Silniki rakietowe
Ocena użytkowników: 0 / 5
- Szczegóły
- Kategoria: Baza wiedzy
Czym jest „silnik rakietowy”? Podstawy fizyczne
Silniki rakietowe działają wykorzystując zasady dynamiki Netwona. Trzecia zasada mówi, że „jeśli ciało A działa na ciało B pewną siłą, to ciało B działa na ciało A siłą o takiej samej wartości, takim samym kierunku, lecz o przeciwnym zwrocie”. Można to także zapisać jako „każdej akcji towarzyszy reakcja równa co do wartości i kierunku, lecz przeciwnie zwrócona”. Tak więc jeżeli chcemy, aby rakieta była pchana do przodu z pewną siłą, musimy wyrzucić coś do tyłu z taką samą siłą. Drugie prawo dynamiki Newtona mówi, że siła jest równa iloczynowi masy i przyspieszenia (F = ma). Należy zatem jak najbardziej rozpędzić spaliny wyrzucane z rakiety.
Jest jednak wiele sposobów aby to osiągnąć. Niektóre rakiety mogą osiągać bardzo wysokie prędkości spalin, ale tylko dla niewielkiej ich ilości. Są w związku z tym bardzo wydajne z punktu widzenia masy potrzebnej do osiągnięcia zadanej zmiany prędkości, jednakże generowana przez nie siła jest na ogół niewielka, więc potrzeba dużo czasu, aby przyspieszyły, mimo że potrzeba do tego bardzo niewielkiej ilości paliwa. Sprawia to, że silniki sterujące o wysokiej wydajności są doskonałe np. do satelitów które potrzebują zmieniać orbity, ale słabo nadają się do startów z powierzchni Ziemi.
SpaceX jest głównie firmą zajmującą się startami rakiet, nie producentem satelitów (22 lutego 2018 SpaceX wystrzeliło dwa własne satelity testowe, ale to tylko mała część ich działań). W związku z tym, SpaceX potrzebuje silników rakietowych mogących dostarczyć dużą siłę w krótkim czasie. Ten artykuł skupia się na takich właśnie rodzajach rakiet i silników, w szczególności tych używanych przez SpaceX.
Rodzaje rakiet
Istnieje wiele rodzajów rakiet, ale możemy je pogrupować w trzy podstawowe kategorie:
Rakiety z silnikami chemicznymi są tym co większość ludzi ma na myśli kiedy mówi o silniku rakietowym. To one są obecnie używane do umieszczania obiektów na orbicie, chociaż inne typy nadal mogą być przydatne do manewrów orbitalnych. Rakiety te działają poprzez spalanie paliwa. Niezwykle gorące spaliny zajmują znacznie większą objętość niż zimne paliwo, więc podczas rozprężania są one wyrzucane z wysoką prędkością przez dyszę.
Rakiety z napędem elektrycznym wytwarzają mniejszy ciąg, ale robią to bardzo wydajnie, wykorzystując niewielką ilość paliwa. Na przykład silniki jonowe wykorzystują silny elektromagnes lub siłę Coulomba do rozpędzania zjonizowanych cząstek. Silniki plazmowe wytwarzają nieco większą siłę, ale nadal mniejszą niż silniki chemiczne.
Rakiety z napędem jądrowym również dzielą się na kilka rodzajów. Najprostsze są silniki nuklearne, które podgrzewają gaz przy pomocy niewielkiego reaktora jądrowego, a następnie wyrzucają ekstremalnie podgrzany gaz do tyłu. Silniki nuklearne testowane na powierzchni sprawują się ok. 2 razy lepiej od chemicznych, ale mogą powodować problemy, jeżeli zawiodą w atmosferze. Silniki nuklearno-elektryczne wykorzystują reaktor jądrowy do produkcji energii elektrycznej zasilającej napęd elektryczny. Nuklearny silnik impulsowy to możliwy w teorii typ silnika, który wyrzuca do tyłu bomby jądrowe i jest przyspieszany przez fale uderzeniowe kolejnych wybuchów. Z oczywistych względów nie można go wykorzystać na Ziemi, ale mógłby sprawić, że podróż do gwiazd odległych o lata świetlne stałaby się możliwa.
