Rakétamotor

A rakétamotor egyfajta sugárhajtómű , vagyis olyan gép, amely folyadékot (gázt vagy folyadékot) vetít hátrafelé, amely reakcióval egy , a motorral integrált járműbe tolóerőt ad át, egyenlő és ellentétes erővel, előre. A rakétamotor sajátossága az, hogy olyan anyagokat dob ​​ki, amelyek teljes egészében a jármű karosszériájában vannak tárolva. Ezt a motortípust különösen a rakéták használják , mivel önellátásként képes légkörtől mentes közegben működni, de rakétákkal is, mert nagyon nagy sebesség elérését teszi lehetővé.

Általában egy rakétamotor olyan gázok kiürítésével működik, amelyeket egy égéstérben exoterm kémiai reakció képez, és amelyeket egy Laval fúvóka gyorsít fel . A rakétamotor kapacitásait főként a tolóereje , vagyis az általa kifejtett erő, valamint a hatékonysága mérő fajlagos impulzusa jellemzi. Sokféle rakétamotor létezik: a fő a rakétamotor szilárd hajtómű és a folyékony hajtóanyag rakétamotor .

Történelem

Ha a kémiai energia mozgási energiává alakításával történő meghajtás elve már az ókor óta ismert, és a IX .  Századi puskaporral hajtott tűzijáték darabok , akkor a motor hajtógáz folyadék csak a XIX .  Század vége óta ismert . Csak a második világháborút követő években léptek a helyükbe por és folyékony hajtóművek, rakéták és űrrakéták meghajtására. Azóta folytatódik a finomítás és a XXI .  Század eleje, használatuk továbbra is elengedhetetlen az űrhajtáshoz. Hiányosságaik kiküszöbölése érdekében alternatív megoldásokat keresnek, például az űrszondák meghajtására vagy a légköri gyorsulásra más, többé-kevésbé hasonló motorokkal: szupersztátor- reaktor , ionos motor vagy VASIMR .

Működés elve

A rakétamotor a legegyszerűbb működési elvű motor: két hajtóanyag ég egy égéstérben , egy Laval fúvóka felgyorsítja őket, és egy fúvóka nagy sebességgel kidobja őket .

A rakétamotorokra számos jellemző vonatkozik:

• a másodpercben kifejezett fajlagos impulzus , amely azt az időtartamot méri, amely alatt egy kilogramm hajtóanyag egy kilogramm erő , azaz 9,80665 N nyomást eredményez . Minél magasabb, annál jobb a rendszer tömeghatékonysága a kifejtett erő tekintetében; azonban a járműre továbbított mozgás mennyisége a lényeg, tehát az optimális energia nem érhető el a specifikus impulzus maximalizálásával.

• a tömegáram, amely megfelel az időegységben elfogyasztott hajtóanyagok tömegének;
• a gázkibocsátás sebessége, amelytől a jármű által elért sebesség közvetetten függ.

Ve=T0RM⋅2γγ-1⋅[1-(Pe/P0)(γ-1)/γ]{\ displaystyle V_ {e} = {\ sqrt {\; {\ frac {T_ {0} \; R} {M}} \ cdot {\ frac {2 \; \ gamma} {\ gamma -1}} \ cdot {\ bigg [} 1- (P_ {e} / P_ {0}) ^ {(\ gamma -1) / \ gamma} {\ bigg]}}}}

vagy:
Ve{\ displaystyle V_ {e}}	= áramlási kilépési sebesség, m / s
T0{\ displaystyle T_ {0}}	= az összes folyadék hőmérséklete, K
R{\ displaystyle R}	=  univerzális ideális gázállandó = 8,3145 J / (mol K)
M{\ displaystyle M}	= a hajtóanyagok moláris tömege, kg / mol
γ{\ displaystyle \ gamma}	=  = hőkapacitás arány vs.o/vs.v{\ displaystyle c_ {p} / c_ {v}}
vs.o{\ displaystyle c_ {p}}	=  A gáz tömeges hőteljesítménye állandó nyomáson
vs.v{\ displaystyle c_ {vb}}	= Fajlagos hőteljesítmény állandó térfogaton
Pe{\ displaystyle P_ {e}}	= statikus kimeneti nyomás passzban
P0{\ displaystyle P_ {0}}	= teljes gáznyomás passzban

• A newtonokban mért tolóerőt a következőképpen kell kiszámítani:

Fnem=m˙Ve+NÁL NÉLe(Pe-Pnál nélmb){\ displaystyle F_ {n} = {\ dot {m}} \; V_ {e} + A_ {e} (P_ {e} -P_ {amb})}

vagy:

m˙={\ displaystyle {\ dot {m}} = \,}tömegáram kilogramm / másodpercben (kg / s) Ve={\ displaystyle V_ {e} = \,}kimeneti sebesség méterben másodpercenként NÁL NÉLe={\ displaystyle A_ {e} = \,}kimeneti áramlási terület négyzetméterben (m²) Pe={\ displaystyle P_ {e} = \,}statikus kimeneti nyomás passzban (Pa) Pnál nélmb={\ displaystyle P_ {amb} = \,}környezeti nyomás passzal

• A tömeg / tolóerő arány, amely a motor súlyát képviseli a tolóerő felett. Minél könnyebb a motor és nagyobb a tolóereje, annál előnyösebb az aránya.

