Silnik rakietowy

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 (hipotetyczny silnik fotonowy). Stosowany najczęściej w rakietach i promach kosmicznych oraz pociskach rakietowych.

Silnik rakietowy

Podział silników

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.

Wyróżnia się trzy typy chemicznych silników rakietowych: na paliwo stałe, ciekłe oraz silniki hybrydowe.

Silniki na paliwo ciekłe

Najpopularniejsze i 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.

Schemat silnika na paliwo stałe

Silniki 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 stosowane są do wynoszenia wahadłowców na dużą wysokość. 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

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

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

Ciąg

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

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

Impuls całkowity

Impuls całkowity oznacza popęd (zmianę pędu) jaki może wykonać dany silnik. Jest oznaczany jako $I_{c}$, a jego jednostką jest Ns (niutonosekunda). Aby go obliczyć, musimy znać ciąg silnika i czas jego pracy. 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.

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

$P={I_{w}\cdot Q \over t}$

Gdzie $P$ to ciąg, $I_{w}$ to impuls właściwy, $Q$ to ciężar paliwa i $t$ to czas pracy silnika.

Typy pracy silnika

Wyróżniamy dwa typy pracy silników rakietowych.

Marszowy

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

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.

Zobacz też

• odrzutowiec

Linki zewnętrzne

• Richard Nakka's Experimental Rocketry Web Site
• Jet Propulusion Laboratory - NASA
• Silniki rakietowe by PINOT