Rodzaje paliw chemicznych
Osobny artykuł: Paliwa rakietowe
Cykle spalania (albo czemu niektóre silniki są bardziej wydajne od innych, mimo tego samego paliwa)
Główne różnice między projektami silników rakietowych dotyczą dwóch parametrów: wykorzystywanego paliwa i cyklu pracy silnika. Cykl pracy odnosi się do sposobu, w jaki paliwo jest dostarczane do komory spalania aby nadążyć za dużym zapotrzebowaniem na paliwo silników na paliwo ciekłe. Cykl pracy jest najczęściej wybierany w zależności od pożądanej specyfikacji silnika. Głównymi czynnikami przy wyborze są impuls właściwy (wydajność), ciąg, stosunek ciągu do ciężaru oraz poziom skomplikowania i koszty.
Cykl zimny
Najprostszym cyklem pracy jest cykl zimny, wykorzystywany wyłącznie w silnikach sterujących na zimny gaz (ale także w zastosowaniach domowych, takich jak gaśnice czy rakiety wodne z butelek). Cykl ten wykorzystuje pasywne (niereaktywne) paliwo, które przed startem jest sprężane. Zazwyczaj paliwo zawiera hel lub azot. Kiedy silnik jest włączony, otwiera się zawór który wypuszcza część sprężonego paliwa przez dyszę która kieruje energię w odpowiednim kierunku. Silniki na zimny gaz są najprostszym rodzajem silników i działaniem przypominają rakiety wodne z butelek. Są one tanie i niezwykle niezawodne, ponieważ składają się wyłącznie ze zbiornika, zaworu i dyszy. Jednakże ciąg takich silników jest ograniczony przez ciśnienie które może wytrzymać zbiornik. Dodatkowo, silniki te mają niski impuls właściwy, ponieważ nie wykorzystują żadnej reakcji chemicznej wytwarzającej moc poprzez spalanie. Posiadają one wysoki stosunek ciągu do ciężaru, ale ta metryka jest zwykle mało istotna we współczesnych zastosowaniach silników na zimny gaz. Parametry tych silników sprawiają, że najlepiej nadają się one do silników verniera (silników pomocniczych stabilizujących pojazd) lub prostej kontroli orientacji pojazdu. SpaceX wykorzystuje takie silniki np. do obrócenia Falcona 9 przed boostbackiem (odpaleniem silników w trakcie manewru lądowania, które ma sprawić, że pierwszy stopień zmniejszy prędkość poziomą).
Cykl oparty na ciśnieniu z jednoskładnikowym materiałem pędnym
Jest to cykl podobny do zimnego, w którym jako paliwo wykorzystuje się pojedynczy materiał pędny, np. zimną ciecz, ale materiał ten jest palny i jest zapalany (przez zapalnik i odpowiedni katalizator, który zapewnia, że reakcja postępuje, ale nie jest zużywany tak jak paliwo) w komorze spalania silnika. Paliwo jest przyspieszane poprzez ciśnienie, ale utrzymywanie stałego ciśnienia jest niezbędne aby reakcja spalania była stabilna. Aby ilość materiału pędnego dostarczanego do komory była stała, wykorzystuje się gaz obojętny, taki jak hel lub azot, do utrzymywania ciśnienia. Kiedy w zbiorniku spada ciśnienie, gaz obojętny jest stopniowo uwalniany do zbiornika celem utrzymania ciśnienia, dzięki czemu właściwe paliwo jest wstrzykiwane do komory spalania w stałym tempie. Takie silniki mają wiele wspólnych zalet z silnikami na zimny gaz. Mają one nieco większą masę i koszt ze względu na gaz do utrzymywania ciśnienia i zapalnik oraz katalizator, ale wytwarzają znacząco wyższy impuls właściwy i ciąg. Jednakże większość cykli z dwuskładnikowym materiałem pędnym (gdzie dwie substancje mieszają się w komorze spalania) jest bardziej wydajnych i wytwarza większy ciąg. Przykładem silników z cyklem opartym na ciśnieniu z jednoskładnikowym materiałem pędnym są silniki manewrowe RCS z gry Kerbal Space Program. Są one również używane w wielu satelitach.
