Raketové motory – snadno a přehledně

V minulých dílech jsme si rozebírali nejrůznější základní aspekty kosmonautiky. Bez používání odborných termínů, zkrátka tak, aby textu porozuměli především začátečníci, kteří si ke kosmonautice teprve hledají cestu. Dnešní díl bude velmi volným pokračováním dílu minulého, který jsme věnovali různým druhům paliv. Na úvodním obrázku vidíte pětici obřích motorů F-1, které tvořily první stupeň lunární rakety Saturn V. Tyto motory spalovaly směs kapalného kyslíku a speciálního petroleje. Byly to tedy motory na kapalná paliva. Pokud bychom si udělali statistiku, došli bychom k výsledku, že nejpoužívanějšími raketovými palivy jsou právě paliva kapalná. Právě proto existuje i mnoho různých konstrukcí motorů, které je spalují. Hádáte správně, v našem dnešním článku se budeme věnovat různým typům raketových motorů na kapalná paliva.

O to, aby se palivo a okysličovadlo dostávaly do trysky v optimálním poměru a rychlosti se starají čerpadla. Ta jsou v naprosté většině odstředivá a o jejich pohon se stará turbína. Nejčastěji je turbočerpadlo společné jak pro palivový, tak i okysličovadlový okruh. Čerpadlo, resp. turbína ale potřebují nějakou pohonnou látku. Aby nemusely vznikat další nádrže, řeší se to tak, že si čerpadlo bere palivo přímo z hlavní nádrže. A je potřeba si uvědomit, že čerpadla pro raketové motory nejsou žádní drobečkové – jejich výkony se pohybují v řádech megawattů.  Turbíny pohání tlakový plyn – existuje přitom několik způsobů, jak jej získat.

Schéma otevřeného cyklu

Schéma otevřeného cyklu
Zdroj: http://upload.wikimedia.org

První typ motoru, který si popíšeme je tzv. otevřený cyklus. V generátoru tlakového plynu se v optimálním poměru spálí palivo s okysličovadlem a po průchodu turbínou se vypustí do okolního prostoru. To se může zdát zbytečné, pokud uvážíme, že tímto způsobem se dobrovolně zbavujeme části paliva i okysličovadla. Jejich spaliny zbůhdarma vypustíme do okolí, aniž by se podílely na generování tahu. Na druhou stranu se ale jedná o konstrukčně jednodušší řešení. Mezi motor s otevřeným cyklem bychom našli třeba motor Merlin z rakety Falcon 9, nebo již zmíněné motory F-1 na raketách Saturn V. Kromě toho můžeme zmínit ještě motor RS-68 používaný na raketách Delta IV, nebo již vyřazený RS-27 (rakety Delta 2000 – 6000). Další výhodou otevřeného cyklu je to, že se dá použít také u jednosložkových paliv, která pohání turbínu. Řeč je třeba o hydrazinu, nebo peroxidu vodíku.

Schéma uzavřeného cyklu

Schéma uzavřeného cyklu
Zdroj: http://upload.wikimedia.org

Když byla řeč o cyklu otevřeném, je logické, že další na řadě bude cyklus uzavřený. V plynovém generátoru se opět spálí palivo s okysličovadlem (jako v případě otevřeného cyklu). Ale pozor! je tu jeden velký rozdíl. V uzavřeném cyklu se tyto dvě látky spálí v neoptimálním poměru! V praxi se používá nadbytek paliva a méně okysličovadla. Plyn, který projde turbínou se následně nevypouští ven, jako tomu bylo u otevřeného cyklu, ale zamíří do spalovací komory motoru. Tady pak nedohořelé palivo ve spalinách dohoří. Objektivně vzato je uzavřený cyklus výhodnější, protože „nic nepřijde nazmar“. Na druhou stranu se ale jedná o nejsložitější konstrukci. Další nevýhodou je rychlé opotřebení turbíny a také komplikace se vstřikováním paliva. Asi nejznámějším zástupcem této kategorie je motor RD-180, který pohání rakety Atlas V. Tento motor vychází z konstrukce sovětského motoru NK-33, který se původně plánoval pro lunární raketu N-1.

