla birlikte, aslında, yerçekimi , sistemi tasarlarken dikkate alınması gereken, alt roket aşamalarının hızını önemli ölçüde azaltır (tipik olarak, ilk hızlanmaya bağlı olarak, üç dakikalık bir yanma süresiyle yaklaşık 1 ila 2 km / s). .

İyileştirme fırsatları

Hidroforlu sıvı yakıtlı roketlerin verimliliğinde bir artış, en düşük roket aşamasının motorunu veya motorlarını hidroforların yakıt tanklarına bağlayarak sağlanabilir. Hem güçlendirici motorlar hem de en düşük roket aşamasının motorları, yakıtlarını en başından itibaren güçlendiricilerin tanklarından alırsa, güçlendiriciler daha hızlı boşalır ve güçlendiriciler daha erken fırlatılabilir. Ancak o zaman en düşük roket aşaması yakıtı kendi tanklarından yakabilirdi.

Bu tür itici çapraz besleme , başlangıçta SpaceX'ten Falcon Heavy için planlandı, ancak gerçekleştirilmedi.

Edebiyat

  • Ernst Grimsehl: Grimsehl fizik ders kitabı. Cilt 1, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Wiesbaden 1991, ISBN 978-3-663-05733-8 .
  • Helmuth Hausen , Rudolf Plank : Soğutma teknolojisinin el kitabı. Sekizinci cilt, çok düşük sıcaklıklarda üretim, Springer Verlag Berlin Heidelberg GmbH, Berlin Heidelberg 1957.
  • Josef Stemmer: Roket Tahrik. Schweizer Druck- und Verlagshaus AG, Zürih.
  • Bölüm 2.5 Tek ve çok aşamalı kimyasal fırlatma araçları. İçinde: Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas: Uzay sistemleri. Springer Verlag Berlin Heidelberg, 5. baskı, Berlin Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-49637-4 .
  • Bölüm 3 Roket Aşaması. İçinde: Ulrich Walter: Astronautics: The Physics of Space Flight , Springer, 3. baskı, 2018, ISBN 978-3-319-74372-1 .
  • Bölüm 3.2 Adım Teknolojileri. İçinde: W. Ley, K. Wittmann, W. Hallmann (Ed.): Handbuch der Raumfahrttechnik , Hanser, 4. baskı, Münih 2011, ISBN 978-3-446-42406-7 .

İnternet linkleri

Bireysel kanıt

  1. ^ Anatoly Zak: Soyuz MS-10, fırlatma hatasından sonra acil iniş yapıyor. İçinde: Rus Uzay Ağı. Ekim 2018, erişim tarihi 15 Ağustos 2019 .
  2. ↑ John K. Strickland, Jr.: SpaceX Falcon Ağır Güçlendirici: Neden Önemli? National Space Society, Eylül 2011, erişim tarihi 25 Ağustos 2019 .
  3. ↑ Elon Musk'tan Twitter mesajı , 1 Mayıs 2016.