Tehnologii (episodul 6): propulsia rachetelor – motorul: elemente de bază

Deși rachetele există de mai mult de două mii de ani, doar în ultimele câteva sute de ani a fost înțeles modul în care ele funcționează, progrese majore fiind realizate doar în ultimii 75 de ani.

Vom evita trecerea prin istorie și o introducere prea stufoasă, trecând în revistă doar câteva aspecte înainte de a merge direct la subiectul articolului.

Soldat chinez aprinzând fitilul unei rachete – desen, 1890 (sursa: Wikipedia)

Chinezii sunt primii utilizatori atestați ai rachetelor (cu combustibil solid) în urmă cu peste 800 de ani, rachete militare fiind folosite în secolele XVIII și XIX. O dezvoltare spectaculoasă a domeniului a avut însă loc în ultimul secol – secolul XX. Unul din pionierii acestui domeniu este rusul Konstantin E. Țiolkovski, caruia i se atribuie ecuația zborului rachetei din propunerea sa pentru construcția rachetelor în 1903. Germanul (de origine română) Hermann Oberth a dezvoltat o teorie matematică mult mai detaliată, propunând dezvoltarea rachetelor în trepte și a camerelor de ardere răcite cu combustibil. Americanului Robert H. Goddard i se atribuie primul zbor al unei rachete cu combustibil lichid (în 1926), pe același subiect fiind scrisă o carte de inginerul austriac Eugen Stanger cu câțiva ani mai devreme.

Motorul SuperDraco al SpaceX cu combustibil lichid (amestec hipergolic) pe bancul de teste (sursa: SpaceX)

Cu toate că ar fi – probabil – de interes o incursiune mai detaliată în matematica și fizica rachetelor, aceasta este rezervată pentru un articol ulterior, dacă cititorii manifestă interes. Acest articol doar va atinge substratul matematic și fizic.

Zborul oricărei rachete este supus principiilor fundamentale ale mecanicii formulate de Sir Isaac Newton (sau, dacă preferați, legilor lui Newton):

1. Orice corp își menține starea de repaus sau de mișcare rectilinie uniformă atâta timp cât asupra lui nu acționează alte forțe sau suma forțelor care acționează asupra sa este nulă;
2. O forță care acționează asupra unui corp îi imprimă o accelerație proporțională cu forța și invers proporțională cu masa corpului sau, exprimată matematic:
3. Când un corp acționează asupra altui corp cu o forță (forță de acțiune), cel de-al doilea corp va acționa asupra primului cu o forță de aceeași mărime și direcție, dar de sens opus (forță de reacțiune).

Înainte de lansare o rachetă este în echilibru, respectând prima și a treia lege a mecanicii (forța cu care apasă pe sistemul de lansare este egală cu forța pe care sistemul de lansare o exercită asupra ei, racheta fiind în repaus și păstrându-și starea). Pentru ca ea să înceapă să se deplaseze trebuie să existe un dezechilibru de forțe, acesta fiind rezultatul forței cu care gazele evacuate împing racheta (numită forță de împingere, thrust), care trebuie să fie mai mare ca masa rachetei.

Forțele care acționează la lansarea rachetei (sursa [3])

Forța de împingere generată la lansarea unei rachete poate fi exprimată ca:

În cuvinte, F este forța de împingere generată de motor și este proporțională cu viteza gazelor evacuate în urma arderii combustibilului și cu rata de evacuare a gazelor (masa gazelor evacuate într-un interval de timp).

De interes în continuare sunt ultimele două legi ale mecanicii.

Cea de-a treia lege poate fi văzută în acțiune dacă lăsăm liber un balon umflat. Similar, o rachetă poate zbura doar dacă motorul folosește arderea controlată a combustibilului pentru a genera gaz, eliminarea acestuia propulsând racheta.

Zborul rachetelor (sursa: National Air and Space Museum, Smithsonian Institution)

Dacă aducem în discuție a doua lege, va rezulta situația de mai jos. Referindu-ne totodată și la a treia lege, acțiunea este arderea combustibilului și eliminarea gazului iar reacțiunea este zborul rachetei în direcția opusă.

Adică, în cuvinte:

• acțiunea (Fgaz – forța cu care gazul împinge racheta) este direct proporțională cu masa de gaz expulzat și accelerația lui (sau, cum am văzut mai sus, viteza cu care este evacuat și rata cu care este evacuat);
• reacțiunea (Fracheta – zborul rachetei de fapt) este direct proporțională cu masa rachetei și accelerația sa.

Ca observație, legea a doua a mecanicii aplicată în acest context spune că se obține o forță de împingere mai mare cu cât crește viteza de evacuare a gazelor produse și masa de combustibil ars.

