I dnes je pro naše čtenáře připraven článek určený především pro ty, kdo si ke kosmonautice teprve hledají cestu. I tentokrát bude řeč o nějaké základní části kosmonautiky, kterou si podrobně rozebereme. Stejně jako minule ale budeme i tentokrát dbát na to, aby textu pokud možno rozuměli všichni. Těm, kdo jsou v tématice zběhlejší se předem omlouvám za jisté zjednodušení celé problematiky. V tomhle článku nechci přinést podrobný rozbor až do detailů. Jde o to, zachytit hlavní rysy. Nebojte se tedy začíst. Odborné termíny necháváme za dveřmi a čekají na nás různé druhy paliv.
Zdroj: http://www.cojeco.cz
Když je řeč o raketových motorech, musíme se hned na začátku otočit do historie. Ruský učenec Konstantin Eduardovič Ciolkovskij (1857 – 1935) totiž jako první definoval, že rychlost, které raketa dosáhne je závislá na rychlosti plynů vypouštěných z motoru. Raketový motor tedy pracuje na principu akce a reakce. Spaliny vyletují z motoru a reakce žene raketu opačným směrem. Někoho možná napadne, proč se palivo v motorech spaluje – nešlo by nádrž natlakovat plynem a ten pak vypustit podobně jako to dělá balonek? Odpověď je jednoduchá – nešlo. Čím víc bychom chtěli nádrž natlakovat, tím by byly stěny silnější a tím i těžší. Raketa, která má dosáhnout rychlosti několik kilometrů / sekundu a navíc se musí prát s odporem atmosféry potřebuje něco mnohem energeticky „výživnějšího“. A tím jsou právě raketová paliva. Jejich spálením vznikají „výfukové plyny“, které rychle opouští trysku – odborně řečeno – spálením paliva se jeho chemická energie mění v energii kinetickou.
Všechno se to samozřejmě děje velmi rychle, pod velkými tlaky – palivo se musí tlakovat, aby šlo do motoru velmi rychle. Například u rakety Saturn V (viz úvodní obrázek článku) bychom našli v prvním stupni pět motorů F-1. Ty dokázaly během 160 sekund činnosti spálit neuvěřitelných 2100 tun paliva a okysličovadla. Selskými počty dojdeme k tomu, že každý motor tedy za jedinou sekundu činnosti dokázal spálit 2,5 tuny paliva a okysličovadla! O bezproblémové tlakování se starala čerpadla, která vytvářela tlak až 7 MPa! Jak jsem nakousnul už v minulém odstavci, tak palivo není všechno. K hoření totiž, jak známo, bezpodmínečně potřebujeme kyslík. Toho je nejvíc v nízkých vrstvách atmosféry a se stoupající výškou klesá. Ale raketový motor potřebuje konstantní dodávky kyslíku aby mohl pracovat správně. Proto jsou v raketách kromě nádrží s palivem i nádrže s okysličovadlem – právě okysličovadlo se při spalování přidává k palivu a zajišťuje tak správný průběh hoření. Palivo a okysličovadlo mají vlastní nádrže a společně se přivádí do spalovací komory. Ale dost už teorie, pojďme se společně podívat na různé typy paliv. Ještě předtím si ale paliva rozdělíme na dvě velké skupiny. Řeč bude o palivech kapalných a pevných. Nejprve dostanou přednost paliva kapalná.
Zdroj: http://i075.radikal.ru
Nejčastěji používaným kapalným palivem je speciální letecký petrolej označovaný též jako kerosen, či kerosin, nebo zkratkou RP-1. Jeho výhodou je, že není potřeba jej chladit, nepůsobí korozivně a není jedovatý. Zkrátka a dobře ho natankujete do nádrže, pustíte do motoru, kde ho necháte spálit. Jako okysličovadlo se u tohoto paliva nejčastěji používá zkapalněný kyslík o teplotě cca. -185°C. Díky zkapalnění tento plyn ztrácí objem a je možné jej natankovat do nádrže s tepelnou izolací. Ta je potřeba kvůli tomu, aby se kapalný kyslík zbytečně nezahříval. Nevýhodou tohoto systému je naopak o něco menší účinnost. Ale ta je vyvážena výše zmíněnou snadnou obsluhou. Pokud raketa spaluje kerosin a jako okysličovadlo má kapalný kyslík, používá se často pro tento systém jednoslovné označení kerolox. A abychom nemluvili jen teoreticky, tak tento systém využívají třeba rakety Sojuz, nebo Falcon 9.
