Silnik rakietowy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Silnik rakietowy – rodzaj silnika odrzutowego, czyli wykorzystującego zjawisko odrzutu substancji roboczej, który nie pobiera w trakcie pracy żadnej substancji z otoczenia. Substancją roboczą mogą być produkty spalania (gazy spalinowe) powstałe przy utlenianiu paliwa (chemiczny silnik rakietowy), przy czym zarówno paliwo rakietowe jak i utleniacz znajdują się w zbiornikach napędzanego urządzenia (tlen nie jest pobierany z atmosfery), dzięki czemu silnik może pracować w dowolnych warunkach, np. w przestrzeni kosmicznej i pod wodą. Mogą nią być też jony rozpędzane elektromagnetycznie (silnik jonowy), plazma, także rozpędzana elektromagnetycznie (silnik plazmowy) lub strumień fotonów gamma (silnik fotonowy). Stosowany najczęściej w rakietach i promach kosmicznych oraz pociskach rakietowych.

Silnik rakietowy

Silniki na paliwo ciekłe[edytuj | edytuj kod]

Schemat silnika rakietowego na paliwo ciekłe. Paliwo (niebieskie) jest mieszane z utleniaczem (czerwony) w komorze spalania, gdzie następuje jego gwałtowne spalanie i wyrzut gazów przez dyszę napędową.

Najwydajniejsze są silniki na paliwo ciekłe. W ich zbiornikach znajduje się utleniacz (np. ciekły tlen) oraz płynny reduktor. Rakiety kosmiczne wykorzystują do napędu mieszanki tlenu i wodoru. Tego typu silniki mają skomplikowaną budowę, a co za tym idzie są najdroższe. Do zalet tych konstrukcji należy możliwość kontrolowania ciągu poprzez odpowiednie wtryskiwanie paliwa do komory spalania.

Silniki na paliwo stałe[edytuj | edytuj kod]

Schemat silnika na paliwo stałe

Tańsze, ale o gorszych parametrach są silniki na paliwo stałe. Mają dużo prostszą budowę, gdyż komora spalania jest w zasadzie komorą paliwową. Jako paliwo stosuje się mieszankę utleniacza z reduktorem w postaci stałej, które tworzy tzw. ziarno paliwa. Tego typu silniki dzielą się na dwa typy. Paliwo może w nich spalać się czołowo lub kanałowo. Mieszanka spalająca się czołowo pali się od dyszy do górnej zatyczki, natomiast spalająca się kanałowo od środka ziarna (z kanałem przez całą długość) do ścian korpusu. Tego typu silniki były stosowane do wynoszenia wahadłowców na dużą wysokość, po czym były odzyskiwane. Miały także wynosić kapsuły załogowe w amerykańskim programie Constellation. Większość amatorskich modeli rakietowych również opiera się o tę technologię. Wadą takiego silnika jest brak możliwości kontroli ciągu, a nawet wyłączenia go przed wypaleniem całości paliwa.

Pierwsze konstrukcje oparte na prochu czarnym zostały wymyślone w Chinach. Możliwe jest zrobienie takiego silnika w praktycznie dowolnym wymiarze (od potężnych silników pomocniczych wahadłowców po kilkucentymetrowe konstrukcje modelarzy rakietowych).

Silniki hybrydowe[edytuj | edytuj kod]

Silniki hybrydowe najczęściej posiadają stały reduktor i ciekły utleniacz (np. podtlenek azotu). Taki silnik został wykorzystany w samolocie kosmicznym SpaceShipOne (który jako pierwsza prywatna konstrukcja znalazł się w kosmosie).

Parametry silników[edytuj | edytuj kod]

Silnik rakietowy charakteryzuje się trzema podstawowymi parametrami: ciągiem, czasem pracy i impulsem właściwym.

Ciąg[edytuj | edytuj kod]

Ciąg, oznaczany literą P, jest to siła jaka powstaje przy wyrzucaniu przez dyszę substancji roboczej, np. gazów będących produktem spalania paliwa. Aby rakieta mogła się wznieść, ciąg musi być większy od jej ciężaru startowego (masy pomnożonej przez przyspieszenie ziemskie).

Czas pracy[edytuj | edytuj kod]

Czas pracy silnika rakietowego oznacza się literą t. Ze względu na ten parametr silniki dzieli się na: startowe i marszowe.

Impuls całkowity[edytuj | edytuj kod]

Impuls całkowity oznacza popęd (zmianę pędu) jaki może wykonać dany silnik, równy iloczynowi siły ciągu silnika i jego czasu działania. Jest oznaczany jako I_{c}, jego jednostką jest Ns (niutonosekunda). Określony jest wzorem:

I_{c}=P \cdot t

Przykładowo, silnik o ciągu 200 N pracujący przez 3 sekundy ma impuls całkowity równy 600 Ns, a silnik o ciągu 100 N pracujący 6 sekund również ma impuls całkowity 600 Ns.

Określa się impuls właściwy jako impuls przypadający na jednostkę masy lub ciężaru rakiety bądź samego paliwa.

Impuls właściwy paliwa (impuls na jednostkę ciężaru paliwa) oraz ciąg silnika wiąże wzór:

I_w=\frac {F\cdot t} Q

Gdzie:

  • F - ciąg,
  • Iw - impuls właściwy względem ciężaru,
  • Q - ciężar paliwa
  • t - czas pracy silnika.

Typy pracy silnika[edytuj | edytuj kod]

Wyróżniamy dwa typy pracy silników rakietowych.

Marszowy[edytuj | edytuj kod]

Silnik pracujący marszowo nadaje rakiecie stosunkowo niewielkie przyspieszenie (ze względu na niski ciąg). Działa jednak długo. Ma za zadanie stopniowo nadawać prędkość rakiecie lub nawet utrzymać tylko ją na stałym poziomie. Wartość ciągu takiego silnika jest niewiele większa od ciężaru rakiety.

Startowy[edytuj | edytuj kod]

Silnik startowy pracuje przez krótki czas, nadając rakiecie bardzo duże przyspieszenie. Tak rozpędzona konstrukcja może przelecieć dużą odległość nawet po zakończeniu lotu silnikowego.

Zwykle stosuje się w rakietach oba typy silników. Najczęściej silniki startowe po skończeniu pracy zostają odrzucone od rakiety, która kontynuuje lot z wykorzystaniem silnika marszowego. Takie rozwiązanie jest stosowane przy wynoszeniu na orbitę wahadłowców, na przykład w rakiecie dodatkowej na paliwo stałe amerykańskiego programu STS.

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]