Obrazek wyróżniający: Wikimedia Commons

W poprzednim artykule omówiłam podstawowe cykle pracy silnika. Większość z nich opierała się na wykorzystaniu naturalnej tendencji płynów do poruszania się w kierunku niższego ciśnienia, ale, jak wspomniałam, niesie to ze sobą poważne ograniczenia konstrukcyjne. Dlatego u większości rakiet orbitalnych stosuje się cykl otwarty bądź zamknięty – czyli silniki wykorzystujące zmechanizowane części do kierowania płynów w pożądane miejsce.

Cykl otwarty

W literaturze inaczej nazywa się go generatorem gazu, w skrócie: GG. Aby uruchomić turbinę, która napędzałaby pompy niezbędne do wytłoczenia paliwa ze zbiorników z odpowiednią prędkością, potrzebna jest energia. W przypadku opisanych w poprzednim artykule silników z napędem elektrycznym to właśnie prąd pełnił rolę tej energii, lecz powodowało to pewne ograniczenia. Bardziej efektywny jest system, w którym pompy napędza energia pochodząca ze spalania części materiałów pędnych.

W cyklu otwartym małą część paliwa (zwykle 3-7%) spala się w mniejszej komorze spalania, znanej również jako generator gazu. Reakcja spalania nie jest stechiometryczna – paliwo i utleniacz nie są wymieszane w idealnych, pozwalających na ich całkowite spalenie proporcjach. Gdyby reakcja była stechiometryczna, wysokie temperatury rzędu ponad 3000 stopni Celsjusza uszkodziłyby łopatki turbiny. Dlatego do generatora gazu doprowadza się znacznie większą ilość paliwa niż utleniacza, co pozwala na obniżenie średniej temperatury spalin – część energii wydzielanej podczas spalania jest zużywana na ogrzanie nadmiarowego, niespalonego paliwa.

Mogłoby się nasunąć pytanie, dlaczego stosuje się cykl bogaty w paliwo, a nie ten bogaty w utleniacz. Powody są dwa:

1. Produkty spalania mieszanki zawierającej głównie paliwo mają mniejszą średnią masę cząsteczkową, co teoretycznie poprawia osiągi, ale w przypadku generatora gazu kluczowa jest ochrona turbiny – nadmiar paliwa obniża temperaturę, a niespalone węglowodory są mniej agresywne chemicznie dla metali niż rozgrzany tlen. Ponadto każda część paliwa, która trafia do generatora, nie trafia już do komory głównej, więc im mniejsza masa jest „marnowana” w cyklu otwartym, tym lepiej.

2. Utleniacz w wysokiej temperaturze jest ekstremalnie szkodliwy dla metali – powoduje gwałtowne utlenianie i korozję konstrukcji. Paliwo natomiast, choć pozostawia osady węglowe (sadzę), jest zdecydowanie mniej destrukcyjne dla materiałów.

Procesy zachodzące w generatorze gazu wytwarzają spaliny pod wysokim ciśnieniem, które napędzają turbinę, a następnie są wydalane do atmosfery lub próżni. Główna komora spalania nie wykorzystuje tych produktów, co obniża wydajność silnika w porównaniu z cyklem zamkniętym – ale zyskuje się prostotę i niezawodność.

Zanim reszta paliwa trafi do komory spalania, może przepływać przez specjalne kanały w ścianach dyszy, by ją ochłodzić (chłodzenie regeneracyjne), ale nie jest to jedyna metoda – istnieje wiele innych sposobów, takich jak chłodzenie ablacyjne (powłoka wewnętrzna pochłaniająca ciepło) czy chłodzenie filmowe. Dla większej skuteczności często łączy się kilka metod jednocześnie.

Silniki z cyklem generatora gazowego są często spotykane w astronautyce, głównie ze względu na prostotę połączoną z akceptowalną wydajnością. Ich przykłady można znaleźć zarówno w pierwszych projektach, jak i obecnych – użyto ich już w niemieckiej rakiecie V2/A4, potem w Saturnie V (silniki F-1), a obecnie korzysta się z nich w silnikach Merlin 1D napędzających rakiety Falcon 9.

