Umjetnički prikaz Integrated Powerhead Demonstrator. Kredit za sliku: NASA. Kliknite za povećanje.
Kada razmišljate o budućoj raketnoj tehnologiji, vjerojatno mislite na ionski pogon, motore na antimateriju i druge egzotične koncepte.
Ne tako brzo! Posljednje poglavlje u tradicionalnim raketama na tekuće gorivo tek treba biti napisano. U tijeku je istraživanje nove generacije dizajna raketa s tekućim gorivom koje bi mogle udvostručiti performanse u odnosu na današnje dizajne, a također poboljšati pouzdanost.
Rakete na tekuće gorivo postoje već dugo vremena: prvo lansiranje na tekuće gorivo izveo je 1926. Robert H. Goddard. Ta jednostavna raketa proizvela je otprilike 20 funti potiska, dovoljno da je odnese oko 40 stopa u zrak. Od tada su dizajni postali sofisticirani i moćni. Na primjer, tri brodska motora s tekućim gorivom svemirskog shuttlea mogu ostvariti više od 1,5 milijuna funti kombiniranog potiska na putu do Zemljine orbite.
Mogli biste pretpostaviti da su do sada već napravljene sve zamislive dorade u dizajnu raketa na tekuće gorivo. griješili biste. Pokazalo se da ima prostora za napredak.
Predvođena američkim ratnim zrakoplovstvom, grupa koju čine NASA, Ministarstvo obrane i nekoliko industrijskih partnera radi na boljim dizajnima motora. Njihov se program zove Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies, a oni traže mnoga moguća poboljšanja. Jedna od najperspektivnijih do sada je nova shema protoka goriva:
Osnovna ideja rakete na tekuće gorivo prilično je jednostavna. Gorivo i oksidans, oba u tekućem obliku, ulaze u komoru za izgaranje i zapaljuju. Na primjer, shuttle koristi tekući vodik kao gorivo i tekući kisik kao oksidant. Vrući plinovi koji nastaju izgaranjem brzo izlaze kroz konusnu mlaznicu, stvarajući tako potisak.
Detalji su, naravno, puno kompliciraniji. Kao prvo, i tekuće gorivo i oksidant moraju se unositi u komoru vrlo brzo i pod velikim pritiskom. Glavni motori shuttlea isušili bi bazen pun goriva za samo 25 sekundi!
Ovu bujicu goriva koja šiklja pokreće turbopumpa. Za pogon turbopumpe, mala količina goriva se 'prethodno sagorijeva', čime se stvaraju vrući plinovi koji pokreću turbopumpu, koja zauzvrat pumpa ostatak goriva u glavnu komoru za izgaranje. Sličan se postupak koristi za pumpanje oksidatora.
Današnje rakete s tekućim gorivom šalju samo malu količinu goriva i oksidatora kroz predsagorevače. Glavnina teče izravno u glavnu komoru za izgaranje, u potpunosti preskačući predsagorevače.
Jedna od mnogih inovacija koje testiraju zračne snage i NASA je slanje cjelokupnog goriva i oksidatora kroz njihove predsagorevače. Tu se troši samo mala količina – tek toliko da pokrene turbo; ostatak teče u komoru za izgaranje.
Ova konstrukcija 'postupnog ciklusa punog protoka' ima važnu prednost: s više mase koja prolazi kroz turbinu koja pokreće turbopumpu, turbopumpa se pokreće jače, čime se postižu veći tlakovi. Viši pritisci jednaki su većim performansama rakete.
Takav dizajn nikada prije nije korišten u raketi na tekuće gorivo u SAD-u, prema Garyju Gengeu iz NASA-inog centra za svemirske letove Marshall. Genge je zamjenik voditelja projekta za Integrated Powerhead Demonstrator (IPD) – testni motor za ove koncepte.
'Ovi dizajni koje istražujemo mogli bi poboljšati performanse na mnogo načina', kaže Genge. “Nadamo se boljoj učinkovitosti goriva, većem omjeru potiska i težine, poboljšanoj pouzdanosti – sve uz nižu cijenu.”
'U ovoj fazi projekta, međutim, samo pokušavamo postići da ovaj alternativni uzorak protoka radi ispravno', napominje.
Već su postigli jedan ključni cilj: motor koji radi hladnije. “Turbopumpe koje koriste tradicionalne obrasce protoka mogu se zagrijati do 1800 C”, kaže Genge. To je veliki toplinski stres na motoru. Turbopumpa “punog protoka” je hladnija, jer s većom masom koja prolazi kroz nju, mogu se koristiti niže temperature i još uvijek postići dobre performanse. 'Snizili smo temperaturu za nekoliko stotina stupnjeva', kaže on.
IPD je zamišljen samo kao testna ploča za nove ideje, napominje Genge. Sam demonstrator nikada neće letjeti u svemir. Ali ako projekt bude uspješan, neka od IPD-ovih poboljšanja mogla bi pronaći put do lansirnih vozila budućnosti.
Gotovo sto godina i tisuće lansiranja nakon Goddarda, najbolje rakete na tekuće gorivo možda tek dolaze.
Izvorni izvor: NASA-in znanstveni članak
