Raketos yra vienintelė transporto priemonių rūšis, gebanti suteikti kroviniui pirmąjį kosminį greitį ar netgi nuskraidinti į tarpžvaigždinę erdvę. Kad raketa skristų, jos varikliai turi sukurti pakankamą jėgą, įveikiančią sunkio, oro pasipriešinimo ir kitas veikiančias jėgas. Raketos skrydis susideda iš dviejų pagrindinių dalių - aktyviosios, kuomet varikliai greitina įrenginį, ir pasyviosios, arba laisvojo skrydžio, kuomet įrenginį veikia tik Žemės (ar kito kūno) traukos jėga.
Raketa juda veikiama atoveiksmio (reaktyvinės) jėgos, atsiradusios dėl medžiagos išmetimo iš variklio. Ši medžiaga vadinama darbine medžiaga. Panašiai veikia ir orlaivių varikliai, vadinami reaktyviniais, tačiau jie naudoja aplinkos orą ir turi ribinį aukštį. Kosminis skraidymo įrenginys turi gebėti judėti ir vakuume, todėl raketa su savimi skraidina medžiagą, kurią tuštumoje naudoja kaip atramą savo judėjimui keisti.
Skirtingai nei orlaiviuose, raketose saugomos ne tik degalų, bet ir oksidatoriaus atsargos. Supaprastinta raketos sandara pavaizduota (1 Pav.).
1 Pav. Raketa, sudaryta iš naudingojo krovinio `6`, kuro, kuro talpos `4`, variklio `1`, ir laikančiosios konstrukcijos `2`, prie kurios pritvirtinti pagrindiniai raketos mazgai.
Pagrindinis raketos įrenginys yra raketinis variklis ar variklių junginys, kuris kuria varos jėgą. Beveik dauguma nešančiųjų raketų paleidžiamos stačiai. Raketos judėjimo išskirtinė ypatybė yra judėjimas mažėjant jos masei dėl išmetamos darbinės medžiagos. Nuo darbinės medžiagos išmetimo greičio ir kiekio priklauso galutinis raketos greitis.
Kintančios masės kūno judėjimas
Vyraujanti jėga, lemianti raketos masės centro judėjimą aktyvios skrydžio dalies metu, yra jos variklių kuriama varos jėga `P`. Bendruoju atveju, skrendant atmosferoje, raketą veikia aerodinaminės jėgos `R_a` ir sunkio jėga `mg`. Paprastesniu atveju, kai raketos neveikia aerodinaminės jėgos ir sunkio jėga, o varos jėgos vektoriaus kryptis lygiagreti greičio vektoriui, remiantis jėgos impulso teorema, varos jėga yra proporcinga išmetamos medžiagos masės debitui ir išmetimo greičiui: `P = dm/dt * v_i`.
Daroma prielaida, kad varos jėga visuomet nukreipta priešinga išmetamos darbinės medžiagos greičio vektoriui. Išmetamoji darbinė medžiaga eikvojama tik iš atsargų, esančių pačiame įrenginyje. Laikotarpis `(0..t_1)` apima aktyviąją skrydžio dalį, kuomet veikia raketos varikliai. Baigus veikti varikliams, aparato masė tampa lygi `m_1`. Ciolkovskio lygtis apibūdina didžiausią galimą raketos galutinį greitį aktyvios skrydžio dalies pabaigoje, kai jos neveikia aerodinaminės ir gravitacijos jėgos. Tikrovėje greičio nuostoliai atsiranda dėl Žemės traukos, oro pasipriešinimo, variklių veikimo neskaičiuotiniu režimu ir kitų veiksnių. Todėl tikrasis raketos galutinis greitis visuomet bus mažesnis už būdingąjį greitį.
Kiekvienai raketinei sistemai numatomas projektinis galutinis greitis `v_g`, pvz., pirmasis kosminis greitis (`~7,9 km/s`). Ribotos raketinio kuro energetinės savybės riboja ir išmetamos medžiagos greitį. Norint, kad raketa pasiektų pirmąjį kosminį greitį, jos idealus greitis dėl neigiamų veiksnių turi būti didesnis. Geriausiu atveju, raketos varikliai išmeta medžiagą (`v_i ~4,5 km/s`) greičiu. Tuomet, norint pasiekti pirmąjį kosminį greitį, raketos masės skaičius turi būti didelis, kas reiškia, kad kuro masės dalis turi sudaryti apie 90 % raketos masės.
Sunku pasiekti, kad raketos konstrukcija sudarytų tik 5-7 % raketos pradinės masės. Todėl iki šiol nėra sukurtos vienpakopės raketos, galinčios suteikti naudingajam kroviniui pirmąjį kosminį greitį. Veiksmingas būdas išvengti šių apribojimų yra sudėtinių (daugiapakopių) raketų naudojimas.
Daugiapakopės raketos
Sudėtinės raketos būna sudarytos iš 2 ir daugiau sujungtų pakopų. Skiriami du pagrindiniai jungimo būdai:
- Nuosekliojo jungimo atveju: pakopai išeikvojus savo atsargas, ji yra atskiriama nuo likusios raketos ir numetama. Tik po ankstesnės pakopos atjungimo įjungiami sekančios pakopos varikliai.
- Lygiagrečiojo pakopų jungimo atveju: dviejų ar daugiau pakopų leidimo varikliai vienu metu veikia kartu su antrosios pakopos skriejimo varikliais. Leidimo pakopoms išeikvojus kuro atsargas, jos atskiriamos nuo raketos, o antrosios pakopos skriejimo varikliai veikia toliau.
