Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 6 – vyšlo 7. února, ročník 18 (2020)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Typy raketových motorů

Vilém Boušek

V bulletinu AB 5/2020 jsme se zabývali velikostí trysky raketového motoru a chlazením spalovací komory a trysky. V dnešním bulletinu se zaměříme na druhy klasických chemických raketových motorů, které dělíme podle způsobu spalování na motory s otevřeným cyklem, motory s uzavřeným cyklem (bohatým buď na palivo, nebo na okysličovadlo) a hybridní motory kombinující více přístupů. Také se podíváme na některé nově vyvíjené motory kosmických agentur.

Typy raketových motorů. Symboly: T – turbina, P – pumpa (turbodmychadlo),
PG – plynový generátor, S – předspalovač. Zdroj: Everyday Astronaut.

NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších.

ESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008.

SpaceX – Space Exploration Technologies Corporation, soukromá technologická společnost působící v aerokosmickém průmyslu. Byla založena Elonem Muskem v roce 2002, z peněz za prodej jeho podílu v systému PayPal. V současné době provozuje rakety Falcon 9 a Falcon Heavy. Raketa Falcon 9 se v dubnu 2020 stala raketou s nejvyšším počtem startů v aktivní službě (84 startů). Na tomto postu vystřídala raketu Atlas V (83 startů). SpaceX také provozovala kosmickou loď Dragon, která v rámci první fáze programu CRS (Commercial Resupply Services (CRS) dovážela zásoby k ISS. Celkem došlo k 20 misím, ze kterých 19 bylo úspěšných. Vylepšená verze této lodi Dragon 2 bude dopravovat nejen zásoby (druhá fáze programu CRS), ale i astronauty na ISS v rámci programu Commercial Crew Program. K prvnímu letu s lidskou posádkou by mělo dojít 27. května 2020. V rámci programu Artemis, bude zásobovací loď Dragon XL dopravovat zásoby k lunární stanici Gateway. V současné době SpaceX pracuje na svém ambiciózním projektu s názvem Starship, který, pokud bude úspěšný, se stane prvním zcela znovu použitelným raketovým nosičem, jehož upravený první stupeň (také pojmenovaný Starship) v rámci programu Human Landing System bude pravděpodobným přistávacím modulem pro program Artemis.

Otevřený cyklus

Motor s otevřeným cyklem je nejjednodušším typem raketového motoru. Pracuje s kerosinem a okysličovadlem. Zjednodušeně lze činnost motoru popsat takto: součástí motoru je turbína, která spouští turbočerpadla dodávající palivo do spalovací komory. Jak se ale turbína s turbočerpadly roztočí? V tomto typu motoru se část paliva a okysličovadla spálí v plynovém generátoru a vzniklá energie se použije k roztáčení turbíny, která pohání turbočerpadla. Schéma motoru naleznete na předchozím obrázku. Vzniklé spaliny jsou odvedeny mimo motor a vypuštěny do atmosféry. Právě to je nevýhodou tohoto typu motoru, neboť je část paliva bez užitku vypouštěna pryč, a tím se účinnost motoru snižuje.

Asi nejznámějšími představiteli tohoto technického provedení jsou motory F-1, jež poháněly první stupeň Saturnu VSaturn V – největší nosná raketa dosud vyrobená člověkem. Raketa Saturn V byla použita v programu Apollo a bezpečně dopravila člověka na Měsíc. Později vynesla upravená verze kosmickou stanici Skylab na oběžnou dráhu Země. Jedná se o třístupňovou raketu. První stupeň (5 motorů F-1 společnosti Rocketdyne) využíval jako palivo kerosin a kapalný kyslík, hořel 150 sekund a celkový tah měl 34 MN. Druhý stupeň (5 motorů J2) měl jako palivo kapalný vodík a kyslík, hořel 360 sekund a tah měl 5 MN. Třetí stupeň měl jediný motor J2 s tahem 1 MN a zapaloval se dvakrát, poprvé na 165 sekund a podruhé na 335 sekund. Celková výška rakety byla 111 metrů, průměr měla 10 metrů, hmotnost 3 000 tun. Při 13 startech rakety nedošlo nikdy k žádné havárii. Poslední start proběhl v roce 1973. (spaliny z plynového generátoru byly využívány k chlazení trysky, viz AB 5), dalším příkladem je motor Merlin, jenž pohání rakety rodiny Falcon. Motor Vulcain s otevřeným cyklem používá také Evropská kosmická agentura na svých raketách Ariane. Motor Vulcain má jako palivo kapalný vodík a jako okysličovadlo kapalný kyslík. Spaliny z plynového generátoru se u tohoto motoru používají částečně k chlazení dolní části trysky, kam jsou vedeny.

Test motoru Merlin 1D s otevřeným cyklem. Zdroj: SpaceX.

Uzavřený cyklus (bohatý na okysličovadlo)

První použitelný motor s uzavřeným cyklem byl NK-15, jenž byl vyvinut pro Sovětskou raketu N-1, která měla dopravit sovětské kosmonauty na Měsíc. Později byla vyvinuta vylepšená verze NK-33, jejíž derivát RD-180 pohání americké rakety Atlas VAtlas V – nosná raketa NASA vyvíjena společností Boeing, od roku 2006 vyráběná společností United Launch Alliance. Celková výška Atlasu s druhým stupněm Centaur III je 60 m. Vzletová hmotnost je 333 000 kg. Připojením až pěti pomocných raketových motorů na tuhé palivo GEM 63 hmotnost vzroste až na 590 000 kg. První stupeň rakety Atlas V je poháněn jedním motorem RD-180 s tahem 3,8 MN a druhý stupeň – Centaur III je poháněn jedním motorem RL10C-1 o tahu 102 kN nebo dvěma motory RL10A-4-2 o celkovém tahu 198 kN..

