Hogyan működik a szilárd hajtóanyagú rakéta

A szilárd hajtóanyagú rakéták tartalmazzák az összes régebbi tűzijátékrakétát, ám ma már vannak fejlettebb üzemanyagok, kivitel és funkciók a szilárd hajtóanyagokkal.

Szilárd hajtóanyag találtak rakétákat folyékony üzemű rakéták előtt. A szilárd hajtógáz típusa Zasiadko, Konstantinov és Congreve. A továbbfejlesztett állapotban a szilárd hajtóanyagú rakéták ma is széles körben használatosak, ideértve a Space Shuttle kettős emlékeztető motorjait és a Delta sorozat emlékeztető lépéseit.

A felület területe a belső égésű lángnak kitett hajtógáz mennyisége, amely közvetlen kapcsolatban áll a tolóerővel. A felület növekedése növeli a tolóerőt, de csökkenti az égési időt, mivel a hajtóanyagot gyorsított ütemben fogyasztják. Az optimális tolóerő jellemzően állandó, amelyet úgy érhetünk el, hogy állandó felületet tartunk fenn az égés során.

Az állandó felületű szemcseméretekre példaként említhetők a végégés, a belső mag és a külső mag égetés, valamint a belső csillagmag égetés.

Különböző formákat használnak a gabona-tolóerő kapcsolat optimalizálására, mivel néhány rakéta megkövetelhet egy A felszállás kezdetben nagy tolóerővel rendelkezik, míg az alacsonyabb nyomás elegendő annak indítása utáni regresszív tolóerőhöz követelményeknek. A bonyolult szemmagminták a rakéta tüzelőanyagának kitett felületének ellenőrzése során gyakran nem éghető műanyaggal (például cellulóz-acetáttal) bevont részeket tartalmaznak. Ez a bevonat megakadályozza, hogy a belső égésű lángok meggyulladjanak az üzemanyag azon részét, amely csak később meggyullad, amikor az égés közvetlenül az üzemanyaghoz jut.

A rakéta hajtóanyagának gabona-specifikus impulzusának megtervezésekor figyelembe kell venni, mivel ez lehet a különbség kudarc (robbanás) és egy sikeresen optimalizált tolóerő-előállító rakéta.

• Ha egy szilárd rakéta meggyullad, a teljes üzemanyagot el fogja fogyasztani, anélkül, hogy leállíthatná vagy beállíthatná a tolóerőt. A Saturn V holdrakéta közel 8 millió font tolóerőt használt fel, amely nem lett volna megvalósítható szilárd hajtóanyag felhasználásával, amely magas fajlagos impulzusú folyékony hajtóanyagot igényel.
• A monopropellens rakéták előkevert tüzelőanyagaival járó veszély, azaz néha a nitroglicerin egy összetevő.

Az egyik előnye a szilárd hajtóanyag rakéták egyszerű tárolása. Ezen rakéták némelyike ​​kis rakéták, mint például a becsületes John és Nike Hercules; mások nagy ballisztikus rakéták, például Polaris, őrmester és Vanguard. A folyékony hajtóanyagok jobb teljesítményt nyújthatnak, de a hajtógépek tárolásának és a folyadékok kezelésének nehézségei az abszolút nulla (0 fok) közelében vannak Kelvin) korlátozta felhasználásukat, és nem tudta kielégíteni a katonai szigorú követelményeket a tűzerővel szemben.

A folyékony tüzelőanyagú rakétákat Tsiolkozski először teoretikusként fogalmazta meg az 1896-ban megjelent "A bolygók közötti űrkutatás reaktív eszközök segítségével" című közleményében. Ötlete 27 évvel később valósult meg, amikor Robert Goddard elindította az első folyadéküzemű rakétát.

A folyékony tüzelőanyagú rakéták a hatalmas Energiya SL-17 és a Saturn V rakétákkal az űrkorszakba az oroszokat és az amerikaiakat az űrkorszakba hajtották. Ezen rakéták nagy nyomóképessége lehetővé tette az első űrutazásunkat. Az "óriási lépés az emberiség számára", amelyre 1969. július 21-én került sor, amikor Armstrong a Holdra lépett, a Saturn V rakéta 8 millió fontnyi tolóerőjével vált lehetővé.

Két fémtartály tartja az üzemanyagot és az oxidátort. Ennek a két folyadéknak a tulajdonságai miatt általában közvetlenül a bevezetés előtt töltik őket tartályaikba. A különálló tartályok szükségesek, mivel sok folyékony üzemanyag érintkezéskor éghet. Egy beállított indító sorozat után két szelep nyílik, lehetővé téve a folyadék áramlását a csővezetékben. Ha ezek a szelepek egyszerűen kinyílnak, lehetővé téve a folyékony hajtóanyagok áramlását az égési kamrába, a gyenge és instabil tolóerő fordulhat elő, tehát akár nyomás alatt álló gázellátás, akár turbószivattyú-adagolás van használt.

