OSNOVNO O RAKETAMA

Pol Negri

pol.negri@pu.htnet.hr

Svoje ime raketa je dobila u Italiji 1379. godine prema "vatrenim strijelama" koje su u Europu sa Dalekog istoka donijeli Marco Polo i nekoliko drugih putopisaca. Vatrene strijele bile su primitivne rakete, debele po sredini i sužene na krajevima. Vrlo su nalikovale tadašnjim preslicama (za predenje vune). Latinska riječ za preslicu bila je rochetta, pa su po njima i dobile ime.

Postoji mnogo srodnih definicija rakete. Jedna od najprikladnijih doima se otprilike ova:

Raketa je vozilo, projektil ili zrakoplov koji svoj potisak dobiva putem reakcije na izbacivanje brzo ekspandirajućih plinova iz raketnog motora, pri čemu se svo gorivo potrebno za odvijanje te reakcije nalazi unutar same rakete.

Potisak koji pogoni raketu temelji se na Newtonovom trećem zakonu gibanja koji kaže da za svaku akciju postoji jednaka reakcija i to suprotnog smjera.

Dakle, gorivo rakete sagorijeva u komori raketnog motora, nakon čega nastaju brzo ekspandirajući plinovi koji se propuštaju kroz mlaznicu, gdje se dodatno ubrzavaju. Plin obično izlazi na stražnjoj strani rakete (akcija), a raketa se počinje kretati u suprotnom smjeru, prema naprijed (reakcija).

Taj zakon između ostalog potvrđuje i to da se raketa može kretati i u zrakopraznom svemirskom prostoru, jer za potisak nije potrebno uporište poput npr. molekula zraka.

Količina / jačina potiska razvijenog putem raketnog motora ovisi ponajviše od dva čimbenika :

- brzini s kojom ispušni plinovi napuštaju komoru sagorijevanja i
- masi tih istih ispušnih plinova

Brzina koju raketa može postići ovisi u prvom redu o njezinom omjeru masa i brzini mlaza ispušnih plinova. Taj se odnos može najbolje prikazati slijedećom formulom ukupne promjene brzine (tzv. raketnom formulom):



gdje je:
- v = brzina rakete
- u = brzina mlaza ispušnih plinova
- M = masa rakete bez goriva
- m = masa goriva

Ukoliko u trenutku prestanka rada raketnog motora raketa postigne prvu kosmičku brzinu za danu visinu, a koja na površini Zemlje, ne računajući otpor zraka, iznosi 7,912 km/s (odnosno oko 28 483 kilometara na sat), te ukoliko je njen pravac kretanja u istom trenutku usporedan sa Zemljom, ući će u kružnu putanju oko Zemlje i postati njen umjetni satelit.

Kako bi raketa postigla što veću brzinu:

- masa samog goriva (m) mora biti što veća
- masa rakete bez goriva (M) mora biti što manja
- brzina mlaza ispušnih plinova rakete (u) mora biti što veća

Povećanje mase goriva postiže se gradnjom vrlo velikih raketa (Saturn V, Energia, STS); masa rakete bez goriva smanjuje se upotrebom suvremenih laganih i otpornih materijala (aluminij, duraluminij, ugljična vlakna, kevlar, ...), minijaturizacijom i osuvremenjivanjem tehnologije, te lansiranjem višestupanjskih raketa; brzina mlaza ispušnih plinova povećava se upotrebom savršenijih goriva i postupaka, te usavršavanjem konstrukcije raketnih motora.

Budući da je izrada i lansiranje velikih raketa često vrlo nepraktično i skupo, te da se uz masu goriva (oko 90 % ukupne mase današnjih raketa) istodobno povećava i masa prazne rakete, ova metoda ima jasna ograničenja. Također, jasna ograničenja ima i smanjenje mase rakete bez goriva (oko 10 % ukupne mase današnjih raketa), osim ako čovjek ne uspije otkriti neke potpuno nove principe ili nauči učinkovitije korisiti temeljne sile i zakone prirode, kao npr. postizanjem antigravitacije, teleportacije i sl.

S druge strane povećanje brzine istjecanja mlaza ispušnih plinova tek je na samom početku, jer se brzina mlaza ispušnih plinova kod suvremenih raketa sa tekućim gorivom kreće tek oko 4500 m/s. Zbog toga se velike nade polažu upravo u ovom smjeru, iako je konkretan napredak zapravo dosta spor. Doduše, moguće je već i danas postići mnogo više brzine mlaza (npr. ionski pogon), međutim samo uz golemo smanjenje mase čestica koje se izbacuju, pa to rezultira (iako dugotrajnim) samo neznatnim potiskom.

Kako bi se uz povećanje brzine mlaza, povećao i sam potisak potrebne su znatno veće količine energije koje kemijske reakcije nisu u stanju proizvesti, pa se već dugo vremena (od 1950-tih) u tu svrhu razmatraju raznovrsne upotrebe mnogo jačih nuklearnih reakcija, poput fizije, fuzije i antimaterije.

Današnje rakete za svoj pogon (temeljen na kemijskoj reakciji) najčešće koriste dvije glavne vrste goriva: tekuće i kruto.

