Náhled do problematiky raketových motorů – tuhá vs. kapalná paliva
Minulý článek o raketových motorech byl zaměřen na princip jejich fungování a jejich efektivitu, otázka raketových paliv byla elegantně odsunuta na příště. A ten čas, probrat výhody a nevýhody jednotlivých paliv, právě nadešel.
Obecně
Pohyb rakety je reakcí na výtok plynů z trysky opačným směrem v důsledku zákona o zachování hybnosti. Na raketách se používají dva druhy reaktivních pohonných systémů: jednoduché plynové trysky a chemické motory. Plynové trysky slouží ke stabilizaci (zastavení rotace) nebo orientaci horního raketového stupně ve vakuu. Jelikož ve vakuu neexistuje odpor vzduchu, dostačují k tomuto účelu malé nádrže se stlačeným plynem, obvykle dusíkem. Výhodou tohoto systému je jeho jednoduchost, neboť jedinou pohyblivou částí je zde ventil, kterým se pouští plyn tryskou ven. Chemické motory jsou podstatně složitější. Využívají k pohonu rakety energii uvolněnou ve formě tepla při rozkladu nebo slučování (hoření) chemických látek. Při tomto procesu se zvětšuje objem žhavých plynů, které jsou poté vlastním přetlakem hnány skrze expanzní trysku do okolního prostředí.
Pohonné látky chemických motorů se rozlišují buď podle skupenství na tuhé, kapalné a hybridní, nebo podle počtu reagujících složek na jednosložkové (monergoly), dvousložkové (diergoly) a vícesložkové (polyergoly). Z jednosložkových, mezi něž patří hydrazin a peroxid vodíku, se energie získává katalytickým rozkladem, při kterém vzniká horký plyn. V případě hydrazinu se jako katalyzátor používá iridiová mřížka, rozkladem pak vzniká čpavek, dusík a vodík. Pro peroxid vodíku se jako katalyzátor používá platina nebo oxid manganatý, produktem rozpadu jsou voda a kyslík. Tyto látky se často využívají u manévrovacích motorků, kupříkladu návratová kabina kosmické lodi Sojuz je při sestupu atmosférou řízená motorky na peroxid vodíku.
Start prvního Falconu Heavy (Foto: SpaceX)
Z dvousložkových (palivo + okysličovadlo) a vícesložkových se energie získává jejich spalováním. Většina paliv by se však při pouhém kontaktu s okysličovadlem nikdy nevznítila, je nutné je zapalovat, což do návrhu motoru vnáší další kritický prvek, zvlášť pokud má motor být schopen opětovných zážehů. Tato okolnost byla jedinou kaňkou při jinak povedené premiéře Falconu Heavy, vracející se centrální stupeň tehdy havaroval, protože se nepodařilo zažehnout všechny motory potřebné pro přistávací manévr. Výjimkou jsou tzv. hypergolické látky jako hydrazin nebo asymetrický dimetylhydrazin, které při smíchání s okysličovadlem samy vzplanou. Jmenovaná paliva se používají k pohonu některých čínských raket a ruského Protonu, ale kvůli jejich toxicitě se od nich pozvolna ustupuje.
Vícesložkové pohonné látky se až na výjimky jako Aerozin 50 v praxi uplatnily jen jako tuhá paliva, ale byly zkoumány pro jejich vysoký energetický potenciál i u kapalných paliv. V převážné většině se vlastně jedná o obvyklé dvousložkové směsi s kovovým aditivem o vysoké energetické hustotě (berylium, lithium, hliník).
