Rakett: mis see on — ajalugu, tööpõhimõte ja kasutusalad

Rakett: avasta raketi ajalugu, tööpõhimõte ja kasutusalad — kanderaketid, rakettmootorid, mehitatud ja mehitamata tehnoloogiad ning kosmose- ja sõjalised rakendused.

Rakett võib olla rakett, kosmoseaparaat, õhusõiduk või muu sõiduk, mida tõukab rakettmootor. Mõned suured raketid on kanderaketid ja mõned on mehitatud (nt Saturn V). Teised raketid, näiteks raketid, on mehitamata. ("Mehitatud" tähendab, et selles on inimene; "mehitamata" tähendab, et masin käib ilma inimeseta).

Rakett on põhimõtteliselt sõiduk, mille liikumist tekitab mootori tekitatud tõukejõud — enamasti suunatud tagant välja paiskuvate heitgaaside kaudu. Raketid võivad olla väga erineva suuruse ja eesmärgiga: alates väikestest ilutulestikurakettidest ja mereväe raketitest kuni suurte kanderakettideni, mis viivad kosmoseaparaate või inimesi orbiidile. Kanderakettide puhul on sagedane lahenduseks raketi jaotamine etappideks (staging), kus iga etapp annab tõuke ning eraldub siis, et vähendada massi ja parandada kütuseefektiivsust.

Täiendavalt: kus ja kuidas rakette käivitatakse

Enamikku rakette saab maalt startida, sest mootori heitgaasi tõukejõud on suurem kui sõiduki kaal Maal. Mõnda kasutatakse satelliitide orbiidile viimiseks. Mõned raketid, näiteks ioonajamid, on liiga nõrgad ja rasked, et neid ise üles tõsta. Nad töötavad pärast seda, kui teised raketid viivad nad kosmosesse.

Kanderaketid alustavad tavaliselt maal stardiplatvormilt või merelt platvormilt ning peamised väljakutsed on saada vajalik horisontaalne ja vertikaalne kiirus, ületada atmosfääri takistus ja saavutada orbiidikiirus. Ioon- ja muud elektrilised ajamid annavad väga väikese, kuid pikaajalisel töötamisel efektiivse tõuke - need sobivad hästi kosmoses manööverdamiseks ja pikkadeks süvspace-missioonideks, kuid ei sobi rutiinseks õhust maale startimiseks.

Ajalugu

Raketi leiutasid hiinlased, kasutades samal ajal püssirohtu. Esimesed raketid olid noolte kujulised ja mitte väga kiired. Enamik rakette töötab ikka veel tulega. Tuli tekitab kuumad heitgaasid, mis paisuvad ja tulistavad tagant välja. See paneb raketi edasi liikuma.

Raketitehnoloogia on arenenuv läbi sajandite: keskajast pärinevad Hiina püssirohuraketid ja hilisemad sõjalised raketid (näiteks Congreve’i raketid). XX sajandil andsid teoreetilised töötlused (nt Konstantin Tsiolkovski uurimused) ja praktikas tegutsenud insenerid (Robert Goddard, Wernher von Braun jt) jõulise tõuke kaasa kosmoseajastule. XX sajandi keskel arendati esimesed kanderaketid, mis viisid kosmoseaparaate ja inimesi orbiidile.

Tööpõhimõte ja füüsika

Enamik rakette kasutab tule tegemiseks ikka veel tahket kütust. Suurimad kasutavad vedelkütust, sest see tekitab kuumema tule, nii et rakett on võimsam. Kuid vedelkütuse ohutu käitlemine on keeruline ja kallis. Mõned satelliidikanderaketid kasutavad mõlemat.

Raketimootori töö põhineb Newtoni kolmandal seadusel: igale toimele vastab võrdne ja vastassuunaline vastureaktsioon. Kui põlev kütus paiskab massi (gaase) ühes suunas, põhjustab see raketi liikumise vastassuunas. Praktikas mõjutavad raketi efektiivsust sellised mõisted nagu tõukejõud (thrust) ja spetsiifiline impulss (specific impulse), samuti düüsi kuju, kütuse temperatuur ja rõhk. Nozzli ülesanne on suunata ja kiirendada heitgaase nii, et saavutatud tõuge oleks maksimaalne.

Kütusetüübid ja nende omadused

Rakette kasutatakse ka ilutulestiku ja relvade valmistamiseks ning kosmoses toimuvate liikumiste kontrollimiseks.

