Referaat: Reaktiivliikumine (0)

Häädemeeste Keskkool
Reaktiivliikumine
Referaat
Koostaja : Tiiu Hanson
Häädemeeste 2008
Reaktiivliikumine. Rakett .
Reaktiivliikumine on nagu vastupididne aktiivliikumine.
Reaktiivliikumiseks nimetatakse ka lendamist raketi põhimõttel. Rakettmootori töö põhineb Newtoni kolmandal seadusel. Igal ajamomendil paiskab reaktiivmootor suhteliselt väikest kütuse massi suure kiirendusega tahapoole, selle tulemusena liigub rakett kui suurem mass väiksema kiirendusega vastassuunas . Protsess on pidev seni kuni mootor töötab ja kuna kiirendus mõjub mõlemale. Kui raketi ja kütuse massid on võrdsed, siis on lõpuks võrdsed ja vastassuunalised ka nende kiirused. Raketti ümbritsev keskkond ei mängi mitte mingisugust rolli: rakett võib sama edukalt, isegi veel edukamalt, liikuda õhutühjas ruumis.
(*Ka lindude lendamine (ja isegi loomade või inimese ujumine ) on sisuliselt reaktiivliikumine, sest teist võimalust kui Newtoni kolmanda seaduse abil õhust raskemal kehal õhus (veest raskemal kehal vee peal) püsimiseks ei ole. Lind lükkab tiibadega õhku allapoole, mõjutades õhumassi jõuga ja andes õhule allapoole liikumise kiirenduse, samal ajal vastujõud tõukab lindu ülespoole. Linnu ülespoole liikumise kiirendus on niisama suur kui raskuskiirendus , kuid sellega vastassuunaline, nii et mõlemad kompenseeruvad ja lind lendab konstantsel kõrgusel.)

• Raketimootorid ja- kütus.
  

