Hogyan működik egy rakéta? A kérdésre a válasz elsőre sokaknak ijesztő lehet, mert túlságosan bonyolultnak gondolják. Félreértés ne essen, egy rakéta működése valóban elképesztően komplex rendszerek összessége. Az űrkutatás a technológia határait feszegeti, viszont, ha mellőzzük a sokak számára unalmas kémiai és fizikai képletek és számítások tömkelegét, akkor bizony a rakétatudomány nagyon is érdekes olyanok számára is, akik esetleg nem szeretnének vagy félnek belemélyedni a témába. Ebben a cikkben megismerhetitek kis és nagy rakéták működési alapelveit, a különböző hajtóművek fajtáit és azoknak használati feltételeit.
Ha belegondolunk, lényegében miből áll egy rakéta? Nagy vonalakban nem más, mint maga a hasznos teher, a rakéta hajtóműve, az ahhoz szükséges üzemanyag, az egészet egyben tartó strukturális elemek és rakétát irányító berendezések, mint például a fedélzeti számítógép és egyéb elektronikai rendszerek. A strukturális elemek és az üzemanyagtartályok tömegének minimalizálása kulcsfontosságú egy rakéta sikeréhez a hasznos teher maximalizálása érdekében.
A hajtómű az egyik legfontosabb és kétségkívül a legösszetettebb része a rakétának, feladata nem más, mint minél hatékonyabban elégetni a rendelkezésre álló üzemanyagot, melynek következményül Newton 3. törvénye szerint a kiáramló égéstermék erőt fejt ki a rakétára, amit tolóerőnek nevezünk.
Egy hajtómű hatékonyságát sok dolog befolyásolja, amiről egy egész főiskolát lehet végezni, de a legfontosabbak:
• az égéskamrában keletkező nyomás,
• az elégő üzemanyag hőmérséklete,
• a fúvóka tágulási aránya
• az üzemanyag atomtömege
• és a külső nyomás.
Vessünk egy pillantást most ezekre a tulajdonságokra.
Az égéskamrában elért hőmérséklet főként az üzemanyagtól függ, például az RP-1 égési hőmérséklete csaknem 700°C-al magasabb, mint a hidrogéné, erről bővebb információt az üzemanyagokról szóló cikkemben találsz. Befolyásolja még továbbá az üzemanyag és oxidálószer aránya és azoknak keveredése pl. sztöchiometriai keverék esetén (2 Hidrogén atom + 1 Oxigén atom) szabadul fel a legtöbb hőenergia, ez azonban nem minden esetben előnyös, ezért általában vagy oxidálószer vagy pedig üzemanyag gazdag keverék kerül az égéskamrába, az égési hőmérséklet csökkentése érdekében.
A képen egy félbevágott orosz hajtómű látható.
A fúvóka tágulási aránya a fúvóka „harang” két vége közötti arány, lényegében a fúvóka vége és az égéskamrát összekötő ún. hajtómű torok. Természetesen ezt is több tényező folyásolja be, viszont nagy vonalakban annyit kell tudni, hogy a nagyobb arány hatékonyabb hajtóművet eredményez, azonban hátulütője a vékony toroknak, hogy kisebb mennyiségű üzemanyagot tud a rakéta kilövelni, ami kevesebb tolóerőt jelent. A hajtómű fúvókájának fő feladata az égéskamrában keletkező nagy nyomású gázokat szuperszonikus (hangsebességnél nagyobb) sebességre gyorsítani, valamint elérni, hogy a fúvókát elhagyó gázok nyomása megegyezzen a külső nyomással. Ezért általában a rakéták első fokozatai kisebb, míg a vákuumra optimalizált hajtóművek meglehetősen nagy fúvókával és tágulási aránnyal rendelkeznek. A nagy fúvókára azért is szükség van vákuumban, hogy a kiáramló gázok megfelelően kitágulhassanak, ezzel a maximalizálva a tolóerőt.
A kép bal oldalán zöld szín azt jelenti, hogy az égésterméknek alacsony a sebessége, míg a piros a nagy sebességgel áramló gázokat jelöli. Ezzel pont ellentétes a hőmérséklet, ami a bal oldalon a legmagasabb, míg a jobb oldalon a táguló gázok hőmérséklete alacsonyabb.
A hajtómű hatékonyságát leginkább befolyásoló tényező az égéstérben keletkező nyomás. Minél nagyobb a nyomás, annál nagyobb lesz a kiáramló gázok mozgási energiája. Tudni kell, hogy a kisebb atomtömegű részecskéket nagyobb sebességre lehet gyorsítani.
A képen az A esetben nagyobb az égéskamra nyomása, ami megnövekedett tolóerővel jár.
