Flytende drivstoff rakett

En rakett med flytende drivstoff er en kjemisk rakett som bruker flytende drivmidler . Avhengig av antall drivmidler som brukes, er det mulig å skille raketter med monopropellant, bipropellant eller tripropellant. Bipropellant raketter bruker vanligvis flytende drivstoff og oksidasjonsmiddel . Flytende drivmidler brukes også i hybridraketter , hvor de kombineres med faste eller gassformige drivmidler for å utnytte de respektive fordelene til de forskjellige systemene.

Historie

Ideen om en rakett med flytende drivmiddel, slik den er unnfanget i moderne sammenheng, vises for første gang i boken med tittelen " Utforskningen av det kosmiske rommet gjennom jetenheter ", ( på russisk : Исследование мировых пространств реактивнимиор, ) привными ? Konstantin Ėduardovič Ciolkovskij , utgitt i 1903 .

Det eneste kjente eksperimentet med flytende drivstoffmotorer på 1800-tallet ble utført av den peruanske forskeren Pedro Paulet [1] . Imidlertid publiserte han ikke umiddelbart resultatene sine, men skrev bare et brev til en avis i Lima i 1927 , og hevdet at han hadde eksperimentert med en flytende drivstoffmotor mens han var student i Paris tre tiår tidligere. Missilhistorikere, inkludert Max Valier og Willy Ley , har gitt forskjellige tolkninger til Paulets brev. Forskeren beskrev laboratorietester med flytende drivstoff-thrustere, men hevdet ikke å ha fløyet en rakett med en slik motor.

Den første flyvningen av en rakett av denne typen fant sted 16. mars 1926 i Auburn (Massachusetts) , da den amerikanske professoren Robert Goddard skjøt opp en rakett ved bruk av flytende oksygen og bensin [2] . Raketten, kalt "Nell", nådde en høyde på 41 fot (12 m) på 2,5 sekunder, og endte opp i en kålplantasje. Likevel var det en viktig demonstrasjon av muligheten for å bruke flytende drivmidler. Etter Goddard ble raketter med flytende drivgas skutt opp av Hermann Oberth i 1929 og Sergej Pavlovič Korolëv i 1933 ; disse rakettene brukte henholdsvis etanol og flytende oksygen, og gassoljegel og flytende oksygen . Under andre verdenskrig designet Wernher von Braun V2 - raketten som de første militær- og romrakettene ble utviklet fra på 1950-tallet .

Operasjonsprinsipp

Raketter med flytende drivstoff gir høyere spesifikke pulser enn solide eller hybridraketter , og i motsetning til sistnevnte tillater de sanntids skyvekraftmodulasjon, god kontroll over blandingsforholdet og kan slås av og startes på nytt flere ganger i løpet av samme oppdrag. De kan også testes før operativ bruk, slik at eventuelle funksjonsfeil kan utheves og korrigeres. En enkelt flytende rakett kan brukes til flere oppdrag, som i tilfellet med romfergen eller Falcon 9 .

I motsetning til gasser har typiske flytende drivmidler typisk en tetthet på 0,7 - 1,4 g / cm³ (unntatt flytende hydrogen , som har en mye lavere tetthet på 0,071 g / cm³), og krever et beskjedent trykk inne i tanken (vanligvis 10-50 psi, eller 0,69–3,45 bar) for å unngå fordamping og for å redusere muligheten for kavitasjon i turbopumper [3] . En høy tetthet er å foretrekke fordi den tillater å inneholde volumet til tankene der drivmidlene er lagret, mens det lave trykket på innsiden gjør det mulig å redusere tykkelsen på veggene til disse tankene. Bruk av lette tanker er essensielt i en romskip; for eksempel, i en typisk oppskyting i jordbane kan brøkdelen av drivmiddelmassen i forhold til massen ved start nå opp til 80 %, derfor kan tankene nå betydelige dimensjoner og bli en betydelig brøkdel av den strukturelle massen til hele raketten. For tiden brukes tanker med en masse lik 1 % av innholdet for de tetteste drivmidlene og ca. 15 % for flytende hydrogen (på grunn av både den lave tettheten av hydrogen og massen av isolatoren som tanken må dekkes med). [4]

Injeksjon i forbrenningskammeret krever et høyere drivmiddeltrykk enn i kammeret nær injektorene. Dette trykket genereres vanligvis med turbopumper , valgt for deres kraft og letthet, mens volumetriske pumper også har blitt brukt tidligere . Strømforsyningen til turbopumpene kan styres med forskjellige termodynamiske sykluser .

