Fagstoff

Rakettdrivstoff og rakettmotorar

Publisert: 06.10.2010, Oppdatert: 03.03.2017

Rakettprinsippet går ut på at utstrøyming av masse gir skyvkraft, og denne krafta er proporsjonal med farten. Krava til rakettdrivstoff varierer likevel mykje alt etter bruken. Ved oppskyting gjennom atmosfæren og under påverknad av tyngdekraft trengst eit drivstoff gir stor fart og har stor drivstoffmasse per tidseining.

Ved flukt utanfor atmosfæren trengst drivstoff som gir stor fart, og til bruk i rakettmotorar for banekorreksjon og liknande er det også viktig at rakettdrivstoffet har gode kjemiske og fysiske eigenskapar som gjer det lett å handsame.

Komprimert gass

Isp = 75s

 

Fast brennstoff

Isp = 210290

Prinsippet for rakettmotorer at masse vert send ut med ei viss fart,og det finst fleire typer drivstoff og prinsipp for å akselerere den massen som vert send ut, som vist på figuren.

Prinsipper for rakettmotorerRakettprinsipp 

  • Komprimert gass

Eit mogleg drivstoff kunne vere komprimert eller nedkjølt gass, til dømes flytande nitrogen, men den ville gi lav effektivitet eller verknadsgrad.

  • Kjemiske rakettar

Dei fleste rakettane for plassering av satellittar i bane bruker drivgass som kjem frå brenning av drivstoff, fordi dette gjev stor utstrøymingsfart. Vi kan skilje mellom tre former, fast brensel, flytende brensel, og en tredje type, hybrid, som bruker en kombinasjon av drivstoff i fast og flytande form. Typisk utstrøymingsfart er nokre km per sekund.

  • Elektriske rakettmotorar

Den såkalla ionemotoren sender ut ladde partikler, ionar, som vert akselerert i eit elektrisk felt og ionane kan få svært høg fart, fleire tital km per sekund. Ytinga for ein rakettmotor er proporsjonal produktet av masse og fart. Difor kan massen være tilsvarande mindre.

Komprimert gass

Komprimert gass gjev låg effektivitet eller verknadsgrad. Spesifikk impuls for kryogenisk (flytende) nitrogen er så låg som 75 s, men eit slikt drivstoff kan likevel vere nyttig i visse samanhengar.

Kjemiske rakettar

Dei fleste rakettane for plassering av satellittar i bane er kjemiske rakettar, som bruker drivgass som kjem frå brenning av drivstoff.

 

Fast drivstoff

Det tradisjonelle drivstoffet for rakettar, brukt i Kina for mange tusen år sidan, var krut. Prinsippet er at når dette drivstoffet brenn så vil gassene strøyme ut med stor fart. Rakettmotorar med fast brensel er mykje i bruk i dag til forskjellige oppgåver.

I ein faststoffmotor vil drivstoffet vere samansett av tre hovuddelar, sjølve brennstoffet, ein oksydator som er naudsynt for at brennstoffet skal brenne utan ekstern tilførsel av oksygen, og eit bindemiddel som held alt saman.

Drivstoffet kan være det som ekspertar kallar karboksyd- eller hydroksyd-terminert polybutadien med ein tilsats av aluminiumpulver. Ikkje-eksperter ville kanskje kalle det krut. Den mest brukte oksydatoren er ammoniumperklorat (NH4ClO4). Bindemiddelet er oftast ein polymer som gir drivstoffet ein gummikonsistens. Faststoffmotoren vert som regel starta med ein pyrotekniske tendar. Den gir ein gnist eller ei sterk lokal oppvarming ved hjelp av elektrisk straum som vert slått på med ein fjernkontroll. Spesifikk impuls er i området 210–290 s.

Føremonen med faststoffmotoren er enkel konstruksjon, den har stor skuvkraft og er påliteleg. Ulempa er at motorane brenn heilt til drivstoffet er oppbrukt. Dei kan ikkje stoppast og startast igjen. Drivstoffet byrjar å brenne frå sentrum i motoren, og brennprofilen er bestemt av utforminga av brennkammeret med drivstoff. Slike motorar vart mykje brukt som apogeummotorar, og dei er då sentralt montert i plattformstrukturen. På grunn av varmeutviklinga i rakettmotoren var god termisk isolasjon viktig for å verne dei andre delane av satellitten.

Faststoffmotorar vert også mykje brukt som "påhengsmotorar" til bruk i startfasen for store rakettar. Ariane og Romferja får hjelp medan drivstofftankane er fulle og tyngdekrafta er stor i høve til skuvkrafta på hovedmotoren. Faststoffrakettane på Romferja er dei største som nokon gang har vorte skote opp. De har kvar 499 tonn fast drivstoff og gjev ei skuvkraft 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 flytande drivstoffRakettmotor for flytande drivstoff
Opphavsmann: Gunnar Stette
IonemotorIonemotor
Opphavsmann: NASA

Det er to hovudtypar flytande drivstoff. Når brennstoff og oksidator er oppbevarte i same tanken, kallar vi det einkomponentdrivstoff. Når dei blir oppbevarte i separate tankar, kallar vi det tokomponentdrivstoff.

