- Hierdie artikel handel om die voertuig. Vir die plant, sien
Vuurpyl (plant)
.
'n
Vuurpyl
is 'n
voertuig
,
missiel
of
vliegtuig
wat aangedryf word deur die uitspuiting van snelbewegende
uitlaatgasse
van die binnekant van 'n vuurpylenjin. Die uitlaatgas kom van 'n aandryfmiddel.
Daar is baie verskillende tipes vuurpyle. Die vuurpyle verskil in grootte ? dit kan wissel van 'n modelvuurpyl vir kinders tot die enorme
Saturn V
wat vir die
Apollo-program
gebruik is.
Die meeste vuurpyle word chemies aangedryf deur middel van 'n
binnebrandenjin
. Die dryfmiddel kan 'n vaste stof, vloeistof, of 'n mengsel van die twee wees. Sommige vuurpyle verkry hulle aandrywingsenergie van ander bronne as chemies, byvoorbeeld stoomvuurpyle wat superverhitte water in snelbewegende stoom omskep en die vuurpyl voortdryf. Sulke vuurpyle maak gebruik van
buitebrandenjins
.
Die
Chinese
is eeue lank bekend vir hul vuurwerkvertonings, maar reeds in
1231
het hulle vuurpyle as militere wapens gebruik om die stad
Kaifeng
teen die
Mongole
te verdedig. In die daaropvolgende paar eeue het die Mongole, die Arabiere en die Europeers van vuurpyle vir die oorlog gebruik gemaak.
Toe die ontwerp van kanonne verbeter het, het die belangstelling in vuurpyle vir ongeveer 'n eeu verflou, totdat
Tipu Sultan
, die prins van Mysore in
Indie
, weer vuurpyle vir oorlogvoering teen Britse troepe gebruik het. In die veldslae by Seringapatam het hy op die manier die Britse troepe 'n knou toegedien. Nuus van die suksesvolle gebruik van die vuurpyle het deur
Europa
versprei en 'n Britse kolonel,
William Congreve
, het met vuurpyle en brandstowwe begin eksperimenteer.
Sy ontwerp is in
1806
in 'n aanval op die Franse stad
Boulogne
gebruik en die jaar daarop het
Kopenhagen
na 'n grootskaalse aanval met vuurpyle feitlik heeltemal afgebrand. Binne ʼn paar jaar was die meeste Europese Iande besig met die vervaardiging van Congreve-vuurpyle. In die
19e eeu
het William Hale die vuurpyl verder verbeter deur geboe vlakke in die straalpyp in te bou. Die rotasie wat die vuurpyl hierdeur verkry het, het die vlug gestabiliseer.
Belangstelling in ruimtevlugte het ook in die 19e eeu begin toeneem.
Claude Ruggieri
het in
1806
in
Parys
rotte en muise met vuurpyle gelanseer en die diere met valskerms laat terugval. Sy poging om 'n seuntjie te lanseer, is deur die polisie verbied. Vuurpyle is ook gebruik om kabels na sinkende skepe naby die kus te skiet om die bemanning te red. Tussen
1871
en
1962
is 15 000 man langs
Brittanje
se kuste op die manier gered. Die Rus
Konstantin Tsiolkofski
(1857-1935) was die eerste persoon wat besef het dat 'n vloeibare stumiddel vir vuurpyle baie doeltreffender as 'n vaste brandstof sou wees.
Tsiolkofski het belangrike bydraes op die gebied van vuurpylontwerp gedoen, maar omdat al sy geskrifte in Russies was, het sy waardevolle werk grootliks onbekend gebly. Die eerste vuurpyl met 'n vloeibare stumiddel is op
16 Maart
1926
deur
Robert Goddard
(1882- 1945) in die
VSA
gelanseer. Dit het net ʼn paar kilogram geweeg en 12,5 m hoog en 56 m ver getrek, maar dit was net so 'n geskiedkundige gebeurtenis as die
Wright-broers
se eerste vlug by Kitty Hawk.
In die twintigerjare het
Hermann Oberth
(geb. 1894), 'n wiskundeonderwyser, baanbrekerswerk op die gebied van vuurpyle in
Duitsland
gedoen. Hy het twee boeke oor vuurpyle en ruimtevaart gepubliseer (
Die vuurpyl na die interplanetere ruimte
, 1934, en
Die weg na ruimtevaart
,
1929
). Ingevolge die
Verdrag van Versailles
na die
Eerste Wereldoorlog
was Duitsland verbied om enige grootkaliberkanonne te vervaardig.
Om hierdie bepaling te omseil, het die Duitse Leer hom op die ontwikkeling van vuurpyle toegele. 'n Span van honderde ingenieurs, wetenskaplikes en tegnici, onder leiding van
Walter Dornberger
(geb. 1895),
Wernher von Braun
(1912-1977) en Oberth, het by Peenemunde gewerk en mettertyd die
V-2-vuurpyle
ontwerp wat gedurende die
Tweede Wereldoorlog
soveel verwoesting in
Londen
en ander stede gesaai het.
