Jak Lunar Landers ponownie wystartował, gdy nie ma tlenu?

2024 Autor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 09:39

W typowym silniku samochodowym napędzanym benzyną, moc wytwarzana jest w cylindrach, z których każdy składa się z wału z ciasno dopasowanym tłokiem, który porusza się w dół w celu zasysania powietrza i benzyny. Gdy zawór wlotowy zamyka się, tłok porusza się z powrotem do góry, ściskając mieszaninę i zwiększając jej temperaturę (a tym samym wydajność). Kiedy świeca zapłonowa iskrzy, benzyna jest zapalana, a uwolnione ciepło i energia w wyniku eksplozji powoduje cofnięcie tłoka.

Na drugim końcu tłoka (naprzeciw zaworu wlotowego i świecy zapłonowej) znajduje się drążek połączony z wałem korbowym. Tak więc, gdy tłok jest opuszczany, popycha pręt, który porusza obracającym się wałem korbowym. Ten proces działa tak dobrze, że został odtworzony setki milionów razy we wszystkim, od pił łańcuchowych do Forda F-150.

Jednakże ten sposób wytwarzania energii zależy od tlenu obecnego w atmosferze, aby łączyć się z węglem w benzynie. W kosmosie, oczywiście, powodem, dla którego nikt nie może usłyszeć twojego krzyku, jest to, że nie ma powietrza (ani tlenu). Wprowadź rakiety.

Rakieta nie polega na wale korbowym, lecz raczej na wydaleniu czegoś, czy to gazu, cieczy, stałej czy po prostu energii promieniowania, przez mały otwór (dyszę). Dlatego, w przeciwieństwie do ciężarówki, która nie musi przenosić swojego utleniacza, ponieważ może czerpać powietrze z otaczającego środowiska, statki z silnikami rakietowymi muszą nosić ze sobą cały swój materiał napędowy.

Oczywiście byłoby niepraktyczne (jeśli nie niemożliwe) wciągnięcie wystarczającej ilości gazowego tlenu w kosmos, aby uzyskać znaczący lot. Aby obejść ten problem, opracowano rozwiązania alternatywne, głównie w postaci stałych i ciekłych materiałów pędnych.

Stałe materiały napędowe występują w dwóch głównych typach - jednorodnych i złożonych. Zarówno paliwo, jak i utleniacz są przechowywane razem, a moc wytwarzana jest, gdy oba są zapalane.

Homogeniczne stałe materiały pędne są unikalne, ponieważ zarówno utleniacz, jak i paliwo występują razem jako pojedynczy, niestabilny związek, albo jako zwykła nitroceluloza, albo razem z nitrogliceryną.

Z drugiej strony, z kompozytowymi paliwami stałymi, paliwo i utleniacz są odrębnymi materiałami, które zostały połączone w sproszkowaną lub skrystalizowaną mieszaninę, która zwykle składa się z azotanu amonu lub chloranu, lub chloranu potasu (jako utleniacza), a niektóre rodzaj stałego paliwa węglowodorowego (podobny do asfaltu lub tworzywa sztucznego).

Stałe materiały pędne były od dawna stosowane w pojazdach nośnych, w tym w rakietach promowych Space Shuttle, z których każdy wytwarzał 3,3 miliona funtów ciągu.

W przypadku ciekłych materiałów pędnych istnieją trzy główne typy: na bazie ropy naftowej, kriogeniczne i hipergoliczne. Wszystkie trzy z tych metod napędowych przechowują swoje utleniacze i paliwa oddzielnie, aż do wytworzenia ciągu. Gdy wystrzeliwane są rakiety zasilane ciekłym paliwem, każdy z nich (paliwo i utleniacz) jest wprowadzany do komory spalania, gdzie łączą się i ostatecznie wybuchają - wytwarzając niezbędną moc.

Proponowane ciekłe paliwa ropopochodne, jak sama nazwa wskazuje, mieszają razem produkt naftowy (np. Nafta) z ciekłym tlenem, który będąc silnie stężonym, czyni z niego wydajny i silny propelent. Jako taka metoda ta była szeroko stosowana w wielu rakietach, w tym w pierwszych etapach Saturn I, IB i V, a także Sojuz.

Inny płynny propelent polega na kriogenicznych (super niskiej temperaturze) skroplonych gazach; jedna wspólna metoda polega na mieszaniu skroplonego wodoru (paliwa) ze skroplonym tlenem (utleniaczem). Wysoce wydajne, ale trudne do przechowywania na długo ze względu na konieczność utrzymywania zarówno zimna (wodór pozostaje w temperaturze -423 ° F, jak i tlenu przy -297 ° F), kriogeniczne materiały napędowe były stosowane tylko w ograniczonych zastosowaniach, chociaż obejmują one główne silniki prom kosmiczny i niektóre etapy Delta IV i niektóre z rakiet Saturn.

W przypadku zarówno propelentów opartych na ropie naftowej, jak i kriogenicznych wymagany jest pewien rodzaj zapłonu za pomocą środków pirotechnicznych, chemicznych lub elektrycznych; jednak przy trzecim rodzaju ciekłego propelentu, hipergoliczny, nie jest konieczny zapłon.

Typowe paliwa hipergoliczne obejmują różne formy hydrazyny (w tym niesymetryczną dimetylohydrazynę i monometylohydrazynę), a tetratlenek azotu jest często stosowany jako utleniacz.

Płynny nawet w temperaturze pokojowej, hipergoliczne propelenty są łatwe do przechowywania, co wraz ze spontaniczną palnością czyni je wysoce pożądanymi dla wielu zastosowań, takich jak systemy manewrowe. W związku z tym, mimo że użyte materiały są wysoce toksyczne i korozyjne, często stosowano paliwa hiperboliczne, w tym w systemie orbitali orbitalnych promu kosmicznego oraz, w odniesieniu do danego pytania, moduł księżycowy Apollo (LM).

Czterech podwykonawców pracowało pod ścisłym zarządem, Grumman Corporation, przy budowie LM, a firma Bell Aerosystems została wybrana do rozwoju napędu wynurzającego.Prace nad projektem rozpoczęły się w styczniu 1963 r., Ale inżynierowie wciąż majstrowali przy silniku wynurzającym dopiero we wrześniu 1968 r., Kiedy to początkowy wtryskiwacz gazu został wyrzucony do jednego zaprojektowanego przez Rocketdyne'a, podwykonawcę, który również zbudował silnik zejścia.

Napędzane przez niesilnikowy silnik o stałej sile ciągu i napędzane przez utleniacz tetratlenku benzyny i azotu Aerozine 50, materiały hipergoliczne, które zapewniały ciąg niezbędny do usunięcia LM z powierzchni Księżyca, były tak żrące, że przepalały się przez silnik za każdym razem, gdy zostały wystrzelone (wymagające przebudowania silnika). W rezultacie żaden z silników wznoszących dla żadnego z LM nie został przetestowany ani wystrzelony przed podniesieniem astronautów Apollo poza Księżyc.