Fagstoff

Rakettdrivstoff og rakettmotorer

Publisert: 01.09.2010, Oppdatert: 03.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Rakettprinsippet går ut på at utstrømming av masse gir en skyvkraft, og denne kraften er proporsjonal med produktet av hastigheten og masse per tidsenhet. Kravet til rakettdrivstoffet er likevel meget forskjellig avhengig av anvendelsen. Ved oppskyting gjennom atmosfæren og under påvirkning av tyngdekraft kreves et drivstoff med stor hastighet og stor drivstoffmasse per tidsenhet.

Ved flukt utenfor atmosfæren kreves drivstoff med stor hastighet, og til bruk i rakettmotorer for banekorreksjon og lignende er det også viktig at rakettdrivstoffet har gode kjemiske og fysiske egenskaper som gjør det lett å håndtere.

Komprimert gass

Isp = 75 s

Fast brennstoff

Isp = 210–290

Prinsippet for rakettmotorer at masse sendes ut med en viss hastighet,og det finnes flere typer drivstoff og prinsipper for å akselerere den massen som sendes ut, som vist på figuren.

Prinsipper for rakettmotorerRakettprinsipp 

  • Komprimert gass

Et mulig drivstoff kunne være komprimert eller nedkjølt gass, for eksempel flytende nitrogen, men den ville gi lav effektivitet eller virkningsgrad.

  • Kjemiske raketter

De fleste rakettene for plassering av satellitter i bane bruker drivgass som resulterer fra en forbrenning, da dette gir stor utstrømningshastighet. Vi kan skjelne mellom tre typer, fast brensel, flytende brensel, og en tredje type, hybrid, som bruker en kombinasjon av drivstoff i fast og flytende form. Typisk utstrømningshastighet er noen km per sekund.

  • Elektriske rakettmotorer

Den såkalte ionemotoren sender ut ladde partikler, ioner, som akselereres i elektriske felt og ionene kan få meget høye hastigheter, flere titalls km per sekund. Det betyr at for en gitt ytelse kan massen være tilsvarende mindre.

Komprimert gass

Et mulig drivstoff kunne være komprimert eller nedkjølt gass, for eksempel flytende nitrogen, men den ville gi lav effektivitet eller virkningsgrad. Spesifikk impuls for kryogenisk (flytende) nitrogen er så lav som 75 s, men et slikt drivstoff kan være hensiktsmessig i visse tilfeller.

Kjemiske raketter

De fleste rakettene for plassering av satellitter i bane bruker drivgass som resulterer fra en forbrenning, da dette gir stor utstrømningshastighet. Dette kalles kjemisk brennstoff. Vi kan skjelne mellom fast og flytende drivstoff:

Fast drivstoff

Det tradisjonelle drivstoffet for raketter, brukt i Kina for mange tusen år siden, er krutt. Prinsippet er at når dette drivstoffet brenner, vil gassene strømme ut med stor hastigheter. Rakettmotorer med fast brensel er i mye bruk også i dag til forskjellige formål.

I en faststoffmotor består drivstoffet av tre hovedkomponenter, selve brennstoffet, en oksydator som er nødvendig for at brennstoffet skal brenne uten ekstern tilførsel av oksygen, og et bindemiddel som holder det hele sammen.

Drivstoffet kan være det som eksperter kaller karboksyd- eller hydroksyd-terminert polybutadien med en tilsats av aluminiumpulver. Ikke-eksperter ville kanskje kalle det krutt. Den mest anvendte oksidatoren er ammoniumperklorat (NH4ClO4). Bindemiddelet er oftest en polymer som gir drivstoffet en gummikonsistens. Faststoffmotoren startes vanligvis ved hjelp av pyrotekniske tennere. Det er enheter som gir er gnist eller en sterk lokal oppvarming ved hjelp av elektrisk strøm som slås på ved hjelp av fjernkontroll. Spesifikk impuls er i området 210–290 s.