Dalším často používaným palivem je zkapalněný vodík. Na ten už je potřeba tepelně dobře izolovaná nádrž, protože dosahuje teploty zhruba -255°C! Jako okysličovadlo pro tohle palivo se velmi často používá zkapalněný kyslík (viz výše). Jelikož jsou obě složky založeny na hlubokém zmrazení plynů, používá se pro tento systém označení kryogenní. Konstrukce takového motoru je mnohem náročnější než v případě motoru na výše popsaný kerolox. A to ať už se bavíme o teplotě v nádržích, tak i o teplotě spalin. Ta je totiž mnohem vyšší. Stačí si uvědomit, že se v podstatě jedná o kyslíkovodíkový plamen, kterým se běžně řežou nebo svařují kovy! Zkapalněné palivo se proto musí vést komplikovaným systémem trubiček, které obepínají vlastní trysku. Svou nízkou teplotou chladí povrch jejích stěn. Bez toho by tryska shořela jako kdyby byla z papíru. Palivo zároveň z povrchu trysky přijímá teplo a tím se ohřívá – do spalovací komory tedy už dorazí teplejší, než když opouštělo nádrž. Odměnou za dobře zvládnutou technologii je potom vyšší účinnost motoru ve srovnání s keroloxem. Kryogenní motory bychom našli třeba na zadní části raketoplánu, nebo na raketě Delta IV.
Zdroj: http://upload.wikimedia.org
Posledním často používaným kapalným palivem jsou chemické deriváty hydrazinu. Tuto jednoduchou sloučeninu dvou atomů dusíku a čtyř atomů vodíku byste ve starší literatuře mohli najít i pod nyní již nepoužívaným označením diazan. Samotný hydrazin se jako palivo použít dá, ale kromě toho se často používají jeho chemické deriváty. Při náhradě jednoho vodíku metylovou skupinou (-CH3) získáme monometylhydrazin. Pokud metylovou skupinou nahradíme i vodík na druhém dusíku, získáme asi nejčastěji používaný dimetylhydrazin. U hydrazinových paliv se jako okysličovadlo používají různé sloučeniny na bázi dusíku. Může se proto použít třeba kyselina dusičná (HNO3), nebo oxid dusičitý (N2O4). Výhodou těchto paliv je to, že nemusíte nic zapalovat. Použité látky jsou totiž tzv. hypergolické. Stačí je smíchat dohromady a ony začnou hořet.
Jenže je tu jeden velký problém. Ať už samotný hydrazin, tak i jeho deriváty jsou velmi nebezpečné. Tato látka je při vdechnutí, nebo kontaktu s kůží jedovatá. Navíc působí velmi silně korozivně, takže nemůže dlouho zůstat v běžné nádrži – prostě by ji rozleptal. Nádrže pro hydrazin proto musí mít speciální úpravu. A jako bonus navíc hydrazin způsobuje rakovinu. To jsou důvody, proč se od jeho používání pomalu upouští. V současné době jej využívají prakticky jen čínské rakety Čchang čeng 2. Hydrazin a jeho deriváty jsou ale v jednom oboru jen těžko nahraditelné – řeč je o drobných korekčních motorcích na nejrůznějších družicích a sondách. Tyto motorky slouží k drobným korekcím dráhy na oběžné dráze. Tady je výhodou, že se směs nemusí zapalovat – nejsou proto limitovány počtem zapalovacích patron a mohou být zažehnuty libovolněkrát.
Kromě výše popsaných paliv se teoreticky uvažuje o nasazení nových paliv. Ale ať už je řeč o motoru na metan, nebo na čpavek, zatím jsou to všechno jen teoretické úvahy, na jejichž nasazení si budeme muset pár let počkat.
