Raketinis kuras — apibrėžimas, tipai: kietas, skystas, dujinis

Raketinis kuras: apibrėžimas, kietas, skystas, dujinis — sužinokite veikimo principus, pavyzdžius (Space Shuttle, vandens raketos) ir praktinį panaudojimą.

Raketinis kuras – tai medžiaga arba medžiagų derinys, kuris sudeginamas arba kitaip chemiškai reaguoja ir taip sukuria aukštos temperatūros bei slėgio dujas, išstumiamas per variklio antgalį, kad sukurtų trauką. Raketinis kuras naudojamas tiek kosminių skraidyklių ir palydovų paleidimo sistemose, tiek karinėse raketose, moksliniuose eksperimentuose ir modeliniuose (hobi) paleidimuose. Dažniausiai tai cheminės reakcijos rezultatas, tad dauguma raketų yra cheminės raketos ir jas varo ugnimi.

Degalai ir oksidatoriai

Daugumoje cheminių raketų yra dvi pagrindinės sudedamosios dalys: kuras ir oksidatorius. Kartais jos sumaišomos į vieną masę (kaip daugelyje kietojo kuro variklių), o kartais laikomos atskirose talpyklose (kaip daugelyje skysto kuro variklių). Oksidatorius tiekia deguonies ekvivalentą, reikalingą degimui vykti net ir vakuume, kur natūralaus oro nėra.

Raketinio kuro tipai

• Kietas: kietojo kuro raketose kuras ir oksidatorius dažnai būna sumaišyti į vieną standžią masę. Tokie varikliai yra paprasti, patikimi ir lengvai laikomi ilgesnį laiką. Jie suteikia didelį pirminį traukos impulsą, tačiau paprastai negali būti reguliuojami ar užvesti iš naujo po uždegimo. Kietojo kuro pavyzdys – Space Shuttle greitintuvai, kurių kurą sudarė aliuminio milteliai, o oksidatorius – amonio perchloratas.
• Skystas: skysčio kuro raketose kuras ir oksidatorius laikomi atskirose talpyklose ir pumpuojami į degimo kamerą. Tai leidžia valdyti variklio darbą, reguliuoti trauką ir dažnai užvesti variklius iš naujo. Skysto kuro varikliai būna įvairių tipų:
  • kriogeniniai (pvz., skystas vandenilis + skystas deguonis) – aukštas specifinis impulsas, bet reikalauja žemų temperatūrų ir sudėtingos izoliacijos;
  • hibridiniai ir hipergoliniai sprendimai – hipergoliniai kuro/oksidatoriaus deriniai užsidega spontaniškai kontaktuojant, todėl nereikia uždegiklio, bet šios medžiagos dažnai yra toksiškos;
  • kerosenas (RP-1) + LOX – plačiai naudojamas dėl didelės tankio ir palyginti paprasto laikymo (pvz., istoriniuose ir dabartiniuose raketų pirmuosiuose etapuose).
• Dujinis: dujinis kuras arba dujinės varomosios sistemos apima tiek dujų pavidalo degalus, tiek šaltus dujų (cold gas) sistemos, kurios veikia išstumiant suspaustas dujas. Tokios sistemos dažnai naudojamos aukštos tikslumo orientacijos ir poslinkio valdymui (reakcijų varikliai), o žaislinėse vandens raketose varomoji jėga gaunama iš dujų, pavyzdžiui, suspausto oro.
• Hibridiniai (tarp kietų ir skystų): kuras dažnai būna kietas, o oksidatorius – skystas arba dujinis. Šios sistemos bando sujungti paprastumo privalumus su galimybe reguliuoti trauką ir peradresuoti variklio veikimą.

Veikimo principas ir našumas

Raketinis variklis veikia pagal judesio išsaugojimo principą: degimo metu susidariusios karštos dujos išstumiamos per antgalį dideliu greičiu, taip suteikiant varikliui priešingą jėgą – trauką. Svarbūs raketinio kuro ir variklio parametrų rodikliai:

• Specifinis impulsas (Isp) – matuoja kuro efektyvumą (sekundėmis). Aukštesnis Isp reiškia, kad už tą patį kuro kiekį gaunama daugiau traukos. Kriogeniniai skysti kurai (pvz., LH2/LOX) turi didžiausią Isp (~400–450 s), skystas kerosenas su LOX – ~300 s, kieti kurai – dažniausiai ~200–300 s, o šaltos dujų sistemos – gerokai mažiau (~50–100 s).
• Tankio impulsas – svarbus raketų konstrukcijai: tankesnis kuras užima mažiau tūrio, todėl leidžia mažesnes talpyklas ir lengvesnę struktūrą.
• Traukos profilis – kietasis kuras dažnai suteikia didelę pastovią trauką, o skystieji varikliai leidžia reguliuoti ir pakartotinai užvesti sistemą.

Privalumai ir trūkumai

• Kietasis kuras: privalumai – paprastumas, patikimumas, ilgas saugus saugojimas; trūkumai – negalima reguliuoti ar užgesinti be mechaninių priemonių, dažnai palieka degimo likučių ir dulkes.
• Skystasis kuras: privalumai – reguliuojamumas, aukštas efektyvumas, galimybė užvesti iš naujo; trūkumai – sudėtinga inžinerija, svoris dėl siurblių ir vamzdynų, problema su kriogeniniais skysčiais (aušinimas, pratekėjimas).
• Dujinis kuras / cold gas: privalumai – paprastumas, saugumas ir greitas reagavimas orientacijos valdymui; trūkumai – mažas Isp ir nedidelė trauka, todėl tinka tik smulkiems manevrams arba žaislinėms raketoms.

Saugumas, ekologija ir praktiniai pavyzdžiai

Kai kurie raketinių kuro komponentai, pavyzdžiui, amonio perchloratas, yra kenksmingi aplinkai ir gali teršti dirvožemį bei vandenis, todėl jų naudojimas ir šalinimas reikalauja griežtų saugos procedūrų. Kriogeniniai skysčiai reikalauja specialių izoliacijos technologijų, o hipergoliniai kurai paprastai yra toksiški ir koroziniai.

Pavyzdžiai iš praktikos: Space Shuttle turėjo kietojo kuro greitintuvus, kurių kuras buvo aliuminio milteliai, o oksidatorius – amonio perchloratas. Pagrindiniuose "Space Shuttle" varikliuose kaip kuras naudotas skystas vandenilis, o kaip oksidatorius – skystas deguonis. Žaislinėse vandens raketose kaip varomoji medžiaga dažnai naudojamos dujos, pavyzdžiui, suspaustas oras, kuris išspaudžia vandenį per nosį ir sukuria trauką.

Santrauka

Raketinis kuras gali būti kietas, skystas arba dujinis, o pasirinkimas priklauso nuo misijos reikalavimų: norimo našumo, galimybės valdyti variklį, saugojimo ir saugumo sąlygų. Inžineriniai sprendimai stengiasi subalansuoti efektyvumą, patikimumą ir ekologinį poveikį, todėl raketinių kuro technologijos nuolat tobulėja.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra raketinis kuras?

K: Kokios gali būti raketinio kuro formos?

K: Kuo dažniausiai varomos raketos?

K: Kokios dvi cheminės medžiagos naudojamos kaip raketinis kuras daugumoje cheminių raketų?

K: Ar cheminėse raketose kuras ir oksidatorius kartais maišomi kartu?

K: Iš ko buvo pagaminti kietojo kuro raketų "Space Shuttle" greitintuvai?

K: Kuo buvo varomi pagrindiniai "Space Shuttle" varikliai?

Paieška pagal raidę