A kettő közül a legegyszerűbb, a nyomás alatt álló gázellátás egy nagynyomású gáztartályt ad a meghajtórendszerhez. A nem reaktív, inert és könnyű gázt (például héliumot) intenzív nyomás alatt egy szelep / szabályozó tartja és szabályozza.

A tüzelőanyag-átadási probléma második és gyakran előnyben részesített megoldása a turbószivattyú. A turbószivattyú megegyezik a funkcionális szokásos szivattyúval, és megkerüli a gáznyomásos rendszert azáltal, hogy kiszívja a hajtóanyagokat és felgyorsítja azokat az égési kamrába.

Az oxidálószert és az üzemanyagot összekeverik és meggyulladják az égési kamrában, és létrejön a tolóerő.

Sajnos az utolsó pont bonyolulttá és összetetté teszi a folyékony hajtóanyag-rakétákat. Egy valódi modern folyékony bipropellenáns motor több ezer csőcsatlakozással rendelkezik, különféle hűtő-, üzemanyag- vagy kenőfolyadékokat szállítva. Ezenkívül a különféle alkatrészek, mint például a turbószivattyú vagy a szabályozó, csövek, huzalok, vezérlőszelepek, hőmérsékletmérők és támasztórugók különálló vertigojából állnak. Tekintettel a sok részre, egy integrált funkció meghibásodásának esélye nagy.

Mint korábban megjegyeztük, a folyékony oxigén a leggyakrabban használt oxidálószer, ám ennek is vannak hátrányai. Az elem folyékony állapotának eléréséhez -183 Celsius fok hőmérsékletet kell biztosítani kapott - olyan körülmények, amelyek között az oxigén könnyen elpárolog, és nagy mennyiségű oxidálószert veszít el betöltése közben. A salétromsav, egy másik erős oxidálószer, 76% oxigént tartalmaz, folyékony állapotban van STP-n, és magas fajsúlyMinden nagy előnye van. Ez utóbbi pont a sűrűséghez hasonló mérés, és mivel magasabbra emelkedik, ugyanúgy, mint a hajtóanyag teljesítménye. A salétromsav azonban a kezelés során veszélyes (vízzel keverve erős savat állít elő), és üzemanyaggal égve káros melléktermékeket képez, így felhasználása korlátozott.

Az ie II. Században az ókori kínaiak által kifejlesztett tűzijátékok a rakéták legrégebbi formája és a legegyszerűbbek. A tűzijátékok eredetileg vallási célokat szolgáltak, de később a középkorban katonai felhasználásra adaptáltak "lángoló nyilak" formájában.

A tizedik és a tizenharmadik században a mongolok és az arabok a korai rakéták fő alkotóelemeit hozták Nyugatra: puskapor. Noha az ágyú és a fegyver vált a pisztoly keleti bevezetése során a legfontosabb fejleményekké, rakéták is eredményeztek. Ezek a rakéták lényegében kibővített tűzijátékok voltak, amelyek a hosszú íj vagy ágyú mellett a robbanóképes fegyvercsomagokat is meghajtottak.

A tizennyolcadik század végén az imperialista háborúk során a Congreve ezredes kifejlesztette híres rakétáit, amelyek távolsága négy mérföld távolságban van. A "rakéták vörös tükröződése" (amerikai himnusz) rögzíti a rakétaharc használatát, a katonai stratégia korai formájában, a Fort McHenry.

Egy biztosítékot (fegyverzsinórt fecskendővel bevonva) gyertyával vagy "punk" -val (egy fából készült pálca szénszerű, vörös izzó hegyével) világítanak. Ez a biztosíték gyorsan ég a rakéta magjában, ahol meggyújtja a belső mag fegyverporát. Mint korábban már említettük, a puskapor egyik vegyülete a kálium-nitrát, a legfontosabb alkotóelem. A vegyület, a KNO3 molekuláris szerkezete három oxigénatomot (O3), egy atom nitrogénatomot (N) és egy atom káliumot (K) tartalmaz. Az ehhez a molekulához rögzített három oxigénatom biztosítja a "levegőt", amelyet a biztosíték és a rakéta a másik két összetevő, a szén és a kén elégetésére használtak. Így a kálium-nitrát oxidálja a kémiai reakciót azáltal, hogy könnyen felszabadítja az oxigént. Ez a reakció azonban nem spontán, hanem hő által indítandó, például a mérkőzés vagy a "punk".