Rakettmootor: definitsioon, tööpõhimõte ja tüübid

Rakettmootor: definitsioon, tööpõhimõte ja tüübid — selge ülevaade, kuidas rakettmootorid töötavad, kütused, jõudlus ja kasutusvaldkonnad kosmoses ning tehnoloogias.

Rakettmootor on seade, mis toodab jõudu, surudes suure kiirusega gaase düüsist välja. Rakettmootorid põletavad kemikaale, nagu nafta ja vedel hapnik, väga kõrgel rõhul ja temperatuuril, et muuta keemiline energia liikumiseks. Mõnel juhul (näiteks NASA raketid) võib tekitatud jõud olla üle 1 000 000 naeljõudu (4 400 000 njuutoni).

Aiavoolik näitab, kuidas liikuv vedelik võib tekitada jõudu. Kui voolik on üles keeratud, hakkab voolik käärima, kui seda ei hoia paigal. Väljuv vesi tekitab voolikule jõudu, täpselt nagu raketi mootoriga seotud gaasid suruvad raketi mootorile.

Tööpõhimõte

Rakettmootori põhiteguriks on reaktsioonliikumine (Newtoni III seadus): kui mass väljub mootorist suure kiirusega ühes suunas, tekib vastassuunaline tõukejõud ehk tõuke. Selleks kasutatakse reaktiivset massi — tavaliselt kõrgel temperatuuril ja rõhul olevat gaasi, mis tekib kütuse ja oksüdeerija põlemisel või propellandi muul kiirendamisel.

Lihtsustatud tõuke valem: F ≈ ṁ·ve + (pe − pa)·Ae, kus

• F on tõukejõud,
• ṁ on väljamineva massi voolukiirus (kg/s),
• ve on väljuvate gaaside kiirus düüsis suhtes raketi suhtes,
• pe on düüsi väljumispinna rõhk, pa on ümbritseva õhu rõhk ja Ae on düüsi väljumispindala.

Sellel väljendil on kaks osa: peamiselt massivoolu ja väljutuskiiruse panus (ṁ·ve) ning rõhuerinevuse panus ((pe − pa)·Ae). Tõuke sõltub nii gaasi massist kui ka selle lõppkiirusest.

Tõhusus — spetsiifiline impulss

Spetsiifiline impulss (Isp) on rakettmootori efektiivsuse mõõtühik, tavaliselt sekundites. See näitab, kui suur tõukejõud tekib ühe propellandikoguse kohta ajas. Kõrgem Isp tähendab paremat jõudlust sama kütusekulu juures.

Tüübid

• Vedelkütuse rakettmootorid — kasutavad eraldi kütust ja oksüdeerijat (näiteks vedel vesinik + vedel hapnik või kerosiin + vedel hapnik). Need on sageli taaskäivitatavad ja reguleeritavad, nõuavad turbopumpasid ja keerukat süsteemi. Eelised: kõrge efektiivsus ja juhtitavus; puudused: keerukus ja hooldusvajadus.
• Tahkeaine rakettmootorid — kütus ja oksüdeerija on segatud tahke massina. Lihtne, usaldusväärne ja odav, kuid tavaliselt ei saa neid pärast süütamist välja lülitada ega reguleerida. Kasutatakse näiteks kosmoselendude abi- või esimese astme tõukeallikatena.
• Hübriidmootorid — tahke kütus koos vedela või gaasilise oksüdeerijaga; üritavad ühendada tahk- ja vedelkütuse tugevaid külgi (lihtsus ja juhtitavus).
• Elektrilised (ion- ja Hall-torud) — ei põleta keemiliselt kütust, vaid ioniseerivad ja kiirendavad ione elektrilise väljaga. Väga kõrge spetsiifiline impulss, madal tõukejõud; sobivad peamiselt pikemaajaliseks manööverdamiseks kosmoses.
• Külmgaasimootorid — lihtsad süsteemid, kus surugaas (näiteks lämmastik) pääseb düüsist ja tekitab väikesetõuke; kasutatakse peamiselt orientatsiooni- ja manööverthrusteritena.
• Nukleaarsoojendusega mootorid — teoreetilised või arenduses: tuumareaktor kuumutab propellanti (nt vesinik), mis seejärel väljub düüsist. Pakub suurt Isp, kuid on keeruline ja tehniliselt ning poliitiliselt probleemne.

Peamised komponendid

• Põlemiskamber — koht, kus propellandid segunevad ja põlevad (vedelatel kütustel on lisaks pihustid/injektorid).
• Düüs — kujundab gaasi liikumise ja muudab rõhu ning temperatuuri mehaaniliseks kiiruseks.
• Turbopumbad ja ventiilid — toimetavad vedelkütuse ja oksüdeerija kõrgsurvega põlemiskambrisse.
• Süüte- ja kontrollsüsteemid — tagavad stabiilse sädeme ja mootori juhtimise.
• Jahutus- ja soojuse hajutussüsteemid — kaitsevad struktuuri kõrgete temperatuuride eest (nt regeneratiivne jahutus, kus kütus voolab torude kaudu ja jahutab kambriseinu).

Kasutusvaldkonnad

• Raketiveod kosmoselaevade ja satelliitide orbiidi saavutamiseks ja järelmanöövriteks.
• Tõukejõu allikana lennunduses ja sõjaväes (nt teatud tüüpi raketid).
• Pöörlemis- ja orientatsioonisüsteemides (reaction control thrusters).
• Teadus- ja uurimisraketid ning proovid jaotamiseks kosmoses.

Ohutus ja tehnilised väljakutsed

Rakettmootorid töötavad ekstreemsetes tingimustes: kõrged temperatuurid, rõhud ja materjalikoormused. Seetõttu on olulised õige materjalivalik, usaldusväärsed süsteemid, jahutusmeetodid ning range käsitsemis- ja ladustamisprotseduur kütuste jaoks. Keskkonnamõjud (nt heitmed, mürgised oksüdeerijad) ja ohutusriskid nõuavad spetsiaalset regulatsiooni ja tehnilisi lahendusi.

Kokkuvõte

Rakettmootor on võimas ja mitmekülgne tehnoloogia, mis teisendab propellandi energia reaktiivseks tõukejõuks. Mõistes aluseid — reaktsioonliikumise, düüsi rolli ja erinevate mootoritüüpide eripära — saab valida lahenduse konkreetse rakenduse (lennutõus, orbiidimuutus, orientatsioon jms) jaoks. Tänapäeval kasutatakse nii keemilisi kui ka elektrilisi lahendusi, tulevikus võivad laiemalt levida ka alternatiivsed ja kõrgema jõudlusega jõuallikad.

Otsing