Ostatnia aktualizacja: środa, 1 listopada 2017 22:41
Rakiety chemiczne można podzielić na kilka podkategorii, w zależności od typu paliwa: stałego, ciekłego lub gazowego. Ponieważ w kosmosie nie ma powietrza, które pomogłoby spalić paliwo, materiał napędowy musi się składać z paliwa i utleniacza. Artykuł opisuje różne rodzaje paliw rakietowych oraz ich wady i zalety.

Paliwa rakietowe

Rakiety chemiczne można podzielić na kilka podkategorii, w zależności od typu paliwa: stałego, ciekłego lub gazowego. Ponieważ w kosmosie nie ma powietrza, które pomogłoby spalić paliwo, materiał napędowy musi się składać z paliwa i utleniacza. Kiedy paliwo i utleniacz są ze sobą zmieszane i odpowiednio podgrzane, spalają się w reakcji chemicznej, oddając ciepło i spaliny. Utleniacz i paliwo nie muszą być w tym samym stanie skupienia. Przykładowo: rakiety hybrydowe używają paliwa stałego, ale ciekłego utleniacza.

Aby jeszcze bardziej skomplikować sprawę, rakiety napędzane gazami takimi jak wodór i tlen nie przechowują ich w stanie gazowym. Jest tak z tego względu, że zbiorniki musiałyby być ogromne i musiałyby wytrzymywać olbrzymie ciśnienia. Aby rakiety były praktyczne, gazy te są schładzane do kriogenicznych temperatur. Rakiety używające materiałów napędowych, które są ciekłe w temperaturze pokojowej, zazwyczaj nie są tak efektywne, jak te z kriogenicznym paliwem, zatem głównym powodem, aby używać cieczy jest to, że hipergoliczne (samozapalające) materiały napędowe są cieczą. Ogólnie rzecz ujmując, kriogeniczne i hipergoliczne materiały pędne są znane jako “paliwo ciekłe”. Każdy z tych materiałów ma inny impuls właściwy (Isp) i różny stosunek mocy do masy, a to determinuje, w jakich sytuacjach są użyteczne.

Rakiety na paliwo stałe – najprostszy typ rakiet chemicznych. Paliwo i utleniacz są w stanie stałym, tak jak czarny proch. Są proste, niezawodne i tanie, ale bardzo trudne do kontrolowania, wygaszenia i ponownego odpalenia. Oferują także gorsze osiągi niż kriogeniczne materiały napędowe, z impulsem właściwym na poziomie 286 sekund.

Hipergoliczne materiały pędne zapalają się po wymieszaniu paliwa z utleniaczem, bez udziału iskry. Dzięki temu, silniki je wykorzystujące są niesamowicie niezawodne. Można na nie liczyć w przypadku zagrożenia, a także idealnie nadają się do krótkich odpaleń potrzebnych do manewrowania statkiem kosmicznym (RCS). Są tak niezawodne, że mogą być wielokrotnie odpalane na ułamek sekundy, co jest konieczne przy precyzyjnych i delikatnych manewrach, takich jak dokowanie do stacji kosmicznej. Mogą być zdławione, aby wytworzyć bardzo niski ciąg. Niestety, hipergoliczne paliwa mają w zwyczaju być silnie toksyczne w niespalonej formie. SpaceX używa N2O4/MMH (tetratlenek diazotu/monometylohydrazyna) w silnikach Draco i SuperDraco (odpowiednio w Dragonie V1 i V2), które mają impuls właściwy na poziomie 235 sekund.

Kriogeniczne materiały napędowe są niezwykle lekkie, jak na ciąg, który produkują, ze względu na to, że są zbudowane prawie wyłącznie z gazów o małej masie cząsteczkowej, takich jak wodór czy tlen. To sprawia, że są używane jako konie pociągowe rakiet chemicznych, jednak paliwo powoli będzie się gotowało, nawet jeśli jest odizolowane próżnią kosmosu. Gotujące się gazy rozszerzają się. Z tego powodu, zbiorniki na paliwo kriogeniczne nigdy nie są tankowane do pełna. Małe silniki ulażowe wypychają kriogeniczne paliwo w dół głównego zbiornika, aby silniki mogły ponownie odpalić w środowisku zero-g. To sprawia, że są mniej praktyczne w długotrwałych misjach. Ze względu na ich niską temperaturę, mogą być prowadzone w systemie rurek w dyszy silnika, w celu chłodzenia regeneracyjnego. To pozwala na utrzymanie zimnych dysz, a paliwo może być spalane w wyższej temperaturze, aby osiągnąć większą prędkość gazów wylotowych. Pomimo że większość kriogenicznych materiałów pędnych używa ciekłego tlenu (LOX) jako utleniacza, jest kilka opcji, jeśli chodzi o paliwo:

  • Ciekły wodór (LH2) jest najlżejszym możliwym paliwem. Z tego względu został użyty w rakiecie Saturn V podczas misji księżycowych, a także w wahadłowcach. Gotuje się w temperaturze -253°C i ma maksymalny impuls właściwy na poziomie 450 s, kiedy jest zmieszany z ciekłym tlenem. Do zapłonu konieczna jest iskra.

