Εισαγωγή στους πυραύλους

Abstract

Στο πρώτο κεφάλαιο, συζητάμε με κάποια λεπτομέρεια την ιστορία του πυραύλου και το πού, το πότε και από ποιον έγιναν μερικές από τις βασικές ανακαλύψεις και εξελίξεις. Επίσης παρουσιάζουμε συνοπτικά τις παραμέτρους της αποστολής. Οι πύραυλοι συνήθως παραδίδουν το ωφέλιμο φορτίο σε μια βαλλιστική τροχιά. Για να κατανοήσουμε τι πρέπει να κάνει ένας πύραυλος για να παραδώσει ένα ωφέλιμο φορτίο, μελετάμε τις τροχιές τους χρησιμοποιώντας ένα μαθηματικό μοντέλο. Επιπλέον, υπολογίζουμε και συζητάμε τις τροχιές τους χρησιμοποιώντας τους Νόμους Κίνησης του Νεύτωνα και την Παγκόσμια Βαρύτητα. Τέλος, στην Ενότητα 1.5, επανεξετάζουμε την τροχιά του βαλλιστικού πυραύλου με τα εργαλεία που εκτέθηκαν στις προηγούμενες ενότητες του τρέχοντος κεφαλαίου. Συνειδητοποιούμε ότι μια τροχιά πυραύλου είναι στην πραγματικότητα ελλειπτική τροχιά. Στο δεύτερο κεφάλαιο, μελετάμε πώς λειτουργούν πραγματικά οι πύραυλοι. Στην Ενότητα 2.1 αναπτύσσουμε την έννοια της ώθησης από τους νόμους κίνησης του Νεύτωνα, οι οποίοι με τη σειρά τους μας βοήθησαν να ορίσουμε τον ρυθμό ροής μάζας και να μελετήσουμε την επίδρασή του στους πυραύλους. Λαμβάνουμε επίσης την εξίσωση ώθησης του πυραύλου, η οποία είναι χρήσιμη για το σχεδιασμό ενός κινητήρα πυραύλων. Μια πιο εκτενής έρευνα για την ώθηση μας οδήγησε να κατανοήσουμε μια άλλη βασική παράμετρο του σχεδιασμού του κινητήρα πυραύλων που ονομάζεται ειδική ώθηση. Στην Ενότητα 2.2, υπολογίζουμε τη συγκεκριμένη ώθηση και συζητάμε γιατί αυτή η παράμετρος είναι σημαντική κατά την περιγραφή της απόδοσης ενός πυραυλοκινητήρα. Ο ρυθμός ροής βάρους συζητείται επίσης. Είναι σαφές τώρα ότι με την ώθηση, την ειδική ώθηση και τον ρυθμό ροής βάρους ένας επιστήμονας ή μηχανικός πυραύλων έχει πολλές πληροφορίες για να κατανοήσει τις δυνατότητες ενός δεδομένου πυραυλοκινητήρα. Στην Ενότητα 2.4, παρουσιάζουμε την περίφημη εξίσωση πυραύλων Tsiolkovsky. Η εξίσωση του πυραύλου μας επιτρέπει να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί ένας πύραυλος σε μια πλήρη τροχιά πτήσης από την αρχή της πτήσης όταν οι δεξαμενές καυσίμου του είναι γεμάτες μέχρι το τέλος της όταν όλο το προωθητικό έχει καεί και οι δεξαμενές είναι άδειες. Στην Ενότητα 2.5 συζητάμε αναλυτικά το Staging. Αντιλαμβανόμαστε ότι σε ορισμένες περιπτώσεις είναι καλύτερο να έχουμε πολλαπλά στάδια πυραυλοκινητήρων για πιο αποτελεσματικό σχεδιασμό συστήματος. Τέλος, στην Ενότητα 2.6 συζητάμε τη δυναμική πτήσης και τον τρόπο ελέγχου της στάσης ενός πυραυλικού οχήματος κατά τη διάρκεια της πτήσης. Δείχνουμε επίσης πώς να υπολογίζουμε παραμέτρους όπως το κέντρο βάρους και το κέντρο πίεσης καθώς και να σχολιάσουμε τη σημασία τους για τους επιστήμονες και τους μηχανικούς πυραύλων. Στο τρίτο κεφάλαιο, κάνουμε ένα πρώτο βήμα στη μηχανική πυραύλων. Στην Ενότητα 3.1 παρουσιάζουμε τα βασικά εξαρτήματα του πυραυλοκινητήρα όπως το ακροφύσιο συγκλίνουσας-αποκλίνουσας και ο θάλαμος καύσης. Στη συνέχεια αναπτύσσουμε εργαλεία που θα μας επιτρέψουν όχι μόνο να κατανοήσουμε τι συμβαίνει μέσα σε έναν πυραυλοκινητήρα, αλλά και πώς να σχεδιάσουμε έναν. Επίσης, στην Ενότητα 3.2, μαθαίνουμε τις σημαντικές θερμοδυναμικές ιδιότητες διαστολής των ιδανικών αερίων που είναι πραγματικά η επιστήμη πίσω από τη μηχανική πυραυλοκινητήρων. Μαθαίνουμε επίσης ότι η διατήρηση μιας ισεντροπικής ροής μέσα στον κινητήρα μας δίνει τη δυνατότητα να κάνουμε σχεδιαστικούς υπολογισμούς της φυσικής διάστασης του κινητήρα. Τελευταίο αλλά εξίσου σημαντικό, στην Ενότητα 3.3 και στην Ενότητα 3.4, προχωράμε την ισεντροπική διαδικασία και τις θερμοδυναμικές ιδιότητες ένα βήμα παραπέρα και αναπτύσσουμε την εξίσωση για το μέγεθος του θαλάμου καύσης, του συγκλίνοντος ακροφυσίου, του λαιμού και του αποκλίνοντος ακροφυσίου.