Adja magát a kérdés: hogyan juttatunk üzemanyagot egy kamrába, ahol hatalmas a nyomás? Tudjuk, ugyebár, hogy egy 8 bar-os nyomás alatt lévő tartályból jó esetben nem fog az üzemanyag magától az égéskamrába jutni, rosszabb napokon az égéstermék az üzemanyag csöveken keresztül visszajuthat a tartályba és akkor sor kerülhet egy úgynevezett gyors átgondolatlan szétszerelésre.
Nem is gondolná az ember, de nem kell olyan messzire menni, ha táguló gázokból kinyert energiából szeretnénk hasznos munkát kinyerni. Egy belsőégésű motor, noha nagyban különbözik egy rakétahajtóműtől, alapvetően ugyanazokon a fizikai jelenségeken alapul: 1. összekeverjük az üzemanyagot oxidálószerrel, 2. a keveréket nagy nyomásra préseljük 3. a reakciót katalizáljuk (begyújtjuk az elegyet) 4. a reakció által létrehozott hő hatására a gázok kitágulnak, ami munkát végez. Ez a négy lépés valamelyest megegyezik a mindennapi autó belső égésű motorjában és az egyáltalán nem mindennapi rakétahajtóművekben. A fő különbség itt annyi, hogy míg egy belső égésű motorban ezek a lépések ismétlődve, szakaszosan játszódnak le, addig egy rakétában ez folyamatos, ugyanis a meghajtást nem egy fel- és lemozduló dugattyúból nyeri, hanem a kiáramló gázok mozgási energiájából.
Az üzemanyag keveredése porlasztók segítségével történik, az üzemanyagot és az oxidálószert nagyon kis fúvókákon keresztül apró cseppek formájában fecskendezik be az égéstérbe, a lehető legjobb keveredés érdekében.
A képen az F1 hajtómű égéskamrájának teteje és az üzemanyagot és oxidálószert befecskendező nyílások láthatóak.
A gyújtás az égéstérben folyamatosan történik, a táguló gázoknak pedig a fentebb említett fúvóka segít szuperszonikus sebességre gyorsulni és tolóerőt létrehozni.
Az egyik legnagyobb kihívás egy hajtómű tervezésekor elérni a lehető legnagyobb nyomást az égéstérben. Az üzemanyag égéskamrába juttatása a tengerszinti nyomás akár többszázszorosán nem kis feladat és az ezen dolgozó mérnökök, a határokat feszegetik anyagtudomány és hidrodinamika terén. Most a teljesség igénye nélkül, leegyszerűsítve szeretnék egy kis áttekintést nyújtani a különböző hajtómű ciklusokba és hogy miként jut a hajtóanyag a tartályból az égéstérbe.
Kezdésnek a legegyszerűbb meghajtórendszer, ami nem más, mint a nyomással táplált hajtómű (pressure-fed engine). Ebben a rendszerben egy nem reaktív (inert) gáz (általában hélium) nyomás alatt tartja az üzemanyagtartályokat. Az égéskamrában elérhető nyomás egyenesen arányos a hélium nyomásával, és nem lehet nagyobb annál. Ezek a hajtóművek általában alacsony tolóerőt igénylő helyeken bukkannak fel, mint pl. műholdak manőverező rendszerei. Alacsony kamranyomása miatt nem praktikus a tengerszinten való használata. Mivel néhány szelepen kívül szinte semmilyen mozgó alkatrészt nem tartalmaznak, ezért nagyon megbízhatóak, kicsi az esély arra, hogy bármi balul sül el. Az ilyen fajta hajtóműveket kritikus fontosságú helyeken alkalmazzák, például az Apollo holdkompon vagy a Crew Dragon küldetésmegszakító rendszerében.
Az expander ciklusú hajtóművek a kriogén hajtóanyagok tulajdonságát használja ki: a rendkívül hideg üzemanyag a forró fúvóka és égéskamra falán végig vezetve hőt vesz fel attól, így az üzemanyag folyékonyból gázneművé alakul. Az így sokkal nagyobb térfogatú már gáznemű üzemanyag egy turbina meghajtása után kerül az égéstérbe. A turbina egy tengelyhez van kapcsolva, aminek másik végén egy turbószivattyú található, ami a táguló üzemanyagból kinyert energiával pumpálja nagy nyomással a hajtóanyagot az égéstérbe. Ezzel a módszerrel jelentős nyomáskülönbség érhető el a tartályok és az égéskamra között, aminek eredményeképp hatékonyabb hajtóművet kapunk.
