Obrazek wyróżniający: Wikimedia Commons

Po omówieniu najprostszych silników rakietowych oraz cykli otwartych i zamkniętych czas na coś jeszcze innego. W tym artykule omówię pozostałe rodzaje silników rakietowych, które łączą cechy poznanych cykli pracy lub oferują zupełnie inne podejście do napędu.

Zamknięty cykl z pełnym przepływem (Full flow)

Można powiedzieć, że to cykl zamknięty bogaty w utleniacz oraz cykl zamknięty bogaty w paliwo w jednym silniku. W takim rozwiązaniu znajdują się dwa przedspalacze – do jednego trafia przede wszystkim paliwo z odrobiną utleniacza, do drugiego – głównie utleniacz z niewielką ilością paliwa. W tym cyklu cały strumień materiałów pędnych kierowany jest do przedspalaczy.

Wikimedia Commons

Schemat cyklu zamkniętego z pełnym przepływem.

Do komory spalania wpływają utleniacz i paliwo w stanie gazowym. Jest to istotna zaleta – reakcja gaz-gaz jest wysoce efektywna, spala się bardziej równomiernie i szybciej niż mieszanka gaz-ciecz lub ciecz-ciecz, co pozwala osiągnąć sprawność spalania na poziomie 98–99% – znacznie więcej niż w cyklach z wtryskiem cieczy.

W tym rodzaju silnika występują dwa niezależne wały – jeden dla strony bogatej w utleniacz, drugi dla bogatej w paliwo, zatem nie ma potrzeby stosowania skomplikowanych uszczelek zapobiegających interakcjom materiałów pędnych.

Prawdopodobnie najważniejszą zaletą tego silnika jest fakt, że cały strumień paliwa i utleniacza jest rozdzielany między dwa przedspalacze. Dzięki temu przyrost temperatury w każdym z przedspalaczy jest znacznie mniejszy niż w klasycznym cyklu zamkniętym – każdy przedspalacz pracuje w bardziej umiarkowanym zakresie temperatur, co zmniejsza obciążenie cieplne turbin. A właśnie zbyt wysokie temperatury są jednym z największych ograniczeń konstrukcyjnych w silnikach rakietowych. Cykl z pełnym przepływem pozwala osiągnąć ten sam ciąg co prostsze konstrukcje, wytwarzając mniejsze naprężenia termiczne w newralgicznych elementach. Oznacza to, że potencjał tych silników przewyższa możliwości mniej skomplikowanych rozwiązań.

Największą wadą silników full flow jest ich skomplikowanie. Jeśli coś pójdzie nie tak w jednym podsystemie, niemal nieunikniona jest awaria pozostałych, niczym efekt domino. Im większa złożoność, tym więcej czasu potrzeba na dopracowanie szczegółów. A, jak wiadomo, czas to pieniądz. Dlatego organizacje sektora kosmicznego często rezygnują z projektowania silników z pełnym przepływem.

Jak zwykle, i w tej dziedzinie wiedzie prym Rosja. RD-270 był pierwszym na świecie silnikiem full-flow. Jego ciąg był o około 15% mniejszy niż moc silnika F-1 z Saturna V, ale za to był znacznie bardziej efektywny. Niestety nigdy nie przetestowano go w locie, ponieważ programy rakietowe, dla których go zaprojektowano, zostały anulowane.

Raptor SpaceX, zaprojektowany dla rakiety Starship, jest trzecim silnikiem w historii korzystającym z cyklu full flow i pierwszym, który poleciał. Ciśnienie w komorze spalania ponad trzykrotnie przewyższa to w silniku Merlin, a jedyną metodą chłodzenia dyszy jest chłodzenie regeneracyjne. Stosunek masowy utleniacza do paliwa wynosi około 3,6:1 – nieco bogatszy w paliwo od stechiometrii, co chroni elementy przed przegrzaniem. Skorzystano z metanu, ponieważ pozostawia on znacznie mniej problematycznych osadów węglowych niż nafta.