Cykl zamknięty

Cykl zamknięty, inaczej nazywany cyklem ze stopniowanym spalaniem, jest skomplikowanym konstrukcyjnie rozwiązaniem. Wymyślono go z myślą o jak najefektywniejszym wykorzystaniu paliwa, by pozwolić na większą sprawność. W tym cyklu cały utleniacz lub całe paliwo trafia do przedspalacza. Tam dochodzi do reakcji chemicznej z małą ilością drugiego składnika. Produkty reakcji – wciąż bogate w jeden ze składników – napędzają turbinę, która z kolei napędza pompy tłoczące materiały pędne ze zbiorników. Następnie cała mieszanka (łącznie z produktami spalania z przedspalacza) trafia do głównej komory spalania, gdzie ulega całkowitemu spaleniu.

Cykl zamknięty dzieli się na dwa typy: bogaty w paliwo oraz bogaty w utleniacz. Pierwszy skonstruowany silnik o cyklu zamkniętym był tym bogatym w utleniacz. Sowieccy inżynierowie już w późnych latach 50. poradzili sobie z trudnościami konstrukcyjnymi, projektując S1.5400. Poleciał on na wyższym stopniu rakiety Mołnia – modyfikacji znanej R-7, która wyniosła Gagarina na orbitę.

Wybrano wariant bogaty w utleniacz, ponieważ nafta służąca za paliwo w tym silniku, gdyby trafiła do przedspalacza w nadmiarze, zostawiłaby po sobie sadzę, która z czasem zablokowałaby ciasne dysze wtryskowe w głównej komorze. Problem jest tu poważniejszy niż w przypadku silników o cyklu otwartym, gdyż w cyklu zamkniętym wszystkie produkty spalania muszą przejść przez wtryskiwacze do komory głównej – nie można ich „wyrzucić za burtę”. Aby uniknąć problemów z żaroodpornością na działanie gorącego tlenu, Sowieci opracowali specjalne stopy metali (np. żaroodporne stopy niklu) hamujące uszkodzenia korozyjne. Dodatkowo przed najbardziej narażonymi łopatkami turbiny wtryskiwano niewielką ilość dodatkowego paliwa, tworząc warstwę ochronną.

Kiedy paliwo minie już pompy i tubiny, nic innego nie wymusza jego ruchu wbrew naturalnej tendencji do poruszania się w kierunku niższego ciśnienia. Oznacza to, że w drodze od przedspalacza do komory spalania paliwo porusza się zgodnie z różnicą ciśnień. Aby zapobiec wstecznemu przepływowi, ciśnienie w przedspalaczu musi być znacznie wyższe niż w głównej komorze spalania. Turbina pobiera energię z gazu i zamienia ją na pracę mechaniczną, na skutek czego ciśnienie gazu maleje po przejściu przez nią. Gdy materiały pędne przechodzą przez wtryskiwacz, ciśnienie spada ponownie. Zgodnie z praktyczną zasadą projektową: ciśnienie w przedspalaczu powinno być dwukrotnie większe niż w komorze spalania, a ciśnienie przed wtryskiwaczem o około 20% większe niż za nim.

Do osiągnięcia tak wysokich ciśnień stosuje się wielostopniowe pompy turbinowe. Im więcej stopni (wirników), tym wyższe ciśnienie końcowe. W cyklu otwartym bogatym w utleniacz zdecydowanie większa część paliwa nie przechodzi przez przedspalacz, więc wystarczy zwiększyć ciśnienie paliwa o około 20%. Natomiast cały utleniacz i niewielka część paliwa przechodzą przez większą liczbę stopni pompy i trafiają do przedspalacza.