Na die oorlog het Von Braun en talle ander Duitse wetenskaplikes na die VSA (of die
USSR
) geemigreer en hul navorsing oor vuurpyle voortgesit. Verskillende tipes vuurpyle is ontwerp: kortafstandvuurpyle wat van voertuie, skepe en vliegtuie gelanseer word, langafstandvuurpyle en ruimtevuurpyle.
Die
Chinese
van weleer het
buskruit
ontdek, en soos wat hulle dit in verskeie wapens begin gebruik het, soos bomme en kanonne, het die vuurpyl natuurlik begin ontwikkel. Aanvanklik is dit gebruik as 'n manier om die toentertydse Chinese gode te aanbid, maar dit het daarna as vuurwerke ontwikkel. Vuurpyltegnologie het Europa getref na die inval van die
Mongole
.
Die
Pools-Litauer
,
Kazimierz Siemienowicz
, se werk,
Artis Magnae Artilleriae pars prima
(
Die groot kuns van artillerie, die eerste gedeelte
, ook bekend as
Die volledige kuns van artillerie
), wat vir meer as tweehonderd jaar die standaardhandleiding was vir
artillerie
in Europa, het ook die bron vir die basiese ontwerp van vuurpyle geword.
Newton
se derde bewegingswet, naamlik dat elke aksie 'n gelyke en teenoorgestelde reaksie het, word regstreeks in vuurpylaandrywing toegepas. Die voorwaartse beweging van die vuurpyl word veroorsaak deur die terugwaartse stukrag van die straal
gas
wat vrykom wanneer die brandstofmengsel ontbrand. 'n Opgeblaasde ballon wat losgelaat word, beweeg op dieselfde beginsel: omdat die saamgeperste lug in een rigting verplaas word, skiet die
ballon
in die teenoorgestelde rigting.
'n Vuurpyl beweeg dus nie omdat dit teen die lug "druk" nie, soos soms verkeerdelik aanvaar word. Om hierdie rede kan 'n vuurpyl in die atmosfeer en in die lugleegte van die ruimte beweeg. In teenstelling met straalvliegtuie, wat die
suurstof
in die atmosfeer nodig het vir die verbrandingsproses van hul enjins, dra 'n vuurpyl al sy brandstof en die oksideermiddel (oksidant) saam, wat dit dus vir 'n vuurpyl moontlik maak om in die ruimte te funksioneer.
Die vuurpylmotor bestaan uit ʼn verbrandingskamer met 'n spesiaal gevormde straalpyp. Die
brandstof
en oksideermiddel word in die kamer gemeng en ontsteek. In die chemiese reaksie wat plaasvind, ontstaan 'n baie hoe temperatuur en druk (ongeveer 4 000 °C en 80 atmosfere). Die gas verlaat die straalpyp met 'n snelheid van 5 000 m/s en die vuurpyl beweeg in die teenoorgestelde rigting.
Die stumiddel kan uit vaste stowwe of vloeistowwe bestaan, Die voordeel van die vastestumiddelvuurpyle is dat hulle altyd in gereedheid gehou kan word vir lansering, en dat hul meganies baie eenvoudig omwerp is. Wanneer die stumiddel ontbrand, kan die proses egter nie gestaak of gereguleer word nie. Hulle word meestal as aanjaerpyle, wat na 'n paar minute uitbrand, gebruik. Vaste stumiddels bestaan uit mengsels soos
ammoniumnitraat
of
ammoniumperchloraat
(oksideermiddel) en
polivinielchloried
,
poliuretaan
of sintetiese rubber (brandstof).
Vloeibare stumiddels word in afsonderlike tenks gehou en na die verbrandingskamer gepomp. Die brandstof is gewoonlik
waterstof
,
paraffien
,
etielalkohol
of
hidrasien
, wat met suiwer suurstof verbrand word. Omdat waterstof en suurstof by normale temperatuur gasvormig is en 'n baie groot volume beslaan, moet dit deur afkoeling vloeibaar gemaak en gehou word (suurstof: -253 °C; waterstof: -183 °C).
Vloeibare stumiddelvuurpyle kan beter beheer word as vastestumiddelvuurpyle. Die stumiddel beslaan 80 % tot 90 % van die vuurpyl se totale massa. Reeds aan die begin van die eeu het baanbrekers soos Tsiolkofski, Goddard en Oberth besef dat die eindsnelheid van 'n vuurpyl vergroot kan word as 'n multistadiumaandrywing gebruik word, omdat die lee tenks wegval en so die
massa
verminder.
Die totale massa van die vuurpyl word dus minder na die ontkoppeling van elke stadium en die motore van die oorblywende stadium(s) ontbrand met 'n groter aanvangsnelheid. 'n Vuurpyl se snelheid en posisie word gedurig deur versnellingsmeters gemeet en deur die rekenaars aan boord verwerk. Hierdie metings word vergelyk met die stand van die giroskope en korreksies word outomaties aangebring.