Fordelen med faststoffmotoren er enkel konstruksjon, stor skyvekraft og god pålitelighet. Ulempen er at motorene brenner til drivstoffet er oppbrukt. De kan ikke stoppes og startes igjen. Drivstoffet begynner å brenne fra sentrum, og brennprofilen er bestemt av utformingen av brennkammeret med drivstoff. Slike motorer ble mye brukt som apogeummotorer, og de sitter da sentralt montert i plattformstrukturen. På grunn av varmeutviklingen i rakettmotoren var god termisk isolasjon viktig for å beskytte de andre delene av satellitten.

Faststoffmotorer brukes også mye som "påhengsmotorer" til bruk i startfasen for store raketter. Ariane og Romferga får hjelp mens drivstofftankene er fulle og tyngdekraften er stor i forhold til skyvkraften på hovedmotoren. Faststoffrakettene på Romferga er de største som noen sinne har fløyet. De har hver 499 tonn fast drivstoff og gir en skyvkraft på 15 000 tonn (14 680 000 Newton).

Flytende drivstoff

Hydrasin

Isp = 220 - 250 s

formelen for Hydrasin.ilustrasjon.Hydrasin
Forfatter: Gunnar Stette
 

 

formelen for monometHydrasin.ilustrasjon.Monometylhydrasin
Forfatter: Gunnar Stette
 
formelen for usymmetrisk dimetylhydrasin.ilustrasjon.Usymmetrisk dimetylhydrasin
Forfatter: Gunnar Stette
 
 
Rakettmotor for flytende drivstoffRakettmotor for flytende drivstoff
Opphavsmann: Gunnar Stette
  
IonemotorIonemotor
Opphavsmann: NASA

Det er to hovedtyper flytende drivstoff. Når brennstoff og oksidator oppbevares i samme tank, kaller vi det enkomponentdrivstoff. Når de oppbevares i separate tanker, kaller vi det tokomponentdrivstoff.

Det mest brukte enkomponentdrivstoffet er hydrasin, N2H4, og figuren viser en rakettmotor for slikt brennstoff. Gassen ledes over en katalysator av platina som starter den kjemiske prosessen. Hydrasinet spaltes da i tre gasskomponenter, N2H4-molekylene gir NH3-, N2- og H2-gasser. Temperaturen i utstrømmingen går opp til ca. 1000 grader C. Typisk spesifikk impuls for hydrasin er 220–250 s.

Den kjemiske strukturen for hydrasin er vist på figuren. Vi ser her at 4 hydrogenatomer er bundet til 2 nitrogenatomer. To andre beslektede stoff som brukes mye som rakettdrivstoff, er også vist. Det ene er monometyl-hydrasin, MMH, hvor det ene hydrogen-atomet er erstattet med en CH3-kombinasjon. Det andre er ikke-symmetrisk dimetyl-hydrasin, UDMH, hvor to hydrogenatom er erstattet av CH3-kombinasjoner.

De to siste, MMH og UDMH, er tokomponentdrivstoff og mye brukt i store rakettmotorer. Som oksidator brukes ofte nitrogen tetroksid, N2O4, eller nitrogensyre (nitric acid), HNO3. Disse drivstoffene er hypergoliske. Det vil si at de tenner spontant når brennstoff og oksidator kommer i kontakt med hverandre.

Drivstoff og oksidator pumpes inn med stor fart. For å drive turbo-pumpene kreves en kraftig motor, og den drives også med tilsvarende brennstoff. Pumpeprosessen startes med en liten rakettmotor som startes elektrisk. Viking-motoren, som brukes på Ariane forbrenner vel 200 kg drivstoff per sekund, og det er en stor teknologisk utfordring å konstruere pumper for flytende gass med så lave temperaturer og med så stor kapasitet.

