Taiteilijan esitys Integrated Powerhead Demonstratorista. Kuvan luotto: NASA. Klikkaa suurentaaksesi.
Kun ajattelet tulevaisuuden rakettiteknologiaa, ajattelet luultavasti ionipropulsiota, antimateriaaleja ja muita eksoottisia konsepteja.
Ei niin nopeasti! Viimeinen luku perinteisistä nestepolttoaineraketeista on vielä kirjoittamatta. Parhaillaan ollaan tutkimassa uuden sukupolven nestemäistä polttoainetta käyttäviä rakettimalleja, jotka voivat kaksinkertaistaa suorituskyvyn nykyiseen verrattuna ja samalla parantaa luotettavuutta.
Nestepolttoaineella toimivat raketit ovat olleet olemassa jo pitkään: Ensimmäisen nestekäyttöisen laukaisun suoritti vuonna 1926 Robert H. Goddard. Tämä yksinkertainen raketti tuotti noin 20 paunaa työntövoimaa, joka riittää kuljettamaan sen noin 40 jalkaa ilmaan. Sittemmin suunnittelusta on tullut hienostuneita ja tehokkaita. Esimerkiksi avaruussukkulan kolme nestepolttoaineella toimivaa moottoria voivat kohdistaa yli 1,5 miljoonan punnan yhdistettyä työntövoimaa matkalla Maan kiertoradalle.
Saatat olettaa, että tähän mennessä kaikki mahdolliset nestemäisten rakettien parannukset on täytynyt tehdä. olisit väärässä. Osoittautuu, että parantamisen varaa.
Yhdysvaltain ilmavoimien johtama ryhmä, joka koostuu NASAsta, puolustusministeriöstä ja useista alan kumppaneista, työskentelee parempien moottorisuunnitelmien parissa. Heidän ohjelmansa on nimeltään Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies, ja he etsivät monia mahdollisia parannuksia. Yksi lupaavimmista tähän mennessä on uusi järjestelmä polttoaineen virtaukselle:
Nestepolttoaineella toimivan raketin perusidea on melko yksinkertainen. Polttoaine ja hapetin, molemmat nestemäisessä muodossa, syötetään polttokammioon ja sytytetään. Esimerkiksi sukkula käyttää nestemäistä vetyä polttoaineena ja nestemäistä happea hapettimena. Palamisen tuottamat kuumat kaasut poistuvat nopeasti kartion muotoisen suuttimen läpi, jolloin syntyy työntövoimaa.
Yksityiskohdat ovat tietysti paljon monimutkaisempia. Ensinnäkin sekä nestemäinen polttoaine että hapetin on syötettävä kammioon erittäin nopeasti ja suurella paineella. Sukkulan päämoottorit tyhjentäisivät polttoainetta täynnä olevan uima-altaan vain 25 sekunnissa!
Tätä pursuavaa polttoainevirtaa ohjaa turbopumppu. Turbopumpun tehostamiseksi pieni määrä polttoainetta 'esipoltetaan', jolloin syntyy kuumia kaasuja, jotka käyttävät turbopumppua, joka puolestaan pumppaa loput polttoaineesta pääpolttokammioon. Samanlaista prosessia käytetään hapettimen pumppaamiseen.
Nykypäivän nestemäiset raketit lähettävät vain pienen määrän polttoainetta ja hapetinta esipolttimien läpi. Suurin osa virtaa suoraan pääpolttokammioon ohittaen esipolttimet kokonaan.
Yksi monista ilmavoimien ja NASA:n testaamista innovaatioista on lähettää kaikki polttoaine ja hapetin omien esipolttimiensa kautta. Siellä kulutetaan vain pieni määrä – juuri tarpeeksi turbojen pyörittämiseen; loput virtaavat läpi polttokammioon.
Tällä 'täysvirtausvaiheisella jaksolla' on tärkeä etu: kun turbopumppua käyttävän turbiinin läpi kulkee enemmän massaa, turbopumppua käytetään kovemmin, mikä saavuttaa korkeammat paineet. Korkeammat paineet vastaavat raketin parempaa suorituskykyä.
NASAn Marshallin avaruuslentokeskuksen Gary Gengen mukaan tällaista mallia ei ole koskaan aiemmin käytetty nestemäisessä raketissa Yhdysvalloissa. Genge on apulaisprojektipäällikkö Integrated Powerhead Demonstratorille (IPD) – näiden konseptien testimoottorille.
'Nämä suunnittelemamme mallit voivat parantaa suorituskykyä monin tavoin', Genge sanoo. 'Toivomme parempaa polttoainetehokkuutta, parempaa työntövoima-painosuhdetta, parempaa luotettavuutta – kaikki pienemmillä kustannuksilla.'
'Projektin tässä vaiheessa yritämme kuitenkin vain saada tämän vaihtoehtoisen virtauskuvion toimimaan oikein', hän huomauttaa.
He ovat jo saavuttaneet yhden keskeisen tavoitteen: viileämmin toimivan moottorin. 'Perinteisiä virtauskuvioita käyttävät turbopumput voivat lämmittää jopa 1800 C', Genge sanoo. Se aiheuttaa paljon lämpörasitusta moottorille. 'Täysivirtaus' turbopumppu on viileämpi, koska kun sen läpi kulkee enemmän massaa, voidaan käyttää alhaisempia lämpötiloja ja silti saavuttaa hyvä suorituskyky. 'Olemme laskeneet lämpötilaa useita satoja asteita', hän sanoo.
IPD on tarkoitettu vain uusien ideoiden testausalustaksi, Genge toteaa. Mielenosoittaja itse ei koskaan lennä avaruuteen. Mutta jos projekti onnistuu, osa IPD:n parannuksista saattaa löytää tiensä tulevaisuuden kantoraketeihin.
Lähes sata vuotta ja tuhansia laukaisuja Goddardin jälkeen, parhaat nestemäiset raketit saattavat olla vielä tulossa.
Alkuperäinen lähde: NASA:n tiedeartikkeli