  • Ciekły metan / ciekły tlen (CH4/LOX), z impulsem właściwym na poziomie 380 sekund, nie jest tak wydajny, jak LH2/LOX. Do zapłonu również potrzebuje iskry. Gotuje się w dużo wyższej temperaturze (-161°C) i może być łatwo wytwarzany z dwutlenku węgla i wodoru, zawartego na przykład w wodzie. Ponieważ atmosfera Marsa składa się w większości z CO2, rakieta może uniknąć konieczności transportowania 95% masy paliwa potrzebnego na powrót, wystarczy, że na pokładzie będzie wodór i mały reaktor, aby wytwarzać metan i tlen. Trudniejszym sposobem mogłoby być roztopienie wody z marsjańskiej gleby, ale dostarczyłoby to źródło wodoru i wyeliminowało konieczność transportu paliwa na powrót. Tego typu wykorzystanie zasobów lokalnych na Marsie pozwoliłoby na znaczące obniżenie kosztów misji do akceptowalnego poziomu. Silniki Raptor, projektowane przez SpaceX, mają używać metanu i ciekłego tlenu, i będą użyte w statku Mars Colonial Transporter.

RP-1 jest wysoko rafinowaną formą kerozyny, która jest bardzo podobna do paliwa lotniczego. Nie pasuje praktycznie do żadnej z powyższych kategorii, ze względu na to, że w temperaturze pokojowej ma stan ciekły, jednak nie jest hipergoliczna, ale jest używana w połączeniu z ciekłym tlenem, który jest kriogeniczny. Ma wysoką temperaturę zapłonu, co jest dobre ze względów bezpieczeństwa, jednak złe ze względu na trudności z odpaleniem. Do odpalenia wymaga hipergolicznego materiału. Tak jak inne pochodne ropy naftowej, jest bardzo tania, jednak po zmieszaniu z ciekłym tlenem, jej maksymalny impuls właściwy to tylko 353 s. Ze względu na niski koszt, SpaceX używa RP-1 w ich silnikach Merlin, stosowanych w rakietach klasy Falcon.

Porównanie materiałów napędowych, stosowanych przez SpaceX

SpaceX to przede wszystkim firma zajmująca się wysłaniem ładunków w kosmos, więc stosunek mocy do masy jest generalnie ważniejszy, niż impuls właściwy. Obiekty zaprojektowane do orbitowania, zamiast do startu, mają inny zestaw wymagań. Jest też trzeci zestaw wymagań dla elementów związanych z przerwaniem misji (aby umożliwić załogowej kapsule szybkie oddalenie się od uszkodzonej/zepsutej rakiety). Tabela poniżej pokazuje różnice pomiędzy trzema paliwami stosowanymi przez SpaceX. Dla porównania dodano również tradycyjne połączenie ciekłego wodoru i ciekłego tlenu.

Paliwo

Impuls właściwy

Zdolność do regulowania ciągu

Czas odpalenia, ponowne odpalenie i temperatury

Niebezpieczeństwo związane z niedopalonym paliwem

Możliwość przechowywania materiału pędnego

Korozja powodowana przez materiał pędny

Toksyczność

LH2/LOX

445–465 s dla silników próżniowych; 400–440 s dla silników pracujących na poziomie morza.

Turbopompy mają słabą możliwość regulowania ciągu, jednak wtłaczanie paliwa pod ciśnieniem może pozwolić na zmniejszenie ciągu do 90-95%, z możliwą redukcją impulsu właściwego.

Odpalenie lub ponowne odpalenie wymaga iskry lub lasera. Niezawodne w każdej temperaturze.

Gazy nie kłębią się z w kosmosie, jednak wodór może zapalić się w powietrzu.

Brak możliwości długotrwałego przechowywania, ze względu na gotowanie i parowanie.

Wodór osłabia niektóre metale.

Bardzo niska toksyczność.

RP-1/LOX

340–360 s dla silników próżniowych; 290–311 s dla silników pracujących na poziomie morza.

Merlin 1C Vacuum może zmniejszyć ciąg do 60%; RD-180 może zmniejszyć ciąg do 40%.

Zapalenie RP-1 jest bardzo trudne, ze względu na wymaganą wysoką temperaturę. Silniki Merlin muszą więc mieć hipergoliczny płyn. Trwa to ~3 s, wyłączenie trwa ~6 s. Skomplikowany proces jest wymagany, aby zapobiec gromadzeniu się paliwa i eksplozji.

Kerozyna jest bardzo trudna do odpalenia, co jest dobrym zabezpieczeniem na platformie startowej. Powoduje jednak zagrożenie wybuchem, ze względu na możliwe gromadzenie się zmieszanej kerozyny z ciekłym tlenem, szczególnie w przypadku restartu silników.

RP-1 jest łatwe w przechowywaniu, a długotrwałe przechowywanie ciekłego tlenu to problem do rozwiązania.

