¿Cómo funcionan los cohetes en el espacio donde no hay atmósfera?

El cambio de dirección en la que viaja una nave espacial se realiza cambiando el vector de velocidad de la nave espacial.

Comencemos con la ilustración (1). La nave espacial vuela hacia adelante a cierta velocidad. Queremos cambiar nuestra dirección hacia la izquierda, por lo que disparamos los propulsores en el lado derecho de la nave espacial (2). Esos propulsores crean un vector de velocidad a la izquierda.

Si sumamos los dos vectores (el vector hacia adelante, que no ha cambiado, y el vector lateral) (3), el resultado es un nuevo vector que es principalmente hacia adelante, pero vira hacia la izquierda (4).

Eso es practicamente todo. Para cambiar la dirección, disparamos propulsores para crear un vector que, cuando se agrega al vector inicial, representará la dirección que deseamos viajar.

Se vuelve un poco más complejo en órbita, porque la mecánica orbital juega un papel en la decisión de dónde va una nave espacial.

Para cambiar la actitud (orientación) del vehículo, hay dos métodos comunes. El primero es usar pequeños propulsores de control de actitud para rotar el vehículo alrededor de su centro de masa, como se muestra a continuación.

En la ilustración (a), la nave espacial dispara dos pequeños propulsores que están igualmente espaciados desde el centro de masa y disparan en direcciones opuestas (en esta ilustración, los triángulos rojos representan chorros, no vectores). Debido a que estos propulsores disparan en direcciones opuestas, cancelan los vectores laterales del otro y dan como resultado una rotación pura, como se muestra en (b). Cuando la nave espacial está cerca de la actitud deseada, dos propulsores opuestos disparan (c) para cancelar la rotación y estabilizar el vehículo en su nueva actitud (d).

El segundo método (y el que intentamos usar más en ISS) es utilizar giroscopios dentro de la nave espacial para cambiar el momento angular de la nave espacial, haciendo que gire. Lea más sobre ese método aquí: ¿Qué significa que una rueda de reacción puede “almacenar” los pares externos como momento angular en las ruedas con el tiempo (hasta la saturación)?

Una aeronave normal usa la fuerza desarrollada por el motor de respiración de aire (Jets) para generar energía que se usa como empuje para avanzar. Este empuje es generalmente en la dirección axial de la aeronave (sistema de eje del cuerpo). Para permanecer en el aire, los aviones tienen alas, que tienen una sección transversal del perfil aerodinámico, que genera fuerza de elevación al modificar el flujo de aire a su alrededor.

Llegando a los cohetes. Tienen propulsores que no requieren aire para quemar / funcionar. Cuando se lanzan cohetes, estos propulsores se queman y salen de la boquilla para generar empuje. No requieren aire para hacerlo. Este empuje también es generalmente en dirección axial de los cohetes.

Cuando un cohete está dentro de la atmósfera, usan sus aletas (que generan fuerza aerodinámica) para maniobrar / girar. Pero cuando van al espacio (donde tenemos vacío) estas aletas no funcionan. Allí usamos pequeños propulsores que funcionan en el mismo principio de la boquilla del cohete principal, propulsor de combustión, estos propulsores se pueden montar a lo largo del cohete según los requisitos de la misión. Además de esto, la boquilla principal del cohete también se puede hacer en 3D, para proporcionar un empuje en ángulo con el eje axial.

Usan tres métodos y pueden usarse juntos o como una combinación de ellos.

1. Las alas, solo son buenas dentro de la atmósfera, significa que no se pueden usar una vez que el misil está por encima de 70000 pies.
2. Vectorización de empuje, la boquilla de escape del misil puede moverse en todas las direcciones, pero muy ligeramente. Este método solo funciona en la fase de vuelo motorizado. Y demasiado costoso de implementar.
3. Micro cohetes Estos son el componente principal de la orientación. Una vez que el cohete está en fase balística, se separa del cuerpo principal y solo la nariz (ojiva, vehículo de reentrada) continúa volando hacia el objetivo. En ese vehículo de reentrada, se instalan varios cohetes pequeños en todas las direcciones y se controlan mediante señales recibidas del GPS y del sistema de guía interno.

Mira este video de misiles TOW.
Tiene dos llamas en la parte posterior, que creo que se utilizan para controlar el movimiento lateral del misil, ya que es un misil antitanque, no necesita control de movimiento vertical.

En el segundo video del minuto hombre misil, mira estas llamas azules en todas las direcciones después de la reproducción de los 80.

Así es como se guía el misil.