Det mest brukte einkomponentdrivstoffet er hydrasin, N2H4, og figuren viser ein rakettmotor for slikt brennstoff. Gassen blir leidd over ein katalysator av platina som startar den kjemiske prosessen. Hydrasinet blir da spalta i tre gasskomponentar, N2H4-molekyla gir NH3-, N2- og H2-gassar. Temperaturen i utstrøyminga 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 hydrogenatom er bundne til 2 nitrogenatom. To andre liknande stoff som blir mykje brukt som rakettdrivstoff, er også vist. Det eine er monometyl-hydrasin, MMH, der det eine hydrogenatomet er erstatta med ein CH3-kombinasjon. Det andre er ikkje-symmetrisk dimetyl-hydrasin, UDMH, der to hydrogenatom er erstatta av CH3-kombinasjonar.

Dei to siste, MMH og UDMH, er tokomponentdrivstoff og mykje brukt i store rakettmotorar. Som oksidator blir ofte nitrogentetroksid, N2O4, eller nitrogensyre (nitric acid), HNO3, brukt. Desse drivstoffa er hypergoliske. Det vil seie at dei tenner spontant når brennstoff og oksidator kjem i kontakt med kvarandre.

Drivstoff og oksidator blir pumpa inn med stor fart. For å drive turbopumpene trengst ein kraftig motor, og han blir driven også med tilsvarande brennstoff. Pumpeprosessen kjem i gang med ein liten rakettmotor som blir starta elektrisk. Viking-motoren, som blir brukt på Ariane, brenner vel 200 kg drivstoff per sekund, og det er ei stor teknologisk utfordring å konstruere pumper for flytande gass med så låge temperaturar og med så stor kapasitet.

Ein kombinasjon av flytande oksygen og hydrogen er eit effektivt brennstoff som blir mykje brukt i store rakettar, men det er ikkje enkelt å handtere fordi desse gassane må haldast ved svært låge temperaturar, –183 °C for oksygen og –253 °C for hydrogen.

Ei anna ulempe er låg eigenvekt for desse gassane i flytande form. Det vil seie at det trengst store drivstofftankar for å ta med ein viss drivstoffmasse. For flytande hydrogen er eigenvekta ca. 0,15 kg/dm3, og det trengst ein seksliterstank for kvar kg flytande oksygendrivstoff. Likevel blir dei mellom anna mykje brukte i hovudmotoren for romferja og i tredjetrinnet for Ariane-raketten. Den spesifikke impulsen er 440 s.

Hybridraketter

Ein hybridrakett har ein motor der dei to hovedkomponentane drivstoff og oksydator, er i ulik fase. Det kan være drivstoff i fast form og oksydator i flyande form eller gassform. Figuren viser ei enkel prinsippskisse av ein hybridmotor.

 Hybridrakett, prinsippHybridrakett 

Når raketten skal tendast vert oksydator, oksygen O2 eller lystgass, N2O, i gassform send inn i brennkammeret og det set forbrenninga i gang. Sylinderen med fast brennstoff vil brenne frå innsida. Det er ulike typer drivstoff som kan brukast. Det kan vere plastmaterial som polypropylen, som mellom anna vert bruket som innpakkingsmaterial. Tilsetjing av material som aluminium eller magnesium aukar effektiviteten.

Fordelene med hybridraketter er enkel og robust konstruksjon. Dei kan startast og stoppast og dei er enklere og tryggare å handsame enn rakettar med flytende drivstoff. Det har vore mogleg nå verdiar for Isp opp til 400 s.

Den første kjende hybridraketten var den sovjetiske GIRD-9 frå 1932 og den brukte flytande oksygen saman med en gelé av bensin. Det vart også arbeidd med hybridrakettar i Tyskland før krigen og i USA etter krigen, men det har vore arbeidd mykje mindre med denne typen enn med dei to andre typene. I Norge vert det arbeidd med hybridrakettar både på NAMMO Raufoss og på Andøya Space Center.

 

Elektriske rakettmotorar

I den andre enden av skalaen har vi ionemotoren. Han sender ut ladde partiklar som blir akselererte i elektriske felt, og som kan få svært høg fart, fleire titals kilometer per sekund. Ionemotoren blir no i stadig større grad nytta til baneendring og banekorreksjon for kommunikasjonssatellittar.

Ein slik rakettmotor er vist på figuren. Positive kvikksylvion blir akselererte i eit elektrisk felt og straumar ut av opninga til venstre. Før dei strøymer ut, blir dei “spylte” med elektron, som er negative, slik at partiklane som til slutt kjem ut, er nøytrale. Utstrøymingsfarten er stor, typisk 30 km/s, men skyvkrafta er lita, typisk 1/100 newton. Straumforbruket dreier seg om 100 mW. Slike motorar er ueigna for oppskyting av satellittar, men dei kan vere veleigna for langsame manøvrar i rommet, til dømes til modifikasjon av baneparametrane.

I 2001 blei ionemotor nytta til å bringe ein stor satellitt, ARTEMIS, inn i korrekt bane. Under oppskyting den 12. juli fekk satellitten ved ein feil ei banehøgd på 17 000 km i staden for ca. 36 000 km. Det blei verifisert at satellitten fungerte som han skulle. Da blei programvara i satellitten modifisert, og peikeretninga for satellitten endra. Deretter blei satellitten gradvis “løfta” opp til den riktige bana ved hjelp av ein ionemotor han var utstyrt med for banekontroll. Drivstoffet var xenongass, som blei ionisert og akselerert. Ionemotorar er 10 gonger så effektive som kjemiske rakettar, og interessa for slike motorar er stor mellom satellittfabrikantane fordi dei kan halde satellittane i korrekt bane over eit lengre tidsrom og dermed auke innteninga.

 

Relatert innhald