Cykl tap-off (z odprowadzaniem gazów)

A co, gdyby całkowicie zrezygnować z przedspalaczy? Wtedy można rozważyć pobranie części gorących gazów bezpośrednio z komory spalania przez specjalnie zaprojektowane otwory, by napędzać turbinę. Na tym właśnie polega cykl tap-off, którego zaletą jest relatywnie mniejsza liczba części, a więc mniejsza złożoność silnika.

Duk via Wikimedia Commons

Schemat cyklu tap-off.

Oczywiście pobranie gazów z komory spalania zmniejsza nieznacznie sprawność silnika, ale zyskujemy prostotę i mniejszą podatność na awarie. Plusem jest samoregulacja – parametry pracy turbiny i pompy są bezpośrednio sprzężone z warunkami panującymi w komorze spalania. Jeśli ciśnienie w głównej komorze niespodziewanie wzrośnie, do turbopompy natychmiast trafia gaz o wyższym ciśnieniu. Turbopompa zaczyna obracać się szybciej, tłocząc więcej paliwa, co pozwala utrzymać proporcje. Jeśli ciśnienie w komorze spadnie, ciśnienie gazu napędzającego turbinę również maleje – turbina zwalnia, przez co pompy dostarczają mniej paliwa, co zapobiega gwałtownym wahaniom i stabilizuje pracę silnika na niższym poziomie.

Głównym problemem jest zdecydowanie zbyt wysoka temperatura w komorze spalania w porównaniu z temperaturą, jaką wytrzymują łopatki turbiny. Dlatego inżynierowie decydują się rozcieńczyć gorący gaz – zwykle stosuje się w tym celu dodatkową porcję paliwa, która sprawia, że spaliny stają się bardziej bogate w paliwo, a zatem chłodniejsze. Tak przygotowane spaliny są zazwyczaj wyrzucane za burtę (cykl otwarty), choć w niektórych konstrukcjach mogą być wykorzystane do chłodzenia filmowego dyszy.

Niewiele silników z odprowadzaniem gazów zostało wyprodukowanych, a jeszcze mniej trafiło na orbitę. Pierwszym silnikiem tap-off był J-2S zaprojektowany przez NASA – testy statyczne zakończyły się sukcesem, jednak nigdy nie poleciał. Dopiero w 2013 roku firma Blue Origin przetestowała silnik tap-off BE-3 podczas lotu New Shepard, a w 2022 roku firmie Firefly udało się dotrzeć na orbitę dzięki silnikom Reaver 1.

Cykl ekspanderowy (rozprężny)

Podobnie jak cykl tap-off, ten również nie potrzebuje przedspalaczy. Zamiast nich wykorzystuje chłodzenie regeneracyjne – paliwo przepływające przez kanały w ścianach dyszy odbiera z niej ciepło, a następnie to podgrzane paliwo napędza turbinę.

Im więcej energii cieplnej pobierze paliwo, tym skuteczniej rozpędzi turbinę. Z tego powodu w cyklu ekspanderowym najlepiej sprawdza się paliwo o wysokiej pojemności cieplnej – w praktyce niemal zawsze jest to wodór, który ma najwyższą pojemność cieplną spośród wszystkich paliw (ok. 14 kJ/kg·K).

Silniki ekspanderowe mają pewne ograniczenia związane z geometrią. Gdy zwiększa się liniowo wszystkie wymiary silnika, jego objętość rośnie szybciej niż powierzchnia. Matematycznie: pole powierzchni rośnie proporcjonalnie do kwadratu promienia, a objętość – do sześcianu. Oznacza to, że łatwiej ochłodzić duży silnik niż mały (większa powierzchnia w stosunku do objętości), ale jednocześnie większy silnik potrzebuje więcej energii do napędzania pomp, a odbierane ciepło nie rośnie wystarczająco szybko. Dla dużego silnika procent paliwa, które przechodzi przez kanały chłodzące, jest mniejszy niż dla małego. Aby temu zapobiec, silniki ekspanderowe często mają wydłużony kształt, co zwiększa powierzchnię wymiany ciepła i poprawia osiągi.