Nie powoduje korozji.

Niska toksyczność.

CH4/LOX

360–380 s dla silników pracujących w próżni; 310–360 s dla silników pracujących na poziomie morza.

Turbopompy mają słabą możliwość regulowania ciągu, jednak wtłaczanie paliwa pod ciśnieniem może pozwolić na zmniejszenie ciągu do 90-95%, z możliwą redukcją impulsu właściwego.

Odpalenie lub ponowne odpalenie wymaga iskry lub lasera. Niezawodne w prawie każdej temperaturze, może być niezawodne poniżej temperatur, przy których N2O4/MMH zawodzi.

Niespalone, zmieszane gazy mogą powodować zagrożenie wybuchowe. Praktycznie żaden problem w kosmosie. Potrzeba więcej badań na temat użycia na Ziemi, jednak to są problemy prawdopodobnie łatwe do rozwiązania.

Metan łatwo przechowywać, a długotrwałe przechowywanie ciekłego tlenu to problem do rozwiązania.

Nie powoduje korozji.

Bardzo niska toksyczność.

N2O4/MMH

235 s (SuperDraco na poziomie morza); zazwyczaj 320–340 s dla silników pracujących w próżni.

Silniki SuperDraco były zaprojektowane, aby mogły mocno zdławić ciąg, nawet do 20% maksymalnego ciągu. Ze względu na szybkie odpalenie silników, mogą one być użyte w trybie pulsacyjnym.

Odpalenie lub ponowne odpalenie trwa około 100 ms. Bardzo niezawodne rozwiązanie, nawet w niskich temperaturach.

Możliwe tworzenie się “kałuż” paliwa.

Można zaprojektować tak, aby długotrwałe przechowywanie było możliwe.

Nawet śladowe ilości wody wymieszane z paliwem, mogą powodować korozję.

Ekstremalnie wysoka toksyczność.

Najbliższy start
Starlink-1
Data 17 października 2019
Miejsce startu CCAFS SLC-40 
Miejsce lądowania OCISLY
Rakieta Falcon 9 Block 5
Ładunek 60 satelitów konstelacji Starlink
Wkrótce
2019-08-27 16:30
Zakończenie misji CRS-18

Na wtorek 27 sierpnia zaplanowano zakończenie misji CRS-18, w ramach której statek towarowy Dragon dostarczył na Międzynarodową Stację Kosmiczną sprzęt do eksperymentów naukowych, części zamienne i zapasy dla astronautów, a także drugi adapter dokujący, z którego będą korzystać statki załogowe. Odłączenie kapsuły od ISS zaplanowano na godzinę 16:56 czasu polskiego (14:56 UTC). Proces ten będzie można śledzić na żywo na NASA TV od godziny 16:30 czasu polskiego (14:30 UTC). Po kilku godzinach Dragon wróci na Ziemię, gdzie wyląduje w wodach Oceanu Spokojnego niedaleko wybrzeży Kalifornii. Na pokładzie statku znajdzie się ładunek powrotny o masie około 1500 kg. 

Ostatnio popularne
Najważniejsze tagi
Zaprzyjaźnione strony

Informacje o polityce prywatności

SpaceX.com.pl szanuje dane osobowe Użytkowników i spełnia wymogi ich ochrony wynikające z powszechnie obowiązujących przepisów prawa, a w szczególności z Rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016 r. w sprawie ochrony osób fizycznych w związku z przetwarzaniem danych osobowych i w sprawie swobodnego przepływu takich danych oraz uchylenia dyrektywy 95/46/WE.

Informacje o użytkowniku zbierane podczas odwiedzin oraz dane osobowe podawane podczas kontaktu z autorami serwisu SpaceX.com.pl wykorzystywane są jedynie w celu umożliwienia poprawy jakości działania portalu, zrozumienia zachowań odwiedzających oraz komunikacji z użytkownikami, którzy na to wyrazili chęć. Dane zbierane o użytkownikach podczas ich odwiedzin zawierają takie informacje jak listę stron które otworzyli, szczegółowy czas spędzony na poszczególnych stronach i zachowanie w trakcie przeglądania. Aplikacja internetowa lub zewnętrzne usługi mogą tworzyć także na komputerze użytkownika pliki tekstowe, które służą rozpoznawaniu odwiedzajacego i dostarczaniu mu usług takich jak powiadomienia.

Administratorem zebranych danych są twórcy strony SpaceX.com.pl i wszystkie informacje są dostępne tylko i wyłącznie dla nich i ich zaufanych usługodawców. Dane te nie są w żaden sposób monetyzowane przez twórców serwisu. Wspomniani zaufani usługodawcy to: Google Analytics, Hotjar, Matomo, OVH.

Dalsze przeglądanie tej strony, scrollowanie jej, a w szczególności zamknięcie tego okna informacyjnego oznacza wyrażenie zgody na zbieranie, przetwarzanie i nieograniczone przechowywanie danych o użytkowniku przez twórców serwisu SpaceX.com.pl