Zdroj: http://upload.wikimedia.org
Druhou kategorií paliv jsou paliva pevná. Zatímco u minulé skupiny, tedy paliv kapalných bylo palivo uložené někde v nádrži, pak jsme jej potrubím přivedli ke spalovací trysce, kde se spálilo a jeho spaliny vyletěly ven, u paliv pevných je „všechno v jednom“. Motor na tuhá paliva je prostě válcovitá nádoba se stěnami z několika centimetrů silné vrstvy oceli, ve které je uloženo palivo. Nádrž zde současně funguje jako spalovací komora. Nejsou zde žádná čerpadla, která by dostávala palivo k trysce. Ještě než přikročíme k detailnějšímu popisu samotného motoru, řekneme si pár slov o tom, z čeho se vlastně pevné raketové palivo skládá. V podstatě se jedná o směs, která při plnění připomíná těsto. V této směsi je už od výroby rovnoměrně smícháno palivo s okysličovadlem a dalšími látkami.
Za příklad nám poslouží složení směsi pro urychlovací bloky raketoplánů (dva bílé válce po stranách zrzavé externí nádrže). Největší podíl, celých 69% tvořil chloristan amonný, což bylo okysličovadlo. Dalších 16% připadlo na práškový hliník, který pomáhal hoření. Zhruba 12% směsi tvořila sloučenina polybutadienakrylát, 2% připadla na epoxidový vytvrzovač a 0,4% tvořil oxid železitý, který zde sloužil jako katalyzátor. Směs se při výrobě nalije do nádrže (v podstatě se jedná o tlakovou nádobu, protože musí odolávat značným tlakům). Po nalití se směs nechá vytvrdit. Důležité je, že se uprostřed této směsi ponechá otvor. Jeho tvar ovlivňuje rychlost hoření a jeho výběr je velmi důležitý – často se používá tvar několikacípé hvězdy. Po zážehu (často v horní části válce) začne tuhé palivo hořet a při tom vyvíjí velké množství plynů. Tlaky dosahují vysokých hodnot (klidně i 10 MPa), to klade velké nároky na konstrukci pláště. Plyny mají jedinou cestu ven – spodní tryskou. A nemají zrovna malou rychlost – 4 km/s.
Zdroj: http://galeria.index.hu
Motory na tuhé pohonné látky jsou poměrně snadno vyrobitelné a poskytují ve srovnání s motory na kapalná paliva nesrovnatelně vyšší výkon. Ale jak už to tak bývá, nic není ideální. Motory na tuhá paliva mají jednu zásadní nevýhodu. Nejdou zastavit. Jakmile se jednou zapálí, tak už je neuhasíte. Prostě hoří neustále do doby, dokud nespálí všechno palivo. Proto se velmi často používají jako urychlovací pomocné motory – třeba u raket Delta II, Atlas V, nebo již zmíněné motory SRB u raketoplánů. Kromě toho využívá motorů na tuhá paliva třeba evropská raketa Vega.
Až doposud jsme se věnovali pouze motorům založeným na principu chemickém. Spálíme palivo a spaliny nás donesou na druhou stranu. Objektivně musíme uznat, že pro rakety, které mají za úkol dostat náklad z povrchu Země na oběžnou dráhu jsou chemické motory nenahraditelné. Jiné typy pohonů jsou moc slabé na to, aby v krátkém časovém úseku mohly podat tak intenzivní výkon. Ovšem ve vesmíru je to jinak – nelimituje nás zemská přitažlivost a proto můžeme využít i jiných motorů. Zkusím to k něčemu přirovnat. Chemické motory jsou jako sprinteři na 100 metrů. Spousta svalů, které mají za úkol vyvinout co největší rychlost na krátkém úseku. Naopak jsou tu motory jiné, říkejme jim třeba maratónci. Okamžitým výkonem se se sprintery měřit nemohou, prohrály by na celé čáře. Na rozdíl od nich ale mohou poskytovat sice slabší výkon, ale po velmi dlouhou dobu. Ve výsledku pak jsou dokonce výkonnější než klasické motory chemické.