Rakete s tekućim gorivom imaju bolji specifični impuls (potisak po jedinici mase goriva) od raketa s krutim gorivom, jer je brzina istjecanja mlaza njihovih ispušnih plinova viša. Njihove je motore nakon pokretanja moguće regulirati, ugasiti i ponovno pokrenuti. Budući da samo komora izgaranja mora podnositi visoke tlakove i temperature, te s obzirom da suvremene rakete na tekuće gorivo za uštrcavanje goriva koriste snažne turbopumpe, spremnici goriva mogu biti tanji i lakši.

Glavni nedostaci raketa s tekućim gorivom su u njihovoj većoj kompleksnosti, višoj cijeni (ne računajući koristan učinak), te ekstremnoj hladnoći tekućih goriva i toksičnosti nekih od njih, zbog čega su potrebne posebne pripreme za lansiranje.

Rakete s krutim gorivom imaju veći potisak od raketa s tekućim gorivom, zahvaljujući utrošku veće mase goriva u jednakom vremenu. K tome, kruća su goriva mnogo gušća, pa imaju manji volumen po jedinici mase, što sve skupa povoljno utječe na smanjenje otpora zraka, posebno pri letu kroz gušće slojeve atmosfere. Iz tih razloga, mnoge orbitalne rakete u prvim fazama leta koriste snažne pomoćne rakete s krutim gorivima (tzv. boostere).

Glavni su nedostaci raketa s krutim gorivom to što je gotovo čitava raketa komora sagorijevanja. To povećava njenu masu bez goriva, pa za koristan teret ostaje vrlo mali udio. Rakete s krutim gorivom teško je regulirati ili ugasiti prije nego što nestane goriva, a ukoliko u gorivu nastanu pukotine može doći do eksplozije. Rakete s krutim gorivom također predstavljaju znatan rizik rukovanja na zemlji, jer jednom kada se napune gorivom, ostaju napunjene i u slučaju nesreće mogu se zapaliti i eksplodirati.

Većina današnjih raketnih goriva sastoji se od:

- Goriva, tj. tvari koje služe kao izvor energije što je oslobađaju pri sagorijevanju
- Oksidansa, tj. tvari koje osiguravaju kisik potreban za odvijanje kemijske reakcije
- Katalizatora, tj. tvari koje svojim prisustvom u minimalnim količinama aktiviraju ili ubrzavaju određeni kemijski proces, a da se pri tom ne troše (često su to metali ili oksidi metala)

Najpoznatija kruta raketna goriva su:

1.) Crni barut - 60 % kalijevog nitrata (oksidans), 15 % sumpora (gorivo / katalizator) i 25 % drvenog ugljena (gorivo)

2.) Bezdimni barut - višestruko snažniji od crnog baruta, ne ostavlja talog i ne dimi; dobiva se nitriranjem celuloze ili od smjese nitroceluloze i nitroglicerola s nešto vazelina

3.) Bijeli barut - natrij ili kalij-klorat i aluminij u prahu

4.) Standardno visoko energetsko kruto gorivo - moderne vrste krutih goriva su umjetne (sintetične) gume sa oksidansom poput amonij-perklorata (AP), pomiješanih tijekom proizvodnog procesa. Sintetične gume su dobra goriva, a prednost im je i što su donekle fleksibilna (elastična) tako da teže nastaju pukotine. Smjesa sintetične gume (HTPB ili manje otrovan i skup PBAN) i amonij-perklorata može se učiniti još snažnijom dodavanjem metala u prahu, kao što je aluminij.

Najčešće kombinacije tekućih raketnih goriva korištene danas su:

1.) Tekući kisik (LOX) i kerozin (RP-1)

Ova kombinacija je naširoko cijenjena zbog svoje praktičnosti. Zbog veće gustoće od tekućeg vodika, često se koristi kao gorivo za boostere i prve stupnjeve orbitalnih raketa.

2.) Tekući kisik (LOX) i tekući vodik (LH2)

Najviše se koristi kod viših stupnjeva svemirskih raketa, odnosno za konačan ulazak rakete u orbitu.

3.) Dušikov tetroksid (N2O4) i hidrazin (N2H4)

Najčešće se koristi kod vojnih, orbitalnih i interplanetarnih svemirskih raketa, zbog toga što je obje tekućine moguće uskladištiti na duže vrijeme i to na prihvatljivim tlakovima i temperaturama. Njihov spoj je samozapaljiv (hipergoličan), što olakšava proces paljenja. Jedina loša strana je njihova toksičnost, što zahtijeva pažljivo rukovanje.

Raketni motori na kruto gorivo

U raketnoj i svemirskoj industriji koriste se dvije glavne vrste blokova krutog raketnog goriva:

1.) Cilindrični blokovi sa sagorijevanjem na čeonoj vanjskoj površini
2.) Cilindrični blokovi sa unutarnjim sagorijevanjem

U prvom slučaju kruto raketno gorivo sagorijeva u slojevima od sapnice do vrha kućišta i proizvodi ravnomjeran potisak.

slika 1.

slika 2.

slika 3.

slika 4.

Slika 5. Geometrijski oblik središnjeg kanala i njegov utjecaj na distribuciju potiska

Slika 6. Pressure-fed ciklus

Slika 7. Expander ciklus

Slika 8. Gas-generator ciklus

Slika 9. Staged combustion ciklus