Měsíční dobrodružství

* Gamma č. 043 (Měsíční dobrodružství (IV.))

Vydáno dne 08. 02. 2006 (3422 přečtení)

Měsíční dobrodružství (IV.), základy raketového pohonu (IV.)

Raketový motor už ze samého principu své funkce potřebuje vyvíjet vysoký tlak a pokud možno i teplotu; základem jeho činnosti proto musí být silně exotermická chemická reakce [tj. taková, při které se uvolňuje velké množství energie ve formě reakčního tepla] a jejíž účastnící se látky při svém slučování prudce zvyšují objem. Této charakteristice obecně velmi dobře vyhovují oxidační reakce, kdy se hlavní pohonné médium (nejlépe plynné) slučuje s kyslíkem nebo jiným okysličovadlem, což je proces známý jako hoření.



Měsíc


(Dodatek k povídání o mikrosvětě: Příčinou exotermického charakteru těchto reakcí je skutečnost, že po sloučení molekuly pohonného média s molekulou kyslíku vznikne takové uspořádání elektronového obalu, které má výrazně nižší potenciální energii než elektronové obaly obou původních molekul; rozdíl energií se pak vyzáří ve formě fotonů.) Šlehající plameny jsou proto neodmyslitelnou kulisou každého startu rakety. Jen ty nejmenší orientační motorky, sloužící k malým změnám polohy lodi, jsou někdy poháněny prostou expanzí stlačeného plynu.


Raketové motory se dělí na dvě základní skupiny: motory na tuhé a kapalné palivo. Motory na tuhé palivo (označované také jako ?prachové motory?, protože ty první byly poháněny střelným prachem) jsou historicky starší, protože jednodušší, a znáte je například z malých pyrotechnických raket, které si odpalujete na Silvestra. Motor na tuhé palivo nelze regulovat a jakmile se jednou zapálí, musí se už prostě jen nechat dohořet. Obecně je tvořen válcem, v němž je napěchováno vhodné palivo a jehož středový sloupec je ponechán prázdný pro přívod vzduchu, hoření a odvod spalin. Přesto lze takový motor aspoň předem ?naprogramovat? vhodným tvarováním výplně. Má-li například výplň v průřezu nikoliv tvar prostého mezikruží s prázdným středem, ale třeba hvězdy (pro zvýšení počáteční plochy hoření), pak takový motor ihned po startu naběhne na maximální tah, který poté rychle klesá. Čím členitější je průřezová ?hvězdice?, tím je počáteční plocha větší a startovní náběh tahu razantnější. Takové motory se používají například pro pohon záchranných věžiček kabin kosmických lodí, které mají za úkol v případě nebezpečí co nejrychleji odnést kabinu od hořící rakety.


Motory na tuhé palivo se dnes používají nejčastěji jako přídavné stupně pro zvýšení startovního zrychlení; typickým příkladem jsou válcové ?boostery? amerického raketoplánu nebo boční stupně raket Titan Kentaur a Atlas Kentaur, které známe z misí Pioneer a Voyager.


Pro potřeby větších výkonů se používají motory na kapalné palivo, které umožňují opakované vypínání a restart i regulaci vektoru tahu (velikosti i směru). Kapalná paliva navíc poskytují vyšší specifický impuls (impuls odpovídá získané hybnosti, tj. součinu hmotnosti rakety a přírůstku rychlosti, a specifický impuls je impuls udělený jedním kilogramem spáleného paliva; to je samozřejmě hodnota závislá nejen na složení paliva, ale i na konstrukci motoru). Důvodem takové výkonnosti kapalných paliv je skutečnost, že se vesměs jedná o plyny s vysokou účinností hoření, které jsou navíc v raketě úsporně skladovány v kapalném stavu; to ovšem na druhé straně vyžaduje komplikovanou mechaniku kryogenních (hluboko podchlazených) nádrží, výkonných čerpadel, složitou soustavu ventilů a vynikající tepelnou izolaci (raketa je pak v podstatě velká termoska), což vše přináší mnohem vyšší riziko poruch včetně možnosti požáru nebo výbuchu.


