RAKETI TÖÖPÕHIMÕTE Rakett oma lihtsaimas vormis on suletud kamber rõhu all oleva gaasiga. Väike avaus kambri ühes otsas laseb gaasil väljuda ning annab raketile tõuke, mis pöörab ta vastassuunda. Heaks näiteks sellele on õhupall. Palli sees olevale õhule avaldavad survet kummist seinad. Õhk surub omakorda palli seinu nii, et välis- ja siserõhk on tasakaalus. Kui palli otsik avaneb ja õhk väljub, hakkab õhupall pöörlema. Kuigi raketid on hiiglaslikud masinad, mis viivad satelliite orbiidile, kosmoselaevu Kuule ning teistele planeetidele, on need kaks üsna sarnased. Oluliseks erinevuseks on surve all oleva gaasi teke. Kosmoserakettides tekib gaas kas tahke või vedela raketikütuse põlemisel. Rakettide ajaloolises arengus on märkimisväärseks faktiks see, et kuigi reaktiivjõul töötavaid masinaid on kasutatud enam kui kaks tuhat aastat, oskavad raketikatsetajad vaid 300 aastat oma tööd teaduslikult põhjendada. Teaduslik lähenemine sai alguse 1687. aastal, kui inglise teadlane Sir Isaac Newton kirjeldas oma teoses "Loodusteaduse matemaatilised printsiibid" kehade liikumist looduses. Newton sõnastas 3 tähtsat liikumisseadust, mis seletasid kõikide kehade liikumist nii Maal kui maailmaruumis. Tundes Newtoni liikumisseadusi on võimalik konstrueerida selliseid XX sajandi hiiglasi nagu "Saturn 5" ning "Space Shuttle". Newtoni liikumisseadused: 1. Iga keha püsib paigal või liigub sirgjooneliselt seni, kuni välisjõud seda olekut ei muuda. 2. Keha kiirendus on võrdeline kehale mõjuva jõuga ja pöördvõrdeline keha massiga. 3. Kaks keha mõjutavad teineteist võrdvastupidise jõuga. Newtoni I seadus Seaduse sõnastus on lihtsalt fakti nentimine, selleks aga, et mõista, mida see tähendab, on tarvis tunda mõisteid paigalolek, liikumine ning tasakaalustamata jõud. Paigalolekut ja liikumist võib vaadelda vastanditena. Keha on paigal, kui ta ei muuda asukohta oma ümbruse suhtes. Kui sa istud vaikselt toolil, siis sa võid öelda, et sa oled paigal. Ehkki ka see mõiste on suhteline. Sinu tool võib ju olla üks paljudest helikiirusel lendavas lennukis. Oluline on meelde jätta, et siis sa ei liigu oma vahetu ümbruse suhtes. Kui paigalolekut määratletaks liikumise täieliku puudumisena, siis seda ei saakski looduses eksisteerida. Tegelikult liigud sa ka siis, kui sa istud kodus, kuna sinu tool asub pöörleval planeedil, mis liigub orbiidi. Täht liigub pöörlevas galaktikas, mis omakorda liigub maailmaruumis. Liikumine on samuti suhteline mõiste. Kogu mateeria maailmaruumis on pidevas liikumises, kuid Newtoni I seaduses mõeldakse liikumise all asukoha muutust ümbruse suhtes. Pall on paigal, kui ta lamab maas. Pall liigub, kui ta veereb. Kui pall veereb, siis tema asukoht ümbruse suhtes muutub. Kui sa lennukis istud, siis oled sa paigal, aga kui sa tõused ja lähed mööda vahekäiku edasi, siis sa liigud. . Newtoni I seaduse mõistmiseks vajalik kolmas oluline mõiste on tasakaalustamata jõud. Kui sul on pall peos ja sa hoiad teda vaikselt, siis on pall paigalolekus. Ehkki selle aja jooksul, kui sa palli käes hoidsid, mõjutasid teda jõud. Gravitatsioonijõud püüab palli allapoole tõmmata, samal ajal kui sinu käsi teeb jõupingutusi selle üleval hoidmiseks. Pallile mõjuvad jõud on tasakaalustatud. Kui lased pallil veereda või tõstad oma käe üles, muutub jõudude tasakaal ja pall muudab oma asendit. Kui rakett lendab, siis jõudude tasakaal muutub pidevalt. Stardiväljakul on raketile mõjuvad jõud tasakaalus. Stardiväljak surub raketti üles, samal ajal kui gravitatsioonijõud kisub alla. Kui mootorid on käivitatud, viivad raketi düüsidest väljuvad heitgaasid jõud tasakaalust välja ja rakett tõuseb õhku. Kui kütus põleb läbi, siis lennukiirus väheneb ja rakett peatub oma lennu tippkõrgusel ning kukub tagasi