Umělecké vykreslení Integrated Powerhead Demonstrator. Obrazový kredit: NASA. Klikni pro zvětšení.
Když uvažujete o budoucí raketové technologii, pravděpodobně uvažujete o iontovém pohonu, antihmotových motorech a dalších exotických konceptech.
Ne tak rychle! Poslední kapitola v tradičních raketách na kapalné palivo musí být ještě napsána. Probíhá výzkum nové generace raketových návrhů na kapalné palivo, které by mohly zdvojnásobit výkon oproti dnešním návrhům a zároveň zlepšit spolehlivost.
Rakety na kapalné palivo byly už dlouho: První raketový start byl proveden v roce 1926 Robert H. Goddard. Tato jednoduchá raketa produkovala zhruba 20 liber tahu, což stačilo nést ji asi 40 stop do vzduchu. Od té doby se návrhy staly sofistikovanými a výkonnými. Například tři palubní motory kosmického raketoplánu mohou na cestě na oběžné dráze Země vyvinout více než 1,5 milionu liber kombinovaného tahu.
Dalo by se předpokládat, že do dnešního dne muselo být provedeno každé myslitelné zdokonalení v provedení rakety na kapalné palivo. Mýlil by ses. Ukázalo se, že existuje prostor pro zlepšení.
Pod vedením amerického letectva, skupiny sestávající z NASA, ministerstva obrany a několika průmyslových partnerů, pracuje na lepších konstrukcích motorů. Jejich program se jmenuje Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies a hledají mnoho možných vylepšení. Jedním z nejslibnějších doposud je nový systém toku paliva:
Základní myšlenka za kapalinou poháněnou raketou je poměrně jednoduchá. Palivo a oxidační činidlo, obě v kapalné formě, jsou přiváděny do spalovací komory a zapalovány. Například raketoplán používá jako své palivo kapalný vodík a kapalný kyslík jako oxidační činidlo. Horké plyny, které vznikají spalováním, rychle unikají tryskou ve tvaru kužele, čímž se vytváří tah.
Podrobnosti jsou samozřejmě mnohem komplikovanější. Za prvé, jak kapalné palivo, tak oxidační činidlo musí být přiváděny do komory velmi rychle a pod velkým tlakem. Hlavní motory raketoplánu by vyčerpaly bazén plný paliva za pouhých 25 sekund!
Tento tryskající proud paliva je poháněn turbodmychadlem. Pro napájení turbočerpadla je „předhořelé“ malé množství paliva, čímž se vytvářejí horké plyny, které pohánějí turbočerpadlo, které zase čerpá zbytek paliva do hlavní spalovací komory. Podobný proces se používá k čerpání oxidačního činidla.
Dnešní rakety na kapalné palivo odesílají skrze předpalovače jen malé množství paliva a oxidačního činidla. Objem proudí přímo do hlavní spalovací komory a zcela přeskakuje předpalovače.
Jednou z mnoha inovací, které testují letectvo a NASA, je poslat veškerá paliva a oxidační prostředky přes jejich příslušné předběžné spalovače. Tam se spotřebuje jen malé množství - jen tolik, aby se spustily turbíny; zbytek protéká spalovací komorou.
Tato konstrukce „fázového cyklu s plným průtokem“ má důležitou výhodu: s větším množstvím hmoty, která prochází turbínou, která pohání turbočerpadlo, je turbočerpadlo poháněno těžší, čímž dosahuje vyšších tlaků. Vyšší tlaky znamenají vyšší výkon rakety.
Podle Garyho Gengeho v Marshall Space Flight Center NASA takový design nebyl nikdy použit v raketě na palivo v USA. Genge je zástupcem projektového manažera integrovaného demonstračního modulu Powerhead Demonstrator (IPD).
„Tyto návrhy, které zkoumáme, by mohly zvýšit výkon mnoha způsoby,“ říká Genge. "Doufáme v lepší spotřebu paliva, vyšší poměr tahu a hmotnosti, zvýšenou spolehlivost - to vše za nižší cenu."
"V této fázi projektu se však snažíme, aby tento alternativní tokový model fungoval správně," poznamenává.
Již dosáhli jednoho klíčového cíle: chladnějšího motoru. „Turbočerpadla používající tradiční tokové vzory se mohou zahřívat až na 1800 ° C,“ říká Genge. To je na motoru hodně tepelného stresu. Turbočerpadlo „s plným průtokem“ je chladnější, protože s větším množstvím hmoty může být použito nižší teploty a stále dosahuje dobrého výkonu. "Snížili jsme teplotu o několik set stupňů," říká.
IPD je míněna pouze jako testovací místo pro nové nápady, poznamenává Genge. Samotný demonstrant nikdy nebude létat do vesmíru. Pokud je však projekt úspěšný, mohla by některá vylepšení IPD najít cestu do startovacích vozidel budoucnosti.
Téměř sto let a tisíce vypuštěných raket po Goddardovi možná ještě přijdou ty nejlepší rakety poháněné kapalinou.
Původní zdroj: NASA Science Article
