Tehnologii (episodul 23): De ce zboara rachetele?

Iulian

4 ani ago

Până la urmă, de ce zboară rachetele? Cumva, ca și în cazul elicopterelor, pentru că sunt urâte și Pământul le respinge? Să vedem, deci.

Principii

Nu știu dacă cititorii au tras sau nu cu o armă de foc (văd acum câteva zâmbete arogante pe fețele unor cititori); voi presupune că nu (alte zâmbete arogante) și îndemn la vizualizarea imaginilor de mai jos – fișiere gif animat. Dacă o imagine nu are animație, click pe ea pentru a o vedea animată.

Reculul – click pentru a vedea animatiile (sursa: tenor, giphy)

Orice armă de foc (de la muschetă sau archebuză la tun, trecând prin pistol și pușca de vânătoare) se bazează pe o țeavă deschisă la un capăt. Atunci când o armă trage, pe țeavă ies gaze cu viteză și temperatură foarte mari într-o direcție, acestea reprezentând un impuls. Ceea ce se poate vedea în aceste imagini este reculul și are la bază un principiu de bază al fizicii – conservarea impulsului. Și cum impulsul se conservă, rezultă că și arma de foc va avea un impuls în direcția opusă. Acesta este principiul pe care se bazează funcționarea rachetelor – prin eliminarea cu viteză mare de gaze într-o direcție se generează o forță în direcția opusă. De asemenea, aceleași imagini ne arată faptul că forța a fost generată toată în același moment, însă o rachetă are nevoie de o forță care să fie continuă pe o durată mare de timp.

Dacă însă ne vom uita la un balon din care lăsăm liber aerul, observăm exact acest lucru – aerul iese într-o direcție cu viteză și generează o forță de împingere în direcția opusă. Imaginea următoare ilustrează acest lucru; este tot un gif animat, deci dacă nu are animație, click pe ea pentru a o vedea animată.

Un balon – click pentru a vedea animatia (sursa: tenor, giphy)

Analizând un obiect din punct de vedere al stabilității sale, fără a intra în detalii, putem spune că un obiect poate fi în una din următoarele stări:

într-o stare instabilă (de exemplu când încercăm să ținem un creion pe vârful degetului);
într-o stare stabilă (de exemplu când un pendul revine la punctul cu distanță minimă față de suprafața Pământului).

Rachetele au motorul în partea din spate iar acesta le împinge, deci putem considera că este o situație asemănătoare cu cea a creionului din exemplul anterior. Orice forță neașteptată poate deplasa corpul în altă direcție, forța de împingere generată de motor împingând racheta în altă direcție decât cea dorită. În plus, pentru a complica și mai mult situația, în momentul în care se află în atmosferă asupra rachetelor acționează și alte forțe.

Forțele care acționează asupra unei rachete sunt aceleași cu cele care acționează asupra unui avion și în zborul atmosferic sunt:

forța de împingere / forța de tracțiune: este acea forță generată de sistemul de propulsie. Putem considera că își are originea pe suprafața formată de ajutaj în punctul în care gazele îl părăsesc, fiind perpendiculară pe aceasta. Considerând cazul cel mai simplu, ea se află pe axa longitudinală a rachetei. Dacă însă motorul folosește tracțiune vectorială, ea va fi orientată la un unghi față de axa longitudinală.
rezistența la înaintare: este forța aerodinamică care se opune oricărui corp ce se deplasează într-un fluid și este influențată de diverși factori: forma rachetei, densitatea aerului, viteză. Direcția forței este întotdeauna opusă direcției de zbor și putem considera că originea sa este în punctul numit centru de presiune.
greutatea: este o forță orientată spre centrul Pământului, fiind determinată de masa rachetei. Este distribuită pe întreg vehiculul, dar putem considera că este concentrată în centrul de greutate, acesta fiind diferit de centrul de presiune.
portanța: este o forță generată de orice suprafață a rachetei, fiind datorată trecerii unui solid printr-un fluid (sau contactului dintre un solid în mișcare și un fluid), în cazul nostru racheta și atmosfera. Ea acționează asupra centrului de presiune și este perpendiculară pe direcția de curgere a fluidului și pentru a se manifesta trebuie să existe contact direct între solid și fluid. Ea este influențată și de celelalte forțe – greutate, tracțiune, rezistență la înaintare.

În urma descrierii acestor forțe am găsit și două puncte de interes:

centrul de greutate: este punctul în care putem considera că este concentrată întreaga masă a unui corp. În cazul creionului de mai devreme, este punctul în care el stă în echilibru;
centrul de presiune: putem considera că este punctul în care este concentrată acțiunea tuturor forțelor aerodinamice. Vizual, poate fi considerat ca fiind punctul care împarte în două părți egale suprafața rachetei, părțile anterioară și posterioară fiind egale ca suprafață.

Este nevoie de două observații sau completări:

evident, în zborul extraatmosferic – pe o orbită în jurul Pământului – rezistența la înaintare și portanța nu vor mai exista, asupra rachetei acționând doar forța de împingere și greutatea;
orice mișcare a unei rachete se face în jurul centrului de greutate.

Stabil și instabil

Să vedem acum cele două stări, în detaliu.