Schéma uzavřeného cyklu s odpařením obou složek

Schéma uzavřeného cyklu s odpařením obou složek
Zdroj: http://upload.wikimedia.org

Uzavřený a otevřený cyklus jsou nejčastěji používané metody. Existují ale i další, se kterými se nyní seznámíme. První z nich je uzavřený cyklus s úplným odpařením složek. V podstatě se jedná o obměnu klasického uzavřeného cyklu. Nejmarkantnější rozdíl je v tom, že palivo i okysličovadlo mají svá vlastní čerpadla i plynové generátory. V nich vzniká redukční plyn v případě paliva a oxidační tlakový plyn pro okysličovadlo. Tyto plyny jsou následně smíchány s palivem / okysličovadlem a reagují spolu. Vzniklé páry se pak vedou do spalovací komory. Pokud bychom hledali nějakého zástupce, pak musíme zmínit sovětský motor RD-270. Byl to rekordman – jednokomorový motor s největším tahem vyrobený v SSSR/Rusku. Měl být nasazen v chystaných těžkotonážních raketách UR-700 a UR-900. Tento motor se vyznačoval tím, že se v něm dosahovalo tlaku až 26 MPa. Jako palivo měl nesymetrický dimetylhydrazin a jako okysličovadlo sloužil N2O4. Uvažovalo se i o přidání pentaboranu, ale tím pádem by se zvýšila toxicita celého systému a proto se od jeho využívání upustilo.

Cyklus s odpařením jedné složky / Expanzní cyklus

Cyklus s odpařením jedné složky / Expanzní cyklus
Zdroj: http://upload.wikimedia.org

Už jsme tu měli cyklus s úplným odpařením složek a nyní přichází na řadu cyklus s odpařením jedné složky. Tato metoda se také někdy označuje jako expanzní cyklus. Celý systém funguje takto – Turbínu pohání plyn, který vzniká odpařením povětšinou paliva. K odpařování dochází během chlazení motoru. Z toho vyplývá, že je tento systém použitelný pouze u motorů, které spalují kryogenní palivo. Nejčastěji tedy vodík, ale v úvahu připadá i metan, či propan. Palivo se vede v těsné blízkosti spalovací trysky, čímž ji chladí a samo se ohřívá. Palivo pak díky tomu potřebuje dodat méně energie (tepla) pro odpaření ve spalovací komoře, protože do ní už přichází „ohřáté“. Tento systém využívá třeba motor RL-10, který bychom našli na horním stupni Centaur. Dalším motorem s expanzním cyklem je třeba Aerospike, který se zkoušel na letounu X-33.

Přetlakový cyklus

Přetlakový cyklus
Zdroj: http://upload.wikimedia.org

A na závěr si necháme jeden specifický systém. Řeč bude o přetlakovém cyklu, který se výrazně odlišuje od všech ostatních výše popsaných. Nenašli bychom v něm žádná čerpadla, turbíny, ani plynové generátory. O transport paliva a okysličovadla do spalovací komory se stará hnací plyn, kterým bývá povětšinou hélium. To je uloženo ve vlastní nádrži a v případě potřeby stačí otevřít ventil a vypustit hélium do systému. Tento systém se nejčastěji používá u samozápalných (hypergolických) palivových směsí. Ideální je třeba pro manévrovací motory na oběžné dráze. Našli bychom jej třeba u raketoplánových manévrovacích trysek OMS a RCS. Velkou výhodou je snadná obsluha systému – nejsou v něm žádná čerpadla, stačí jen otevřít ventily. Díky tomu je možné provádět i opakované zážehy.

Naše povídání o různých druzích raketových motorů na kapalná paliva se chýlí ke svému konci. Doufám, že začátečníci se do celé problematiky alespoň trochu dostali a že jsem jistým zjednodušováním této záležitosti nezpůsobil zkušeným znalcům osypky.