Cykl oparty na ciśnieniu z dwuskładnikowym materiałem pędnym
Cykl ten jest podobny do poprzedniego, jednakże wykorzystuje on dwa zbiorniki z różnymi substancjami, które są niezależnie od siebie doprowadzane do komory spalania i podpalane. Cykl ten może wykorzystywać jeden wspólny zbiornik na gaz utrzymujący ciśnienie, lub niezależne zbiorniki dla każdej substancji. Silniki oparte na tym cyklu zazwyczaj wytwarzają wyższy ciąg i impuls właściwy niż ich odpowiedniki z jednym materiałem pędnym, ale przez to są dużo bardziej skomplikowanie i droższe, ze względu na dodatkowe komponenty. Tak jak wszystkie silniki wykorzystujące cykl oparty na ciśnieniu, maksymalny ciąg jest ograniczony, ponieważ zbiornik może wytrzymać tylko określone ciśnienie, co przekłada się na ograniczenie w maksymalnej prędkości dostarczania paliwa do silnika. SpaceX wykorzystuje silniki tego typu, Draco, które służą za system sterowania reakcyjnego (RCS) w statku Dragon (paliwo to monometylohydrazyna i tetratlenek diazotu). SpaceX testuje również silniki SuperDraco, o większej mocy niż Draco, które mogą być użyte jako system ratunkowy w trakcie startu lub do lądowania (wykorzystują to samo paliwo). W Falconie 1 również wykorzystano taki cykl w silniku Kestrel w górnym stopniu rakiety, jako paliwo stosowano RP-1 (rodzaj nafty) i ciekły tlen. Inne użycia silników z cyklem tego typu to m.in. silnik AJ10, stosowany w górnym stopniu rakiety Delta II i innych, ma on także znaleźć zastosowanie w kapsule Orion od NASA.
Otwarty cykl rozprężny
W tym i we wszystkich kolejnych cyklach pracy silnika zamiast utrzymywać ciśnienie w zbiorniku wykorzystuje się fizyczną pompę, która wtłacza duże ilości paliwa do silnika. Silniki zasilające pierwsze stopnie rakiet, a także drugie stopnie rakiet o średnim i dużym udźwigu, muszą wykorzystywać silniki z pompami, ponieważ samo ciśnienie nie jest w stanie zapewnić odpowiednio dużego przepływu materiału pędnego w przypadku dużych silników. W otwartym cyklu rozprężnym paliwo i utleniacz są kierowane przez dwie pompy które wtłaczają je niezależnie od siebie przez rury. Niektóre silniki wykorzystują jedną pompę, jeżeli gęstość materiałów jest podobna, jak w przypadku RP-1 i ciekłego tlenu. Przewód z utleniaczem wprowadza go bezpośrednio do komory spalania. Większość paliwa opuszczającego pompę również trafia do komory spalania, jednakże jego niewielka część jest prowadzona przez wymiennik ciepła dookoła gorącej komory spalania i transportowana przez przewody wzdłuż obręczy dyszy silnika. Gorąca dysza podgrzewa paliwo aż do momentu wrzenia. Paliwo jest następnie przesyłane w formie gazu przez turbinę, która obraca się wykorzystując część energii cieplnej paliwa. Turbina jest mechanicznie połączona z pompami paliwa i utleniacza i obraca mechanizmem pompującym. Nieco schłodzone paliwo wychodzące z turbiny po zasileniu jej, jest następnie usuwane z silnika. Silniki oparte na otwartym cyklu rozprężnym są stosunkowo proste i mogą generować dużą moc z przyzwoitą wydajnością, ale wymagają użycia kriogenicznych materiałów pędnych, ponieważ część paliwa musi być doprowadzona do wrzenia. Jednakże zarówno otwarty jak i zamknięty cykl rozprężny mają ograniczenia, ponieważ ilość paliwa do podgrzania wzrasta sześciennie, natomiast powierzchnia którą można podgrzewać paliwo wzrasta kwadratowo. Ogranicza to maksymalny ciąg i sprawia, że cykl ten jest praktyczny tylko w przypadku silników górnego stopnia. Silniki wykorzystujące ten cykl są używane w pierwszych i drugich stopniach japońskich rakiet H-IIA i H-IIB.