1. Starea instabilă. Imaginea următoare prezintă o rachetă aflată într-o stare instabilă. Ceea ce vedem în imagine sunt:

tracțiunea – portocaliu
rezistența la înaintare – vișiniu
greutatea – albastru
portanța – verde
Cg – centrul de greutate
Cp – centrul de presiune
Vănt – o forță care acționează la un moment asupra rachetei

Stare instabilă (sursa: autorul)

Observăm că centrul de presiune se află în fața centrului de greutate. Inițial racheta este stabilă, fiind situația ideală, fără forțe care să o perturbe. Presupunând că apare o forță perturbatoare – o rafală de vânt – ea va acționa prin centrul de presiune. Va rezulta o ușoară rotație și, deci, o creștere a unghiului de atac α. În urma schimbării unghiului de atac va rezulta o forță – portanța – care va avea aceeași direcție cu cea a vântului, consecința fiind o mișcare de rotație în jurul centrului de greutate. Această deplasare este apoi accentuată de rezistența la înaintare, forța laterală fiind cu atât mai mare cu cât unghiul dintre axa longitudinală și direcția de zbor este mai mare. Racheta va încerca, deci, să se întoarcă și să zboare înapoi, însă forța de împingere nu îi va permite acest lucru rezultând un zbor haotic.

2. Starea stabilă. Inaginea următoare prezintă o rachetă aflată ntr-o stare stabilă. Ceea ce vedem în imagine sunt:

tracțiunea – portocaliu
rezistența la înaintare – vișiniu
greutatea – albastru
portanța – verde
Cg – centrul de greutate
Cp – centrul de presiune
Vănt – o forță care acționează la un moment asupra rachetei

Stare stabilă (sursa: autorul)

Observăm că centrul de presiune se află în spatele centrului de greutate. Inițial – ca și în cazul anterior – racheta este stabilă, fiind situația ideală, fără forțe care să o perturbe. Racheta accelerează continuu, mișcarea fiind liniară pe direcția forței de împingere. Presupunând din nou că apare o forță perturbatoare – o rafală de vânt – ea va acționa prin centrul de presiune, determinând o rotire a rachetei în jurul centrului de greutate și deci modificarea unghiului de atac α. Această modificare a unghiului de atac va determina apariția unei forțe – portanța, care de data aceasta are sens opus față de cea perturbatoare. Racheta continuă să zboare stabil, traiectoria fiind doar ușor modificată.

O ragulă găsită pe interneț – în mai multe locuri – spune că este ideal ca între centrul de greutate și centrul de presiune să existe o distanță de 1.5-2 diametre ale rachetei. Ei bine … e de reținut.

În practică

Iată, deci, momentul în care ajungem la modul de funcționare și rostul unor elemente întâlnite în timpul lecturilor și al vieții zilnice. Plecând de la cele două stări de mai sus, observăm situațiile de mai jos.
1. Necesitatea dispunerii centrului de presiune în spatele centrului de greutate determină apariția aripilor la rachete, acestea având rolul de a asigura stabilitatea în zborul atmosferic prin schimbarea poziției centrului de presiune. Observăm lucrul acesta la un număr mare de rachete – de exemplu Saturn V, Saturn I, AIM-9 Sidewinder, AIM-120 AMRAAM.

Saturn IB (sursa: pinterest)

Saturn V (sursa: NASA)

AIM-9 Sidewinder (sursa: blogspot)

AIM-120 AMRAAM (sursa: International Business Time, necunoscut)

2. Necesitatea tracțiunii vectoriale – schimbarea direcției jetului de gaze față de axa centrală – care se realizează cel mai frecvent prin schimbarea orientării motorului rachetei sau prin schimbarea orientării ajutajului. Este modalitatea folosită de majoritatea rachetelor – exemple pentru Saturn V, Falcon 9, Electron.

Rocketdyne F-1 (sursa: Smithsonian)

SpaceX Merlin (sursa: imgur)

Rocketlab Rutherford (sursa: Rocketlab)

3. Consumul combustibilului determină schimbarea poziției centrului de greutate. Prima următoare prezintă evoluția centrului de greutate pentru racheta Saturn V care a lansat misiunea Apollo 11. A doua imagine prezintă evoluția poziției centrului de greutate și centrului de presiune într-un interval de 140 de secunde.

Saturn V – centrul de greutate (sursa: NASA)

Saturn V – centrul de greutate și centrul de presiune (sursa: NASA)

4. Sistemul de salvare folosit la Mercury, Gemini, Apollo, Soyuz are centrul de presiune sub centrul de greutate pentru a păstra stabilitatea dacă este nevoie de activarea lui.

LES Mercury (sursa: americanspacecraft.com)

LES Apollo (sursa: NASA)

LES Soyuz TMA (sursa: Wikipedia)

5. Capsulele utilizate la reintrarea în atmosferă (Mercury, Gemini, Apollo, Soyuz, Dragon, Orion) au centrul de greutate sub centrul de presiune, pentru a le asigura stabilitatea. Capsulele se folosesc însă de un truc pentru a controla direcția de zbor – centrul de greutate nu este exact pe axa longitudinală ci ușor excentric. Rotind capsula se schimbă poziția lui și deci portanța și deci direcția de zbor.

Capsulă Mercury (sursa: collectspace.com)

Capsulă Gemini (sursa: Smithsonian)

Capsulă Apollo (sursa: NASA)

Capsulă Soyuz (sursa:imgur)

6. Artificiile s-ar deplasa haotic dacă nu ar avea centrul de presiune în spatele centrului de greutate, acesta fiind motivul pentru care au acel băț în partea din spate.

Artificii (sursa: bestwallpaper, Popular Mechanics, Wikipedia)

Înainte de final, dacă doriți să continuați lectura, recomand un articol mai vechi despre motoarelor folosite de rachete. De asemenea, să nu uităm: exista și o secțiune unde sunt agregate o parte din articolele pe teme spațiale – https://www.rumaniamilitary.ro/orizont .

Și acum să vă întristez. Acesta este doar unul din aspectele legate de stabilitate luate în calcul la construcția unei rachete. Doar un sumar al câtorva teme de dezbatere: