Rakéta üzemanyagok

Kapcsolódó

A nap képe #1446 – Armstrong felkészülése

Neil Armstrong szimulációs gyakorlaton vesz részt 1969. április 18-án.

5 évesek lettünk!

2019. április 20-án írtuk első cikkünket az akkor még...

Hétzáró indítás a Hszicsang Űrközpontból

Kína keretbe zárta a hetet, hiszen hétfőn, valamint vasárnap,...

A nap képe #1445 – Csodálatos Föld

Michael López-Alegria szavaival élve: "Semmilyen szintű oktatás vagy felkészülés...

Bizonyára mindnyájan láttunk már rakétaindítást, megcsodáltuk, ahogy a lefelé kiáramló forró tűzcsóva felfelé tolja a rakétát hatalmas füstfelhőt hagyva maga után… Nem mindenki tudja viszont, hogy mi is jön ki „tűzként” a rakéta alján vagy mi a különbség a Falcon-9 aranysárga és a Delta IV szinte átlátszó égésterméke között.

Kíváncsiágból körbekérdeztem az űrutazásban kevésbé érdekelt ismerőseimet, hogy szerintük mi egy rakéta üzemanyaga. Kellemes meglepetésemre ez a lépés nem bizonyult teljesen feleslegesnek, ugyanis a többség általában benzinre vagy kerozinra tippelt, ami nagyon is közel van az RP-1-hez, ami lényegében finomított repülőgép-üzemanyag. Voltak, akik héliumot vagy nitrogént mondtak, és igazság szerint ők sem járnak messze, hiszen ezek a gázok is fontos szerepet töltenek be az űrhajózásban.

A rakétaipar jelenleg számos üzemanyagot használ, a repülőgépekkel ellentétben nincs egyetlen üzemanyag, ami az összes felett állna, mindegyiknek megvannak a maga előnyei és hátulütői. Hasonlítsuk tehát össze a leggyakrabban használatos üzemanyagokat, melyiket mikor, mire használják és milyen tulajdonságokkal rendelkeznek.

Kezdésnek vessünk egy pillantást a hidrogénre, ez az elem a periódusos rendszer legelső tagja, és emellett a legkisebb az atomtömege. Ez azért nagyon fontos, ugyanis egy üzemanyag fajlagos impulzusa (ISP) annál nagyobb, minél kisebb az üzemanyag molekulatömege. Ilyen tekintetben a hidrogén a legjobb létező üzemanyag. Ha már a kémiai tulajdonságokról beszélünk akkor érdemes megemliteni, hogy a hidrogén robbanékony elegyet alkot az oxigénnel, ami nagyban hozzájárul népszerűségéhez. Rendkivül magas hatékonyságát mi sem bizonyitja jobban, mint az űrsikló főhajtóműve az RS-25, valamint a Saturn-V második és harmadik fokozatát meghajtó J-2 is ezt használta üzemanyagnak, de nem szabad elfelejteni, hogy a Delta IV és Delta IV Heavy első és második fokozata is hidrolox meghajtással rendelkezik. Nagy hátránya a hidrogénnek a tárolhatóság, gondolva itt a forráspontjára, ami rendkívül alacsony. Ez az alacsony hőmérséklet, amit kriogenikusnak hívnak a szakértők, lehetővé teszi a használatát regenerativ hűtésű hajtóművekben, ami leegyszerűsitve annyit tesz, hogy az üzemanyag egy részét (vagy az összeset) a hajtóműfúvóka falán végigvezetik, ezzel utóbbit lehűtve. Az igy felhevülő üzemanyag jelentősen kitágul, ezzel pedig bizonyos esetekben egy úgynevezett expander ciklusú turbinát hajtva meg, ami aztán üzemanyagot, valamint oxidálószert pumpál az égéskamrába.

A kép jobb oldalán az űrsikló főhajtóművei, a hidrogénre működő RS-25-ből kiáramló égéstermék szinte teljesen átlátszó, míg a bal oldali szilárd hajtóanyagú gyorsítórakéta égésterméke vakító fehér

Következzen az RP-1 (Rocket propellant 1), ami kőolajszármazék, tulajdonképpen finomított repülőgép üzemanyag. Többek közt a Falcon-9 Merlin hajtóműveihez használatos hajtóanyag, de ezt használták még például a hatalmas Saturn-V rakéta F-1 hajtóművei, az Atlas rakéta valamint a Delta család első három tagja és számos más rakéta is. Egyik legnagyobb előnye az RP-1-nek, hogy nem kell embertelenül alacsony hőmérsékleten tárolni, hogy folyékony halmazállapotban maradjon, ebből kifolyólag nem szükséges annyi szigetelést használni az üzemanyag tartályokon, ezzel értékes tömeget megtakarítva. Az RP-1 több, mint tízszer sűrűbb a hidrogénnél, ami azt jelenti, hogy egy egységnyi méretű tartályba sokkal nagyobb tömegű üzemanyagot lehet helyezni. Hátulütője az RP-1-nek a magas atomtömege a hidrogénnel szemben, ami alacsonyabb fajlagos impulzust eredményez. Továbbá nem ideális olyan előégetővel rendelkező hajtóművekben használni, melyek üzemanyagban gazdag égésterméket hoznak létre, ugyanis a hosszú szénhidrogénekből álló molekulák lerakódhatnak a turbina lapátjaira, amitől az könnyen meghibásodhat. Erre léteznek megoldások, de sok esetben inkább oxidálószerben gazdag keveréket használnak. Érdekességképp az oroszok RP-1 helyett RG-1-et használnak. A különbség a kettő között minimális, az RG-1 valamivel sűrűbb RP-1-nél, viszont alacsonyabb az égési hőmérséklete, így a két üzemanyag Isp-je tulajdonképpen megegyezik.

A metán a Spacex vadonatúj Raptor hajtóműveihez használatos üzemanyag, ami remélhetőleg elsőként fog embert szállítani a Marsra. Jelenleg egyetlen metán hajtású rakéta sem állt Föld körüli pályára, ám a Spacex 2021 nyarán ezen változtatni szeretne.

Ami a metánt illeti a legtöbb kategóriában az RP-1 és a hidrogén között helyezkedik el. Legfőbb előnyei közé tartozik, hogy forráspontja közel van a folyékony oxigénéhez, aminek köszönhetően egy viszonylag vékony fallal elég elválasztani az oxidáloszertől. Mivel a SpaceX a Raptor hajtóművet elsődlegesen a Starship nevű rakétához fejleszti, aminek célja a Föld-Mars közti transzportáció kiépítése, ezért fontos, hogy olyan üzemanyagot használjon, amit ott is elő lehet állitani. Nyilvánvalóan nem lenne praktikus magunkkal vinni a Marsra a visszatéréshez szükséges összes üzemanyagot. Tudjuk, hogy a Marson található fagyott víz, amit egyesek jégnek csúfolnak, ez ugyebár H2O, amit elektrolízis segítségével hidrogénre (H2) és oxigénre (O2) bonthatunk.

A Mars északi sarkán található jégsapka

Tudjuk továbbá, hogy a Mars légköre 95%-ban CO2 (szén-dioxid). A metán pedig nem más mint egy magányos szén atom 4 hidrogén atommal körbevéve (CH4). Egy úgynevezett Sabatier-eljárás segítségével hidrogént és szén-dioxidot tudunk metánná alakítani, amit egyenesen tölthetünk is a rakétába. A reakció mellékterméke víz, amit vissza vezethetünk a folyamat legelejére, illetve az elektrolízis során előállított oxigén, ami pedig oxidálószerként használható az űrhajóban valamint szerves organizmusok (emberek) általi fogyasztásra alkalmas.

Felmerül a kérdés: ha tudunk hidrogént és oxigént előállítani, akkor miért a metánra esett a választás, ami egy extra lépést igényel az előállítás során. Az egyszerű válasz megint csak a tárolhatóság. A metán forráspontja közelebb áll a Marsi hőmérsékletekhez, így értékes energiát lehet spórolni a hűtőrendszereken.

Első hallásra talán meglepő lehet egyeseknek az alkohol, mint rakétaüzemanyag, a tény viszont az, hogy a híres német V-2 rakéta 75%-os koncentráltságú alkoholt használt hajtóanyagként. Noha a V-2-ben használt alkohol nem alkalmas fogyasztásra, kémiailag nem áll olyan távol a boltban kapható társától.

Oroszországban számos feljegyzett haláleset van, amit elfogyasztott rakétaüzemanyag okozott, ugyanis illata szinte teljesen megegyezik a vodkáéval. Ennek következtében elkezdtek mérgező anyagot valamint festéket keverni az alkoholba a fogyasztás megállítása érdekében, ez azonban csak félig volt hatásos. Az alkohol használatát gyorsan felváltotta a finomitott kerozin, ami hatékonyabbnak bizonyult.

 

Piroforos (hipergolikus) rakétaüzemanyagok

A hagyományos folyékony üzemanyagokkal szemben a piroforos hajtóanyagok keveredéskor spontán oxidálódnak, magyarul: nem szükséges semmilyen begyújtó rendszer vagy gyújtófolyadék a reakció elindításához.

Vessünk egy gyors pillantást ezekre az üzemanyagokra és felhasználásukra az űrutazásban.

Nagy előnye a piroforos üzemanyagoknak a hosszú „szavatossági” idejük, emiatt alkalmasak hosszú küldetésekre: például műholdak vagy egyéb űreszköz manőverezési rendszereiben, mivel nem szükséges nagyon hidegen vagy nagy nyomáson tárolni őket.

UDMH vagy aszimmetrikus dimetilhidrazin a jelenleg is szolgálatban álló Proton, illetve Long March hordozórakéták üzemanyaga. Mivel az oxidáció végbemenéséhez nem szükséges gyújtórendszer, ezek a rakétahajtóművek (Proton: RD-275, Long March: YF-20-as széria és YF-40) egyszerűek és megbizhatóak. Mérgezősége és a környezetre gyakorolt hatása miatt sokan tiltakoznak az ezzel működő hordozórakéták használata ellen, főként miután a Kínai Nemzeti Űrügynökség egy meghibásodott rakétafokozata egy faluhoz közel csapódott be.

Az orosz Proton rakéta

A kínai falu közelében lezuhant rakéta maradványai

MMH, teljes nevén monometilhidrazin szintén nagyon hasznos vegyület a stabilitása miatt. Hatékonyságban és sűrűségben valamelyest megelőzi az UDMH-t, viszont egyelőre egyiket sem ajánlom gargalizálásra. Legfőbb felhasználása az űrsikló OMS (orbitális manőverező rendszer) volt, ahol fontos a könnyű tárolhatóság, de előszeretettel használják különböző műholdakon is.

A képen a három fő hajtómű jobb és bal oladalán a két kisebb fúvóka a manőverező rendszer részei

Meg szeretnék továbbá említeni egy harmadik piroforos keveréket, ami nem más, mint a TEA-TEB vagy trietil-alumínium-trietil-borán (próbáld meg 5x gyorsan kimondani egymás után). Ez a keverék az RP-1-gyel működő hajtóművek begyújtására használatos, az RP-1 érkezése előtt kerül befecskendezésre az égéskamrába. A Spacex Merlin hajtóművei használják, viszont az ikonikus F-1 hajtóműveket is így indították be annak idején.

A képen a Falcon-9 indítása, tisztán látható a zöld láng, ami a TEA-TEB-nek köszönhető

Végül csak röviden megemlítve az egykomponensű hajtóanyagokat, melyek közül a leggyakoribb a hidrazin (N2H4). Ezt a vegyületet egy katalizátoron (leggyakrabban: irídiummal borított alumínium szemcséken) keresztül vezetve heves exoterm kémiai reakció indul be, ami a hajtóanyag 1000 oC körüli hőmérsékletre való felmelegedésével jár. Az igy kitáguló gáz pedig egy fúvóka segitségével tud meghajtást generálni. Származékaihoz hasonlóan a hidrazin is rendkivül mérgező. Az üzemanyagot a német légierő kezdte használni a második világháborúban, viszont egyszerűsége és megbízhatósága miatt ezt az üzemanyagot használta számos Mars felszínére induló küldetés, többek között a Perseverance Marsjáró is.

A képen a Perseverance marsjáró skycrane rendszere jelenleg működésben, a kiáramló gázok teljesen átlátszóak

Léteznek még úgynevezett hideg-gáz hajtóművek, melyekben nem történik semmilyen kémiai reakció, a meghajtást kizárólag a nyomás alatt lévő gáz tágulásából nyeri. Ezek a rendszerek gyakoriak olyan küldetéseken, ahol fontos a szennyeződés elkerülése, érzékeny kísérletek vagy emberek jelenlétében.

A szilárd hajtóanyagú rakétaüzemanyagokról egy másik cikkben fogok beszélni.

Dark mode powered by Night Eye