In the first chapter, we discuss in some detail the history of rocketry, and the where, the when and by whom some of the key discoveries and developments were made. Also we briefly present the mission parameters. Missiles typically deliver the payloads on a ballistic trajectory. To understand what a rocket must do in order to deliver a payload, we study their trajectories using a mathematical model. Furthermore, we calculate and discuss their orbits using Newton’s Laws of Motion and Universal Gravitation.Finally, in Section 1.5, we revisit the ballistic missile trajectory with the tools exposed in the previous sections ofthe current chapter.We realize that a missile trajectory is actually an elliptical orbit. In the second chapter, we study how rockets really work. In Section 2.1 we develop the concept of thrust from Newton’s laws of motion which in their turn helped us to define the mass flow rate and study its impact on rockets. We also obtain the rocket’s thrust equation, which is useful in designing a rocket engine. A more extensive investigation of the thrust lead us to understand another key parameter of rocket engine design called the specific impulse. In Section 2.2, we calculate the specific impulse anddiscuss why this parameter is important when describing the efficiency of a rocket engine. The weight flow rate is also discussed. It is clear now that with the thrust, specific impulse, and the weight flow rate a rocket scientist or engineer has a lot of information to understand the capabilities of a given rocket engine. In Section 2.4, we present the famous Tsiolkovsky rocket equation. The rocket equation allows us to understand how a rocket functions over a complete flight trajectory from the beginning of the flight when its fuel tanks are full to the end of it when all the propellant has been burned up and the tanks are empty.In Section 2.5 we discuss Staging in detail. We realize that in some cases it is better to have multiple stages of rocket engines for a more efficient system design. Finally, in Section 2.6 we discuss the flight dynamics and how to control the attitude of a rocket vehicle during flight. We also show how to calculate parameters such as the centre-of-gravity and the centre-of-pressureas well as comment on their importance to rocket scientists and engineers. In the third chapter, we take a first step into rocket engineering. In Section 3.1 we present the basic components of the rocketengine such as the convergent–divergent nozzle and the combustion chamber. In the sequel we develop tools that will enable us not only to understand what goes on inside a rocket engine, but also how to design one. Also, in Section 3.2, we learn the important thermodynamic expansion properties of ideal gases that are truly the science behind rocket engine engineering. We also learn that maintaining an isentropic flow within the engine enables us to make design calculations of the engine’s physical dimension.Last but not least, In Section 3.3 and Section 3.4, we take the isentropic process and thermodynamic properties a step further and develop the equation for sizing the combustion chamber, the converging nozzle, the throat, and the diverging nozzle.