Jak wspominałam, Rosjanie już dawno opracowali ten typ silnika. Przykłady można wymieniać: NK-15 oraz NK-33 używane na słynnej N-1, RD-170 na Energii, RD-180 na Atlas V. Amerykanie dopiero w ostatnich latach zdołali skonstruować udany silnik o cyklu zamkniętym bogatym w tlen – BE-4 firmy Blue Origin po raz pierwszy poleciał w styczniu 2024 roku. Lot okazał się sukcesem.

Nie oznacza to, że USA całkowicie zrezygnowało z budowy silników o cyklu zamkniętym – poszli inną drogą, pracując nad cyklem zamkniętym bogatym w paliwo. Aby uniknąć gromadzenia się sadzy, zrezygnowano z paliwa węglowodorowego. Słynnym przykładem jest silnik RS-25 używany w wahadłowcach kosmicznych – jako paliwo zastosowano tam wodór, który nie pozostawia osadów węglowych.

Oczywiście, w inżynierii zawsze coś jest kosztem czegoś, więc i to rozwiązanie niesie wyzwania. Gęstość wodoru jest ekstremalnie mała, przez co zajmuje dużo miejsca w zbiornikach, a poza tym potrzeba dużych pomp z wieloma stopniami, by osiągnąć pożądane ciśnienie.

Domyślnym rozwiązaniem jest zastosowanie jednego wału sterującego wszystkimi turbinami i pompami. W przypadku mieszanki wodorowo-tlenowej może to jednak doprowadzić do katastrofy – wodór łatwo przenika przez najmniejsze szczeliny i mógłby dostać się do układu utleniacza przez uszczelnienia wału. Dlatego amerykańscy inżynierowie zaprojektowali silnik z dwoma niezależnymi wałami i dwoma przedspalaczami, a dodatkowo opracowali uszczelnienia wypełnione helem, zapobiegające niepożądanym przeciekom. Jeden przedspalacz napędza pompy paliwa, drugi – pompy utleniacza.

W przypadku cyklu zamkniętego bogatego w paliwo wiele procesów przebiega odwrotnie niż w wariancie bogatym w utleniacz. Tylko niewielka część utleniacza trafia do przedspalacza, a znacznie większa część przechodzi przez jeden stopień pompy. Inaczej dzieje się z paliwem – jego większość przechodzi przez wszystkie stopnie pompy i trafia do przedspalacza.

Rosjanie również zajmowali się tym rodzajem silników – RD-26 oraz RD-57 zostały opracowane dla wariantu rakiety N-1, a RD-0120 jest największym jednokomorowym silnikiem, jakiego Rosja kiedykolwiek użyła w locie.

Wybór między cyklem otwartym a zamkniętym to nie tylko kwestia osiągów, ale przede wszystkim kompromis między prostotą konstrukcji a efektywnością. Cykl otwarty (z generatorem gazu) sprawdza się tam, gdzie liczy się niezawodność i niższy koszt – dlatego wciąż jest chętnie wykorzystywany, jak choćby w silnikach Merlin 1D. Z kolei cykl zamknięty, mimo większej złożoności, pozwala osiągnąć wyższą sprawność, co ma kluczowe znaczenie w misjach wymagających maksymalnego wykorzystania paliwa.

Co ciekawe, historia pokazuje, że często to nie sama idea, lecz dostępne materiały i technologie decydowały o sukcesie danej konstrukcji. Radzieccy inżynierowie jako pierwsi opanowali cykl bogaty w utleniacz dzięki opracowaniu odpornych stopów metali, podczas gdy Amerykanie poszli w stronę cyklu bogatego w paliwo, wybierając wodór, by uniknąć problemów z sadzą. Dziś oba podejścia są rozwijane równolegle, a najnowsze konstrukcje, jak BE-4, czerpią z dorobku obu szkół konstrukcyjnych.

Niezależnie od wybranej koncepcji, jedno pozostaje niezmienne – precyzyjne zarządzanie przepływem paliwa i utleniacza oraz ciśnieniem w całym układzie to klucz do bezpiecznego i efektywnego lotu w kosmos.

Korekta – Laura Samoszuk