Zdroje informací:
http://cs.wikipedia.org/
http://forum.kosmonautix.cz/
http://en.wikipedia.org/
http://en.wikipedia.org/
http://en.wikipedia.org/
http://en.wikipedia.org/
http://en.wikipedia.org/

Zdroje obrázků:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/16/S-IC_engines_and_Von_Braun.jpg/824px-S-IC_engines_and_Von_Braun.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8b/Gas_generator_rocket_cycle_cz.png
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/10/Staged_combustion_rocket_cycle_cz.png
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1d/Full_flow_staged_rocket_cycle.png
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/13/Expander_rocket_cycle_cz.png

Raketové motory - snadno a přehledně, 2.8 out of 5 based on 25 ratings
Pin It
(Visited 5 508 times, 2 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.8/5 (25 votes cast)
(Visited 5 508 times, 2 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


16 komentářů ke článku “Raketové motory – snadno a přehledně”

  1. ramesse napsal:

    Vdaka, zase som mudrejsi 🙂

    Inak ale, nemusel by si sa stale ospravedlnovat za uroven, uroven je dobra, presne vystihuje zameranie tohto blogu. Nemyslim, ze by zrovna sem chodili po rozumy raketovi inzinieri z NASA.

    • Dušan Majer napsal:

      Odborníci sem občas zavítají. Sice ne ti z NASA, ale mohou sem přijít lidé, kteří jsou v kosmonautice zběhlí a mohla by jim jistá forma zjednodušování vadit. Proto vždy na konec článku dávám vysvětlení. A navíc mi to přijde i jako pěkně odlehčené zakončení článku 🙂

      • zarni napsal:

        Články pro laiky, pokud je chce člověk napsat odpovědně, jsou právě nutností vybrat, co je důležité a co už tak ne, to nejtěžší. Něco málo jsem tak zkoušel dát dohromady z oboru polygrafie (kterou se zabývám skoro dvacetpět let) a je to fuška.
        Myslím, že to děláte velmi dobře. Držím palce.

  2. JR napsal:

    díky za super článek. Ten Saturn V je monstrózní!

  3. fo-ol napsal:

    zdravim. vazne spousta dobreho cteni zde! zajimalo by mne:
    a) cca jake procento paliva se spotrebuje na turbinu?
    b) je to onen proud koure, ktery z rakety, stojici na rampe, odchazi bokem? pokud nikoliv, co je tento dym?
    predem dekuji za odpoved

    • Dušan Majer napsal:

      Hezký den,
      díky za pochvalu článku.
      a) bavíme se o jednotkách procent – maximálně bych řekl 5%.
      b) Ano, z velké části je kouř tvořen právě spalinami z otevřeného cyklu motorů. Navíc bývá obsažena i vodní pára z chrličů na rampě, které vypouštěním vody snižují akustické chvění.

  4. John napsal:

    Co znamená pojem nepravidelné spalování a jak se projevuje? Slyšel jsem, že to prý byl značný problém který se řešil při konstrukci Saturnu V.

    • Dušan Majer napsal:

      Nepravidelné spalování je nevítaný jev, který se projevuje kolísáním tahu raketového motoru. Příčin tohoto jevu může být několik, ale točíme se okolo práce čerpadel. Ta třeba dodávají do spalovací komory palivo a okysličovadlo v nestabilním poměru. Tím pádem může motoru kolísat tlak.
      nedivil bych se, kdyby se tohoto jevu konstruktéři Saturnu V báli. Ostatně motory F1 byly ve své době gigantické (stejně jako celý Saturn) a zkušenosti s výrobou tak velkých motorů chyběly. nakonec ale Saturnu létaly mimořádně spolehlivě.

      • Vladimír Jiruš napsal:

        Uvedený jev se jmenuje “ pogo oscilace“ .
        Pogo oscilace je nežádoucí podélná oscilace raketových motorů způsobená nestabilitou spalování kapalných složek paliva. Pokud není vzniklá oscilace utlumena, může v krajním případě způsobit rezonanci, kladnou zpětnou vazbu a strukturální porušení rakety.Pogo oscilace vzniká obecně, když je nárůst tlaku motoru přenesen do přívodu paliva a způsobí zpětný tlak proti jeho proudění. To sníží přítok paliva a samotný tlak ve spalovací komoře. Nižší tlak zrychlí proudění paliva a způsobí nárůst tlaku v motoru, čímž se cyklus uzavírá. Kolísání proudění může také vyvolat pružnost palivového potrubí. Pokud cyklus dosáhne rezonanční frekvence, může vzniknout kladná zpětná vazba, která je v krajních případech schopna raketu roztrhat na kusy.

