Umelecké vykreslenie integrovaného demonštrátora Powerhead. Obrazový kredit: NASA. Klikni na zväčšenie.
Keď uvažujete o budúcej raketovej technológii, pravdepodobne uvažujete o iónovom pohone, antihmotových motoroch a ďalších exotických konceptoch.
Nie tak rýchlo! Posledná kapitola v tradičných kvapalinách poháňaných raketách musí byť ešte napísaná. V súčasnosti prebieha výskum novej generácie raketových návrhov na kvapalné palivo, ktoré by mohli zdvojnásobiť výkonnosť oproti súčasným dizajnom a zároveň zlepšiť spoľahlivosť.
Rakety na kvapalné palivo sú už dlho: Prvý štart na kvapalinu bol vykonaný v roku 1926 Robert H. Goddard. Táto jednoduchá raketa vyniesla zhruba 20 libier ťahu, dosť na to, aby ju uniesla asi 40 stôp do vzduchu. Odvtedy sa dizajny stali sofistikovanými a výkonnými. Napríklad tri palubné motory raketoplánu poháňané kvapalinou môžu na ceste na obežnú dráhu Zeme vynaložiť viac ako 1,5 milióna libier.
Dalo by sa predpokladať, že do dnešného dňa sa muselo uskutočniť každé mysliteľné zdokonalenie v raketových prevedeniach na kvapalné palivo. Mýlil by si sa. Ukazuje sa, že existuje priestor na zlepšenie.
Pod vedením amerického letectva, skupiny pozostávajúcej z NASA, ministerstva obrany a niekoľkých priemyselných partnerov, pracuje na lepších konštrukciách motorov. Ich program sa nazýva Integrované technológie výnosu rakiet s vysokým výnosom a zaoberajú sa mnohými možnými zlepšeniami. Jedným z najsľubnejších doteraz je nový systém toku paliva:
Základná myšlienka rakety na kvapalné palivo je pomerne jednoduchá. Palivo a oxidačné činidlo, obidve v kvapalnej forme, sa privádzajú do spaľovacej komory a zapaľujú sa. Kyvadlová doprava napríklad používa ako palivo palivo kvapalný vodík a ako oxidačné činidlo kvapalný kyslík. Horúce plyny, ktoré vznikajú pri spaľovaní, rýchlo unikajú cez kužeľovú dýzu, čím vytvárajú ťah.
Podrobnosti sú samozrejme oveľa komplikovanejšie. V prvom rade musí byť kvapalné palivo aj oxidačné činidlo privádzané do komory veľmi rýchlo a pod veľkým tlakom. Hlavné motory raketoplánu by vyčerpali bazén plný paliva za pouhých 25 sekúnd!
Tento tryskajúci prúd paliva je poháňaný turbodúchadlom. Na poháňanie turbodúchadla je „predspálené“ malé množstvo paliva, čím sa generujú horúce plyny, ktoré poháňajú turbovrtuľové čerpadlo, ktoré následne prečerpáva zvyšok paliva do hlavnej spaľovacej komory. Podobný proces sa používa na čerpanie oxidačného činidla.
Dnešné rakety na kvapalné palivo posielajú cez predspaľovače iba malé množstvo paliva a oxidačného činidla. Objem prúdi priamo do hlavnej spaľovacej komory a úplne vynecháva predspaľovače.
Jednou z mnohých inovácií, ktoré testujú letectvo a NASA, je poslať všetko palivo a oxidačné činidlo cez ich príslušné predspaľovače. Tam sa spotrebúva iba malé množstvo - len toľko, aby sa dali spustiť turbíny; zvyšok prúdi do spaľovacej komory.
Táto konštrukcia „fázového cyklu s plným prietokom“ má dôležitú výhodu: s väčším objemom hmoty prechádzajúcim turbínou poháňajúcou turbovrtuľovú pumpu je turbínová pumpa poháňaná ťažšie, čím dosahuje vyššie tlaky. Vyššie tlaky znamenajú vyšší výkon rakety.
Podľa Garyho Gengeho v Marshall Space Flight Center NASA sa takýto dizajn nikdy v USA v raketovej rakete nikdy nepoužil. Genge je zástupcom projektového manažéra pre integrovaný demonštrátor Powerhead (IPD) - testovací motor pre tieto koncepty.
„Tieto návrhy, ktoré skúmame, by mohli zvýšiť výkon mnohými spôsobmi,“ hovorí Genge. „Dúfame v lepšiu palivovú úspornosť, vyšší pomer ťahu a hmotnosti, vyššiu spoľahlivosť - to všetko za nižšie náklady.“
„V tejto fáze projektu sa však snažíme, aby tento alternatívny model toku fungoval správne,“ poznamenáva.
Už dosiahli jeden kľúčový cieľ: chladnejší motor. „Turbočerpadlá využívajúce tradičné vzory prúdenia môžu zahriať až na 1800 ° C,“ hovorí Genge. Je to veľa tepelného namáhania motora. Turbočerpadlo „s plným prietokom“ je chladnejšie, pretože s tým, že ním prechádza viac hmoty, je možné použiť nižšie teploty a stále dosiahnuť dobrý výkon. "Znížili sme teplotu o niekoľko sto stupňov," hovorí.
IPD je myslená iba ako testovacie miesto pre nové nápady, poznamenáva Genge. Samotný demonštrant nikdy nebude lietať do vesmíru. Ak je však projekt úspešný, niektoré zlepšenia IPD by mohli nájsť cestu do štartovacích vozidiel budúcnosti.
Takmer sto rokov a tisíce vypustení rakiet po Goddardovi možno ešte nenastanú tie najlepšie rakety na kvapalné palivo.
Pôvodný zdroj: NASA Science Article