Revenind la a treia lege, rezultă că pe întreaga perioadă cât motorul funcționează cele două forțe sunt egale. Astfel:

Acum și în cuvinte presupunând – de dragul argumentației – o situație ideală fără alte forțe și un motor generând o forță constantă în timp. Începând cu momentul în care este pornit, motorul produce gaz care are o masă mică dar o accelerație mare (sau o viteza mare de iesire, o cantitate mare deplasându-se intr-un interval scurt). Racheta are o masă mare iar la lansare o accelerație mică. Pe măsură ce arde combustibil masa rachetei va scădea. Însă a treia lege cere ca forțele să rămână egale. Aceasta înseamnă că accelerația rachetei va crește odată cu scăderea masei sale.

Sistemele utilizate la propulsia rachetelor pot fi împărțite în categorii în funcție de mai multe criterii: sursa energiei (chimică, nucleară, solară), funcția (booster, sustainer, treaptă superioară, controlul orientării – attitude control, păstrarea orbitei, etc), vehiculul care îl folosește (avion, rachetă, sistem pentru decolare asistată, vehicul spațial, etc), tipul de combustibil, modelul de construcție, numărul de trepte, etc.
O altă metodă de clasificare este în funcție de modalitatea de producere a forței de împingere (thrust). Majoritatea sistemelor de propulsie care se întâlnesc în practică utilizează o expansiune termodinamică a unui gaz. Energia internă a gazului este convertită în energie cinetică în momentul evacuării, presiunea gazului asupra suprafețelor cu care este în contact producând o forță de împingere. Aceeași teorie termodinamică și același echipament – ajutajul – sunt folosite pentru motoarele cu reacție, motoarele rachetă, motoarele nucleare sau propulsia bazată pe laser sau solară-termală.

Eficiența combustibililor motoarelor rachetă este dată de impulsul specific (specific impulse), măsurat în secunde, acesta fiind similar conceptului de litri/100km utilizat în industria automobilului. Impulsul specific reprezintă forța de împingere (în kg) rezultată din arderea unui kg de combustibil într-o secundă, fiind echivalent cu raportul între forța de împingere generată și rata de consum a combustibilului. Evident, este diferit pentru amestecuri diferite, putând varia chiar și pentru același amestec. Un număr mai mare reprezintă o performanță mai bună. Așa cum spuneam, detalii despre acest subiect într-un articol viitor.

În funcție de starea în care se află combustibilul lor, există următoarele tipuri de motoare:

• motoare rachetă cu combustibil solid
• motoare rachetă cu combustibil lichid
• motoare rachetă cu combustibil gazos
• motoare rachetă cu combustibil hibrid

Agentul de propulsie (propellant) al rachetelor este în general un amestec chimic realizat din două substanțe: combustibil (substanță care arde în amestec cu oxigenul, producând gaze pentru propulsie) și oxidant (substanță care eliberează oxigen pentru arderea combustibilului). Proporția în care sunt amestecate cele două substanțe poartă numele de raport de amestec (mixture ratio). În acest articol în unele situații termenul combustibil va fi utilizat și ca referință la agentul de propulsie (propellant), sensul său putând fi determinat din contextul în care este utilizat.

 

Motoarele cu combustibil solid
Motoarele cu combustibil solid sunt cele mai simple motoare, fiind compuse dintr-un combustibil – termen folosit aici în sensul larg (de obicei un amestec între un combustibil și un oxidant) – care arde rapid, aflat în echivalentul unei camere de ardere (un înveliș solid, de obicei oțel), gazele rezultate în urma arderii fiind eliminate cu o viteză foarte mare printr-o gură de evacuare (ajutaj reactiv). Odată pornit, acestui motor nu îi poate fi oprită funcționarea (un fapt cumva evident, nu?), combustibilul arzând continuu până la epuizare odată ce este aprins. Viteza cu care arde combustibilul este constantă, predeterminată, arderea având loc pe întreaga suprafață a acestuia.

Secțiune printr-un motor cu combustibil solid (sursa [5])

Au cele mai variate utilizări – militare (majoritatea rachetelor tactice, indiferent că sunt S-A, A-A, A-S, S-S le utilizează), spațiale (treptele finale sau încărcătura transportată pot utiliza pentru plasarea pe orbită un booster sau motoare de mici dimensiuni) sau componente ale vehiculelor care au dus încărcătură în spațiu (rachetele Titan, Delta și naveta spațială au utilizat motoare auxiliare cu combustibil solid), fiind proiectate în funcție de aplicație. Sunt diferite ca dimensiuni, compoziție a combustibilului, profil de ardere al acestuia, proprietăți fizice, performanță. De asemenea, motoarele cu combustibil solid sunt utilizate la scaunele ejectabile, rachete de semnalizare, rachete de control al condițiilor meteo și la separarea treptelor rachetelor care utilizează mai multe trepte.

