Kuinka kiinteän polttoaineen raketti toimii

Kiinteät polttoaineet sisältävät raketit sisältävät kaikki vanhemmat ilotulitusraketit, mutta nyt on olemassa edistyneempiä polttoaineita, malleja ja toimintoja kiinteillä ponneaineilla.

Kiinteä ponneaine raketit keksittiin ennen nestepolttoainetta käyttäviä raketteja. Kiinteä ponneaine tyyppi alkoi tutkijoiden Zasiadkon, Constantinovin ja Congreve. Nyt edistyneessä tilassa kiinteät polttoainetta käyttävät raketit ovat edelleen laajassa käytössä, mukaan lukien Space Shuttle -kaksoisvahvistinmoottorit ja Delta-sarjan tehosterokotteet.

Pinta-ala on polttoaineen liekkille altistuneen ponneaineen määrä, joka on suorassa yhteydessä työntövoiman kanssa. Pinta-alan lisääntyminen lisää työntövoimaa, mutta vähentää palamisaikaa, koska ponneaine kulutetaan nopeutetulla nopeudella. Optimaalinen työntövoima on tyypillisesti vakio, joka voidaan saavuttaa pitämällä vakio pinta-ala koko palamisen ajan.

Esimerkkejä jatkuvista pinta-alaisista raekuvioista ovat: loppupoltto, sisäkerroksen ja ulomman ytimen palaminen ja sisäinen tähtiydinpoltto.

Vilja-työntösuhteiden optimointiin käytetään erilaisia ​​muotoja, koska jotkut raketit saattavat tarvita alun perin korkea työntökomponentti lentoonlähtöön, kun taas alempi työntövoima riittää sen käynnistyksen jälkeisen regressiivisen työntövoiman vaatimuksista. Monimutkaisissa viljaydinkuvioissa raketin polttoaineen paljaan pinta-alan hallitsemiseksi on usein osia, jotka on päällystetty palamattomalla muovilla (kuten selluloosa-asetaatti). Tämä kerros estää poltto liekkejä syttymästä sitä polttoaineosaa, joka syttyy vasta myöhemmin, kun palo saavuttaa polttoaineen suoraan.

Raketin ponneaineen rakekohtainen impulssi suunnittelussa on otettava huomioon, koska se voi olla erohäiriö (räjähdys) ja onnistuneesti optimoitu työntövoima tuottava raketti.

• Kun kiinteä raketti on sytytetty, se kuluttaa koko polttoaineensa ilman mitään mahdollisuutta sulkemiseen tai työntövoiman säätämiseen. Saturn V -kuukaketjuraketti käytti lähes 8 miljoonaa puntaa työntövoimaa, joka ei olisi ollut mahdollista käytettäessä kiinteää ponneainetta, edellyttäen korkeaa ominaisimpulssista nestemäistä ponneainetta.
• Monopolttoainerakeiden esisekoitettuihin polttoaineisiin liittyvä vaara, ts. Joskus nitroglyseriini on ainesosa.

Yksi etu on helppo varastoida kiinteitä polttoainerakeita. Jotkut näistä raketeista ovat pieniä ohjuksia, kuten Rehellinen John ja Nike Hercules; toiset ovat suuria ballistisia ohjuksia, kuten Polaris, kersantti ja Vanguard. Nestemäiset polttoaineet saattavat tarjota paremman suorituskyvyn, mutta ponneaineiden säilytys- ja käsittelyvaikeudet lähellä absoluuttista nollaa (0 astetta) Kelvin) on rajoittanut niiden käyttöä, koska se ei pysty vastaamaan tiukeimpiin vaatimuksiin, joita armeija vaatii tulivoimastaan.

Nestemäisiä raketteja käsitteli ensin Tsiolkozski julkaisussa "Tutkimus planeettojenvälisestä avaruudesta reagoivien laitteiden avulla", julkaistu vuonna 1896. Hänen ajatuksensa toteutui 27 vuotta myöhemmin, kun Robert Goddard laukaisi ensimmäisen nestepolttoaineisen raketin.

Nestemäiset raketit kuljettivat venäläisiä ja amerikkalaisia ​​syvälle avaruuskauteen mahtavilla Energiya SL-17- ja Saturn V -raketeilla. Näiden rakettien suuri työntökapasiteetti mahdollisti ensimmäiset matkamme avaruuteen. Saturn V -raketin 8 miljoonan paunan työntövoiman ansiosta "ihmiskunnan jättiläinen askel", joka tapahtui 21. heinäkuuta 1969 Armstrongin astuessaan kuulle, tehtiin mahdolliseksi.

Kaksi metallisäiliötä pitää vastaavasti polttoaineen ja hapettimen. Näiden kahden nesteen ominaisuuksien vuoksi ne lastataan tyypillisesti säiliöihinsä juuri ennen lastaamista. Erilliset säiliöt ovat välttämättömiä, koska monet nestemäiset polttoaineet palavat kosketuksessa. Asetetun käynnistysjärjestyksen jälkeen kaksi venttiiliä aukeaa, jolloin neste virtaa putkistoon. Jos nämä venttiilit yksinkertaisesti aukesivat, jolloin nestepolttoaineet voivat virtata palamiskammioon, a heikkoa ja epävakaa työntövoimaa tapahtuisi, joten joko paineistettu kaasusyöttö tai turbopumpun syöttö on käytetty.