Zamknięty cykl rozprężny
Jest to zmodyfikowana wersja otwartego cyklu rozprężnego. W przeciwieństwie do wielu silników zasilanych pompami, jest to cykl zamknięty, co oznacza, że wszystkie materiały pędne trafiają do komory spalania. Silnik funkcjonuje podobnie jak w otwartym cyklu rozprężnym, ale całe paliwo wędruje przez wymiennik ciepła na dyszy. W związku z tym całe paliwo zamieniane jest w gaz i przechodzi przez turbinę, a następnie przewody paliwowe prowadzą gaz do komory spalania. Sprawia to, że turbina cały czas jest zasilana, a jednocześnie zapewnia, że całe paliwo jest spalane, żadna część się nie marnuje. Zaletą takiego podejścia w porównaniu do cyklu otwartego jest wyższa wydajność. Jednakże wprowadzanie paliwa w stanie gazowym do komory spalania jest trudne ze względu na przeciwciśnienie. Kolejnym problemem przy przesyłaniu paliwa do komory spalania jest występowanie naturalnego procesu wzrostu ciśnienia w przewodzie paliwowym doprowadzającym paliwo do komory, co znacząco spowalnia prędkość turbiny. Zwiększony stopień skomplikowania sprawia, że silniki z zamkniętym cyklem rozprężnym są najbardziej użyteczne w zastosowaniach, gdzie wymagana jest wysoka wydajność nawet pomimo wyższego kosztu, tak jak w przypadku wysokoenergetycznych górnych stopni rakiet. Na przykład rakiety Atlas IV i Delta IV wykorzystują silnik RL-10 na ciekły wodór i ciekły tlen, pracujący w zamkniętym cyklu rozprężnym, dzięki czemu rakiety te zapewniają wysoką wydajność nawet poza niską orbitą okołoziemską.
Cykl z generatorem gazu
Kolejnym popularnym cyklem jest cykl z generatorem gazu. Wykorzystuje on jedną lub dwie pompy napędzane turbiną do pompowania paliwa i utleniacza ze zbiorników przez przewody paliwowe. Zarówno utleniacz jak i paliwo przechodzą przez zawory które rozdzielają substancje na dwa przewody - jeden prowadzący do komory spalania, drugi do przedspalacza (ang. preburner) napędzającego turbinę. Zawory rozdzielające sprawiają, że niewielka część paliwa trafia do osobnej komory spalania zwanej przedspalaczem lub generatorem gazu, która spala paliwo aby wytworzyć duże ilości gazu. Gaz ten jest następnie transportowany do turbiny napędzanej właśnie gazem z przedspalacza, co pozwala na szybkie pompowanie materiałów pędnych. Wykorzystany gaz z turbiny jest usuwany z silnika przez swego rodzaju rurę wydechową. Cykl ten jest stosunkowo prosty w porównaniu do zamkniętego cyklu rozprężnego. Może wytwarzać duży ciąg oraz wysoki stosunek ciągu do ciężaru, ze względu na swoją prostotę i turbinę o dużej mocy, ale wydajność jest obniżona ze względu na marnowanie części paliwa zasilającego turbinę. SpaceX wykorzystuje cykl z generatorem gazu we wszystkich odmianach silnika Merlin, używanego jako silnik pierwszego stopnia w rakiecie Falcon 1 oraz jako silnik pierwszego i drugiego stopnia w rakiecie Falcon 9. Cykl ten jest również używany w pierwszym stopniu rakiet Delta IV i Ariane 5, a w przeszłości wykorzystywał go pierwszy stopień rakiety Saturn V.
Cykl etapowego spalania
Jest to odmiana cyklu z generatorem gazu. Działa on bardzo podobnie, z tą różnicą, że paliwo po opuszczeniu pompy jest w całości prowadzone do przedspalacza, razem z niewielką ilością utleniacza. Generuje to duże ilości niespalonego paliwa i prowadzi do niepełnego spalania. Po opuszczeniu turbiny, paliwo trafia do komory spalania, gdzie miesza się z utleniaczem kierowanym bezpośrednio do komory i jest spalane. Jest to tzw. podejście z gazem bogatym w paliwo (ang. fuel-rich). W alternatywnym podejściu (z gazem bogatym w utleniacz, ang. oxidizer-rich), cały utleniacz jest kierowany do przedspalacza, wraz z niewielką tylko ilością paliwa. Jednakże tlen (często stosowany jako utleniacz) w warunkach wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia może być żrący, w związku z tym podejście z gazem bogatym w utleniacz jest mniej popularne (chociaż nieznacznie bardziej wydajne). Cykl etapowego spalania wiąże się ze znaczącymi komplikacjami, w dużej części podobnymi do tych związanych z zamkniętym cyklem rozprężnym. Szczególnie trudne jest przeciwdziałanie ciśnieniu wynikającemu z wpychania gazu o niskim ciśnieniu pochodzącego z przedspalacza do komory spalania gdzie ciśnienie jest wysokie. Problemy sprawia również transport gazu, który może być silnie żrący. Jednakże cykl etapowego spalania jest wydajniejszy niż cykl gazowy, ponieważ paliwo z przedspalacza i turbiny nie jest marnowane. Daje to przewagę w zastosowaniach wymagających wysokiej wydajności, jednakże silnik staje się dużo bardziej skomplikowany i droższy. Przykładem takiego silnika jest RS-25, znany także jako główny silnik promu kosmicznego, który był pierwszym silnikiem na ciekły wodór i ciekły tlen z cyklem etapowego spalania. Pierwszy stopień rakiety Atlas V wykorzystuje silnik na RP-1 i ciekły tlen z cyklem etapowego spalania, RD-180, produkowany w Rosji. Rosja rozwinęła dużo więcej silników z tym cyklem niż USA.