Si habla de hacer un giro en el espacio, entonces no tiene que pensar mucho al respecto. Deje que la gravedad haga su propio trabajo y simplemente siéntese y mire cómo gira un objeto en el espacio.
Todo depende de la órbita en la que gira su objeto. La gravedad es responsable del giro del objeto (que tiene masa) en el espacio.
Pero si está hablando de orientar o controlar su actitud, entonces tiene que instalar algunos hardwares que harán que se mueva según su deseo.
Algunos de ellos son:
Propulsor: funciona según el principio de conservación del momento. Tenemos que expulsar algo de masa del cuerpo del objeto en la dirección opuesta a nuestra dirección deseada.
Rueda de reacción: funciona según el principio de conservación del momento angular. Se une una rueda simple al objeto, de modo que cuando se gira la rueda, el objeto mismo gira en dirección opuesta para conservar el momento angular.
Magnetorquers: es simplemente un alambre enrollado sobre un núcleo de metal. cuando se permite que fluya una corriente en el cable, se produce una pequeña cantidad de campo magnético que se utiliza contra el campo magnético de la tierra para producir torque.
Así es como funcionan estas cosas, creo que respondería esta pregunta

Tienes razón, la falta de una atmósfera lo hace un poco más desafiante. Pero hay un par de cosas que se pueden hacer para hacer que una nave espacial gire en el espacio. Pero antes de ir más lejos, quiero señalar una distinción importante. Voy a hablar sobre cambiar la orientación de una nave espacial, no la dirección en la que viaja. La orientación es algo sobre lo que debe mantener el control, porque desea mantener su antena apuntando a la tierra. Pero una nave espacial puede girar sin cambiar la dirección en la que va. Piense en esto como un automóvil girando sobre hielo, o como las escenas de combate en Babylon 5. La dirección real en la que viaja siempre cambia, porque la gravedad lo empuja en una elipse alrededor del cuerpo que está orbitando. Pero si desea opinar sobre la elipse en la que se encuentra, debe quemar un motor para cambiar su velocidad o posición.

El primero es usar pequeños propulsores de maniobra. La idea básica es que un propulsor empuja algunos gases de escape en una dirección. Dado que se debe conservar el impulso, esto ejerce una fuerza sobre la nave espacial. Si pones dos propulsores en lados opuestos de la nave espacial disparando en direcciones opuestas, puedes poner un par en la nave espacial, lo que hará que comience o pare de girar. Esto requiere combustible, que tiene un suministro limitado, por lo que para misiones de larga duración, hay algunas otras opciones.

Otra cosa que se hace comúnmente es usar una rueda de reacción. Esto es básicamente un volante, y si la nave espacial decide girar o girar el volante, ejercerá un par de contraataque en el vehículo espacial. En general, son más precisos que el uso de propulsores, pero generalmente no pueden girar el vehículo tan rápido como un propulsor.

Un tercer elemento que se ha probado varias veces con diversos grados de éxito pero que nunca se ha utilizado en la práctica es aprovechar el campo magnético de la Tierra. Si una corriente eléctrica fluye perpendicular a un campo magnético, causará una fuerza electromotriz en la dirección perpendicular tanto a la carga como al campo. Este es el mismo principio físico que hace que funcionen los motores eléctricos. Entonces, algunas misiones han intentado desplegar una larga correa desde la nave espacial. Pudieron generar un pequeño par de esta manera. Pero tiene que haber un campo magnético relativamente fuerte que apunte en una dirección conveniente para que esto funcione.

Si queremos sacar aún más provecho, podemos mirar algo como velas solares. Podrías montarlos de tal manera que pongan un par en una nave espacial. Esto nunca se había hecho antes, ya que todavía nos faltan materiales lo suficientemente fuertes y livianos como para hacer velas útiles. Pero las velas solares se pueden usar no solo para orientar su nave espacial, sino también para cambiar la dirección en que se mueve.

Una cosa a tener en cuenta es que en el espacio, no solo necesitas un par para comenzar tu turno, también necesitas uno para detenerlo. Si estás en la atmósfera, la resistencia del aire hará que tu turno se detenga, pero sin resistencia del aire, continuarás girando para siempre. Una cosa nueva que un par de sondas espaciales (y posiblemente otras misiones) han hecho para dejar de girar (o al menos ralentizar un giro a algo más manejable) fue desplegar lo que efectivamente eran un par de yo-yos. masas en cuerdas que se extenderían radialmente hacia afuera. A medida que los pesos se mueven, el momento de inercia del sistema disminuye y gira más lentamente. Una vez que se ha transferido suficiente impulso angular a los pesos, se liberan.