Combustibilul solid poate fi încadrat în două categorii: omogen și compozit.

Combustibilul omogen poate fi cu o singură bază sau dublă bază. Combustibilul cu o singură bază conține un singur compus, de obicei nitroceluloza, acesta fiind atât combustibil cât și oxidant. Combustibilii dublă bază sunt de obicei o combinație de nitroceluloză și nitroglicerină la care se adaugă un compus pentru a obține un material plastic. Alte substanțe utilizate de combustibilii dublă bază sunt HMX sau RDX. Acest gen de combustibil nu produce fum, fiind recomandat pentru utilizări militare.

Combustibilul compozit constă într-un amestec de pulberi care folosește o sare minerală ca oxidant (perclorat de amoniu de obicei, 60-90% din masa totala a combustibilului), combustibilul fiind aluminiul. La aceste pulberi se adaugă un liant polimeric (poliuretan de exemplu), acesta fiind, de asemenea, combustibil. Există mai multe tipuri de combustibil compozit, cea mai simplă categorisire putând fi realizată în funcție de liantul utilizat; cele mai utilizate substanțe fiind PBAN si HTPB.

Produsul final (combustibilul aflat în motor) seamănă cu cauciucul, având consistența unei gume de șters.

Dacă tot am ajuns până aici, ar fi de interes alte câteva categorisiri ale motoarelor cu combustibil solid.

Din punct de vedere al densității fumului generat de motor, acestea pot fi împărțite în: fumegătoare, cu fum redus și fără fum. Pudra de aluminiu – unul din combustibilii a căror utilizare este dorită – este oxidată rezultând oxid de aluminiu care formează particule solide vizibile în gazele evacuate de motor. Reducerea cantității de aluminiu din combustibil reduce cantitatea de fum, ceea ce este de dorit la rachetele tactice, aer-aer sau aer-sol.

Referindu-ne tot la gazele evacuate, motoarele pot fi cu gaze toxice și netoxice.

Din punct de vedere al siguranței, combustibilul poate fi împărțit în: detonabil (în general combustibili dublă bază care conțin o proporție semnificativă de exploziv solid alături de alte ingrediente) și material nedetonabil.

În funcție de procesul de fabricație, pot fi combustibili turnați (obținuți prin amestecul ingredientelor, turnarea lor în formă și întărirea lor chimic sau termic), combustibili obținuți prin solvatare și combustibili obținuți prin extruziune. Ultimele două procese se aplică în principal combustibililor dublă bază.

Ca notă de final, cele mai mari motoare cu combustibil solid sunt cele care au fost utilizate de naveta spațială, fiecare având câte 500 de tone de combustibil și producând 14680 kN (1496943 kgf). Ca termen de comparație, motoarele unui avion Boeing 777 dezvoltă 569 kN.

 

Motoarele cu combustibil lichid
Motoarele cu combustibil lichid utilizează o cameră de ardere (de obicei o cavitate), combustibilul și oxidantul fiind injectate cu presiune, ca jet, în interiorul acesteia. Ca și în cazul motoarelor cu combustibil solid, gazele rezultate în urma arderii sunt evacuate cu o viteză foarte mare prin ajutaj. Acest motor este mult mai complex, la camera de ardere relativ complicată și ajutaj adăugându-se rezervoarele pentru combustibil și oxidant și un sistem complex de alimentare, compus din țevi, supape, robineți, pompe și turbine sau un sistem de alimentare cu gaz.

Există două avantaje evidente ale acestui motor: posibilitatea de a fi oprit și posibilitatea de a regla rata de alimentare cu combustibil.

De asemenea, pot fi utilizate continuu (cu condiția asigurării răcirii) pe perioade mai lungi de o oră – evident, în funție de cantitatea de combustibil disponibil.

Alimentarea motorului se face prin creșterea presiunii în rezervoarele de combustibil cu ajutorul unui unui gaz sau utilizănd pompe. Prima variantă de alimentare este utilizată la sistemele de propulsie cu forță de împingere mică și energie totală mică, acestea având de obicei mai multe camere de combustie, de exemplu la motoarele utilizate pentru manevrare. A doua variantă de alimentare este utilizată de obicei în cazul în care este nevoie de utilizarea unei cantități mari de combustibil și de o forță de împingere mare, de exemplu la treptele inferioare ale rachetelor.