Enamus rakette kasutab vedelat või tahket kütust.
Sõna "kütus" ei tähenda aga siin lihtsalt kütust, nagu me oleme harjunud mõtlema, vaid see sisaldab nii "kütust" kui ka "oksüdeerijat", milleta kütus põleda ei saa. Lennukite reaktiivmootorid tõmbavad hapniku ümbritsevast õhust mootorisse. Kuid raketid peavad hapniku kaasa võtma, kuna kosmos pole õhku.
Tahke raketikütus, mis on puudutamisel kuiv ja sisaldab juba oksüdeerijat. Tavaliselt on kütus segu vesinikuühendeist ja süsinikust, oksüdeerija valmistatakse hapnikuühendeist.
Vedelkütust - gaasi, mis on jahutatud temperatuurini, mil ta muutub vedelaks, hoitakse eraldi mahuteis. Üks mahuti on kütuse, teine oksüdeerija jaoks. Vahetult enne mootorite käivitumist segatakse kütus oksüdeerijaga.
Tahkekütuserakettidel on mootori vorm lihtsam .
Mootori osad on: kapsel , düüs, isoleeraine, süütaine, kütus. Mootori kest on suhteliselt õhukesest metallist, mis on ümbritsetud põlemiskindla isoleerainega. Kütus on samuti paigaldatud isoleeritud kihti.
Paljudel tahkekütuserakettidel on kütusemahutit läbiv õõnes südamik, milles toimub põlemine. Õõnsa südamikuta rakettides süüdatakse kütus raketi madalamas osas ning põlemine toimub astmeliselt ühelt raketilt teisele. Igal juhul põleb vaid kütuse pindmine osa. Õõnessüdamikku kasutatakse tugevama suruõhu saavutamiseks, sest see suurendab põlemiseks kasutatava kütuse pindala.
Selleks, et suurendada põlemispinda, ehitatakse mõned põlemiskambrid tähekujulised.
Kütuse süütamiseks kasutatakse mitmesuguseid süüteaineid. Tulenooli süüdati vanasti sütikust, mõnikord süttisid nad liiga kiiresti ning põletasid süütaja. Tänapäeval kasutatakse kütuse süütamiseks elektrit. Elektri mõjul kuumenev traat läbib kütust põlemiskambris ning tõstab kütuse temperatuuri põlemistemperatuurini.
Tahkekütuserakettidel on alumises osas reaktiivdüüs, mille kaudu voolab välja põlemisel tekkinud gaasi. Düüsi kitsamat osa nimetatakse "kurguks". Düüsi eesmärk on suurendada põlemisel tekkinud gaasi kiirendust ning seeläbi suurendada survet . See toimub siis, kui reaktiivdüüsi ava, mille kaudu gaas väljub,
kärbitakse.
Selleks, et veenduda, kuidas see toimib, võid sa teha lihtsa katse voolikuga, mille avause suurust saab muuta. Kõigepealt lase veel niisama voolata.
Vaata, kui kaugele vesi pritsib ning katsu käega survet.
Vähenda seejärel ava ning mõõda uuesti kaugust ja survet. Raketi reaktiivdüüs töötab samal põhimõttel.
Nii raketikest kui ka düüsid on kuuma gaasi eest kaitstud isoleerainega. Kuum gaas söövitab isoleerainet ning see murdub väikeste tükikestena düüsi küljest lahti. Koos gaasiga väljudes kannavad nad kuumust endaga kaasas.
Teine peamine reaktiivmootori tüüp on vedelkütusel töötav mootor. Vedelkütusemootor on palju keerulisema ehitusega. Seda näitab ka see, et tahkekütuseraketid olid kasutusel juba 700 aastat enne, kui edukalt katsetati esimesi vedelkütusel töötavaid.
Vedelkütuserakettidel on kaks kütusemahutit - üks kütuse ja teine oksüdeerija jaoks. Neil on ka düüs ja põlemiskamber.
Vedelkütuseraketi kütuseks on tavaliselt petrooleum või vedel vesinik ; oksüdeerijaks on vedel hapnik. Need ained segatakse põlemiskambris, kus kütuse põlemise toimel rõhk ja temperatuur suurenevad.
Et kütuse põlemisest saada maksimaalselt võimsust, peavad nad olema täiesti segatud . Väikesed pihustid põlemiskambri katusel pihustavad ning segavad samal ajal kütust .
Kuna põlemiskamber töötab tugeva rõhu all, peab kütust mõjutama seestpoolt. Kaasaegsed vedelkütuseraketid kasutavad selleks otstarbeks võimsaid kergekaalulisi turbiinpumpasid. Oluliseks faktoriks rakettide , eriti aga vedelkütuserakettide töös on kaal. Üldiselt on nii, et mida raskem rakett, seda suuremat survet ta õhku tõusmiseks vajab.
Tänu pumpadele ning kütusetorudele on vedelkütuseraketid palju raskemad kui
tahkekütuseraketid. Tavaliselt ehitatakse kaalu vähendamiseks düüsi koonusekujuline ava kergetest metallidest. Et ülikuum gaas düüsi ei sulataks, kasutatakse jahutussüsteemi. Väga efektiivne on vedela vesiniku saamiseks kasutatav jahutussüsteem. (Vesinik muutub vedelaks temperatuuril -253°C).
Enne vesiniku põlemiskambrisse pihustamist lastakse ta kõigepealt ringlema läbi väikeste torude , millega on varustatud ava seinad. Torudes voolates neelab vesinik üleliigse kuumuse koonuse seintelt ning hoiab ära avause seinte sulamise. Tänu kuumusele, mille vesinik üles korjab , muutub ta veel võimsamaks. Sellist jahutussüsteemi nimetatakse regeneratiivseks jahutuseks.

• Mootori survekontroll
  

Mootori survekontroll on väga oluline selleks, et saata orbiidile kasulikku lasti. Liiga nõrga või liiga tugeva surve mõjul võib satelliit sattuda valele orbiidile või lennata liiga sügavale kosmosesse. Sarnased tagajärjed võivad olla ka gaasi suunamisel vales suunas ja valel ajal.
Arvuti raketi juhtimissüsteemis teeb kindlaks, millal on vajalik mootori käivitamine ja millal ei ole. Vedelkütuseraketid teevad seda lihtsalt alustades või lõpetades kütuse voolu põlemiskambrisse. Keerulisematel lendudel käivitatakse ning peatatakse mootoreid mitmeid kordi .
Mõned vedelkütusemootorid kontrollivad survet suurendades ja vähendades põlemiskambrisse voolava kütuse kogust. Tavaliselt vähendatakse ja suurendatakse survet selleks, et kontrollida kiirendust või piirata raketile mõjuvaid aerodünaamilisi jõude.
Tahkekütuserakette on palju raskem kontrollida kui vedelkütuserakette. Peale käivitamist põleb kütust lõpuni. Põlemist on väga raske peatada või aeglustada. Mõnikord ehitatakse mootorisse tulekustutid, et peatada lendu, aga nende kasutamine on keeruline protseduur ning ei toimi alati.
Osadel tahkekütuserakettidel on külgedel luugid, mis avanevad kaugjuhtimise teel selleks, et vabastada suruõhupaak ning vähendada survet.
Tahke kütuse põlemiskiirus on eelnevalt hoolikalt välja arvestatud. Mida vähem kütust parajasti põleb, seda väiksem surve. Kosmosesüstik "Space
Shuttle " kasutab seda tehnoloogiat vibratsiooni vähendamiseks lennus.
MÄRKUS: Rakettidest huvituv inimene ei tohi ise kunagi reaktiivmootorit ehitada. Isegi lihtsaina näivad mootorid on tegelikult väga keerulised. Mootorikesta tugevus, kütusemahutid, düüsi disain ning kütuse keemiline koostis on kõik amatööri võimalustest väljapool jäävad probleemid. Paljudel kodukootud rakettide
plahvatustel on olnud traagilised tagajärjed.

• Raketi stabiilsus ning kontrollsüsteemid
  

Efektiivne reaktiivmootor on ainult üks osa töökindlast raketist. Rakett peab olema püsiv ka lennu ajal. Ebakindel rakett lendab korrapäratult, mõnikord viseldes või suunda muutes. Sellised raketid on väga ohtlikud, kuna nende liikumissuunda ei saa ette ennustada. Valesti ehitatud raketid võivad kummuli minna ning koguni startimisväljakule tagasi kukkuda . Raketi töökindluse tagamiseks on vajalik kontrollsüsteemi olemasolu. Kontrollsüsteemid on kas aktiivsed või passiivsed. Nendevahelisi erinevusi ning seda, kuidas nad töötavad, selgitame hiljem. Kõigepealt on tähtis aru saada, mis teeb raketi töökindlaks.
Kõikidel asjadel , olenemata nende suurusest, massist või kujust, on punkt, mida nimetatakse massikeskmeks. Massikese on see punkt, kus kogu keha mass on tasakaalus. Proovi leida see punkt joonlaual, asetades see sõrmel tasakaalu.
Kui joonlaud on mõlemast otsast ühesuguse paksuse ja tihedusega, siis massikese on täpselt joonlaua keskel. Kui joonlaud on tehtud puust ning joonlaua ühte otsa on löödud nael , siis raskuskese ei asu enam keskel, vaid joonlaua naelapoolses otsas.
Rakettide puhul on massikese oluline seetõttu, et ebakindel rakett paiskub ümber just selle punkti ümber. Pöörlemine ja kaldumine ettepoole või kõrvale toimub õhus ühe või enama telje ümber. Koht, kus kõik kolm telge ristuvad, ongi massikese.
Rakettide töös on kõige olulisem jälgida kallet. Raketi kaldumisel ükskõik millises suunas muutub trajektoor . Raketi pöörlemine ümber oma telje ei ole nii oluline, kuna selle tulemusel liikumissuund ei muutu. Pöörlemine koguni stabiliseerib lendu. Kuid kui halvasti söödetud jalgpall võib väravani lennata isegi siis, kui ta pigem viskleb kui pöörleb, siis rakett ei tohi lennul vibreerida. Jalgpallisöödu mõju-vastasmõju energia kulub ära sel hetkel, kui väravavaht ta kinni püüab. Lendav rakett saab aga kogu lennu jooksul energiat juurde. Peale massikeskme on veel üks tähtis punkt, mis mõjutab liikumist. See on rõhukese. Rõhukese
eksisteerib ainult siis, kui rakett lendab läbi õhu. Tänu hõõrdumisele ja rõhule võib rakett õigest suunast kõrvale kalduda. Kujuta endale ette tuulelippu. Tulelipp on noolekujuline tahvlike, mis on kinnitatud katusele selleks, et näidata tuule suunda. Nool kinnitatakse vertikaalselt asetatud varda külge, mis läbib noole massikeset. Kui tuul hakkab puhuma, siis nooleteravik pöördub vastu tuult . Tuulelipu teravik pöördub vastu tuult, sest tema pindala on väiksem kui tagumisel osal. Tuule mõju on suurem ning seetõttu sabaosa lükatakse tagasi. Kui rõhukese ja massikese ei ühtiks, siis tuul ei mõjutakse ühte osa tugevamini kui teist ning tuule suunda ei saaks määrata. Rõhukese on massikeskme ning noole tagumise otsa vahel. See
tähendab seda, et tagumine osa on suurema pindalaga kui esimene.
Rakett peab olema ehitatud nii, et rõhukese on alumises otsas ning massikese ülemises. Kui need punktid ühtivad või on teineteisele väga lähedal, siis on raketi lend ebastabiilne.
Raketi juhtimiseks ja stabiilsena hoidmiseks on spetsiaalne kontrollsüsteem. Väiksemad raketid vajavad tavaliselt ainult stabiliseerimissüsteemi, suuremad raketid, näiteks sellised, mis viivad satelliite orbiidile, vajavad lisaks veel ka kursimuutmissüsteemi.
Kontrollsüsteemid on kas aktiivsed või passiivsed. Passiivsed kontrollsüsteemid kinnitatakse raketist väljapoole. Hiinlased kasutasid oma tulenooltes kõige primitiivsemat kontrollsüsteemi - tokki, mille külge nool oli kinnitatud ja mis hoidus rõhukeskme massikeskmest eemal. Hoolimata sellest ei olnud nende tulenooled täpsed. Aastaid hiljem parandati tulenoolte lennusuunda märgatavalt, paigutades nad vajalikus suunas asetatud renni. Renn juhtis noolt vajalikus suunas kuni piisava kiiruse saavutamiseni. Tokk, millekülge tulenool kinnitati, andis aga liiga palju kaalu juurde ning piiras noole tegevusulatust. Oluliselt parandas raketi lendu düüsi lähedale väljapääsu juurde kobaras stabilisaatorite asetamine. Stabilisaatorid valmistatakse kergetest metallidest ning voolujoonelise kujuga. Nad annavad rakettidele noolekujulise välimuse. Stabilisaatori küllalt suur pindala hoiab rõhukeskme massikeskme taga.
Kaasaegse raketinduse algusega XX sajandil otsiti uusi ideid rakettide töökindluse parandamiseks ning kogukaalu vähendamiseks. Selle tulemuseks oli aktiivse kontrollsüsteemi väljatöötamine.
Aktiivne kontroll sisaldab liikuvaid stabilisaatoreid, tiivikuid, kardaanilisi düüse, vernjee-rakette, kütusepihusteid. Isegi väikseimale suunamuutusele reageerivad spetsiaalsed andurid ning stabilisaatorid annavad liikumisele õige suuna.
Raketi liikumissuunda saab muuta ka mootorist väljavoolava gaasi nurga abil. Väljapaiskuva gaasi suuna muutmiseks on mitmeid võimalusi. Tiivad on väikesed stabilisaatorisarnased seadeldised, mis paigutatakse heitgaasi sisse. Tiivikute kalle suunab heitgaasi ning vastavalt mõju - vastasmõju seadusele reageerib raketti sellele liikumisega vastassuunas.
Suuna muutmiseks kasutatakse ka väikesi raketikesi, nn. vernier-rakette, mis on monteeritud mootorist väljapoole ning käivituvad ainult siis, kui see on vajalik. Õige kombinatsiooni käivitamine tagab liikumise õiges suunas. Õhutühjas kosmoses tagab raketi stabiilsuse pöörlemine ümber oma telje ning heitgaasi õige nurga all voolamine . Stabilisaatorid ja tiivikud pole vajalikud, kuna õhutakistus puudub.
(Ulmefilmides näidatavad tiibade ning stabilisaatoritega kosmoses lendavad raketid on väga kaugel teaduslikust lähenemisest).

