Kodėl raketos turi pakopas?
Trumpas atsakymas: Raketos turi pakopas, kad skrydžio metu galėtų išmesti tuščius degalų bakus ir variklius. Dėl to likusi raketa yra daug lengvesnė, todėl jai reikia mažiau degalų, kad įsibėgėtų ir pasiektų kosmosą ar orbitą.
Išsamesnis paaiškinimas
Raketos pakopa yra sekcija su savo varikliais ir kuru. Kai pakopa sunaudoja savo kurą, ji išmetama (numetama). Taip pašalinami sunkūs tušti bakai ir dalys, kurios nebenaudojamos.
Likusi raketos dalis tada sveria mažiau ir gali greičiau įsibėgėti. Pakopos taupo degalus, nes raketai nereikia kelti savo svorio. Skirtingos pakopos taip pat gali naudoti skirtingus variklius, skirtus orui arba vakuumui.
Kai kurios raketos surenka ir pakartotinai naudoja žemesnes pakopas, kad sutaupytų lėšų. Apskritai pakopos padeda raketoms pasiekti didesnį greitį ir gabenti daugiau krovinių į kosmosą, nereikalaujant vieno didžiulio variklio ar bako .
Mokslinis paaiškinimas
Įvardyti dėsniai / principai: trečiasis Niutono dėsnis (kiekvienam veiksmui vyksta lygi ir priešinga reakcija) ir Ciolkovskio raketos lygtis (kuri susieja raketos greičio pokytį su tuo, kiek masės ji gali išmesti, ir kokiu greičiu sklinda išmetamosios dujos).
Trečiasis Niutono dėsnis paaiškina, kaip dujų išmetimas iš galo stumia raketą į priekį. Raketos lygtis rodo, kad pasiekiamas greičio pokytis (vadinamas delta-v) labai priklauso nuo pradinės ir galutinės masės santykio. Tuščių pakopų išmetimas padidina šį masės santykį, nes galutinė raketos masė yra daug mažesnė, todėl tas pats kuras ir variklio našumas suteikia didesnį greičio padidėjimą.
Štai kodėl kelios mažesnės pakopos dažnai duoda didesnį delta-v nei viena didelė pakopa, nešanti visą savo svorį. Inžinieriai apskaičiuoja šiuos efektus naudodami raketos lygtį ir tada išbando juos vėjo tuneliuose ir skrydžių bandymuose, kad patvirtintų rezultatus .
Kaip mes tai žinome: Raketų matematika numato, kad pakopos pagerina našumą, o realūs pakopų raketų paleidimai bandymuose ir misijose atitiko šias prognozes. Skrydžio duomenys ir vėjo tunelio darbai patvirtina privalumus ir lemia pakopų projektavimą.
Kasdieniai pavyzdžiai
- „Saturn V“: trijų pakopų raketa, kuria astronautai buvo iškelti į Mėnulį.
- „SpaceX Falcon 9“: dviejų pakopų; pirmoji pakopa gali nusileisti ir būti pakartotinai naudojama.
- „Sojuz“: daugiapakopė raketa, naudojama įgulos ir krovinių skrydžiams į žemąją Žemės orbitą.
- „Electron“: maža dviejų pakopų raketa, skirta gabenti „Cubesats“.
Praktinis bandymas
Balionų raketų lenktynės
Sauga: atlikite tai su suaugusiuoju ir stenkitės nenukreipti į niekieno veidą.
Priemonės
- dvi ilgos virvelės
- du šiaudeliai
- lipni juosta
- du balionai
- žirklės
Žingsniai
- Perverkite kiekvieną virvelę per šiaudelį ir tvirtai suriškite virveles tarp dviejų kėdžių, kad jos būtų tiesios ir lygios.
- Pripūskite abu balionus vienodai, bet neužriškite jų galų; suspauskite juos.
- Priklijuokite po vieną balioną prie kiekvieno šiaudelio taip, kad balionas būtų nukreiptas išilgai virvelės. Prie vieno baliono galima priklijuoti mažą sąvaržėlę, kad būtų daugiau svorio.
- Paleiskite abu balionus vienu metu ir stebėkite, kaip jie skrieja išilgai virvelių.
- Pakartokite, keisdamiesi, kuris balionas turi daugiau svorio. Ką tai rodo: lengvesnis balionas paprastai skrenda toliau ir greičiau, o tai rodo, kad mažesnė masė padeda raketai įsibėgėti.
Svarbūs žodžiai
- Etapas: raketos dalis su savo varikliais ir kuru, kuri, kai yra tuščia, gali būti numesta.
- Trauka: raketinių variklių sukuriama stūmimo jėga, kai išstumiamos dujos.
- Delta-v: matas, parodantis, kiek transporto priemonė gali pakeisti savo greitį; svarbus norint pasiekti orbitą.
- Ciolkovskio raketos lygtis: fizikos formulė, susiejanti raketos greičio pokytį su jos masės santykiu ir išmetimo greičiu.
Trumpi klausimai
Kodėl nepastačius vienos didelės pakopos?
Viena didelė pakopa turėtų nešti visas tuščias talpyklas ir dalis iki pat galo, o tai eikvoja degalus ir sumažina galutinį greitį.
Ar nebenaudojamos pakopos sukelia didelę netvarką?
Taip, panaudotos pakopos atkeliauja atgal; jos skirtos numesti saugiose vietose arba vandenyne, o kai kurios yra surenkamos ir pakartotinai naudojamos.
Ar pakopos gali atlikti skirtingus darbus?
Taip, apatinės pakopos veikia ore ir užtikrina didžiulę trauką, o viršutinės pakopos yra optimizuotos vakuumui ir tiksliam įskriejimui į orbitą.