Zdroj: http://i1.sndcdn.com
Konkrétně jde třeba o motory iontové. Popsat jejich princip není snadné a jelikož je náš článek určený především začátečníkům, omezím se jen na základní charakteristiku. V nádrži paliva je uložen nějaký inertní plyn, často to bývá xenon. Jeho atomy se přivedou do elektrického pole, kde se nabijí a urychlí. Elektronové dělo pak ionty přemění zpět na atomy. Rychlost vypouštěných částic je několik desítek km/s! A protože iontový motor zachází s palivem velmi šetrně, stačí mu jen několik desítek, až set kg těžká nádrž. S takovou zásobou paliva dokáže být v součtu výkonnější, než pokud by se použil tradiční motor chemický. Jak jsme si už řekli výše – tento princip se nedá použít u raket, kde potřebujeme překonat gravitaci, ale uplatnění najde u kosmických sond. Nejznámějšími zástupci jsou třeba japonská Hayabusa, nebo americká Dawn.
Existují i další principy pohonu založené spíše na metodách fyzikálních – nejblíže k realizaci má třeba projekt VASIMR. Ten by měl pracovat na principu elektromagnetického urychlení. Radiové vlny by měly atomy paliva ionizovat a zahřát. O urychlení by se pak postaralo magnetické pole. Tento motor v podstatě pracuje s plasmatem. Je ale velmi náročný na spotřebu elektrické energie. A do ostrého nasazení ještě bude muset projít dlouhou cestu.
Náš dnešní díl pomalu končí. Na příští týden chystám volné pokračování, ve kterém se zaměříme pouze na raketové motory na kapalná paliva. Kromě jiného si vysvětlíme rozdíl mezi otevřeným a uzavřeným cyklem.
Zdroje informací:
http://cs.wikipedia.org/
http://en.wikipedia.org/
http://cs.wikipedia.org/
http://cs.wikipedia.org/
http://en.wikipedia.org/
http://en.wikipedia.org/
http://www.stream.cz/
Zdroje obrázků:
http://i1-news.softpedia-static.com/images/news2/Why-are-We-Still-Using-Rocket-Engines-for-Space-Travel-2.jpg
http://www.cojeco.cz/attach/photos/3ba296e2085ca.jpg
http://i075.radikal.ru/1207/87/69a1493f70e8.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/db/Hydrazine-3D-vdW.png/836px-Hydrazine-3D-vdW.png
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/14/SolidRocketMotor.png
http://galeria.index.hu/tudomany/2011/09/14/a_nasa_meghirdette_urprogramja_uj_zaszloshajojat_az_slst/2357562_a25104c22fe180c890d879dbd7e6bc54_l.jpg
http://i1.sndcdn.com/artworks-000024823838-52ul0g-crop.jpg?cc158ba
díky za článek, a těším se na pokračování!
Vdaka, necakal som taku promptnu reakciu 🙂
Konecne rozumiem ako funguje to tuhe palivo, vzdy mi bolo zahadou, ako sa moze tuhe palivo posuvat dole do „spalovne“ a pozri ho, ono hori zhora 🙂
Přesně tak – ono prohořívá tím středovým kanálkem.
Mimochodem, jak je vyřešeno, nebo jak funguje stav, kdy palivo odhořívá – řekněme že vyhoří třeba 90% paliva, jak je zajištěno že splodiny ze zbývajícího hoření jdou do trysky, a nevyplňují prostor po vyhořelém palivu? A nebo se tak děje, a postupně raketa ztrácí vlivem tohoto jevu tah?
samozřejmě mám na mysli raketu na tuhý pohon
Samozřejmě, že spaliny postupně plní uvolněný prostor po vyhořelém palivu. Ale plynů vzniká tak extrémní množství, že se to na tahu prakticky neprojeví. Tah v závěrečné fázi spíše klesá kvůli tomu, že už není povrch hoření příliš velký – lidově řečeno zbývá jen málo paliva.