Som et alternativ til bruk av pumper er det mulig å sette drivmiddeltankene under trykk ved svært høye trykk, og styre utstrømningen av disse i brennkammeret ved å regulere ventiler. Dette sparer vekten og kompleksiteten til turbopumpene, men på bekostning av tyngre tanker, hvis vegger må være tykkere for å tåle høyere trykk, og den ekstra massen på grunn av tilstedeværelsen av en trykkgasstank (vanligvis helium) . Av disse grunner er et trykksatt system bare praktisk for motorer som tilbyr lav skyvekraft og lav totalimpuls, for eksempel motorer som brukes til holdningskontroll av et romfartøy. [5]

Uansett føres drivmidlene inn i brennkammeret av spesielle injektorer som skal sørge for fordampning og blanding av drivmidlene, eventuelt med reduserte trykktap. Etter blandingen deltar drivmidlene i forbrenningen, og genererer en gassblanding med svært høye temperaturer som akselereres av den supersoniske dysen og drives ut, og dermed genererer skyvekraften.

På grunn av de høye temperaturene som oppnås under forbrenning (selv over 3000 ° C), mye høyere enn driftstemperaturene til materialene som brukes, er det nødvendig å ha et termisk beskyttelsessystem for veggene i forbrenningskammeret og for dysen. .

Bruken av flytende drivmidler er forbundet med noen ulemper:

Drivmidler

I bipropellantraketter har tusenvis av kombinasjoner av drivstoff og oksidanter blitt prøvd tidligere. Noen av dem er:

En av de mest effektive kombinasjonene, oksygen og hydrogen , har den ulempen at det kreves ekstremt lave temperaturer for å holde de to elementene i flytende form (rundt 20 K, -253 ° C) og hydrogen har lav tetthet (70 kg / m³). ). Disse funksjonene krever bruk av store og tunge tanker. Bruken av isolerende skum forårsaket flere problemer for romfergen , og kulminerte med romfergen Columbia-katastrofen , der et fragment av isolerende skum brøt av under oppskytingen og skadet orbiterens varmeskjold katastrofalt.

For ICBM- missiler og interplanetære sonder er det dyrt og problematisk å lagre kryogene drivmidler i lange perioder. I missiler til militære formål ble det på femtitallet forsøkt å bøte på problemet ved å bruke salpetersyre som oksidasjonsmiddel i stedet for flytende oksygen, men det var ustabilt, utviklet giftige damper og tæret på beholderne, så det ble blandet med nitrogentetroksid og en svært liten mengde flussyre , noe som gjør den mer stabil. Fra 1960-tallet begynte hydrazin og nitrogenoksider å bli brukt , men hydrazin er en svært etsende , flyktig og giftig kjemisk forbindelse. Som et resultat blir hybridløsninger brukt i lavbudsjetts private transportører . Parafin / oksygen-kombinasjonen er også et pålitelig og kostnadseffektivt valg for kommersielle romfartsapplikasjoner.

Injektorer

Typer injektorer

Injektorene kan være enkle, selv i form av hull med liten diameter plassert i henhold til et bestemt arrangement. Strømningshastigheten bestemmes av kvadratroten av trykkfallet over injektorene, formen på hullet og andre faktorer som tettheten til drivmidlet. De første injektorene som ble brukt på V-2-raketter skapte parallelle jetfly av drivstoff og oksidasjonsmiddel som deretter brant i kammeret. Denne løsningen var ineffektiv.

Nå for tiden består injektorer av en gruppe små hull som dirigerer stråler av drivstoff og oksidasjonsmiddel slik at de kolliderer på et punkt i rommet i kort avstand fra selve injektoren. På denne måten brytes strømmene opp i små dråper som lettere brenner.

Hovedthrusterne til romfergen bruker fløyteinjektorer , som bruker den relative "varmen" av flytende oksygen for å fordampe hydrogenet og forbedre flyten og stabiliteten i forbrenningsprosessen; tidligere thrustere, slik som F-1 brukt i Apollo-programmet, hadde betydelige problemer på grunn av tilstedeværelsen av svingninger som også forårsaket ødeleggelsen av thrusterne. Designløsningen i romfergen gjorde det mulig å løse dette problemet.

Valentin Glushko oppfant sentrifugalinjektoren på begynnelsen av 1930-tallet , som ble brukt nesten universelt i russiske drivlinjer. En roterende bevegelse påføres væsken (noen ganger til og med på de to væskene blandet sammen) og drives ut gjennom et lite hull hvor den danner en kjegleformet strømning som raskt forstøver væsken.