• Mass
  

Stabiilse lennu saavutamiseks on tähtis arvestada raketi massi. Eduka stardi eeltingimuseks on see, et mootori tekitatud surve oleks suurem raketi kogumassist. On üsna ilmselge, et ülearuse massiga rakett ei ole nii kindel kui see, mis on varustatud vaid olulisega.
Ideaalses raketis on kogumass kaotatud järgmiselt:
91% kogumassist moodustab kütus;
3% kütusemahutid, mootorid, stabilisaatorid jne.;
6% kasulik last.
Lastiks võivad olla satelliidid, astronaudid või kosmoselaevad.
Ideaalses raketis on kütuse massi ja raketi kogumassi suhe (massifraktsioon) 0,91.
MF= raketi kütuse mass/ raketi kogumass.
Vaadates seda valemit võib arvata, et 1,0 oleks ideaalne, aga siis peaks kogu rakett koosnema vaid kütusest. Mida suurem suhe, seda vähem kasulikku lasti saab rakett peale võtta. Mida väiksem suhe, seda väiksem on tegevusulatus. 0,91 on hea tasakaal raketi kanduvuse ning tegevusulatuse vahel. Kütuse ja kogumassi suhe väheneb ja suureneb vastavalt erinevatele orbiitidele ning vastavalt lasti kaalule.
Suurtel rakettidel on tõsised kaaluprobleemid. Selleks, et jõuda kosmosesse ning saavutada õige orbiidikiirus on vajalik tohutult suur kütusehulk; suure kütusehulga mahutamine ja transportimine nõuab aga omakorda võimsamaid ning raskemaid
seadmeid.
Suuremad raketid suudavad kanda rohkem kasulikku lasti, kuid raskus surub raketti allapoole.
Hiigelrakettide kaaluprobleemi lahendamise au kuulub XVI sajandi ilutulestikutegijale Johann Schmidlapile. Schmidlap kinnitas suure kanderaketi tippu väiksemad raketid. Kui suuremas raketis oli kütus läbi põlenud, langes kest alla ning järgmine rakett süttis. Sel viisil on võimalik saavutada suurem kõrgus. ("Space Shuttle" töötab samuti mitmeastmelise raketi põhimõttel paisates kanderaketi ning kütusemahutid tagasi kohe, kui kütus on põlenud.)
Schmidlapi leiutatud rakette nimetatakse astmelisteks. Tänu sellele tehnoloogiale on võimalik lennata avakosmosesse, Kuule ning teistele planeetidele.
Kasutatud kirjandus.
Internet :

• http://www.google.ee/search?q=reaktiivliikumine&ie=utf-8&oe=utf-8&aq=t&rls=org.mozilla:en-US:official&client=firefox-a
  
• www.fyysika.ee/foorum/read.php?3,4343,4343, quote =1
  
• http://miksike.ee/documents/main/elehed/4klass/1kosmos/elutuba/lend.ht m
  
• http://vaatleja.obs.ee/node/659
  
• http://www.5ka.ru/88/19675/1.html