Porovnání
Porovnat raketová paliva není snadné. Jednak se musí u každého paliva vyhodnocovat celý komplex jeho vlastností, ne pouze jedna, a jednak jsou požadavky na palivo úzce svázány s architekturou rakety, takže u každého raketového stupně bývají trochu jiné. A svou roli samozřejmě hraje i cena. Z těchto důvodů nemůže být srovnávací metodika založena na jediném kritériu, např. ceně za kilogram paliva, ale musí se posuzovat vhodnost paliva pro specifický účel. Například hypergolická paliva jsou speciálně vhodná do manévrovacích motorků kosmických lodí, i motory Draco a SuperDraco jsou hypergolické (spalují směs monomethylhydrazinu a oxidu dusičitého). Vysoká toxicita a nižší specifický impuls jsou totiž v tomto případě vyváženy spolehlivostí a skladovatelností. Tou skladovatelností se myslí uchování paliva a okysličovadla v kapalném stavu při běžných teplotách, opakem jsou kryogenní látky, jež se musí chladit. Otázkou tedy není, které palivo je nejlepší, nýbrž za jakých podmínek se které vyplatí.
Statický zážeh motorů SuperDraco na kosmické lodi Crew Dragon v listopadu 2019 (Foto: SpaceX)
Základní porovnání zahrnuje tuhá a kapalná paliva. Nejstarším druhem raketového pohonu jsou motory na tuhá paliva. Blok tuhého paliva, tzv. zrno, je umístěn přímo ve spalovací komoře, jejíž stěny zároveň tvoří plášť raketového motoru. Proto je nutné tuto stěnu chránit speciální nehořlavou hmotou (např. azbestem), která izoluje zrno od stěn spalovací komory nebo pokrývá část povrchu zrna, kde nesmí docházet k hoření. Následkem porušení této vrstvy, například v průběhu výroby, by totiž mohlo dojít k prohoření stěny spalovací komory, což by vedlo k úbytku tahu a s největší pravděpodobností k destrukci motoru. Prostředkem motoru vede kanálek, aby palivo mohlo hořet po celé délce. Spaliny expandují ze spalovací komory tryskou do okolního prostoru.
Řez raketou na tuhá paliva (Zdroj: Wikipedie)
V nejužším místě trysky, kde je nejvyšší tlak, dochází k největšímu přenosu tepla do stěn, proto je potřeba trysku, a zejména tuto její část, chránit. V motorech na kapalná paliva jsou spalovací komora a tryska chlazeny proudícími chladnými pohonnými látkami. Toto tzv. regenerativní chlazení se však u motorů na tuhá paliva ipso facto uplatnit nedá, proto jsou místa vystavená prudkému žáru pokryta vrstvami materiálu s nízkou tepelnou vodivostí a vysokým měrným výparným teplem. Tyto vrstvy během práce motoru absorbují teplo, čímž se postupně taví a odpařují, a tím je teplo odváděno pryč. Odborně se to nazývá ablativní chlazení.
Tuhé pohonné látky se dělí na homogenní a heterogenní. Homogenní obsahují zhruba 52 % nitrocelulózy, 43 % nitroglycerinu a 5 % dalších příměsí. Vyznačují se poměrně vysokou rychlostí hoření, proto se ke zpomalení hoření používají tzv. flegmatizátory (např. dinitrotoluen). Homogenní tuhé pohonné látky našly své uplatnění ve vojenské technice, převážně u ručních raketových zbraní. V kosmonautice se prosadily heterogenní tuhé pohonné látky. Ty se zpravidla skládají z jemně rozemletého tuhého okysličovadla (chloristan amonný, dusičnan draselný, dusičnan amonný apod.), které je slepeno pojivem (polysulfidové, butadienové, butadienakrylátové kaučuky nebo polyuretany), jež má zároveň funkci paliva. Pro zvýšení výkonu se do směsi přidává práškový hliník (max. 20 %) nebo jiné práškové kovy.
Raketoplán s externí vodíkovou nádrží a motory SRB (Zdroj: Quora)
Motory na tuhá paliva vynikají zejména svou jednoduchou konstrukcí, silným tahem, malým objemem (díky vysoké hustotě paliva) a spolehlivostí. Tuhá paliva jsou navíc dlouhodobě skladovatelná a levná. Na druhé straně zásadním nedostatkem je problém operativně řídit tah motoru v průběhu letu, ale pokročilejší konstrukce dokážou tah regulovat pomocí ventilů, které vypouští spaliny mimo trysku, nebo se dá provést taková úprava tvaru zrna, aby byl tah proměnlivý v závislosti na čase. Motory na tuhá paliva nelze vypínat a opětovně zažehávat, tudíž ani testovat. Jakmile je motor zažehnut, zůstává v činnosti, dokud palivo nevyhoří. Další komplikace se týká systému řízení vektoru tahu. Na rozdíl od motorů na kapalné pohonné látky je není možné naklápět celé. Řešením je speciální konstrukce trysek, jejichž část lze vychylovat (trysky motorů SRB o ± 8 °).