Ako Dugi napísal, tvar otvoru má tvar hviezdy. Tým sa mnohonásobne zväčšuje povrch horenia. Postupne však cípy hviezdy prehoria a povrch na ktorom palivo horí je viac-menej kruhový. To spôsobí postupné znižovanie ťahu. Tá troška dymu ktorá zaplní dieru po vyhoretom palive na ťah prakticky nemá vplyv.
Napríklad, motory SRB pri raketoplánoch horeli do 50. sekundy na maximálne ťah cca 14,6 MN. potov však cípy hviezdice prehoreli a ťah sa pomaly znižoval. O koľko, to som nenašiel.
Tlak se postupně snižoval tak, že těsně před odhozením byl těsně pod 50% nominální hodnoty. Astronauti měli k dispozici ukazatele tlaku v obou SRB a jakmile proužek ukazatele klesl pod 50%, věděli, že za moment půjdou SRB pryč.
Díky oběma. Tzn. palivo nehoří seshora dolů, ale od středu (cípů hvězdy) ke stěnám rakety. Chápu dobře?
Přesně tak.
no tak moment, tak kde teda hori to palivo? V clanku pisete ze sa zapaluje casto „hore“, v diskusii mam pocit ze pisete ze hori celym objemom rakety a hori od stredu k stenam nadoby.
Ako to je? Alebo sa to proste zapali a hori to hlava nehlava? :))
Popíšu to ještě jednou podrobně – palivo je naplněno do válce a uprostřed se nechá otvor (nejčastěji ve tvaru hvazdy), který vytváří odshora dolů dutý kanálek. Tento kanálek se v horní části zapálí a „oheň“ se šíří po celém povrchu kanálku (tedy dolů). Čili za chviličku hoří celý povrch kanálku a hoření postupně spaluje palivo – čili kanálek se zvětšuje, rozšiřuje a blíží se ke stěnám.
Dik… a to potom vydrzi horiet tak dlho? Mi to pride ze cele to horenie bude skor take explozivne, ked sa uzmoni horiet na takom velkom povrchu.
Tomu sa hovorí kontrolovaná explózia. Palivo by sa normálnych okolností vybuchlo a zhorelo za pár sekúnd. Motory na tuhé palivo sú úžasné v tom, že sa to nestane. Musí tak byť veľmi presne zmiešaná pracovná látka s okysličovadlom.
Mám taky problém s výpočtem spotřeby paliva raketoplánu od Zemi k Marsu. Ak vím že hmotnost raketoplánu je 100 tun a po celou dobu se pohybuje konstantním zrýchlením 2mm/s2. A vím hodnoty slučovací entalpie N2H3CH a N2O4. Nevím co s tím ..Děkuji za rady.
Hezký den,
s výpočtem bohužel neporadím, nicméně dovolím si jen malou připomínku – doufám, že se jedná jen o něco na způsob slovní úlohy a nikoliv o vážně míněný výpočet. Už jen proto, že raketoplány nikdy nemohly opustit nízkou oběžnou dráhu Země a navíc při přeletové fázi (která běžně trvá 9 měsíců) ani zdaleka není potřeba mít neustále zapálené motory. Let k jiným planetám se dělá pomocí jednoho odletového zážehu, který trvá řádově několik minut a pak už těleso letí setrvačností, maximálně v průběhu letu provádí drobné korekce dráhy, přičemž zážehy trvají pár desítek sekund.
Není to náhodou jedna otázka z KSICHTu? Taky si s tím nevím rady, ale aspoň nechci, aby to někdo počítal za mě…
Když jsem se díval na wikipedii
tak jsem zjistil že 0,1 g antihmoty, by stačilo na cestu mars a zpět
je to neuvěřitelné ale už se pracuje na tomto motoru
takže nemusíš počítat palivo
Na motoru na antihmotu se skutečně nepracuje. Pokud to některý článek tvrdí, pak lže. S antihmotou máme tak málo zkušeností, že ještě potrvá hodně dlouho, než ji začneme nějak prakticky využívat.