Alternatiewe aandrywingsmiddels
[
wysig
|
wysig bron
]
Afgesien van chemiese aandrywing kan vuurpyle van kernaandrywing voorsien word. Elektriese aandrywing berus op die elektrostatiese of elektromagnetiese versnelling van elektries gelaaide deeltjies. In ʼn ioonaandrywingstelsel word sesiumatome in 'n elektriese veld versnel tot snelhede van 100 km/s of meer. Die stukrag van hierdie stelsel is gering, maar heeltemal voldoende om byvoorbeeld
geostasionere satelliete
in hul bane te maneuvreer.
Die werking berus op die omsetting van die energie in lig, wat teen 300 000 km/s beweeg. Die stukrag is weereens uiters klein maar dit kan gebruik word vir 'n "sonseil" - die weerkaatsing van sonlig op groot oppervlakke, wat 'n beweging in die teenoorgestelde rigting veroorsaak. Die eerste Amerikaanse satelliet, die
Explorer 1
, is deur 'n Jupiter C-vuurpyl gelanseer (1958).
'n Atlasvuurpyl is gebruik vir die
VSA
se eerste bemande ruimtetuig en die Thor-Delta en
Atlas-Agena
vir verdere satellietlanserings, byvoorbeeld Echo 1,
Mariner 2
(na Venus),
Ranger 7
(na die maan), ensovoorts. Titan 2 het die Gemini-kapsules vervoer en die reusagtige Saturn-vuurpyle het die Apollo-ruimtetuie van die maanlandingsprogram gelanseer.
Saturn V, die grootste vuurpyl van die Saturn-reeks, is 110 m lank en weeg 2 700 ton. Dit is 'n driestadiumvuurpyl. Die eerste stadium se stumiddel is paraffien en
vloeibare suurstof
en die ander twee stadiums gebruik vloeibare waterstof en vloeibare suurstof. Tydens lansering gebruik die Saturn 700 ton stumiddel per minuut en 90 % van die stumiddel word binne die eerste 12 minute verbruik. Militere satelliete van die VSA se lugmag en vloot word deur Scout-, Thor-Agena-, TAD- (Thrust-Augmented Delta), Atlas-Agena- en Titan IIIC-vuurpyle gelanseer.
In
1903
, in
Rusland
, het 'n hoerskoolwiskundeonderwyser genaamd Konstantin Tsiolkofski (
1857
-
1935
) die werk
Исследование мировых пространств реактивными приборами
(
Die verkenning van die kosmiese ruimte met behulp van reaksietoestelle
), die eerste ernstige belangrike werk oor
ruimtevaart
gepubliseer.
Aanvanklik was die moderne vuurpyle nie ekonomies nie, weens die groot mate van hitte-energie wat nie in kinetiese energie omgeskakel kon word nie. Die probleem is in
1917
opgelos deur
Robert Goddard
, toe hy 'n supersoniese
spuitstuk
toegevoeg het aan die vuurpyl se binnebrandkamer.
Ontwikkelingswerk het gedurende die 1920's in verskeie lande plaasgevind, insluitende Amerika, Brittanje,
Duitsland
,
Frankryk
,
Italie
,
Oostenryk
,
Rusland
en
Tsjeggo-Slowakye
. Duitse wetenskaplikes het veral sukses behaal met vloeibare aandrywingsmiddels.
In die vroee 1930's het die meeste ontwikkeling plaasgevind in Leningrad.
Wernher von Braun
, destyds 'n jong vuurpylwetenskaplike, is deur die Duitse owerhede gevra om by die weermag aan te sluit, en onder sy leiding het Duitsland langafstandwapens ontwikkel wat deur
Nazi-Duitsland
in die
Tweede Wereldoorlog
gebruik is. Die
V-2 vuurpyl
wat deur sy span ontwerp is in
1943
kon 300 km ver vlieg en 'n 1 000 kg plofkop dra. Aan die einde van daardie oorlog, het Rusland, Brittanje, maar veral Amerika, vele opgeleide wetenskaplikes van die Duitse vuurpylprogram onderskep en vir hulle laat werk, insluitende Von Braun. Dit was 'n belangrike deel van die
Wunderwaffe
wat die Derde Ryk die oorwinning sou gee.
Na die oorlog is vuurpyle gebruik om onder meer die eerste satelliet, die eerste man in die ruimte, die eerste
maanlanding
, en die eerste interplanetere verkenningstuig te lanseer. Hierdie gebeure was van groot belang vir politici, en het die finansies regverdig wat vandag steeds verdere navorsing borg.
Vanuit 'n militere oogpunt het vuurpyle geweldig belangrik geword in die gebruik daarvan as
interkontinentale ballistiese missiele
, aangesien 'n kernplofkop gedra deur so 'n vuurpyl nie afgeskiet kon word nie.
Die enorme hoeveelheid chemiese energie in vuurpylbrandstof lei maklik tot 'n ongeluk.