Obrazek wyróżniający: SpaceX
Wszystkie silniki rakietowe, zarówno te proste, jak i te skomplikowane, wnoszą istotny wkład w powodzenie misji kosmicznych. Aby dobrze zrozumieć te bardziej efektywne konstrukcje, warto najpierw poznać prostsze warianty oraz podstawowe pojęcia fizyczne z nimi związane.
Silnik na zimny gaz
Jeśli kiedykolwiek wypuściłeś napompowany balonik bez zawiązywania, znasz już podstawę działania tego silnika. Gazy i ciecze mają tendencję do przemieszczania się z obszaru o wyższym ciśnieniu do obszaru o niższym ciśnieniu. Uchodzący strumień gazu wywołuje siłę odrzutu zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona – każdej akcji towarzyszy równa i przeciwnie skierowana reakcja.
Jedyną ruchomą częścią tego silnika jest zawór umieszczony między zbiornikiem ze sprężonym gazem (lub cieczą przechowywaną pod ciśnieniem) a dyszą. Substancja robocza jest chemicznie obojętna – nie zachodzi żadna reakcja spalania ani rozkładu. Przechowuje się ją w zbiorniku pod wysokim ciśnieniem. Otwarcie zaworu powoduje jej rozprężenie i wyrzut przez dyszę w postaci gazu, co wprawia statek kosmiczny w ruch.
Cykl pracy silnika (czyli sposób dostarczania substancji roboczej) nazywa się w tym przypadku cyklem zimnym, ponieważ nie wykorzystuje reakcji chemicznych ani wysokich temperatur. W zbiorniku zwykle znajduje się hel lub azot – pierwiastki o małej masie atomowej, które łatwo skompresować i które zapewniają dobrą wydajność przy stosunkowo niskiej temperaturze. Niestety, nie można uzyskać z nich dużego ciągu – energia pochodzi wyłącznie z rozprężania gazu, a nie z reakcji chemicznej.
Tummala via Wikimedia Commons Schemat cyklu zimnego.
Zaletami takiej konstrukcji są: cena, mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia usterki, bezpieczeństwo użycia. Główną wadą jest natomiast następująca zależność: im większe ciśnienie w zbiorniku paliwowym, tym większa masa pustego zbiornika. Grubsza warstwa materiału jest niezbędna, by utrzymać wysokie ciśnienie w środku. To znacznie ogranicza siłę ciągu i impuls właściwy, który dla najprostszego wariantu wynosi około 60 sekund.
Jednym z przykładów zastosowania silników na zimny gaz jest rakieta Falcon 9, gdzie pełnią funkcję silników manewrowych. Zamontowane są one na samej górze pierwszego stopnia i służą do odpowiedniej orientacji rakiety tak, aby wylądowała w zadanym miejscu.
Innym interesującym zastosowaniem jest pomoc w przebiegu spaceru kosmicznego. W misjach Gemini 4 i 10 użyto sprężonego tlenu, aby ułatwić astronautom poruszanie się w nieważkości. Choć nie nazwano tego mianem silnika na zimny gaz, zasada działania była identyczna. Nomenklaturę tę zastosowano dopiero podczas programu wahadłowców kosmicznych. MMU (Manned Maneuvering Unit) składał się z 24 silników, a w ich zbiornikach kryło się 18 kilogramów azotu. To dawało astronaucie możliwość samodzielnego oddalenia się od wahadłowca, zyskując do 40 m/s delta-v.
Silnik w układzie ciśnieniowym
Podobnie jak w przypadku silnika na zimny gaz, również i ta konstrukcja charakteryzuje się niewielką liczbą ruchomych części. Zasada działania polega na tym, że oddzielne źródło gazu obojętnego – najczęściej helu – pod wysokim ciśnieniem wypycha paliwo ze zbiorników do komory spalania. Aby płyny mogły przepływać w zamierzonym kierunku, ciśnienie w zbiornikach materiałów pędnych musi być wyższe niż ciśnienie panujące w komorze spalania, co w praktyce oznacza ciśnienia rzędu 20–30 barów w zbiornikach.