Näiden kahden yksinkertaisempi, paineistetun kaasun syöttö, lisää korkeapainekaasusäiliön käyttövoimajärjestelmään. Kaasua, reagoimatonta, inerttiä ja kevyttä kaasua (kuten heliumia) pidetään ja säädetään venttiilillä / säätimellä voimakkaan paineen alaisena.

Toinen ja usein edullinen ratkaisu polttoaineensiirto-ongelmaan on turbopumppu. Turbopumppu on sama kuin normaali toimiva pumppu ja ohittaa kaasupaineistetun järjestelmän imemällä potkurit pois ja kiihdyttämällä ne polttokammioon.

Hapetin ja polttoaine sekoitetaan ja sytytetään palamiskammion sisällä ja syntyy työntövoima.

Valitettavasti viimeinen kohta tekee nestemäisestä polttoainerakeista monimutkaisia ​​ja monimutkaisia. Todella uudenaikaisessa nestemäisessä kaksiosaisessa moottorissa on tuhansia putkiliitoksia, jotka kuljettavat erilaisia ​​jäähdytys-, polttoaine- tai voitelunesteitä. Lisäksi erilaiset alaosat, kuten turbopumppu tai säädin, koostuvat putkien, johtimien, säätöventtiilien, lämpötilamittarien ja tukijalkojen erillisestä huimauksesta. Monien osien vuoksi yhden integroidun funktion epäonnistumisen todennäköisyys on suuri.

Kuten aiemmin todettiin, nestemäinen happi on yleisimmin käytetty hapetin, mutta myös sillä on haittoja. Tämän elementin nestemäisen tilan saavuttamiseksi lämpötilan on oltava -183 celsiusastetta saatu - olosuhteet, joissa happi haihtuu helposti, menettää vain suuren määrän hapettinta lataamisen aikana. Typpihappo, toinen voimakas hapetin, sisältää 76% ​​happea, on nestemäisessä tilassaan STP: ssä ja sillä on korkea tietty painovoimaKaikki suuret edut. Jälkimmäinen kohta on tiheyteen nähden samanlainen mittaus ja kun se nousee korkeammalle samaan aikaan kuin ponneaineen suorituskyky. Typpihappo on kuitenkin käsittelyssä vaarallista (sekoitus veden kanssa tuottaa vahvan hapon) ja tuottaa haitallisia sivutuotteita poltettaessa polttoainetta, joten sen käyttö on rajoitettua.

Muinaisten kiinalaisten kehittämä toisella vuosisadalla eKr., Ilotulitusvälineet ovat vanhimmat rakettien muodot ja yksinkertaisimmat. Alun perin ilotulitusvälineillä oli uskonnollisia tarkoituksia, mutta myöhemmin keskiaikana niitä sopeutettiin sotilaskäyttöön "palavien nuolien" muodossa.

Kymmenennen ja kolmennentoista vuosisadan aikana mongolit ja arabit toivat näiden varhaisten rakettien pääosan länteen: ruuti. Vaikka tykki ja ase tuli tärkeäksi kehitykseksi ruutin itäisen käyttöönoton myötä, myös raketit johtivat siihen. Nämä raketit olivat olennaisesti laajentuneita ilotulitusvälineitä, jotka ajoivat pitkäaikaisen kanuunan tai tykin lisäksi räjähtävän ruutiaseen.

1800-luvun lopun imperialististen sotien aikana eversti Congreve kehitti kuuluisat rakettinsä, joiden matkan etäisyys oli neljä mailia. "Rakettien punainen häikäisy" (American Hymni) tallentaa rakettisodan käytön varhaisessa muodossaan sotilastrategiassa inspiroivassa taistelussa Fort McHenry.

Sulake (ruutilangalla päällystetty puuvillalanka) syttyy tulitikulla tai "punkilla" (puinen sauva, jolla on kivihiilemäinen punaisella hehkuva kärki). Tämä sulake palaa nopeasti raketin ytimeen, missä se sytyttää sisusydinpistoolin seinämät. Kuten aikaisemmin mainittiin, yksi ruutirasvan kemikaaleista on kaliumnitraatti, tärkein aineosa. Tämän kemikaalin, KNO3, molekyylirakenne sisältää kolme happea (O3) atomia, yksi typpiatomi (N) ja yksi atomi kaliumia (K). Kolme happea, jotka lukittuvat tähän molekyyliin, antavat "ilman", jota sulake ja raketti käyttivät kahden muun aineosan, hiilen ja rikin, polttamiseen. Siten kaliumnitraatti hapettaa kemiallisen reaktion vapauttamalla helposti sen happea. Tämä reaktio ei kuitenkaan ole spontaani, ja sen täytyy aloittaa kuumuus, kuten ottelu tai "punk".