Raketinis variklis – kas tai ir kaip veikia

Raketinis variklis — supraskite veikimo principą, kuro tipus, jėgos kūrimą ir pavyzdžius nuo sodo žarnos iki NASA raketų. Aiškiai ir paprastai.

Raketinis variklis - tai įrenginys, kuris sukuria jėgą, dideliu greičiu stumdamas dujas iš tūtos. Raketiniai varikliai degina chemines medžiagas, pavyzdžiui, naftą ir skystą deguonį, esant labai aukštam slėgiui ir temperatūrai, kad cheminė energija virstų judesiu. Kai kuriais atvejais (pvz., NASA raketose) sukuriama jėga gali viršyti 1 000 000 000 svarų jėgos (4 400 000 niutonų).

Sodo žarna rodo, kaip judantis skystis gali sukurti jėgą. Pakėlus žarną aukštyn, ji slankioja aplink, nebent būtų nejudinama. Išeinantis vanduo sukuria žarną veikiančią jėgą, panašiai kaip raketos variklio dujos stumia raketos variklį.

Kaip raketinis variklis veikia

Paprastai raketinis variklis veikia pagal trečiąjį Niutono dėsnį: jeigu išmesti masę atgal (karštas dujų srautas), raketa patirs reaktyvinį judesį į priešingą pusę. Variklis perdegina propelantą degimo kameroje, kur susidaro labai karštos ir aukšto slėgio dujos. Šios dujos išsiplečia ir išsiveržia per tūtą (nozzle), kur yra paverčiamos dideliu greičiu išeinančiu srautu — tai sukuria stūmą (thrust).

Pagrindinės dalys

• Degimo kamera – vieta, kur sudega kuras ir oksidatorius.
• Tūta (nozzle) – leidžia dujoms išsiplėsti ir pasiekti didelį greitį; tūtos forma lemia išmetimo greitį.
• Degalų bakai – saugo kurą ir (jei reikia) oksidatorių.
• Turbopumpai – skystų variklių atveju pumpuoja degalus į kamerą; kietojo kuro varikliuose jų nėra.
• Uždegimo sistema – sukelia pradinį degimo procesą.

Pagrindiniai variklių tipai

• Skystųjų degalų varikliai – naudoja skystą kurą ir skystą oksidatorių. Privalumas: reguliuojamas gesinimas ir didesnis efektyvumas, trūkumai – sudėtinga konstrukcija ir sunkesnė priežiūra.
• Kietojo kuro varikliai – propelantas yra viename gabale (granėje). Paprastesni ir patikimesni, bet mažiau valdomi ir negali būti išjungiami arba atstatomi pakartotinai.
• Hibridiniai varikliai – derinys, kai vienas komponentas yra kietas, kitas – skystas; kompromisas tarp paprastumo ir valdomumo.
• Elektriniai ir joniniai varikliai – nenaudoja cheminio degimo, o išskiria daleles labai aukštu greičiu naudojant elektros laukus. Duoda mažą stūmą, bet labai didelį efektyvumą (naudojami kosminių aparatų manevravimui ir ilgalaikėms veikloms).

Svarbios sąvokos ir parametrai

• Stūmas (thrust) – jėga, kuri variklis sukuria; priklauso nuo išmetamųjų dujų masės srauto ir jų greičio.
• Specifinis impulsas (Isp) – matas, kiek efektyviai variklis panaudoja kurą (dažnai išreiškiamas sekundėmis). Kuo didesnis Isp, tuo efektyviau sunaudojami degalai.
• Išmetimo greitis – dujų greitis tūtoje; svarbiausias veiksnys tiesiogiai lemiantis stūmą.
• Delta‑v – raketos gebėjimas pakeisti greitį; nuo jos priklauso, kokias trajektorijas ir orbitas galima pasiekti.

Trumpai apie fiziką (supaprastintai)

Stūmas priklauso nuo masės srauto ir išmetimo greičio. Supaprastinta formulė:

stūmas ≈ masės srautas × išmetimo greitis

Detalizuojant, įtraukiamas ir slėgio skirtumas tarp išėjimo angos ir aplinkos slėgio, bet pagrindinė idėja yra: kuo greičiau ir kuo daugiau masės yra išmesta atgal, tuo didesnė jėga į priekį.

Panaudojimas

• Raketonus ir kosminių laivų paleidimui iš Žemės į orbitą.
• Aukštumos eksperimentams ir moksliniams instrumentams.
• Palydovų manevravimui ir stoties padėties koregavimui (užtikrina orbitalinę stabilią veiklą).
• Modelinei rocketry (mokslo ir švietimo tikslams) bei karinėms raketoms.

Saugumas ir aplinka

Raketiniai varikliai ir jų kuro komponentai gali būti labai pavojingi: kai kurie skysti oksidatoriai ir degalai (pvz., hidrazinas ar kai kurie raketiniai skysčiai) yra toksiški arba koroziniai. Paleidimų metu susidaro nešvarumai ir degimo produktai, todėl vis daugiau dėmesio skiriama mažesnio taršumo technologijoms, perdirbamoms ir daugkartinio naudojimo varikliams (pvz., šiandienos komerciniai raketų operatoriai). Be to, raketų konstrukcijoje taikomos sudėtingos aušinimo ir izoliacijos sistemos, kad komponentai atlaikytų aukštas temperatūras ir slėgius.

Trumpa istorija

Raketas ir variklių idėjas plėtojo tokie pionieriai kaip Konstantinas Ciolkovskis ir Robertas Goddardas (pirmasis skysto kuro variklio bandymas 1926 m.). Po Antrojo pasaulinio karo technologija sparčiai vystėsi; svarbūs etapai – Vokietijos, JAV ir Sovietų Sąjungos raketų programos, vėliau – kosminių laivų ir komercinių paleidimų era. Pastaraisiais dešimtmečiais daug investicijų tenka efektyvesniems ir daugkartinio naudojimo varikliams.

Santrauka: raketinis variklis – tai įrenginys, kuris kuria stūmą išmetdamas dujas dideliu greičiu. Yra keli variklių tipai (skystieji, kietieji, hibridiniai, elektriniai), kiekvienas su savo privalumais ir trūkumais. Pagrindinis darbo principas – reaktyvinis judesys: masė išmetama atgal, o raketa juda į priekį.

Paieška pagal raidę