Hogy tudom kiszámítani valaminek a tolóerejét?

A tolóerő számítása:

[link]

A rakéta annyit bír megemelni (saját sűlyával együtt), amennyi a tolóereje.

[link]

Ha még érdekelnek további válaszok, akkor itt egy rövid összefoglalás:

Nagyon pontos eredményhez számítógépes áramlástani szimulációt kell futtatni (Computational Fluid Dynamics) például Ansys Fluent programmal, de vannak egész jó közelítőképletek:

Ha a rakétahajtóműved másodpercenként m' tömegű gázt ereszt ki, azt átlagosan v sebességgel és a kiáramló gáz nyomása átlagosan pe, a rakétát körülvevő levegő nyomása pa, a gáz pedig Ae felületen van kieresztve, akkor a tolóerő:

F = m'v + Ae(pe - pa)

Ha pl. wikipédiáról ismered a rakétahajtóműved Isp specifikus impulzusát és fogyasztását (amit valaki már meghatározott CFD-vel, vagy lemérte), akkor egyszerűbb:

F = m' * Isp * 9.80665 m/s^2

Ha a fenti adatokat nem ismered, akkor van rá mód, hogy a hajtómű égésterében lévő forró gáz adataiból kiszámold. Itt egy összefoglaló, ami tartalmazza az ehhez szükséges képleteket:

[link]

Ismerned kell az égésgáz hőmérsékletét és nyomását állóhelyzetben (az égéstérben nagyjából állóhelyzetnek tekinthető mégha több száz km/h-val haladhat ott a gáz), a gázkeverék(!) moláris tömegét és az állandó nyomáson illetve térfogaton mért fajhőknek az arányát (1.4 sűrített kétatomos gázra/gázkeverékre, forró égésgázokra általában 1.2)

A képletekben szereplő R (Gas Constant) úgy kapható, hogy az egyetemes gázállandót elosztod az égésgáz moláris tömegével (kg/mol-ban mérve).

Persze ez mind ideális rakétákat feltételez, ebből még levonódik néhány veszteség, például, hogy a gáz nem mindenhol merőlegesen halad ki a hajtóműből, vagy a fal/hűtőrendszer energiát von el a gázból. Sőt ha valamilyen reakciókinetikai programmal számolod a fentebbi adatokat, akkor azokhoz képest is némileg rosszabb lesz a valódi égési folyamat. Itt egy leírás hobbirakéták esetén a lehetséges veszteségekről:

[link]

Hogy mennyit emel meg?

Nyilvánvalóan akkor tud elemelkedni a rakéta, ha a tolóereje legalább annyi, mint a súlya, szóval a max felemelhető tömeg:

m = F/g

Föld körüli pályára tartó hordozórakéták azonban nem csak lebegni akarnak, hanem gyorsulni is felfelé, így általában a súlyhoz képest legalább +20% tolóerőt alkalmaznak indulásnál. Később a rakéta tömege csökken (fogy a hajtóanyag), így a gyorsulása is növekszik, valamint a külső légnyomás is csökken és a tolóerő némileg növekszik a fogyasztás/kiáramlási sebesség változtatása nélkül is (lásd képlet).

Sounding vagy hobbirakétáknál általában sokkal nagyobb tolóerőt alkalmaznak a rakéta súlyánál (akár 20-szor többet is), pusztán azért, mert a kisméretű rakétamotorok gyorsan elhasználják a hajtóanyagot (nagy fogyasztás), valamint mert azokat egy felfelé irányzott sínről indítják, és mire a rakéta elhagyja annak tetejét elég gyorsan kell mennie ahhoz, hogy a menetszél stabilizálja a vezérsíkjaira hatva.

Ideális esetben (legkisebb veszteségekhez) a rakétát hirtelen nagy erővel fel kell gyorsítani az úgynevezett terminális sebességre, azt követően pedig a súlynak kétszeresével egyenértékű tolóerővel kell azt a sebességet tartani.

Kis kiegészítés:

Ha hobbirakétát építesz akkor felejtsd el a fentieket és egyszerűen csak nézd meg a legálisan használható gyári motor leírását, abban lesz kimért tolóerő-idő grafikon.