Renderowany przez artystę zintegrowany demonstrator mocy. Źródło zdjęcia: NASA. Kliknij, aby powiększyć.
Kiedy myślisz o przyszłości technologii rakietowej, prawdopodobnie myślisz o napędzie jonowym, silnikach antymaterii i innych egzotycznych koncepcjach.
Nie tak szybko! Ostatni rozdział o tradycyjnych rakietach na paliwo płynne jeszcze nie został napisany. Trwają badania nad nową generacją rakiet na paliwo płynne, które mogłyby podwoić wydajność w stosunku do dzisiejszych konstrukcji, a jednocześnie poprawić niezawodność.
Rakiety napędzane cieczą istnieją już od dawna: pierwszy start z napędem płynnym wykonał Robert H. Goddard w 1926 roku. Ta prosta rakieta wytworzyła w przybliżeniu 20 funtów ciągu, co wystarczyło, aby unieść ją około 40 stóp w powietrze. Od tego czasu projekty stały się wyrafinowane i wydajne. Na przykład trzy silniki pokładowe wahadłowca napędzane cieczą mogą wywierać ponad 1,5 miliona funtów połączonego ciągu na orbitę Ziemi.
Można założyć, że do tej pory wszelkie możliwe udoskonalenia konstrukcji rakiet na paliwo płynne musiały zostać wykonane. Mylisz się Okazuje się, że jest miejsce na ulepszenia.
Kierowana przez siły powietrzne USA, grupę składającą się z NASA, Departamentu Obrony i kilku partnerów branżowych pracuje nad lepszymi konstrukcjami silników. Ich program nosi nazwę Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies i szukają wielu możliwych ulepszeń. Jednym z najbardziej obiecujących do tej pory jest nowy schemat przepływu paliwa:
Podstawowa idea rakiety na paliwo płynne jest raczej prosta. Paliwo i utleniacz, oba w postaci płynnej, są podawane do komory spalania i zapalane. Na przykład prom wykorzystuje ciekły wodór jako paliwo i ciekły tlen jako utleniacz. Gorące gazy wytwarzane przez spalanie szybko uciekają przez dyszę w kształcie stożka, wytwarzając w ten sposób ciąg.
Szczegóły są oczywiście znacznie bardziej skomplikowane. Po pierwsze, zarówno paliwo płynne, jak i utleniacz muszą być wprowadzane do komory bardzo szybko i pod dużym ciśnieniem. Główne silniki promu opróżnią basen z paliwem w zaledwie 25 sekund!
Ten tryskający strumień paliwa napędzany jest przez turbopompę. Aby zasilić turbopompę, niewielka ilość paliwa jest „wstępnie spalona”, wytwarzając w ten sposób gorące gazy, które napędzają turbopompę, która z kolei pompuje resztę paliwa do głównej komory spalania. Podobny proces stosuje się do pompowania utleniacza.
Dzisiejsze rakiety na paliwo płynne wysyłają tylko niewielką ilość paliwa i utleniacza przez dopalacze. Masa przepływa bezpośrednio do głównej komory spalania, całkowicie pomijając dopalacze.
Jedną z wielu innowacji testowanych przez siły powietrzne i NASA jest przesyłanie całego paliwa i utleniacza przez odpowiednie urządzenia do wstępnego spalania. Zużywa się tam tylko niewielką ilość - wystarczającą do uruchomienia turbin; reszta przepływa do komory spalania.
Ten „etapowy cykl pełnego przepływu” ma ważną zaletę: przy większej masie przechodzącej przez turbinę napędzającą pompę turbopompową, turbopompa jest napędzana mocniej, osiągając w ten sposób wyższe ciśnienia. Wyższe ciśnienia oznaczają większą wydajność rakiety.
Taki projekt nigdy wcześniej nie był używany w rakiecie na paliwo ciekłe w USA, jak twierdzi Gary Genge z NASA Marshall Space Flight Center. Genge jest zastępcą kierownika projektu ds. Zintegrowanego demonstratora mocy (IPD) - silnika testowego dla tych koncepcji.
„Te projekty, które badamy, mogą zwiększyć wydajność na wiele sposobów”, mówi Genge. „Liczymy na lepszą wydajność paliwową, wyższy stosunek ciągu do masy, lepszą niezawodność - a wszystko to przy niższych kosztach”.
„Na tym etapie projektu staramy się tylko, aby ten alternatywny schemat przepływu działał poprawnie”, zauważa.
Osiągnęli już jeden kluczowy cel: chłodzenie silnika. „Pompy turbinowe wykorzystujące tradycyjne wzorce przepływu mogą podgrzewać do 1800 ° C”, mówi Genge. To dużo stresu cieplnego na silniku. Turbopompa „pełnego przepływu” jest chłodniejsza, ponieważ przy większej masie przepływającej przez nią można zastosować niższe temperatury i nadal osiągać dobrą wydajność. „Obniżyliśmy temperaturę o kilkaset stopni” - mówi.
IPD ma być jedynie testem nowych pomysłów, zauważa Genge. Sam demonstrant nigdy nie poleci w kosmos. Ale jeśli projekt się powiedzie, niektóre ulepszenia IPD mogą znaleźć zastosowanie w pojazdach startowych przyszłości.
Prawie sto lat i tysiące startów po Goddard najlepsze rakiety na paliwo płynne mogą jeszcze nadejść.
Oryginalne źródło: NASA Science Article