2 Pav. a) Nuoseklusis pakopų jungimas. b) Lygiagretusis pakopų jungimas.
Daugėjant pakopų skaičiui, mažėja pradinė (leidimo) raketos masė, tačiau raketa tampa sudėtingesnė ir mažiau patikima. Daugiapakopių raketų pranašumas prieš vienpakopes yra akivaizdus, nes jos leidžia efektyviau pasiekti didelius greičius, proporcingai paskirstant masę ir energiją tarp pakopų.
Aktyvioji skrydžio dalis
Aktyviąja skrydžio dalimi vadinamas laikotarpis, kuomet veikia raketos varikliai. Šios skrydžio dalies metu vyksta raketos kėlimas ir greitinimas. Tuo metu raketos trajektorija nėra balistinė.
4 Pav. Raketos trajektorija aktyviosios skrydžio dalies metu.
Aktyviosios skrydžio dalies trukmė priklauso nuo raketos ir jos variklio parametrų. Kylant raketai, gravitaciniai greičio nuostoliai atsiranda dėl energijos sąnaudų, reikalingų pakelti ją gravitaciniame lauke. Šiuos nuostolius galima sumažinti trumpinant aktyvaus skrydžio trukmę arba kaip įmanoma greičiau pasukant raketą į gulsčią padėtį (vietinio horizonto atžvilgiu).
5 Pav. Gravitaciniai greičio nuostoliai priklausomai nuo kampo tarp raketos greičio vektoriaus ir vietinio horizonto.
Raketai judant per tankiuosius atmosferos sluoksnius, oro pasipriešinimas stabdo jos judėjimą. Aerodinaminiai greičio nuostoliai paprastai sudaro apie 3-5 % būdingojo greičio. Visuminiai greičio nuostoliai būna mažiausi, kai tam tikri parametrai yra optimalūs.
6 Pav. Santykinių greičio nuostolių priklausomybė nuo raketos pradinės perkrovos.
Raketinio kuro savybės ir varikliai
Daugelis raketinio kuro savybių lemia įrenginio sandarą ir balistines savybes. Pagrindinės savybės, darančios didžiausią įtaką galutiniam greičiui, yra išmetamos masės greitis `v_i` ir kuro tankis `rho_k`. Galutinis raketos greitis tiesiškai priklauso nuo išmetamos darbinės medžiagos greičio. Konstrukcijos masės skaičiaus didinimas turi mažesnį poveikį nei medžiagos išmetimo greičio didinimas, nes galutinis greitis priklauso nuo masės santykio logaritmo.
Šiuolaikinė raketų pramonė vystoma pirmiausia `v_i` didinimo linkme. Didėjant kuro tankiui, didėja ir raketos masės skaičius. Dėl to pirmosiose raketų pakopose, kurioms būdingas mažas kuro užpildos koeficientas, naudingiau naudoti didelio tankio ir savitojo judesio kiekio kurą. Viršutinėse pakopose, kurių kuro užpildos koeficientas didelis, naudingesnis savitojo judesio kiekio padidinimas nei kuro tankio (todėl naudojamas mažo tankio, bet didelio energijos tankio kuras, pvz., vandenilis ir deguonis).
Raketinių variklių skyrius yra pagrindinis varos jėgą skraidymo įrenginyje kuriantis įrenginys. Tai sudėtingos sandaros įrenginys, sudarytas iš pirminės energijos šaltinio, talpų, raketinio variklio, vamzdynų, vairavimo ir kitų prietaisų. Raketos judėjimas valdomas reaktyvine varos jėga, kuri atsiranda išmetant iš jo tam tikrą darbinę medžiagą.
8 Pav. Raketinio variklio degimo kamera ir tūta.
Reaktyvinė varos jėga kuriama raketinio variklio kameroje - pagrindiniame variklio įtaise. Degimo kamera yra pagrindinė variklio dalis. Ji skirta atpalaiduoti (cheminio ar branduolinio vyksmo metu) arba suteikti (iš išorinių šaltinių) darbinei medžiagai šiluminės energijos, kuri Lavalio tūtoje verčiama į kinetinę srauto energiją, taip sukuriant reaktyvinę varos jėgą.
Dujų tekėjimo variklio kameroje dėsningumai išdėstyti toliau. Dujų termodinaminių savybių kitimo nustatymas yra svarbus uždavinys, leidžiantis apskaičiuoti raketinio variklio savybes. Daugelyje šiluminių raketinių variklių šilumos perdavimas darbinei medžiagai vyksta pastovaus slėgio sąlygomis. Laikoma, kad dujos kanale teka adiabatiškai ir be trinties. Toks vyksmas vadinamas izoentropiniu.
| Įrenginys | Pagrindinis principas | Taikymas | Savybės |
|---|---|---|---|
| Gartraukis | Garų ir kvapų pašalinimas | Virtuvė | Reikalauja atskiro kanalo |
| Ventiliacija | Oro cirkuliacija ir valymas | Įvairios patalpos | Priklausomai nuo sistemos |
| Dujinis katilas | Degimo produktų pašalinimas, oro padavimas | Šildymo sistemos | Griežti reikalavimai |
| Raketinis variklis | Reaktyvinė jėga išmetant darbinę medžiagą | Kosminiai skrydžiai | Valdomas greitis, judėjimas vakuume |