Szilárd hajtómű

Ez a legegyszerűbb modell, nagyon kevés eszközt és gondozást igényel, a szilárd hajtóanyagok több évig tárolhatók, könnyen szállíthatók és olcsók. Mindezen okok miatt megtalálható a legtöbb taktikai és ballisztikus rakétában, valamint a nyomásfokozókban. A hajtóanyag kifejezés egy oxidáló / redukáló keverék jelölésére szolgál, függetlenül az ilyen típusú motortól.

Az égés ideális esetben párhuzamos rétegekben történik. A hajtótömb kezdeti geometriája ezután rögzíti a blokk felületének evolúciós törvényét, tehát az áramlás és a tolóerő törvényét. A leggyakoribb geometriák a következők:

• frontális égés esetén: a tömb "mint egy cigaretta" ég, vagyis a térfogatához képest kis égési felülettel, de állandóan;
• csatornával: csatorna készül a blokk tengelyében, és az égés sugárirányban fejlődik. A csatorna lehet tengelyszimmetrikus, vagy meghatározott mintázatú, csillagú, U-os vagy kerek.

A leggyakoribb hajtóanyagok:

• fekete por , nagyon gyakran használják amatőr építkezésnél.
• Monergol alapuló nitrocellulóz , javult hozzáadásával alumínium .
• Ammónium-nitrát , gyakran alumíniumporral keverve .
• Ammónium-perklorát
• Cink - kén

Más kombinációk a legtöbb esetben a fent említett egy vagy több elemmel készülhetnek.

Például a valódi bonyolultságra (a fent megadott háttérinformációkon túl), az amerikai űrsikló nyomástartó készülékeinek nagy jelentőségű esetében a hajtóanyag keveréke az egyes hajtóművekben (tömegszázalékban) áll:

• 69,6% ammónium-perklorát - oxidálószer / oxidálószer
• 16% alumínium - az üzemanyag
• 12,04% polimer, amely megköti a két komponenst
• 1,96% epoxi tisztítószer
• 0,4% vasoxid - katalizátor

Folyékony üzemű motor

Ezek a motorok (pl. Energia emlékeztető ) külön tartályokban tárolt hajtóanyagokat használnak, amelyeket egy égéstérbe fecskendeznek be, majd a fúvókán keresztül kilökik , és ezzel a tolóerőt generálják. Sokkal hatékonyabbak, mint a szilárd hajtóanyag modellek, mindazonáltal bonyolult a tervezésük, gyártásuk és használatuk. 2011-től gyakorlatilag minden rakéta- és személygépjármű űrhajó ilyen típusú. A folyékony hajtómotorok másik előnye az egyszerű égésszabályozás, sőt, beállíthatja a tolóerőt, és egymás után többször ki- és bekapcsolhatja őket. Ez az utóbbi funkció nagyon hasznosvá teszi őket a motoroknál .

A hajtóanyagok fő párjai a következők:

• salétromsav - kerozin
• folyékony hidrogén - folyékony oxigén (LOX)
• LOX-kerozin
• hidrogén-peroxid
• oxigén - hidrazin
• nitrogén-peroxid - kerozin
• nitrogén-peroxid - hidrazin
• nitrogén-peroxid - 1,1-dimetil-hidrazin

A motort háromféleképpen lehet hűteni: vagy hajtóanyag (általában az üzemanyag) keringésével a motor körül (első modellek), vagy az oxidálószer belső permetezésével a falra (csökkentett méretű motorok), vagy e két lehetőség felhasználásával (fő motorok). Gyakran ezek a motorok kriogén , folyékony hajtóanyagokat használnak , nagyon alacsony hőmérsékleten tárolva.

Égéstér

Az égéstér az a rész, ahol a hajtóanyagot befecskendezik és elégetik. Itt hajtják végre a belső hűtést is. Méretei a hajtóanyag párjától és az injektorok típusától függenek.

Laval fúvóka

A Laval fúvóka az a része, amely az égéstér és a fúvóka között helyezkedik el. Arra szolgál, hogy a gáz hangsebességre gyorsuljon .