        Jiná situace, kdy může dojít k pogo oscilaci, je při kolísání rychlosti rakety, které se setrvačnými silami projeví kolísáním průtoku samotného paliva. Kolísání průtoku paliva pak vede ke kolísání tahu motorů a tím i samotné rychlosti rakety, čímž se cyklus uzavírá.

  5. Marek Čech napsal:

    Krásný den,

    mám několik dotazů snad se hodí k tomuto článku:

    – při startu raket je vidět padající kusy (pravděpodobně) ledu – to je způsobeno, že jsou v raketě nádrže s podchlazeným palivem a povrch rakety tak namrzá a při vzletu tento led odpadá?

    – při startu jsou startovací rampy čímsi kropeny, o co jde a proč se to dělá?

    – při startu vychází z různých částí raket i v jejich horní části plyny či aerosoly, o co jde?

    – jak přesně funguje zážeh motorů? při startech raket jsou vidět proudy jisker od kterých potom motor chytí a zážeh je přenesen do spalovací komory? je to tak?

    Omlouvám se za neodbornost dotazů, ale tohle si nějak potřebuji ujasnit.

    Děkuji

    • Dušan Majer napsal:

      Hezký den, díky za dotazy, pojďme na odpovědi. 😉

      1) Ano, je to přesně tak. Nádrže jsou sice izolovány, ale nikoliv dokonale – stěny se proto snadno podchladí a vytváří se na nich námraza. Při startu se raketa hodně chvěje, takže se bloky ledu“oklepou“.
      2) Startovní rampy se kropí čistou vodou. Tyto chrliče mají jednoduchý úkol – vytváří jakousi „mlhu“ ze spousty vodních kapiček, na kterých se „rozbíjí“ zvukové vlny z motorů. Jde o strašlivý řev, který je schopný svou akustickou silou poškodit rampu. Vlny by se mohly navíc od rampy odrazit a poškodit raketu. Tím, že se rampa zkrápí vodou se alespoň část zvukových vln eliminuje.
      3) Jde o odvětrávání z nádrží – opět to souvisí s prvním bodem – nádrže nejsou dokonale izolované a jejich obsah se trochu ohřívá, takže se odpařuje. Kdyby byly nádrže zavřené, rychle by v nich vzrostl tlak a mohly by explodovat. Proto se odpařené plana z nádrží upouští a nádrže se až do startu průběžně doplňují.
      4) Samotný zážeh řeší různé rakety různými způsoby. Někde stačí jen smíchat palivo a okysličovadlo a rovnou dojde k zážehu, jinde se používají malé „zážehové kapsle“ ve spalovací komoře, které zajistí prvotní zážeh.

      • Marek Čech napsal:

        Mnohokrát děkuji za Vaši bleskurychlou odpověď. O kosmonautixu jsem se dozvěděl teprve nedávno a neustále hltám Váš obsah tady i na streamu s velkým nadšením. Velmi oceňuji Vaši práci a jsem rád, že existují lidé se stejným nadšením pro kosmonautiku a vesmír jako já.

        a doplňující dotaz ke 4) ty jiskry šlehající při zážehu ze zařízení umístěných na rampě jsou tedy jedna z možností jak raketu nastartovat? Vše záleží jaký druh paliva a motorů používá je to tak?

        • Dušan Majer napsal:

          Velmi mne těší, že se Vám náš portál i videa na Streamu líbí. Vždy nás velmi potěší, když se naše práce divákům / čtenářům líbí.

          Ty jiskry mají trochu jiný účel. Je to bezpečnostní ochrana, která má vypálit případné bubliny vodíku, které by se mohly vytvořit pod tryskami a při zážehu by mohly způsobit explozi.

Zanechte komentář