Schemat cyklu opartego na ciśnieniu z dwuskładnikowym materiałem pędnym.
Silniki ciśnieniowe dzielą się na dwa podstawowe rodzaje: jednoskładnikowe, w których stosuje się tylko jedno paliwo, oraz dwuskładnikowe, wymagające oddzielnego paliwa i utleniacza.
Jednoskładnikowy silnik ciśnieniowy działa w następujący sposób: zawór zbiornika z paliwem otwiera się, umożliwiając przepływ cieczy w kierunku katalizatora. Równocześnie otwiera się zawór wysokociśnieniowego zbiornika z gazem obojętnym, który stopniowo uzupełnia ciśnienie w zbiorniku paliwa, zapobiegając jego spadkowi w miarę opróżniania. Paliwo przepływa przez złoże katalityczne, co wywołuje egzotermiczną reakcję rozkładu – uwolniona energia chemiczna podnosi temperaturę i ciśnienie spalin, zwiększając prędkość ich wylotu przez dyszę i tym samym wytwarzając ciąg. To właśnie stanowi kluczową różnicę w stosunku do silnika na zimny gaz – uwalniana jest dodatkowa energia cieplna, co przekłada się na znacznie wyższy impuls właściwy, wynoszący około 200–230 sekund, w porównaniu do zaledwie 60 sekund dla zimnego gazu.
Paliwem najczęściej stosowanym w takich silnikach jest hydrazyna, która jest substancją niestabilną – wystarczy zetknąć ją z odpowiednim katalizatorem, aby zainicjować reakcję. Katalizatorem takim może być na przykład tlenek glinu z dodatkiem irydu. Hydrazyna po kontakcie z katalizatorem błyskawicznie się rozpada, a reakcja ta jest egzotermiczna, czyli wydziela ciepło. Co ważne, katalizator nie zużywa się podczas reakcji, dlatego może służyć przez wiele cykli zapłonu bez potrzeby wymiany. Silniki jednoskładnikowe są stosowane przede wszystkim do drobnych korekt trajektorii i orientacji statków kosmicznych, a także w systemach kontroli położenia wielu satelitów.
W większości dwuskładnikowych silników ciśnieniowych korzysta się z paliw hipergolicznych, czyli takich, które zapalają się samorzutnie przy kontakcie paliwa z utleniaczem. Ich zasada działania jest zbliżona do wersji jednoskładnikowej, ale pozwalają na osiągnięcie wyższych impulsów właściwych – w zakresie 250–300 sekund – dzięki wydajniejszemu spalaniu. Nie stosuje się katalizatora – paliwo i utleniacz po prostu oddziałują chemicznie ze sobą w komorze spalania.
W układzie tym gaz obojętny może być dostarczany z jednego wspólnego zbiornika wysokociśnieniowego, rozdzielanego do obu zbiorników z cieczami, albo z dwóch niezależnych zbiorników – osobno dla paliwa i osobno dla utleniacza. Rozwiązanie z oddzielnymi źródłami gazu jest bezpieczniejsze, ponieważ awaria jednego układu nie pozbawia zasilania obu składników, a dodatkowo eliminuje ryzyko przedostania się gazów między zbiornikami w przypadku uszkodzenia zaworów zwrotnych.
Główna wada układów ciśnieniowych pozostaje taka sama jak w przypadku silników na zimny gaz – im wyższe ciśnienie wymagane w zbiornikach, tym grubsze i cięższe muszą być ich ściany, co znacząco zwiększa masę całej konstrukcji. Z tego powodu trudno jest zbudować całą rakietę nośną opartą wyłącznie na silnikach ciśnieniowych – masa zbiorników stałaby się zbyt duża. Wyjątkiem są górne stopnie rakiet, gdzie wymagany ciąg jest mniejszy, a samo zadanie wyniesienia ładunku na orbitę nie wymaga już tak ogromnych ilości paliwa – przykładem jest silnik Kestrel w drugim stopniu rakiety Falcon 1, który z powodzeniem osiągnął orbitę.