Szórófej

A fúvóka az a rész, ahol a gázok felgyorsulnak és kilépnek a motorból. Jellegzetes alakja annak köszönhető, hogy a kimenő áram nyomását a környezeti nyomáshoz kell igazítani, égési és tolóerő-stabilitás miatt. A tengerszint feletti magasság növekedésével azonban a kimenet átmérőjének meg kell szélesednie, amit egy hagyományos beállításnál nehéz megtenni. Ennek a problémának az ellensúlyozására egy új típusú fúvókát fejlesztettek ki: a magassággal kompenzált fúvókát vagy „  aerospike  ” -t. Ennek a fúvókatípusnak az a sajátossága, hogy nagy helyet hagy a gázoknak, lehetővé téve számukra, hogy „ragaszkodjanak” a nyomás változásához.

• Magasságkompenzált „aerospike” típusú fúvóka. A gázok a falhoz tapadnak és problémamentesen kitágulhatnak.

• A gázok hőmérsékletének, sebességének és nyomásának alakulása.

• Fentről lefelé: a környezeti nyomás túl alacsony, ideális, kissé túl magas, túl magas.

Hipergolikus hajtóművek

A hipergolikus hajtóanyagok sajátossága, hogy érintkezésükkor spontán gyulladnak meg , ami lehetővé teszi a motor egy részének egyszerűsítését, mert a gyújtószerkezet ekkor feleslegessé válik.

Példa: Az emelkedés motorja a Hold-modul a az Apollo-program , a manővert motorok az űrsikló .

Lítiumüzemű motorok (hibrid meghajtás)

Ezek a motorok szilárd hajtóanyagot és egy másik folyadékot használnak, általában szilárd tüzelőanyagot és folyékony oxidálószert. Ez a kategória magában foglalja a SpaceShipOne űrhajó motorját .

Egyhajtású motorok

A monopropellens hajtóművek működésükre nem használnak egy hajtóanyagot, az utóbbi sajátossága, hogy katalizátor vagy hőforrás jelenlétében öngyullad. Néhány, elsősorban hidrogén-peroxiddal működő motor az űrkorszak kezdetén jelent meg, ezeket továbbra is hobbiépítésben használják.

Triergol motorok

A triergol motorok három hajtóanyagot használnak a tolóerő és a tartályok térfogata közötti kompromisszum optimalizálása érdekében, ez a konfiguráció nem működik. Idézhetünk például egy orosz RD-701-et, amely a LOX- LH2-kerozin keverékkel működik , amelynek a MAKS űrsíkot kellett felszerelnie .

Leendő

Nukleáris rakétamotorok

Az űr nukleáris meghajtása maghasadással jár a rakétamotorok esetében, ezek jelentős és hosszan tartó tolóerőt eredményezhetnek. Ilyen típusú motort nem használtak (a balesetek és a szennyezés nagy kockázata megakadályozta ezen technológiák fejlődését).

A Journal of Spacecraft and Rockets (2018) szerint angol és ukrán kutatók azt javasolták, hogy hagyják fel a folyékony üzemanyagot tartalmazó szilárd kamra ötletét maga a szilárd kamra, amely üzemanyagból készül. Ez a kamra "megenné önmagát", és a rakéta még egy kicsit könnyebbé válna, ahogy emelkedik a légkörben. Az első tesztek azt sugallják, hogy ez a megközelítés nem akadályozná meg a jó gázszabályozást ( fojthatóság ).

Hivatkozások

1. Kollen Post (2018) „Karcsúbb és kíméletesebb: rakéták, amelyek megeszik önmagukat” , Science News , 2018. június 1.

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

• Rakéta
• Motor
• Repülőgép hajtómű
• Folyékony üzemanyagú rakétamotor
• Rakétarepülő
• Vízi rakéta
• Szórófej
• Folyékony hajtóanyag

Bibliográfia

• Daniel Marty ( pref.  Daniel Mugnier), Űrrendszerek: tervezés és technológia , Párizs, Masson,1994, 336  p. ( ISBN  978-2-225-84460-7 , OCLC  31138733 )
• Philippe Couillard , hordozórakéták és műholdak , Toulouse, Éditions Cépaduès ,2004, 246  p. ( ISBN  978-2-85428-662-5 , OCLC  420071709 )
• en) George Paul Sutton, folyékony hajtóanyagú rakétamotorok története , Reston, Amerikai Repüléstechnikai és Űrhajózási Intézet,2006, 911  p. ( ISBN  978-1-56347-649-5 , OCLC  63680957 )
• (in) George P Sutton és Oscar Biblarz, rakétahajtóművekhez Elements 8 th kiadás , Hoboken, NJ, Wiley ,2010, 768  p. ( ISBN  978-0-470-08024-5 , online olvasás )

Külső linkek

• fr ) A rakétamotor jellemzőinek és működésének összefoglalása
• fr ) A rakétamotorok főbb műszaki problémái
• en) További információ az „aerospike” -ról és a klasszikus fúvókákról