Se utilizan dos métodos para la orientación de cohetes y otras naves espaciales en vacío:

1. Sistema de control de reacción (RCS)
2. Rueda de reacción

Sistema de control de reacción:

Básicamente, esto hace uso de la Tercera Ley del movimiento de Newton, que establece que cada acción tiene una reacción opuesta e igual. Hay RCS Thrusters colocados a lo largo del cuerpo de una nave espacial. Estos propulsores liberan impulsos de gas, que luego empujan o empujan el cohete en la dirección opuesta, siguiendo la Tercera Ley de Newton.

Rueda de reacción:

Rueda de reacción utiliza el principio de conservación del momento angular. En este método, hay una rueda presente en la nave espacial. Ahora considerando un eje de rotación, necesitamos una rueda de reacción. Por lo tanto, si la nave espacial tiene que girar en el sentido de las agujas del reloj a lo largo del eje, se hace que la rueda de reacción gire en sentido contrario a las agujas del reloj dentro de la nave. Por lo tanto, para conservar el momento angular, la nave gira en la dirección opuesta, es decir, en sentido horario. Del mismo modo para tres ejes de rotación, hay tres ruedas de reacción. La rueda de reacción se usa principalmente para que los satélites se orienten solo en una dirección.

La respuesta está en parte en la pregunta. .
ICBM: Como su nombre lo indica, son misiles balísticos intercontinentales, que esencialmente nos dicen cómo viajan. . . Siguen trayectorias balísticas. . . . Son propulsados ​​por propulsión de cohetes. . . Sin embargo, para las correcciones en su trayectoria y propósitos de navegación, utilizan sistemas de navegación inercial, sistemas giroscópicos láser anillados, GPS, etc. La corrección de la trayectoria se realiza mediante paletas que inclinan el escape del chorro (una forma de empuje vectorial) y giroscopios. . .

Los cohetes generalmente operan con una mezcla de dos productos químicos, un combustible y un oxidante. Por ejemplo, el combustible puede ser hidrógeno líquido (LH2) y el oxígeno líquido oxidante (LOX). Estos dos productos químicos son gaseosos a temperatura ambiente, pero pueden comprimirse y mantenerse en estado líquido. El motor del cohete quema el LH2 y el LOX, produciendo principalmente vapor de agua y una cantidad extremadamente pequeña de peróxido de hidrógeno, que se descompone instantáneamente en agua y gas oxígeno.

El LH2 y el LOX son mucho más densos que el vapor de agua que produce el motor, por lo que cuando el motor se quema, el gas de escape tiene que ir a algún lado. El diseño y la forma de la boquilla impiden que el gas se mueva en cualquier dirección, pero hacia atrás, lejos del cohete. Debido a la tercera ley de Newton, todas las fuerzas tienen fuerzas correspondientes iguales y opuestas. Cuando el escape del cohete es forzado hacia atrás por su propia expansión, la fuerza opuesta empuja el cohete hacia adelante.

En lo que respecta al vacío, los cohetes funcionarán igual en la atmósfera que en el espacio, pero la falta de presión externa cambia la forma de la columna de escape. Este gráfico muestra los efectos de la presión del aire en la columna de escape:

De lo contrario, los cohetes funcionarán de manera muy similar en el aire y en el vacío.

Los cohetes funcionan tirando cosas a gran velocidad para que usted (el cohete) vaya en la dirección opuesta.

Un astronauta en el espacio podría arrojar una bola de boliche y eso haría que el astronauta se moviera en la dirección opuesta a la que arrojó la bola de boliche. Cuanto más rápido lances la bola, más rápido irás. Podrías lanzar muchas bolas de boliche una tras otra y sumar el efecto. Pero no eres lo suficientemente fuerte como para lanzar una bola de boliche muy rápido, por lo que sería mejor lanzar pelotas de béisbol. Mejor aún usar un palo para “lanzar” pelotas de golf. Por supuesto, necesitarías muchas pelotas de golf. Pero no necesitaría tanta masa total de pelotas de golf como bolas de boliche porque puede lanzar pelotas de golf a una velocidad más rápida. Cuanto más rápido dispares, menos necesitarás para cambiar tu velocidad en la cantidad deseada.

En lugar de bolas de boliche o de golf, los cohetes usan gas porque es más fácil hacer una boquilla de cohete que guíe el gas hacia afuera para que vaya a alta velocidad principalmente en una dirección. Pero es exactamente el mismo principio. Tira el gas muy rápido y termina yendo en la dirección opuesta. Nada en esta discusión requiere que el gas empuje algo externo al cohete. Nada requería que las bolas de boliche empujaran algo externo al astronauta. Todo funciona por conservación del impulso. Ambos métodos de propulsión (lanzar bolas de boliche y gas de alta velocidad) funcionan bien en el vacío.

Lo mismo que usamos para movernos.

¡La tercera ley de la física de Newton!