Dobrý den, jen aby to s antihmotou nebylo jako s jadernou fúzí – prvně byla bomba (její návrh a konstrukce je mnohem jednodušeji než funkční produkční reaktor nebo motor). Někde jsem viděl návrh „antihmotové“ bomby – měla by fungovat tak, že ve třech oddělených vakuových komorách s magnetickými nádobami by byly – 1. komora = pozitrony, 2. komora = antiprotony, 3. komora = čistý běžný vodík. Obsah látek v 1. + 2. komory = obsahu látky ve 3. komoře. Před výbuchem/inicializací se obsahy komor „vstříknou“ do jakési 4. tzv spalovací komory, která tvoří uzel těch tří komor. Dojde ke styku antihmoty složené z pozitronů a antiprotonů s běžným vodíkem (hmotou) a tím k anihilaci – alespoň takto jsem pochopil princip z vědecké teorie pojednávající o tomto zařízení (velikostně – pouze můj odhad – je to použitelné asi tak na nákladní kontejnerové lodi, asi ani AN 225 nebo StarShip by to neuvezla). Je pravda, že jsem nikde nenašel ani teoretický, do podobné úrovně rozpracovaný návrh jakéhokoliv pohonu na bázi antihmoty.
a mimochodem nevíte jak se dostat na pokračování
Pokračování čeho? Článku? Dole pod článkem je rubrika Další Podobné Články. hned první článek pojednává o motorech na kapalná paliva, který avizuji na konci tohoto povídání – https://kosmonautix.cz/2013/03/raketove-motory-snadno-a-prehledne/
Ahoj, moc děkuji za článek. Hodně jsem se toho dozvěděl a chtěl bych se dozvědět ještě víc. Mám pár otázek.
Jak mohu udělat tuhé palivo pro svoji raketu která by letěla vysoko a byla hodně účinná ?
Z jakého materiálu se dělá plášť rakety pro tuhá paliva ?
Děkuji moc,
Kryštof
Hezký den,
díky moc za pochvalu. Co se směsi pro amatérskou raketu týče, tak tam bych doporučil obrátit se na nějaký spolek raketových modelářů – tam mají praktické zkušenosti s výrobou těchto látek.
Co se týče pláště pro motory raket na tuhá paliva, tak tam se používá ocel, která je opravdu silnostěnná (řádově centimetry), aby odolala extrémním tlakům, které ženou desítky tun těžké monstrum k obloze.
Děkuji moc za rychlé odpovědi.
Rádo se stalo. 😉
Super clanek ,:-) diky!
Děkujeme!
Jeětě k tomu, jak fungují rakety na tuhá paliva / jak tam palivo hoří. Také jsem se po tom pídil, abych to pochopil a našel jsem tento úžasný animovaný gif, který to pěkně vysvětluje, může to být pro někoho užitečné: http://giant.gfycat.com/SerpentineIgnorantAmmonite.gif
Perfektní, díky moc!
Dobrý den,
jsem teď trochu zmatená co se výkonu týče. Vy píšete, že tuhá paliva jsou výkonnější, na Wikipedii je však napsáno, že je to naopak. Normálně bych se Wiki neřídila, ale vzhledem k tomu, že ji máte uvedenou jako jeden ze zdrojů mě zaráží, že to máte napsané jinak.
Hezký den,
ono vždycky záleží na definici. Tou hlavní výhodou motorů na tuhé pohonné látky je jejich relativně snadná obsluha, vcelku jednoduchá konstrukce a také trvanlivost ve skladu v v natankovaném stavu.
Co se tahu týče, tak si můžeme porovnat tahy motorů SRB z raketoplánů – jeden z nich měl tah 12 000 kN. Když to srovnáme s vůbec nejsilnějším motorem na kapalné pohonné látky (RD-171M), tak jeho tah byl 7 256 kN na hladině moře. Lunární raketa Saturn V měla na prvním stupni motory F1 – každý s tahem 6 770 kN. A to ještě motory na tuhé pohonné látky pro SLS budou ještě silnější – každý bdue mít tah 16 000 kN.