Vuurpyl

Hierdie artikel handel om die voertuig. Vir die plant, sien Vuurpyl (plant).

'n Redstonevuurpyl, deel van die Mercury-program.

'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.

Geskiedenis

Historiese oorsig

Die Chinese is eeue lank bekend vir hul vuurwerkvertonings, maar reeds in 1231 het hulle vuurpyle as militêre wapens gebruik om die stad Kaifeng teen die Mongole te verdedig. In die daaropvolgende paar eeue het die Mongole, die Arabiere en die Europeërs 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 Indië, 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 lande besig met die vervaardiging van Congreve-vuurpyle. In die 19e eeu het William Hale die vuurpyl verder verbeter deur geboë 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 interplanetêre ruimte, 1934, en Die weg na ruimtevaart, 1929). Ingevolge die Verdrag van Versailles na die Eerste Wêreldoorlog was Duitsland verbied om enige grootkaliberkanonne te vervaardig.

Om hierdie bepaling te omseil, het die Duitse Leër hom op die ontwikkeling van vuurpyle toegelê. 'n Span van honderde ingenieurs, wetenskaplikes en tegnici, onder leiding van Walter Dornberger (geb. 1895), Wernher von Braun (1912-1977) en Oberth, het by Peenemünde gewerk en mettertyd die V-2-vuurpyle ontwerp wat gedurende die Tweede Wêreldoorlog soveel verwoesting in Londen en ander stede gesaai het.

Ná die oorlog het Von Braun en talle ander Duitse wetenskaplikes na die VSA (of die USSR) geëmigreer en hul navorsing oor vuurpyle voortgesit. Verskillende tipes vuurpyle is ontwerp: kortafstandvuurpyle wat van voertuie, skepe en vliegtuie gelanseer word, langafstandvuurpyle en ruimtevuurpyle.

China

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.

Pole

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.

Tegniek

Siemenowicz se meerstukvuurpyl, uit sy Artis Magnae Artilleriae pars prima

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 hoë 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 leë 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

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 geostasionêre 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. Militêre satelliete van die VSA se lugmag en vloot word deur Scout-, Thor-Agena-, TAD- (Thrust-Augmented Delta), Atlas-Agena- en Titan IIIC-vuurpyle gelanseer.

Moderne vuurpyle

In 1903, in Rusland, het 'n hoërskoolwiskundeonderwyser 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.

Robert Goddard en sy eerste vloeibare brandstofaangedrewe vuurpyl

Aanvanklik was die moderne vuurpyle nie ekonomies nie, weens die groot mate van hitte-energie wat nie in kinetiese energie omgeskakel kon word nie. Dié 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, Italië, Oostenryk, Rusland en Tsjeggo-Slowakye. Duitse wetenskaplikes het veral sukses behaal met vloeibare aandrywingsmiddels.

In die vroeë 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 Wêreldoorlog 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.

Ná die oorlog is vuurpyle gebruik om onder meer die eerste satelliet, die eerste man in die ruimte, die eerste maanlanding, en die eerste interplanetêre verkenningstuig te lanseer. Hierdie gebeure was van groot belang vir politici, en het die finansies regverdig wat vandag steeds verdere navorsing borg.

Vanuit 'n militêre 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.

Ongelukke

Die enorme hoeveelheid chemiese energie in vuurpylbrandstof lei maklik tot 'n ongeluk.

Bronne

• Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409702, volume 29, bl. 39 - 41
• Deels vertaal van die artikel Rocket op die Engelse Wikipedia.

Eksterne skakels

• Wikimedia Commons het meer media in die kategorie Vuurpyl.
• Hoe vuurpylenjins werk
• Volledige vuurpyl- en missiellys^{[dooie skakel]}