maale. Kosmoses mõjutavad kehade liikumist samuti mitmesugused jõud. Päikesesüsteemis liikuv kosmoselaev on pidevas liikumises. Kosmoselaev liigub sirgjooneliselt kuni temale mõjuvad jõud on tasakaalus. See saab juhtuda vaid siis, kui kosmoselaev on väga kaugel suurtest külgetõmbejõu allikatest nagu Maa, teised planeedid ning nende kaaslased. Kui kosmoselaev läheneb mõnele taevakehale, hakkab teda mõjutama külgetõmbejõud ning liikumissuund muutub. Tavaliselt juhtub see siis, kui satelliidi orbiit puutub kokku selle keha orbiidiga, mille ümber ta tiirleb. Satelliidi liikumistee kõverdub. Ringjooneline liikumine tekib taevakeha külgetõmbejõu ning satelliidi sirgjoonelise liikumise koosmõjul. Kui need kaks liikumist on õiges vahekorras, ühtib satelliidi liikumistee selle keha kujuga, mille ümber ta liigub. Kuna gravitatsioonijõud muutub vastavalt kaugusele planeedist, siis on igal kõrgusel oma kiirusaste. Kiiruse kontrollimine on eriti oluline selleks, et hoida kosmoselaev ringikujulisel orbiidil. Kui satelliidile ei mõju mingi teine tasakaalustamata jõud, näiteks gaasi molekulide hõõrdumisest tekkiv jõud orbiidil või raketikütuse põlemisest tekkiv jõud, siis kosmoselaeva kiirus väheneb ja see võib igaveseks planeedi orbiidile liikuma jääda. Nüüd, kui kolm peamist mõistet Newtoni I seaduses on selged, võime seaduse uuesti sõnastada. Selleks, et paigalolev keha, näiteks rakett, hakkaks liikuma, on tarvis tasakaalustamata jõudu. Selleks, et muuta liikuva keha sirgjoonelist trajektoori, kiirust või peatada see keha, on tarvis tasakaalustamata jõudu. Newtoni III seadus Jätame Newtoni II seaduse vahele ning läheme otsejoones III seaduse juurde. Selle seaduse kohaselt mõjutavad kehad teineteist võrdvastupidise jõuga. Kui sa oled kunagi välja astunud väikesest paadist, mis ei ole korralikult sadamaposti külge kinnitatud, siis sa tead täpselt, mida see seadus tähendab. Rakett tõuseb stardiväljakult lendu vaid kütuse põlemisel vabaneva gaasi mõjul. Rakett ning heitgaasid mõjutavad teineteist vastastikku. Raketile avaldab survet gaas, gaas aga mõjutab omakorda raketti. Kogu see kirjeldatud protsess on üsna sarnane rulasõidule. Kujuta ette paigalolevat rula koos sõitjaga. Sõitja hüppab rulalt maha. Newtoni III seaduse järgi nimetame seda hüppamist mõjuks. Selle mõju tulemusel hakkab rula vastassuunas liikuma. Rula liikumine vastassuunas on reaktsioon ehk vastasmõju. Kui võrrelda vahemaad, mis sõitja ning rula kumbki läbisid, siis võib ilmneda, et et rula vastasmõju on suurem kui rulalt mahahüppaja mõju. Kuid see pole sugugi nii. Tegelikult liikus rula kaugemale sellepärast, et tema mass on sõitja massist väiksem. Mass mõistet vaatleme lähemalt Newtoni II seaduse käsitlemise käigus. Kui rääkida rakettidest, siis mõjuks on raketist väljuvad heitgaasid. Vastasmõjuks on raketi liikumine vastassuunas. Selleks, et rakett saaks startimisväljakult õhku tõusta, peab raketimootorist väljuva gaasi surve olema suurem kui raketi kaal. Stardirajal on raketi kaal tasakaalustatud jõuga, mis surub teda maapinnalt lahti. Väike surve tekitab väiksema jõu, kui on vajalik raketi tasakaalus hoidmiseks. Vaid siis, kui heitgaasi poolt tekitatud jõud ületab kaalu, muutub jõud tasakaalustamatuks ning rakett võib startida. Kosmoses kasutatakse tasakaalustamata jõudu selleks, et püsida orbiidil. Isegi väike surve põhjustab liikumiskiiruse või -suuna muutumise. Tihti küsitakse, kuidas saavad raketid töötada kosmoses, kui seal ei ole õhurõhku. Sellele küsimusele annab vastuse Newtoni III seadus. Kujuta jällegi ette rula. Maapinnal on ainuke osa, mida õhul täita tuleb, rula liikumise aeglustamine. Õhus liikumise tõttu tekib hõõrdumine, või nagu teadlased ütlevad - takistus. Kuna ümbritsev õhk takistab mõju - vastasmõju, siis töötavad raketid õhutühjas kosmoses paremini. Kui põlemisel tekkinud gaas väljub raketimootorist, surub ta kõrvale ümbritseva õhu. Selleks aga kulutab rakett energiat. Õhuvabas kosmoses väljub gaas vabalt. Newtoni II seadus See liikumisseadus on oma olemuselt matemaatiline võrrand. Võrrandi osad on mass (m), kiirendus (a) ning jõud (F). Tähistades need mõisted tähtedega, võib võrrandi kirja panna järgmiselt: F = ma Võrrandit loetakse: jõud võrdub mass korda kiirendus. Selleks, et seletada seda seadust, kasutame näitena vana kahurimudelit. Kui kahur süüdatakse, paneb plahvatus liikuma kuuli. Kuul lendab läbi toru lahtise otsa sirgjooneliselt umbes paar kilomeetrit. Samal ajal põrkab kahur paari meetri võrra tagasi. See on mõju ja vastasmõju seadus (Newtoni III seadus). Kuulile ja kahurile mõjub üks jõud. See, mis juhtub kuuli ja kahuriga, on sõnastatud Newtoni II seaduses. Vaata järgmisi võrrandeid: F = m(kahur) a (kahur) F = m(kuul) a(kuul) Esimene võrrand käib kahuri ja teine kuuli kohta. Esimeses võrrandis on massiks kahur ja kiirenduseks kahuri liikumine. Teises võrrandis on massiks kahurikuul ning kiirenduseks tema liikumine. Kuna jõud (püssirohu plahvatamine) on mõlemas võrrandis sama, võime võrrandi järgimiselt kirja panna. m(kahur) a(kahur) = m(kuul) a(kuul) Selleks, et võrrandi mõlemad pooled oleksid võrdsed, peab kiirendus suurenema ja vähenema vastavalt keha massile. Kahuril on suurem mass ning väiksem kiirendus. Kuulil on väiksem mass ja suurem kiirendus. Rakendame seda seadust rakettidele. Asendame suurtükikuuli massi raketi mootorist väljuva heitgaasi massiga ning suurtüki massi vastassuunas liikuva raketi massiga. Jõud on surve, mis tekib raketi mootoris toimunud plahvatusest. Surve lisab kiirust gaasile ühes suunas ja raketile vastassuunas liikumiseks. Rakettidega tuleb aga ette selliseid huvitavaid asju, mida suurtükkidega ei juhtu. Katses suurtüki ja kuuliga kestab surve vaid hetkeks. Raketile mõjuv jõud kestab aga seni, kuni kütus põleb. Pealegi muutub raketi mass lennu ajal. Raketi mass on kõigi osade summa, kaasaarvatud mootorid, raketikütuse mahutid, lõhkelaeng, kontrollsüsteem ning raketikütus. Suurema osa raketi massist moodustabki kütus. Kuid see kogus muutub pidevalt kütuse põlemise käigus. Lennu ajal väheneb raketi mass. Selleks, et võrrandi pooled oleksid tasakaalus, peab raketi kiirendus suurenema vastavalt massi vähenemisele. Rakett liigub alguses aeglaselt, massi vähenedes aga üha kiiremini ja kiiremini. Newtoni II seaduse teadmine on eriti tähtis töökindlate rakettide konstrueerimisel. Selleks, et rakett jõuaks madalale Maa orbiidile, on tarvis saavutada kiirus enam kui 28 000 km tunnis. Kiirus, mis ulatub kuni 40 250 km tunnis, nn. teine kosmiline kiirus, võimaldab raketil lahkuda Maalt ja lennata süvakosmosesse. Sellise kiiruse saavutamiseks peab raketi mootor saavutama maksimaalse mõjujõu minimaalse ajavahemiku jooksul. Ehk teisisõnu, raketimootor peab põletama võimalikult suure koguse kütust ning laskma tekkinud gaasil mootorist väljuda nii kiiresti kui võimalik. Sellest, kuidas seda tehakse, tuleb juttu järgmises peatükis. Sõnastame Newtoni II seaduse järgmiselt: mida suurem kogus raketikütust põleb ning mida kiiremini põlemisel tekkinud gaas vabaneb, seda suurem jõud mõjub raketile. Kokkuvõte Newtoni liikumisseadustest Selleks, et rakett saaks startida, on tarvis tasakaalustamata jõudu. Tasakaalustamata jõu mõjul saab muuta raketi liikumiskiirust ja -suunda (Newtoni I seadus). Raketi mootoris kütuse põlemisel tekkiv jõud oleneb kütuse põlemiskiirusest ning vabanenud gaasi väljavoolamise kiirusest (Newtoni II seadus). Raketi reaktsioon (liikumine) on võrdvastupidine mootori poolt tekitatud jõule (Newtoni III seadus).