La acción tiene una reacción. Empujo el suelo, me empuja y camino. Empujo en una dirección diferente y me giro.

Ahora en el aire tendré que empujar el aire para que me empuje. Lo que hace un avión.

¿Pero qué hay del espacio? ¡Vacío! ¡Nada que ’empujar’ o incluso tocar!

Entonces usan propulsión. Utilizan sustancias químicas ardientes para lanzar gases calientes a alta presión, que es la acción. ¿La reacción? El movimiento de la nave espacial en la dirección opuesta. Para girar, la hélice gira en ambos sentidos.

Consejo profesional: si estás separado de tus amigos del espacio en algún momento en el futuro y quieres volver a ellos, ábrete paso.

No tendría que seguir haciéndolo, ya que no habrá nada que reduzca su velocidad. Solo uno grande te llevará allí.

Puede usar un cohete para cambiar su vector de impulso al expulsar el propelente en la dirección opuesta, o puede usar una órbita hiperbólica alrededor de algún objeto grande como un planeta o la luna.
Otras posibilidades implican velas de luz o ataduras espaciales, o posiblemente una atadura conductora que sea capaz de realizar transferencias de impulso con el campo magnético de la tierra o del sol.

De la misma manera que lo haces en una piscina. Al empujar en una dirección diferente, cambia su vector. La mayoría de los cohetes tienen propulsores de control de reacción para cambiar la dirección en el espacio, y ruedas de reacción para cambiar la orientación de la nave espacial.

Las naves espaciales no necesitan aire para girar.

Su movimiento es el resultado de la fuerza ejercida por los gases, producidos por la quema de combustibles, en las naves espaciales, que son expulsadas. Esto se debe a la Tercera Ley del Movimiento de Newton.

La nave espacial expulsa gas combustible, que empuja el cohete en dirección opuesta.

Así se maniobran las naves espaciales.

Mi querido amigo, has entendido mal el concepto de empuje. el cohete recibe empuje debido a su escape o a través de cualquier tipo de gas que sale de él, este empuje no se debe a que el escape empuje el aire circundante y obtenga la fuerza opuesta que llamó empuje.
La fuerza de empuje que actúa sobre el cuerpo es independiente del aire circundante o de cualquier atmósfera. Supongamos que viaja al espacio y aterriza en un planeta, y que ese planeta no tiene atmósfera ni gases y que nunca podrá salir de ese planeta. pero muchas de nuestras naves espaciales van a otro planeta y regresan. espero que se aclare

Los cohetes giran en el espacio de dos maneras.

Una forma es a través del giroscopio / CMG, una cosa espinosa dentro que puede usar para reorientar o “girar”.

La otra forma es a través de cohetes / ACS, ya que empuja hacia un lado, no a través de CG, y crea un par sobre el CG (centro de gravedad).

¿Conoces las leyes del movimiento de Newton? si no, comience allí, estudie esas cosas, vea si comprende los cohetes después, como sin Newton, ¡seguro que parece magia!

Los cohetes llevan su propio combustible y oxígeno, que se encienden juntos para producir el empuje. Sin oxígeno, no habría combustión, es por eso que los aviones no pueden volar al espacio: no tendrán oxígeno para quemar con su combustible y el motor chisporroteará y fallará.

Tercera Ley del Movimiento de Newton : Para cada fuerza de acción, hay una fuerza de reacción igual y opuesta.

La fuerza de acción es el escape que sale de la boquilla del cohete. La fuerza de reacción es empujar el cohete hacia adelante.

Mucha gente parece pensar que los cohetes despegan del aire cuando despegan, y así es como se mueven. Según esta lógica, no deberían poder trabajar en el espacio, donde no hay atmósfera. Sin embargo, esto es falso. Los cohetes no necesitan una atmósfera para producir empuje. La tercera ley de Newton funcionará sin importar dónde se encuentre en el Universo.

Aplique una fuerza en una dirección, espere una magnitud igual pero opuesta en la fuerza de dirección hacia atrás. La lanzadera puede usar el empuje para aplicar una fuerza en una dirección para hacer que la lanzadera se mueva en la dirección deseada.

Desafortunadamente, los vuelos espaciales no son como la guerra de las galaxias. Si / cuando tomas una clase de física-mecánica, aprenderás sobre esto y no me parecerá tan extraño como me pareció durante tanto tiempo.

Retrofire para llevar su velocidad relativa a cero. (NB. Aquí estoy asumiendo algún marco de referencia inercial) Gire la embarcación sobre sus giroscopios giroscópicos para que apunte en la dirección opuesta. Ahora dispara tus cohetes.

Felicidades, has hecho un 180 en el espacio profundo.