Díky svému velkému tahu mohou motory na tuhá paliva ideálně plnit funkci bočních urychlovacích stupňů. Horší specifický impuls příliš nevadí, protože úkolem pomocných bočních stupňů je pouze urychlit raketu, aby se co nejdříve dostala do vyšších vrstev atmosféry, kde již je díky nižšímu tlaku jen slabý odpor vzduchu, takže může snadněji nabírat rychlost, což by v nižších výškách bylo neuskutečnitelné, neboť při konstantním tlaku odpor vzduchu stoupá s třetí mocninou rychlosti. V první fázi letu, kdy je raketa nejtěžší a překonává odpor vzduchu a zároveň vznikají působením gravitace největší ztráty na rychlosti (přitažlivá síla klesá s druhou mocninou vzdálenosti), je prostě nejdůležitějším kritériem rakety její tah.
Start rakety SLS v listopadu 2022 na testovací misi Artemis I (Foto: NASA)
Nejvýkonnějším ze všech raketových motorů je s tahem 14,6 MN na úrovni hladiny moře pětisegmentový SRB (Solid Rocket Booster). Pohonnou směs tvoří oxidant chloristan amonný (téměř 70 % hmotnosti), hliníkový prášek (16 %) a polybutadienakrylát (12 %). Specifický impuls je 269 sekund. Ve srovnání s nejvýkonnějšími motory na kapalná paliva, legendárními F-1 z rakety Saturn V nebo RD-170 z rakety Eněrgija, mají tedy SRB na raketě SLS, kde jsou ve dvojici použity jako boční stupně, dvojnásobný tah. Existují i kosmické rakety pouze s motory na tuhá paliva, nejsilnější z nich je čínský středně těžký nosič Gravity-1 (YL-1) s nosností asi 6,5 t na nízkou oběžnou dráhu Země, který poprvé letěl v lednu roku 2024.
Nyní k motorům na kapalná paliva. Ty jsou sice dražší a složitější, už to není jen trubka naplněná palivem s dírou dole, ale sofistikovaný systém s nádržemi a čerpadly, za to však umožňují řízení vektoru i síly tahu ve větším rozsahu, dají se vypínat a znovu zažehávat a hlavně nabízejí vyšší specifický impuls (zkratka Isp; přívlastek „specifický“ označuje hmotnostní podíl), ten je považován za nejvýznamnější parametr raketového motoru, neboť se jím měří jeho účinnost. Vypočítává se jako podíl tahu motoru a váhy spotřebovávaného paliva podle vzorce , kde F je tah motoru, ṁ hmotnostní průtok pohonných látek a g0 normální tíhové zrychlení na povrchu Země (9,80665 m·s−2). Výsledek v sekundách vyjadřuje dobu, po kterou může motor nepřetržitě vyvíjet tah rovný hmotnosti průtoku pohonné směsi. A proč zrovna v sekundách? Když si ten vzoreček převedeme na jednotky, dostaneme . Jelikož platí, že , můžeme vesele dál pokračovat ve zkracování: .
Merlin 1D (vlevo) a Raptor jsou příklady motorů na kapalná paliva (Foto: @brandondeyoung_)
Díky vyššímu specifickému impulsu se spotřebuje méně paliva. To se sice nezdá jako velká výhoda, uváží-li se, jak malý podíl na ceně rakety tvoří cena paliva, ale důležité to je z hlediska nosnosti. Čím méně si totiž s sebou raketa nese paliva, tím více kapacity zbyde na náklad. Výhoda vysokého specifického impulsu se zvláště projeví u horního stupně rakety, který zajišťuje poslední fázi letu. Tím, že na dokončení míse je potřeba menší hmotnost paliva, se výrazně snižují nároky na nižší stupně, což je zřejmé z exponenciálního charakteru Ciolkovského rovnice.