Motor cu combustibil lichid alimentat prin presiunea gazului (sursa [5])

Motor cu combustibil lichid alimentat prin turbopompă (sursa [5])

Un combustibil lichid eficient este cel care are un impuls specific mare (sau viteză mare de ieșire a gazelor), adică gaze cu masă moleculară mică și temperatură de ardere mare. Alți factori care sunt luați în calcul la alegerea unei soluții sunt densitatea combustibilului (un combustibil cu densitate mică va necesita rezervoare mai mari, deci o rachetă va avea și masă mai mare), temperatura de stocare (dacă necesită tehnici criogenice și izolație specială), toxicitatea (influențează procesele de producție, stocare, transport și manevrarea), corozivitatea (influențează soluțiile de stocare, alimentare, protecție și manevrarea).

Combustibilii (în accepțiunea largă) lichizi pot fi încadrați în una din categoriile următoare:

1. Derivați din petrol – aceștia sunt un amestec de hidrocarburi (compuși organici complecși compuși doar din carbon și hidrogen); in US este utilizat RP-1, în URSS T-1 și RG-1. Dezavantajul lor este faptul că arderea lor produce reziduuri, motoarele având astfel o viață scurtă.
2. Criogenici – gaze lichefiate, păstrate la temperaturi foarte joase, cea mai frecventă fiind combinația între hidrogenul lichid (LH2 – combustibil) și oxigenul lichid (LO2/LOX – oxidant); o alternativă (studiată) la hidrogenul lichid este metanul lichid. Dezavantajul este necesitatea de a manevra substanțe la temperaturi de sub -150 ℃ (-253 ℃ hidrogenul lichid, -183 ℃ oxigenul lichid, -162 ℃ metanul lichid) și – în cazul în care nu sunt utilizați imediat – păstrarea la aceste temperaturi.
3. Hipergolici – amestecuri (de combustibil și oxidant) care se aprind spontan la contact, neavând nevoie de sistem de aprindere. De obicei, substanțele care fac parte din amestecuri hipergolice sunt extrem de toxice. Exemple de combustibili simpli sunt hidrazina (diazan), monometil hidrazina (MMH – monomethyl hydrazine) și dimetil hidrazina asimetrică (UDMH – unsymmetrical dimethyl hydrazine) sau amestecuri (ex: Aerozine 50 – un amestec 50% UDMH și 50% hidrazină). Oxidanții cei mai utilizați sunt tetraoxid de azot sau acid azotic, de cele mai multe ori combinați în ceea ce este cunoscut ca acid azotic roșu fumans inhibat (IRFNA – inhibited red fuming nitric acid).

De asemenea, în funcție de numărul de substanțe utilizate, există două categorii de motoare cu combustibil lichid: motoare cu două substanțe chimice, combustibil și oxidant (bipropellant) și motoare cu o singură substanță chimică, un singur fluid conține atât combustibilul cât și oxidantul care se descompune în gaze fierbinți (monopropellant).

Motorul cu combustibil lichid (LOX si LH2) RS-68 al Rocketdyne/Aerojet Rocketdyne/P&W Rocketdyne (sursa: Wikipedia)

Motoarele cu combustibil gazos
Motoarele rachetă cu combustibil gazos utilizează un gaz aflat la presiune mare într-un rezervor – de obicei aer, azot sau heliu, rezervoarele fiind relativ grele. Aceste motoare, numite și motoare cu gaz rece (cold gas engine), au fost utilizate la începutul explorării spațiului pentru manevre care necesitau forță de împingere mică. Randamentul lor poate fi îmbunătățit prin încăzirea gazului (chimic sau electric), acestea fiind numite și motoare cu gaz cald (warm gas propellant rocket engine).

 

Motoarele cu combustibil hibrid
Aceste motoare reprezintă o categorie aflată între motoarele cu combustibil solid și lichid, o substanță (combustibilul de obicei) fiind solidă iar cealaltă lichidă. Lichidul este injectat de obicei în solid, aflat în camera de ardere. Avantajul acestui tip de motor este o performanță foarte bună și posibilitatea de a fi oprit și pornit, în funcție de situație.

Motor cu combustibil hibrid (sursa [5])

Motoarele cu combustibil solid sunt subiectul unui articol viitor mult mai amplu; cele cu combustibil lichid și fizica rachetelor putând fi subiecte ale altor articole, în funcție de interesul cititorilor.

Edit:
– 2020-01-26 14:30:00: corectată formula F = m * (dm / dt) în F = Vm * (dm / dt)

Iulian

 

Surse:
[1] http://www.physicsclassroom.com/class/newtlaws/Lesson-3/Newton-s-Second-Law
[2] https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/rocket/TRCRocket/rocket_principles.html
[3] https://www.sciencelearn.org.nz
[4] https://www.braeunig.us/space/propel.htm
[5] George P Sutton, Oscar Biblarz – Rocket Propulsion Elements, 8th edition
[6] Alain Davenas – Solid Rocket Propulsion Technology, 1st edition
[7] Engineering Design Handbook: Elements of Aircraft and Missile Propulsion