Az összes közül talán a leginnovatívabb az elektromotorral hajtott turbószivattyú (electric pump-fed engine), itt turbina helyett a szivattyút egy elektromotor forgatja, melyek akkumulátorokból nyerik az energiát. Jelenleg csak két példa van ilyen fajta meghajtásra, ami a Rocket Lab Rutherford és az Astra Space Delphin nevű hajtóműve. Ez a rendszer az akkumulátorok tömege miatt jócskán veszít hatékonyságából és praktikusságából nagyobb méreteknél, azonban megbízhatóság szintjén alig marad el nyomással táplált hajtóművektől.
Következő nagy kategória a nyílt ciklusú hajtóművek (open cycle engines), ezek egy előégető kamrával rendelkeznek, ahol kis mennyiségű üzemanyagot, valamint oxidálószert égetnek el, ezzel a nyomással egy turbinát meghajtva, ami a kinyert energia segítségével juttat hajtóanyagot az égéstérbe. Ezek már sokkal összetettebb mechanizmusokat tartalmazó hajtóművek, viszont kiegyensúlyozott komplexitásuk, hatékonyságuk és tolóerejük miatt nagyon is népszerűek. Említésre méltó többek között a Falcon-9 és Falcon Heavy Merlin-1D és a Saturn V F-1 hajtóművei stb.
A nyílt ciklusú hajtóművek felett úgymond a következő szinten a zárt ciklusú hajtóművek állnak. Ezeknek működési elve többféle lehet, ám lényege, hogy a nyílt ciklussal szemben az előégetőből távozó gázok visszavezetésre kerülnek a fő égéskamrába, ahol további kémiai energia tud felszabadulni és munkát végezni. Ide tartoznak a szakaszos égési ciklusú (staged combustion) és a teljes áramlású szakaszos égési ciklusú (full flow staged combustion) hajtóművek.
Előbbit elsőként a Szovjetunióban fejlesztettek, az ötvenes években, mindaddig az amerikaiak lehetetlennek és megbízhatatlannak tartottak egy ennyire összetett hajtóművet. Itt egy előégető kamrában az üzemanyagot kis mennyiségű oxidálószerrel részlegesen elégetik. Az így keletkező nagy nyomású gáz hajtja meg a turbinát, ami közös tengelyen van az üzemanyag és oxidálószer szivattyúkkal. Annak érdekében, hogy szabályozható legyen a hajtóanyag keveréke egyes hajtóművek áttételeket használnak a szivattyú és a turbina között. Ilyen elven működő hajtóművek például az űrsiklóban és az SLS-en használatos RS-25, valamint a Szovjetunióban fejlesztett RD-180.
Mind közül a leghatékonyabb, ám egyben a legösszetettebb a teljes áramlású szakaszos égési ciklusú rakétahajtómű. A név arra utal, hogy az üzemanyag és az oxidálószer is teljes egészében átfolyik egy előégető kamrán, melyből értelem szerűen így 2 szükséges. Az egyik oxidálószerben, míg a másik üzemanyagban gazdag égésterméket hoz létre melyek külön turbinákat hajtanak meg. A részben elégetett hajtóanyag teljes egészében a fő égéskamrába kerül, a nyílt ciklusú hajtóművekkel szemben itt nincs „elvesztegetett” üzemanyag. Csupán három hajtómű létezik, ami ezt a ciklust használja: a szovjet RD-270, az Aerojet Rocketdyne által fejlesztett Integrated powerhead és a Spacex Raptor hajtóműve, utóbbi már bizonyította alkalmasságát és repülésre képes, noha még van hova fejlődni a megbízhatóság terén. Nagy előnyük, hogy az üzemanyag-oxidálószer arányát pontosan lehet szabályozni, az egyes előégetőkbe jutó hajtóanyag mennyiségének irányításával. Nem véletlen, hogy csupán néhányan próbálkoztak ilyen hajtóművet fejleszteni, ugyanis ezeknek a szerkezeteknek elképesztő összetettsége rendkívüli mérnöki tudást és gyártási precizitást igényel.
Végül megemlítenék egy még kísérleti fázisban lévő hajtóművet. 2020-ban egy floridai egyetem sikeres tesztet végzett és demonstrálta, a forgó robbanó hajtómű működését. Az ötlet már a 60-as években megvolt, viszont a technológia a hajtóanyag precíz befecskendezésére csak nemrég bizonyult lehetségesnek. Ez a hajtómű minden jelenleg létezőtől hatékonyabb lenne, ám alacsony tolóereje miatt kizárólag felső fokozatokban lenne praktikusan használható. Az alapja, hogy egy gyűrű alsó részére üzemanyag fecskendőket helyeznek, melyek egymás után juttatnak hajtóanyagot a gyűrűbe, az égés pedig periodikusan történik egyfajta körkörös detonációként.