Tahked kütused on lihtsad, stabiilsed ja odavamad — need sobivad hästi sõjaliste rakettide ja ilutulestiku jaoks. Vedelkütused (näiteks kerosine+LOX või vedelvesinik+LOX) annavad suurema tõhususe ja reguleeritavuse; vedelad kütused võimaldavad mootorit peatada või taas käivitada. On olemas ka hüpergoolseid kütuseid (mida saab lihtsalt süüdata kokkupuutel), hübriidsüsteeme (tahke + vedel) ja elektrilisi ajameid (näiteks ioonmootorid), mille spetsiifiline impulss on väga kõrge, kuid tõuge väike. Tänapäeva kosmoselendudel kasutatakse samuti taaskasutatavaid vedel-mootoriga kanderakette (nt Falcon 9), mis parandavad majanduslikku efektiivsust.

Kasutusalad

Mehitatud raketid, sarnaselt teiste mehitatud lennumasinatega, on kavandatud nii, et need piiravad kiirendust ja vibratsiooni, et kaitsta meeskonda. Mehitamata raketid ei ole aga seotud inimeste piirangutega.

Rakette kasutatakse laialdaselt mitmel eesmärgil:

• satelliitide ja kosmoseaparaatide orbiidile viimiseks;
• mehitatud lendudeks ja teadusmissioonideks;
• kaug‑kosmose missioonide sõidukiteks (pioneerid, Voyager jt kasutavad erisüsteeme);
• maa- ja merepõhiste raketiliste relvade (näiteks ballistilised raketid) ning õhu‑ja mereväe rakettide konstrueerimiseks;
• ilutulestikus ja avalikel üritustel visuaalse efekti loomiseks;
• kosmosejaamade ja satelliitide orbiidi hoidmiseks ja manööverdamiseks.

Mehitamine, ohutus ja inimkandmine

Mõned raketid liiguvad helikiirusest kiiremini (Mach 1 ehk 1225 km/h ehk 761 mph). Need, mis lähevad madalale Maa orbiidile, liiguvad 30 000 km/h (19 000 mph).

Mehitatud missioonide puhul on elutehnika, turvalisus, kiirenduste ja vibratsioonide leevendamine ning abortsüsteemide olemasolu üliolulised. Astronaudid läbivad ranged treeningud ja raketid on varustatud süsteemidega, mis kaitsevad meeskonda ülekoormuste, temperatuuri ning elutingimuste muutuste eest. Mehitamata ja automaatsed sõidukid võivad seevastu olla disainitud valdkondades, kus inimmugavus või riskid ei ole piiravaks teguriks.

Näited ja ajaloolised märksõnad

Juri Gagarin oli nõukogude kosmonaut, kellest sai 12. aprillil 1961. aastal esimene inimene, kes lendas kosmosesse. Ta lendas Nõukogude Liidu poolt käivitatud raketiga R-7.

Vostok 1 missioon, mille käigus Gagarin tegi umbes 108‑minutilise orbiidi ümber Maa, tähistas inimese esimest lendu kosmosesse. Hilisemad sammud hõlmasid mehitatud programmide laienemist, kanderakettide võimekuse kasvamist (nt Saturn V viis inimesed Kuule) ning tänapäeval kommertslike ja taaskasutatavate kanderakettide laienemist kosmosetööstuses.

Kiirused ja täiendavad näitajad

Muuseas: orbiidile jäämiseks on vaja ligikaudu 7,8 km/s (umbes 28 000 km/h), et püsida madalal Maa orbiidil; Maa väljumiseks ehk kosmose kiiruse ületamiseks ja Päikesesüsteemist lahkumiseks on vaja märkimisväärselt suuremaid kiirusi (Maa pealtnäha väljumiseks vajalik laskumine on kompleksne, aga esmastena mainitakse tihti hulk km/s, näiteks kiirusevahemikuni umbes 11,2 km/s, mis on Maa järgiline kiirus escape‑kiiruse mõttes). Kiirus ja vajalik kütusekogus on otseselt seotud raketi massiga, sihtpunktiga ja etapilisusega.

Rakettide maailm on mitmekesine: tööstus areneb kiiresti, uusi kütuse- ja käivituslahendusi arendatakse ning kosmosekättesaadavus laieneb nii teadusele kui ka kaubandusele. Tänapäeva edusammud toovad kaasa kergemaid, odavamaid ja usaldusväärsemaid rakette, mis võimaldavad rohkem uurimis- ja rakendustegevust kosmoses.

Küsimused ja vastused

K: Mis on rakett?

K: Kas kõik raketid stardivad maapinnalt?

K: Kuidas tekkisid raketid?

K: Millist kütust kasutavad enamik rakette?

K: Millised on mõned rakettide kasutusalad?

K: Kes oli Juri Gagarin?

Otsing