Forbrenningsstabilitet

For å unngå ustabilitet, som lavhastighetssvingninger, må thrusteren være utformet med tilstrekkelig trykkforskjell over injektorene for å gjøre strømmen nesten uavhengig av kammertrykket. Dette oppnås vanligvis med en forskjell på minst 20 % i kammertrykket.

I større thrustere kan imidlertid høyhastighetssvingninger i forbrenningen forekomme, og disse er ikke godt forstått. De har en tendens til å forstyrre nabolaget av gassen, noe som fører til at kjølesystemet ikke fungerer og motoren blir ødelagt. Disse typer svingninger er svært vanlige i større motorer, og har forårsaket problemer i utviklingen av Saturn V.

Noen forbrenningskamre, som det i romfergemotorene, bruker Helmholtz-resonatorer som mekanismer for å dempe visse resonansfrekvenser. For å forhindre dette er injektorene også designet for å fordampe drivmidlet før de sprøytes inn i forbrenningskammeret. Mens andre løsninger har blitt tatt i bruk for å sikre fravær av ustabilitet, har noen nyere forskning vist at de ikke er nødvendige, og at forbrenningen fungerer pålitelig.

Stabilitetstester involverer ofte bruk av små eksplosive ladninger, som detoneres inne i kammeret under motordrift for å skape en impulsiv stress. Ved å undersøke kammertrykksporet for å undersøke reaksjonen på forstyrrelsen, kan stabiliteten og eventuell redesign av forbrenningskammeret estimeres.

Avkjøling

Injektorene er generelt anordnet for å skape et drivstoffrikt lag nær forbrenningskammerveggen. Den reduserer lokalt temperaturen og presser ned gjennom dysen. På denne måten er det mulig å drive et brennkammer med høyere trykk og følgelig høyere ekspansjonshastighet i dysen og høyere spesifikk impuls [8] . Et regenerativt kjølesystem brukes ofte .

Slå på

Tenning kan utføres på mange måter, men det kreves et effektivt og betydelig tenningssystem: unnlatelse av å antennes, selv for en svært kort periode (noen ganger bare noen få titalls millisekunder), kan føre til overtrykk i kammeret på grunn av overflødig drivmiddel . Dette fenomenet, også kalt "hard start" , kan føre til at motoren eksploderer.

Noen ganger brukes sikkerhetslåser for å sikre at en tennkilde er tilstede før hovedventilene åpnes, men påliteligheten til låsene kan i noen tilfeller være lavere enn tenningssystemets. Disse valgene avhenger av graden av pålitelighet som kreves, på grunn av tilstedeværelsen av astronauter eller viktigheten av å lykkes med oppdraget. Blokker brukes sjelden til ubemannede øvre trinn, der funksjonsfeil kan forårsake oppdragssvikt. De er til stede på romfergen thrustere, for å slå av motorene før oppskytingen av fergen. Videre er det overraskende vanskelig å verifisere tilstedeværelsen av en vellykket tenning, og noen systemer bruker tynne ledninger som kuttes av flammene, eller trykksensorer.

Noen tenningssystemer inkluderer pyrotekniske, elektriske eller kjemiske midler. Hypergoliske drivmidler har fordelen av selvantennelse, pålitelig og med mindre sjanse for fenomener som " harde starter ". På 1940-tallet begynte russerne å starte thrustere med hypergolisk drivmiddel, og deretter drive motoren med primærdrivstoffet etter tenning.

Merknader

  1. ^ De påståtte bidragene fra Pedro E. Paulet til raketter med flytende drivmidler , på ntrs.nasa.gov .
  2. ^ Re-Creating History , på liftoff.msfc.nasa.gov , NASA (arkivert fra originalen 1. desember 2007) .
  3. ^ George P. Sutton og Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements , 9. utgave, John Wiley & Sons, 2017, s. 199.
  4. ^ Mass Estimating Relations ( PDF ), på spacecraft.ssl.umd.edu .
  5. ^ George P. Sutton og Oscar Biblarz, 1.2, 6.3 , i Rocket Propulsion Elements , 9. utgave, John Wiley & Sons, 2017.
  6. ^ Rystet og omrørt : inne i en raketts drivstofftank ved løftet , på esa.int . Hentet 11. september 2020 .
  7. ^ NASA - NASAs Marshall-senter fullfører vellykket Ullage-motorutviklingstest for Ares I Rocket , på nasa.gov . Hentet 11. september 2020 .
  8. ^ Rakettfremdriftselementer - Sutton Biblarz, avsnitt 8.1.

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Eksterne lenker