Jak se sovětské motory dostaly do současných amerických raket? Abychom na tuto otázku odpověděli, musíme se nejprve seznámit s konstrukcí motorů s uzavřeným cyklem. Při konstrukci kerosinového motoru s uzavřeným cyklem se musí nějak vyřešit co se spalinami, které vznikají v plynovém generátoru. Z úvodních schémat je jasné, že sloučeniny uhlíku z předspalovače není možné vést přímo do spalovací komory, neboť ji znečistí. Do předspalovače proto musí vtékat mnohem více okysličovadla než paliva. Jedině tak se výrazně sníží koncentrace sloučenin uhlíku, které vznikají při spalování kerosinu. Zahřátý tekutý kyslík, jenž je pod enormním tlakem, se následně využije k roztočení turbíny pohánějící turbočerpadla a poté je kyslík nasměrován dále do spalovací komory.

Podmínky v turbíně jsou vskutku extrémní. Aby se zabránilo její destrukci, je vyrobena ze speciální slitiny. Vyrobit takovou slitinu se snáz řekne, než udělá. Vědci ve Spojených státech si mysleli, že je to zhola nemožné. Sovětským konstruktérům se ale podařilo vyvinout slitinu, která tyto podmínky vydrží. Po rozpadu Sovětského impéria koupila licenci na výrobu motorů společnost Rocketdyne, a tak se stalo, že sovětské motory pohání americké rakety.

Uzavřený cyklus (bohatý na palivo)

Jelikož se ve Spojených státech nedařil vývoj motoru s uzavřeným cyklem pro kerosin, bylo rozhodnuto jako palivo použít kapalný molekulární vodík. Při spalování vodíku a kyslíku vzniká voda, která nepoškozuje spalovací komoru ani trysku, a tak se zrodil americký motor s uzavřeným cyklem založeným na vodíkovém palivu. Vzhledem k tomu, že je potřeba přibližně 2,7 litru kapalného vodíku na jeden litr kapalného kyslíku a navíc je tekutý vodík mnohem řidší než kyslík, jsou nutná dvě turbočerpadla a dva předspalovače, viz následující obrázek.

Americký vodíkový motor s uzavřeným cyklem. Zdroj: NASA/Rocketdyne.

Pokud by došlo při úniku kapalného vodíku ke kontaktu s kapalným kyslíkem nebo hydroxylovými ionty OH, výsledkem by byl výbuch s fatálními následky. Proto jsou motory tohoto typu extrémně komplikované a náročné na údržbu. Hlavním představitelem jsou motory RS-25, s nimiž byly poháněny raketoplány a v dnešní době se jimi budou pohánět rakety SLSSLS – Space Launch System. Raketa vesmírné agentury NASA, která by měla do kosmického prostoru vynášet materiál i kosmonauty. První verze by měla mít nosnost 70 tun, později 105 tun a nakonec 130 tun. Počítá se s ní při dopravě astronautů k Měsíci. První testovací start bez posádky se uskutečnil v listopadu 2022. pro program Artemis (obnovené lety s lidskou posádkou na Měsíc). Na rozdíl od raketoplánu, kde se motor využíval opakovaně, se u rakety SLS s opětovným využitím a jeho výlovem nepočítá.

Převoz motoru RS-25 do testovací haly Stennisova střediska. Zdroj: NASA.

Uzavřený cyklus s úplným tokem

Anglicky se tento typ motoru nazývá „Full Flow Staged Combustion cycle“. Co se skrývá pod tímto „šíleným“ názvem? V podstatě jde o předešlé dva typy motorů s uzavřeným cyklem v jednom. Motor má dva předspalovače a hlavní spalovací komoru. Ve dvou předspalovačích, jejichž plyny pohánějí turbíny pro turbočerpadla, se spaluje jak směs bohatá na palivo, tak směs bohatá na okysličovadlo. Motor v sobě kombinuje nejen výhody obou typů, ale především má vysokou účinnost. Aby motor vydržel pracovní podmínky, je opět zapotřebí velmi odolná slitina. A dle zprávy, kterou napsal Elon Musk na Twitter dne 22. prosince 2018, se týmu Space X tuto slitinu podařilo vyrobit. Metalurgický tým SpaceX vyvinul superslitinu SX500, která která vydrží působení horkého kyslíkového plynu i při tlaku přes 80 megapascalů. Musk dodal: „Bylo to obtížné. Téměř všechny kovy za těchto podmínek shoří.“

V historii byly pouze tři pokusy o vytvoření tohoto typu motoru a jedinou použitelnou konstrukcí je motor Raptor od společnosti SpaceX používající jako palivo kapalný metan. Motor Raptor bude pohánět novou generaci nosičů této firmy.

Metanový motor Raptor společnosti SpaceX. Nahoře testy samotného motoru,
dole start lodi Starhopper s motorem Raptor. Zdroj: SpaceX.

Odkazy