Silnik z elektrycznie napędzanymi pompami
Poleganie wyłącznie na naturalnym przepływie cieczy z obszaru wyższego ciśnienia do niższego, jak ma to miejsce w układach ciśnieniowych, narzuca poważne ograniczenia konstrukcyjne – przede wszystkim wymaga ciężkich zbiorników, zdolnych wytrzymać wysokie ciśnienie. Aby uzyskać większe osiągi, konieczne jest wymuszenie przepływu materiałów pędnych za pomocą pomp. Dzięki temu ciśnienie w komorze spalania może być znacznie wyższe niż ciśnienie panujące w zbiornikach, co otwiera drogę do większych ciągów i lepszej efektywności.
Tu właśnie pojawiają się pompy. Ich kluczową zaletą jest to, że mogą zwiększać ciśnienie płynu dopiero za sobą, nie wpływając na ciśnienie panujące przed nimi – czyli w zbiornikach. W efekcie ciśnienie w zbiornikach może być nawet dziesięciokrotnie niższe niż w układzie ciśnieniowym: zamiast 30 barów wystarczą zaledwie 3 bary. Pozwala to na zastosowanie cienkościennych, lżejszych i tańszych zbiorników, co przekłada się na znaczną oszczędność masy całego pojazdu.
Schemat cyklu z zasilaniem elektrycznym.
Pompy mogą być napędzane na różne sposoby – jednym z nich jest wykorzystanie silników elektrycznych zasilanych z baterii akumulatorów. To rozwiązanie ma jednak poważne ograniczenie: pompy rakietowe wymagają ogromnej mocy. Dla przykładu, turbopompa silnika RD-170 rozwija moc około 230 000 koni mechanicznych (170 MW). Zasilenie takiej pompy silnikami elektrycznymi wymagałoby tysięcy kilogramów baterii, co czyni to rozwiązanie całkowicie niepraktycznym w przypadku dużych rakiet nośnych.
Inaczej wygląda sytuacja w segmencie małych rakiet, gdzie wymagany ciąg i przepływ paliwa są znacznie mniejsze. Tam elektryczne pompy sprawdzają się doskonale. Najlepszym tego przykładem jest rakieta Electron firmy Rocket Lab, która używa wyłącznie silników z napędem elektrycznym i z powodzeniem osiąga orbitę od stycznia 2018 roku. Jej silnik Rutherford to pierwszy na świecie silnik przeznaczony do lotów orbitalnych, który jest w całości drukowany w technologii 3D i napędzany elektrycznie – pompy zasilane są z baterii litowo-polimerowych. Do 2026 roku wyprodukowano już ponad tysiąc takich silników, a Electron wykonał dziesiątki udanych misji.
Należy jednak pamiętać o kluczowej wadzie tego rozwiązania – baterie mają ograniczoną pojemność energetyczną, co przekłada się na ograniczony czas pracy silnika. Dla misji orbitalnych trwających zaledwie kilka minut nie stanowi to problemu, ale dla dłuższych misji międzyplanetarnych czy dla dużych rakiet nośnych to wciąż przeszkoda nie do pokonania przy obecnym poziomie technologii.
Każdy z omówionych cykli ma swoje zalety i ograniczenia. Wybór odpowiedniego układu zależy od wymagań misji – prostota i niezawodność dla manewrów kontrolnych, większa wydajność dla wynoszenia ładunków na orbitę. Mimo rosnącej złożoności konstrukcji, wszystkie te rozwiązania wciąż mają swoje miejsce we współczesnej astronautyce.
Korekta – Ania Grzesiak
