Taiteilijan tekemä integroidun Powerhead-demonstraattorin kuva. Kuvan luotto: NASA. Klikkaa suurentaaksesi.
Kun ajattelet tulevaisuuden rakettitekniikkaa, ajattelet todennäköisesti ionikäyttöä, antimateriaalimoottoreita ja muita eksoottisia käsitteitä.
Ei niin nopeasti! Viimeinen luku perinteisistä nestemäisistä raketeista on vielä kirjoittamatta. Tutkimuksessa on käynnissä uuden sukupolven nestemäisiä polttoainetta käyttäviä rakettisuunnitelmia, jotka voisivat kaksinkertaistaa suorituskyvyn nykypäivän malleihin nähden ja parantaa samalla luotettavuutta.
Nestemäiset raketit ovat olleet olemassa jo pitkään: Ensimmäisen nestekäyttöisen laukaisun suoritti vuonna 1926 Robert H. Goddard. Tuo yksinkertainen raketti tuotti noin 20 kiloa painoa, joka riittää kuljettamaan sen noin 40 jalkaa ilmaan. Siitä lähtien suunnittelusta on tullut hienostunutta ja voimakasta. Esimerkiksi avaruussukkulan kolme nestemäistä polttoainetta käyttävät sisämoottorit voivat tuottaa yli 1,5 miljoonaa puntaa yhdistettyä työntövoimaa matkalla Maan kiertoradalle.
Saatat olettaa, että jo nyt kaikki nestepolttoaineisiin käytettävien rakettisuunnitelmien mahdolliset parannukset on tehty. Olet väärässä. Vaikuttaa siltä, että parantamisen varaa on.
Yhdysvaltain ilmavoimien johtama ryhmä, joka koostuu NASA: sta, puolustusministeriöstä ja useista teollisuuskumppaneista, työskentelevät parempien moottorisuunnittelujen parissa. Heidän ohjelmansa nimi on Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies, ja he etsivät monia mahdollisia parannuksia. Yksi tähän mennessä lupaavimmista on uusi polttoainevirtausjärjestelmä:
Nestemäisen polttoaineen perusajatus on melko yksinkertainen. Polttoaine ja hapetin, molemmat nestemäisessä muodossa, syötetään palotilaan ja sytytetään. Esimerkiksi sukkula käyttää polttoaineena nestemäistä vetyä ja hapettimena nestemäistä happea. Palamisessa syntyvät kuumat kaasut pääsevät nopeasti kartion muotoisen suuttimen läpi tuottaen siten työntövoimaa.
Yksityiskohdat ovat tietysti paljon monimutkaisempia. Yhden tapauksessa sekä nestemäinen polttoaine että hapetin on syötettävä kammioon erittäin nopeasti ja suuressa paineessa. Shuttle-moottorin päämoottorit valuttaisivat polttoainetta täyden uima-altaan vain 25 sekunnissa!
Tätä polttoaineen torjuvaa torrenttia ajaa turbopumppu. Turbopumpun syöttämiseksi "poltetaan" pieni määrä polttoainetta, jolloin muodostuu kuumia kaasuja, jotka ajavat turbopumpua, joka puolestaan pumppaa loput polttoaineen pääpolttokammioon. Samanlaista prosessia käytetään hapettimen pumppaamiseen.
Nykypäivän nestemäiset polttoaineet lähettävät vain pienen määrän polttoainetta ja hapettimia esipolttimien läpi. Irtotavara virtaa suoraan pääpolttokammioon, ohittaen esipolttimet kokonaan.
Yksi monista ilmavoimien ja NASA: n kokeilemista innovaatioista on lähettää kaikki polttoaine ja hapettimet kunkin esipolttimensa kautta. Siellä kulutetaan vain pieni määrä - vain tarpeeksi turbojen ajamiseen; loput virtaa palotilaan.
Tällä "täysvirtausvaiheisella" jaksolla on tärkeä etu: kun massaa kulkee enemmän turbopumpua käyttävän turbiinin läpi, turbopumppua ajetaan kovemmin, jolloin saavutetaan korkeammat paineet. Korkeammat paineet vastaavat suurempaa suorituskykyä kuin raketti.
Gary Gengen mukaan NASA: n Marshallin avaruuslentokeskuksessa tällaista mallia ei ole koskaan käytetty nestepolttoaineisiin Yhdysvalloissa. Genge on integroidun Powerhead-demonstraattorin (IPD) varaprojektipäällikkö - näiden konseptien testausmoottori.
"Nämä mallimme, joita tutkimme, voisivat parantaa suorituskykyä monin tavoin", Genge sanoo. "Toivomme parempaa polttoainetehokkuutta, suurempaa työntövoiman ja painosuhteen, parantuneen luotettavuuden - kaikki alhaisemmilla kustannuksilla."
"Hankkeen tässä vaiheessa yritämme kuitenkin vain saada tämä vaihtoehtoinen virtausmalli toimimaan oikein", hän toteaa.
He ovat jo saavuttaneet yhden päätavoitteen: viileämmän moottorin. "Perinteisiä virtausmalleja käyttävät turbopumput voivat lämmetä 1800 ° C: seen", Genge sanoo. Se on paljon moottorin lämpörasitusta. ”Täysvirtaus” turbopumppu on viileämpää, koska kun massa kulkee enemmän sen läpi, matalampaa lämpötilaa voidaan käyttää ja silti saavuttaa hyvä suorituskyky. "Olemme laskeneet lämpötilaa useita satoja asteita", hän sanoo.
IPD on tarkoitettu vain uusien ideoiden koealustaksi, Genge toteaa. Itse mielenosoittaja ei koskaan lentä avaruuteen. Mutta jos projekti onnistuu, jotkut IPD: n parannuksista voivat löytää tien tulevaisuuden kantoraketteihin.
Melkein sata vuotta ja tuhansia laukaisuja Goddardin jälkeen, parhaat nestepolttoaineet saattavat olla vielä tulematta.
Alkuperäinen lähde: NASA: n tieteellinen artikkeli