En kombinasjon av flytende oksygen og hydrogen er et effektivt brennstoff som blir mye brukt i store raketter, men det er ikke enkelt å håndtere fordi disse gassene må holdes ved så lave temperaturer, –183 °C for oksygen og –253 °C for hydrogen.

En annen ulempe er lav egenvekt for disse gassene i flytende form, og det betyr at det trengs store drivstofftanker for å ta med en viss drivstoffmasse. For flytende hydrogen er den ca. 0,15 kg/dm3, og det trengs en 6-literstank for hvert kg flytende oksygendrivstoff. Likevel brukes de mye blant annet i hovedmotoren for romferja og i tredjetrinnet for Ariane-raketten. Den spesifikke impulsen er 440 s.

Hybridraketter

En hybridrakett har en motor hvor det to hovedkomponentene drivstoff og oksydator, er i forskjellig fase. Det kan være drivstoff i fast form og oksydator i flyende form eller gassform. Figuren viser en enkel prinsippskisse av en hybridmotor.

Hybridrakett, prinsippHybridrakett

Når raketten avfyres sendes oksydator, oksygen O2 eller lystgass, N2O, i gassform inn i brennkammeret og forbrenningen startes. Sylinderen med fast brennstoff vil dermed brenne fra innsiden. Det er forskjellige typer drivstoff som kan brukes. Det kan være plastmaterialer som polypropylen, som blant annet brukes som innpakningsmateriale. Tilsetning av materialer som aluminium eller magnesium øker effektiviteten.

Fordelene med hybridraketter er enkel og robust konstruksjon. De kan startes og stoppes og de er enklere og tryggere å håndtere enn raketter med flytende brensel. Det er oppnådd verdier for Isp opp til 400.

Den første kjente hybridraketten var den sovjetiske GIRD-9 fra 1932 og den brukte flytende oksygen sammen med en gelé av bensin. Det ble også arbeidet med hybridraketter i Tyskland før krigen og i USA etter krigen, men det har vært arbeidet betydelig mindre med denne typen enn med de to andre typene. I Norge arbeides det med hybridraketter både på NAMMO Raufoss og på Andøya Space Center.

Elektriske rakettmotorer

I den andre enden av skalaen har vi ionemotoren. Den sender ut ladde partikler som akselereres i elektriske felt og som kan få meget høye hastigheter, flere titalls km per sekund. Ionemotoren benyttes nå i stadig større grad til baneforandring og banekorreksjon for kommunikasjonssatellitter.

En slik rakettmotor er vist på figuren. Positive kvikksølv-ioner akselereres i et elektrisk felt og strømmer ut av åpningen til venstre. Før de strømmer ut “spyles” de med elektroner, som er negative, slik at partiklene som til slutt strømmer ut, er nøytrale. Utstrømmingshastigheten er stor, typisk 30 km/s, men skyvkraften er liten, typisk 1/100 newton. Strømforbruket dreier seg om 100 mW. Slike motorer er uegnet for oppskyting av satellitter, men de kan være velegnet for langsomme manøvrer i rommet, for eksempel til modifikasjon av baneparametre.

I 2001 ble ionemotor benyttet til å bringe en stor satellitt, ARTEMIS, inn i sin korrekte bane. Under oppskyting den 12. juli fikk satellitten ved en feiltakelse en banehøyde på 17 000 km i stedet for ca. 36 000 km. Det ble verifisert at satellitten fungerte som den skulle. Da ble programvaren i satellitten modifisert, og pekeretningen for satellitten forandret. Deretter ble satellitten gradvis “løftet” opp til sin riktige bane ved hjelp av en ionemotor den var utstyrt med for banekontroll. Drivstoffet var Xenongass, som ble ionisert og akselerert. Ionemotorer er 10 ganger så effektive som kjemiske raketter, og interessen for slike motorer er stor blant satellittfabrikantene fordi de kan holde satellittene i korrekt bane over et lengre tidsrom og dermed øke inntjeningen.

 

Relatert innhold