Silniki ekspanderowe dzielą się na te z cyklem otwartym i zamkniętym. W cyklu zamkniętym ciśnienie paliwa musi być dość wysokie, zanim dotrze do turbiny, ponieważ po przejściu przez turbinę i wtryskiwacz ciśnienie spada – a potem gazy muszą jeszcze wpłynąć do komory spalania, w której panuje wysokie ciśnienie. Aby uniknąć wstecznego przepływu, ciśnienie na wylocie z turbiny musi być wyższe niż ciśnienie w komorze spalania. Jeśli w komorze panuje np. 50 barów, na wylocie z turbiny musi być co najmniej 60 barów (20% większe). Dlatego pompy w tych silnikach mają zwykle wiele stopni (wirników), a dodatkowo wyposażone są w przekładnie regulujące prędkość obrotową.

Duk via Wikimedia Commons

Schemat cyklu ekspanderowego zamkniętego.

Duk via Wikimedia Commons

Schemat cyklu ekspanderowego otwartego.

Problem polega na tym, że różnica ciśnień między wlotem a wylotem turbiny jest ograniczona – skoro na wylocie trzeba utrzymać wysokie ciśnienie, turbina nie może „wycisnąć” z gazu całej energii. Mało energii oznacza mało mocy dla pompy, więc pompa nie da rady wytworzyć gigantycznego ciśnienia w komorze. To ograniczenie sprawia, że zamknięte cykle ekspanderowe są stosowane głównie w silnikach górnych stopni (pracujących w próżni), gdzie ciśnienie w komorze nie musi być ekstremalnie wysokie.

W otwartym cyklu ekspanderowym gazy napędzające turbinę są wyrzucane za burtę, a nie kierowane do komory spalania. Ponieważ gazy z turbiny nie muszą wpychać się do wysokociśnieniowej komory, ciśnienie na wylocie z turbiny jest równe ciśnieniu otoczenia. W efekcie stosunek ciśnień na turbinie jest ogromny – a moc turbiny zależy bezpośrednio od tego stosunku.

Otwarty cykl ekspanderowy pozwala zbudować większy silnik o wyższym ciśnieniu w komorze niż zamknięty. Dlaczego więc w ogóle stosuje się zamknięty? Chodzi o wydajność paliwową – w każdym cyklu otwartym kilka procent mieszanki paliwowej jest marnowane (nie trafia do komory spalania), co obniża impuls właściwy.

Japońskie LE-5B oraz LE-9 wykorzystują otwarty cykl ekspanderowy w wyższym stopniu rakiet z serii H. Jak podkreśla JAXA, ten rodzaj silnika, połączony z nowymi technologiami (jak druk 3D), pozwala znacząco zredukować koszty eksploatacji rakiet.

Słynny RL-10 (w tym wariant z rozszerzalną dyszą) korzysta z zamkniętego cyklu ekspanderowego i jest uznawany za najbardziej efektywny operacyjny silnik chemiczny w historii astronautyki – ma najwyższy impuls właściwy (ok. 450 s w próżni) spośród wszystkich silników wykorzystywanych w locie.

Każdy z omówionych cykli – pełnego przepływu, tap-off i ekspanderowy – to odpowiedź na inne wyzwanie konstrukcyjne:

• Full flow oferuje najwyższy potencjał osiągów i zmniejszone obciążenie cieplne turbin, ale kosztem ogromnej złożoności.

• Tap-off upraszcza konstrukcję, rezygnując z przedspalaczy, ale wymaga radzenia sobie z wysoką temperaturą gazów pobieranych z komory.

• Ekspanderowy wykorzystuje fizykę chłodzenia, by napędzać turbinę „za darmo” – ale jest ograniczony geometrycznie.

Historia pokazuje, że nawet najgenialniejsze rozwiązania techniczne (jak RD-270) mogą nie trafić do lotu, jeśli zabraknie dla nich odpowiedniego programu rakietowego. Z kolei inne, jak RL-10, pozostają w służbie przez dekady. A SpaceX, wybierając full flow dla Raptora, udowadnia, że nawet najbardziej skomplikowane cykle mogą stać się praktyczne, jeśli dysponuje się odpowiednimi zasobami i technologią.

Korekta – Tosia Kościelniak