Podle struktury se paliva dělí na monergická (palivo a okysličovadlo tvoří předem připravenou směs: u tuhých paliv se plamen šíří od zážehového iniciátoru, zatímco monergická kapalná paliva jsou předem smíchané směsi, které se zapalují průchodem paliva přes katalyzátor) a diergická paliva (palivo a okysličovadlo jsou před přivedením do spalovací komory odděleny; to je případ většiny kapalných paliv). Nejpoužívanějšími dvojicemi diergických látek jsou kombinace kapalného kyslíku s kapalným vodíkem (nejúčinnější) nebo s leteckým kerosenem (o něco méně účinné, ale bez nutnosti chlazení). Jako okysličovadla se kromě kapalného kyslíku používají kyselina dusičná HNO3 (levná, skladovatelná za běžných teplot, ale korozívní), peroxid vodíku H2O2 (méně často; velmi korozívní, malý specifický impuls) a oxid dusičitý N2O4 (výhodně vysoká hustota, skladovatelný za běžných teplot; velmi oblíbený, použit například ve francouzské raketě Arianne). Často se používají takzvaná hypergolická paliva, což jsou samozápalné dvojice látek, které se vznítí už samotným stykem bez potřeby nuceného zážehu; to je užitečné u motorů, u nichž se požaduje několikanásobný restart v kosmickém prostoru, kde by porucha zapalovače měla fatální následky. Příkladem je kombinace oxidu dusičitého jako okysličovadla a směsi asymetrického dimetylhydrazinu a bezvodého hydrazinu v hlavním motoru servisní sekce lodí Apollo.


V sedmdesátých letech Američané vyvíjeli atomový motor Minerva, kde se měla energie k vymršťování pohonných plynů získávat teplem atomového reaktoru; pro nepřekonatelné technické potíže byl projekt po několika letech zrušen a atomové motory tak zatím zůstávají hudbou budoucnosti. V projektu Orion se teoreticky zkoumala možnost pohánět loď pomocí odpalování série malých jaderných náloží v pracovním prostoru mezihvězdné sondy. Ve stadiu výzkumu jsou elektromagnetické motory, které mají vysokou rychlostí vyvrhovat plazmu (směs iontů a elektronů).


Do fáze praktických zkoušek naopak dospěly elektrostatické neboli iontové motory, které urychlují velmi malé množství iontů (tj. elektricky nabitých atomů, které byly zbaveny části svého elektronového obalu) na mimořádně vysoké rychlosti. Takový motor má proto velmi malou spotřebu paliva a jeho tah je sice extrémně malý, zato však může působit po řadu týdnů; mechanika pohybu sondy s elektrostatickým motorem je proto jiná než u lodí letících setrvačností po zvolené elipse - ale o tom někdy jindy.


Teoreticky by bylo možno uvažovat i o fotonových motorech; u nich je problém v tom, že i když se fotony pohybují rychlostí světla, jednotlivý foton má přesto velmi malou energii a tím i hybnost, následkem čehož by k účinnému provozu bylo potřeba daleko většího množství světla, než je dnes technicky možné; v současné době jediným myslitelným zdrojem energie pro takový motor by byl proces anihilace (reakce hmoty s antihmotou), což je zatím ve větším měřítku neproveditelné.


A konečně posledním druhem kosmického pohonu, jehož využití se už brzo chystá, je sluneční plachetnice poháněná tlakem slunečního záření (nikoliv slunečního větru, jehož tlaková složka je na úrovni Země asi 10000x menší než tlak slunečních fotonů); to je ovšem pohon, který není založen na vyloženě reaktivním principu, takže do této kapitoly už vlastně nepatří.

(příště: Počátky raketových letů)





Celý článek | Autor: Jarda Pecka | Počet komentářů: 9 | Přidat komentář | Informaèní e-mailVytisknout článek


©2001 Zbyněk Slába, grafické prvky - Renáta Řehová
Stránky byly vytvořeny s využžitím redakčního systému: PhpRS