Existují také hybridní pohonné látky, ale s těmi se pouze experimentuje. Jedna z látek je pevná, obvykle palivo, druhá kapalná. Kapalina je vstřikována do pevné látky, jejíž zásobník slouží zároveň jako spalovací komora. Hlavní výhodou motorů na hybridní pohonné látky je vysoký tah, podobný jako u motorů na tuhá paliva, ale na rozdíl od nich lze spalování zmírnit, zastavit i znovu spustit. Takový motor poháněl experimentální suborbitální raketoplán SpaceShipOne.
Perspektivní palivo
Ačkoliv se nedá říct, že tuhá paliva jsou překonaná, kosmonautice vládnou motory na kapalná paliva. Ale i mezi kapalnými palivy jsou velké rozdíly. Kapalný vodík má největší energetickou hustotu ze všech chemických paliv, jenže také vyžaduje více okysličovadla, velký objem nádrže a důkladnou izolaci. Tyto věci ovšem mají svou váhu, a z větší části tak vyrovnávají nízkou hmotnost samotného paliva. Naproti tomu kerosin má sice nižší energetický potenciál, ale díky vyšší hustotě nepotřebuje extrémně objemnou nádrž. A motory spalující kerosin obecně poskytují vyšší tah, ten je v první fázi letu ještě důležitější než specifický impuls. Jelikož ani jedno z dominantních paliv není jednoznačně výhodnější, může se králem raketových paliv stát metan, který z hlediska chemických vlastností představuje přijatelný kompromis a navíc je i levný. Metanem se zabývá následující článek.
Přispějte prosím na provoz webu ElonX, aby mohl nadále zůstat bez reklam. Podpořte nás pomocí služby Patreon či jinak a zařaďte se tak po bok ostatních dobrodinců, kteří už finančně přispěli. Děkujeme!
Před lety jsem záhlédl zprávičku o manévrovacím motorku na tuhé pohonné látky, který se ovládal průchodem elektrického proudu a šel i zhasnout. Že by Electric Solid Propellant (ESP)? Kdo ví, jak jsou daleko…
Nechtěl bych být hnidopich, avšak některé formulace nebo fakta by to možná chtělo upřesnit:
“Využívají k pohonu rakety energii uvolněnou ve formě tepla při rozkladu nebo slučování (hoření) chemických látek.”
Rakety využívají (jak je v jiné části článku správně uvedeno) reaktivní pohon. Takže napsat, že používají energii ve formě tepla mě přijde velice nepřesné.
“Tato okolnost byla jedinou kaňkou při jinak povedené premiéře Falconu Heavy, vracející se centrální stupeň se tehdy roztříštil o zem, …”
Vzhledem k tomu, že se centrální stupeň vracel na plovoucí plošinu, tak se určitě nemohl roztříštit o zem.
Jinak děkuji autorovi za hezký souhrnný článek o tomto tématu.
“Takže napsat, že používají energii ve formě tepla mě přijde velice nepřesné.”
Ano, je to malilinko nepřesné! Jenže takhle nepřesně jste to přece napsal Vy. Já psal o energii uvolněné ve formě tepla. A tato energie je využita tak, že se přemění na kinetickou … popsal jsem to v minulém článku, krátce jsem to zmínil i v tomto článku (“Využívají k pohonu rakety energii uvolněnou ve formě tepla při rozkladu nebo slučování (hoření) chemických látek. Při tomto procesu se zvětšuje objem žhavých plynů, které jsou poté vlastním přetlakem hnány skrze expanzní trysku do okolního prostředí.”) a bude o tom řeč ještě v tom následujícím.
Připouštím, že slovo zem evokuje pevninu.
Ok, děkuji za dovysvětlení.