Cykl etapowego spalania z pełnym przepływem
Ostatni cykl nie jest zbyt powszechnie stosowany, ale jest jednym z najbardziej wydajnych i najmniej skomplikowanych zamkniętych cykli silnika, który jest praktyczny dla silników pierwszego stopnia. Jest to odmiana cyklu etapowego spalania, która wykorzystuje dwie osobne turbiny, z których jedna działa z gazem bogatym w paliwo, a druga z gazem bogatym w utleniacz. Paliwo i utleniacz przechodzą przez pompy napędzane jedną z turbin. Paliwo jest wysyłane do komory spalania. Przechodząc przez przewód paliwowy, natrafia ono na zawór kontrolny przekierowujący niewielką jego część do osobnego przewodu zasilającego przedspalacz z mieszanką bogatą w utleniacz. Jednocześnie utleniacz w swoim przewodzie również jest rozdzielany i niewielka ilość trafia do przespalacza z mieszanką bogatą w paliwo. Tuż po rozdzieleniu, paliwo i utleniacz napotykają dwa osobne przedspalacze, po jednym na przewód paliwowy. Niewielka ilość utleniacza miesza się z paliwem i jest spalana w przedspalaczu z mieszanką bogatą w paliwo (niewielka ilość paliwa analogicznie miesza się z utleniaczem). Skutkiem jest niewielka ilość gazu z obydwóch generatorów prowadzona do dwóch niezależnych turbopomp pompujących materiał pędny. Spaliny z turbopompy z gazem bogatym w utleniacz zawierają duże ilości niespalonego utleniacza; analogicznie, spaliny z turbopompy z gazem bogatym w paliwo zawierają duże ilości niespalonego paliwa. Spaliny wędrują przez dwa niezależne przewody do komory spalania, gdzie niespalone paliwo i utleniacz ulegają spalaniu. W przeciwieństwie do konwencjonalnego cyklu etapowego spalania, całe paliwo i utleniacz przechodzą przez turbopompę (w konwencjonalnym cyklu całe paliwo i tylko niewielka ilość utleniacza). Silniki z cyklem etapowego spalania z pełnym przepływem (FFSCC - ang. full flow staged combustion cycle) mają bardziej skomplikowany system prowadzenia paliwa, ale turbopompy łatwiej chłodzić, ponieważ przepływa przez nie bardzo dużo paliwa które odbiera część ciepła. Silniki te są znacząco bardziej wydajne niż konwencjonalne, ponieważ wszystkie materiały pędne kończą jako gaz w trakcie spalania i reakcje gazowe zachodzą bardzo szybko. Rosja próbowała stworzyć taki silnik (projekt RD-270), który był testowany, ale został anulowany. Aerojet Rocketdyne również rozwijało silnik FFSCC dla rządu USA, zwany Intergated Powerhead Demonstrator. Pomimo że testy szły dobrze, program nie dostał finansowania, aby kontynuować rozwój. Obecnie SpaceX pracuje nad silnikiem FFSCC na ciekły metan i ciekły tlen, zwanym Raptor. Ma on być zoptymalizowany w kierunku stosunku ciągu do ciężaru, ale będzie również dysponował wysokim impulsem właściwym, który zawdzięczać będzie wysokoenergetycznej naturze ciekłego metanu i ciekłego tlenu oraz zaletom silnika FFSCC.