Raketni in reakcijski motorji

Urška Jelerčič Mentor: prof.dr. Janez Stepišnik

Predmet: Fizika energijskih virov

Reakcijski motorji

• Definicija:Motor, ki ustvarja potisk s pomočjo t.i. reakcijske mase, pri čemer izkorišča tretji Newtonov zakon (zakon o akciji in reakciji) ter zakon o ohranitvi gibalne količine.

• Delitev:– Turbinski - Raketni

Zgodovina

• 400 pr. Kr. – Archytas

• 100 po. Kr. – aeolipile oz. Herov motor

• 9. st. – kitajske rakete na smodnik

• 13. st. – Gengis Khan ponese tehnologijo v Rusijo in Zahodno Evropo

• 14. st. – Italijani dajo raketam ime (‘rocchetta)

• 17. st. – prvi strokovni učbenik o raketni tehnologiji: Artis Magnae Artilleriae pars prima

• 19. st. – Velika Britanija rakete izpopolni in jih relativno učinkovito uporabi v vojaške namene (Napoleonske vojne, Waterloo)

• 20. st. – raketna enačba, medplanetarni poleti (Goddard, Oberth)

• 1926 – prva raketa na tekoče gorivo (Goddard, Auburn)

• 2. sv. vojna – Nemci (rakete dolgega dosega –V-2), Sovjeti (mobilno raketno izstrelišče Katjuša)

• po vojni – operacija

Paperclip – Američani

zajamejo nemške

raketne znanstvenike.

Von Braun iz V-2 razvije

model Redstone.

• Sovjeti naredijo iz V-2

model R-7:

– 1957: Sputnik

– 1961: Jurij Gagarin

• 1969 – pristanek na Luni

(Saturn V – program

Apollo)

• Danes:

– vojaška orožja

– znanstvene raziskave vesolja

– sateliti v vesolju (GPS,...)

– kmalu pa se napoveduje komercialni vesoljski turizem (Richard Bronson-Virgin Galactic)

Reakcijska/delovna masa

=univerzalen izraz, ki ga uporabljamo za poimenovanje delovne snovi, ki jo telo uporablja za pospeševanje

• Lahko je ločena od energijskega vira, ki jo poganja (turbinski motorji – okoliški zrak) ali pa ne (rakete)

Raketna enačba

• Konstantin Tsiolkovsky (1903)

-Δv = sprememba hitrosti plovila

-ve = efektivna hitrost izpusta

-m0 = celotna masa na začetku

-m1 = celotna masa na koncu

• Izpeljava:

Torej dobimo:

Če na plovilo ne delujejo zunanje sile:

Dobimo diferencialno enačbo:

Rešitev:

Princip delovanja motorja

• Potisk je ustvarjen z izpustom visokotemperaturnih hitrih plinov.

• Take pline ustvarimo s sežigom (eksplozijo) trdnih/tekočih pogonskih snovi. Te s pomočjo oksidanta zgorijo - vroči plin se širi znotraj sežigne komore

• Ko dosežejo stene se usmeri skozi izpušno šobo ter potiska plovilo naprej.

• http://www.youtube.com/watch?v=JiYXFdSz5to

Šoba

• Glede na uporabo ločimo vakumske in atmosferske šobe

• De Lavalova šoba:

predpostavke pri določanju hitrosti izpuščenega

plina:

-plin, ki izgoreva je idealni

-tok plina je izentropni (adiabatni – ni

nikakršnih toplotnih izgub) in brez trenja

-tok plina je enakomeren in stalen skozi

celotno trajanja gorenja

-plin teče premo vodoravno vzdolž šobe

-plin je stisljiv

Hitrost plina na izhodu:

Potisk in specifični impulz

• Potisk:

• Specifični impulz:*definiran na enoto toka pogonske teže

Specifični impulz vakuuma:

Potisk:

Specifični impulz je merilo za določanje učinkovitosti rakete

Učinkovitost raketnega motorja

• potisk

• skupni impulz (‘total impulse’ ITOT) = produkt potiska in časa gorenja

• Skupni impulz predstavlja celotno spremembo gibalne količine, ki jo lahko povzroči motor pri dani zalogi goriva, pri čemer je zaželeno, da je ITOT čim večji.

• specifični impulz (ISP) - pove, kako učinkovita bo dana mešanica goriv, saj napove, koliko energije se bo sprostilo med gorenjem in s kakšno hitrostjo bo plin zapuščal raketo. Višji kot je specifični impulz, večje so izhodne hitrosti in učinkovitejši je motor.

• enota za ISP je sekunda

• ISP je močno vezan na kemijske lastnosti goriva, ne pa toliko na dizajn rakete. V grobem lahko zatrdimo, da bo imel določen tip goriva v vseh raketah približno podoben ISP.

• Danes velja za najbolj učinkovito raketo model RL-10 (ISP = 450s), teoretična zgornja meja za ISP za konvencialne rakete pa znaša 470s.

• Pogoni prihodnosti napovedujejo tudi višje ISP (~540s)

• Pri izbiri primernega goriva poskušamo zadostiti trem kriterijem:

– uporaba goriv, ki izgorevajo pri najvišjih možnih temperaturah (goriva z vodikom, ogljikom, lahko tudi kovinami – aluminijem), saj je hitrost zvoka v plinu sorazmerna s kvadratnim korenom temperature. Nadzvočne hitrosti, ki jih ob izhodu iz šobe lahko izmerimo, so torej pri bolj segretih plinih višje.

– uporaba goriv s čim manjšo gostoto plina

– uporaba goriv, sestavljenih iz enostavnih molekul, ki imajo čim manj prostostnih stopenj, da se maksimizira translacijska energija

Temperatura

• Plini imajo izjemno visoke temperature (~3500K) – problem tališča kovin (baker npr. 1200K)

• Ogljik in tungsten – termično stabilna, vendar občutljiva na oksidacijo

• Rešitev: uporaba pravilnih kombinacij goriv in utrjenih kovinskih zmesi ter različnih tehnik ohlajanja sistema (filmsko ohlajanje, cevi s hladnim gorivom,…)

Tlak

• Sežigne komore delujejo pod zelo visokimi tlaki

(10-200 barov).

• Material je podvržen zelo velikim napetostim.

• Visok tlak v povezavi z visoko temperaturo

vpliva tudi na znižanje mejne natezne napetosti

materiala, ki tako postane krhkejši.

Akustične značilnosti

• Akustika znotraj rakete:– 'chugging'

Nizkofrekvenčne oscilacije (nekaj Hz). Nastanejo zaradi variacij

v tlaku v ceveh, ki so posledica spreminjajočega pospeška.

– 'buzzing'

Posledica premajhnega padca tlaka v gorivni črpalki med

vbrizgom goriva

– 'screeching'

Najnevarnejši pojav in posledica akustike znotraj same vžigne

komore, ki lahko med procesom vžiganja dosega različne

resonance ter tako tanjša izolacijsko plast komore.

• Zunanji hrup:

– hrup motorjev pri vzletu (ekološko vprašanje) Space Shuttle model lahko npr. povzroči zvok z več kot 200dB okoli vzletišča

– tvorba udarnih valov, ki so na majhnih razdaljah lahko smrtni.

– uničevanje vzletne ploščadi oz. odboj udarnih valov nazaj v raketo

– To je razlog za uporabo velikih količin vode na vzletiščih, saj vodne kapljice spremenijo akustične lastnosti zraka in zmanjšajo oz. preusmerijo energijo zvoka.