Rakettmotorer. Romfergen Columbia i oppskytingsfasen på sin annen tur 12. november 1981. Her er både faststoffmotorer og væskemotorer i operasjon samtidig. Bildet er hentet fra papirleksikonet Store norske leksikon, utgitt 2005-2007.
Rakettmotorer er motorer som utvikler skyvkraft ved å akselerere avgasser fra brensel lagret i motorene eller i beholdere forbundet med motorene. Etter Newtons tredje lov vil kraften fra en akselererende masse bakover føre til en like stor motkraft fremover. En kan si at rakettmotorer «skyver fra» mot massen som akselereres bakover, og virker bedre oppe i verdensrommet enn nede i atmosfæren, fordi denne ved sitt mottrykk hemmer masseakselerasjonen.
Prinsippskisse for væskerakett.
Rakettmotorene er en type reaksjonsdrivkilder som bringer med seg alt drivstoff som er nødvendig for å skape den akselererende massestrømmen. På denne måten skiller de seg fra andre reaksjonsmotorer, som for eksempel turbojetmotorer (brukes i jetfly), siden turbojetmotorer akselerer den omliggende luften for å lage den bakoverrettede massestrømmen. Rakettmotorene er derfor de eneste reaksjonsdrivkilder som kan brukes i rommet.
For en vanlig rakettmotor er statisk skyvekraft F = mvu + (pu – pa) Au, der m er massestrøm per tidsenhet ut av motoren, vu er massestrømmens hastighet, pu er det statiske trykket i massestrømmen, pa er atmosfæretrykket og Au utstrømningsåpningens areal. Som regel er siste ledd i ligningen lite, og man kan dermed si at skyvekraften øker tilnærmet proporsjonalt med produktet av massestrøm og utstrømningshastighet.
Et enkelt drivstoffs eller drivmediums ytelse er gitt ved den såkalte spesifikke impuls, Isp = F/m, som har dimensjon og hastighet meter per sekund, m/s (engelsk ofte bare s). Vanligvis tilstrebes en så høy spesifikk impuls som mulig. En rakettmotors ytelse (skyvkraft) uttrykkes i N (newton).
Rakettmotorer inndeles i grupper avhengig av hvilken energiform (drivstoff) som danner utgangspunktet for den akselererende kraften. Hovedgruppene er de kjemiske motorene, de nukleære motorene og de elektriske motorene.
I disse benytter man seg av kjemisk energi som, frigjort ved en forbrenningsreaksjon, skaper en temperatur- og dermed en trykkøkning i et forbrenningskammer med en de Laval-dyse i den ene enden. Trykkøkningen skaffer til veie kraften, og forbrenningsproduktene er den akselererte massen. De Laval-dysen sørger for at massestrømmens hastighet kommer langt høyere enn lydhastigheten i gassen.
Avhengig av om drivstoffet er fast eller flytende, skjelner man mellom faststoffmotorer og væskemotorer. Det er også utviklet en slags mellomtype, såkalt hybridmotorer, der som regel brenselskomponenten er i fast form og oksidasjonskomponenten flytende. De kjemiske motorene kjennetegnes ved høye skyvkraftnivåer, men forholdsvis lave verdier av spesifikk impuls.
De fleste drivstoffer er ganske kompliserte kjemiske forbindelser som ofte inndeles i to hovedgrupper:
Uansett skjer forbrenningen parallelt med drivstoffets overflate slik at gassutviklingen blir proporsjonal med brennflate, brennhastighet og drivstoffets densitet. De faste drivstoffenes spesifikke impuls ligger under de flytende, men motorene er forholdsvis enkle og driftssikre, noe som sammen med drivstoffets lagringsdyktighet har ført til at de i stor utstrekning blir benyttet i missiler. Etter antennelse kan ikke en faststoffmotor stoppes, men det finnes faststoffmotorer som kan skyvkraftreguleres og retningsdirigeres. Den amerikanske romfergen får i starten hjelp av to faststoffmotorer med en lengde på 45,5 meter, en diameter på 3,7 meter, en enkeltvis drivstoffmasse på 502 tonn og en skyvkraft på 11 790 kiloNewton.
Rakettmotorene som benytter flytende drivstoff er av langt nyere dato enn faststoffmotorene. En vanlig og svært effektiv drivstofftype (med høy spesifikk impuls) er kryogensk drivstoff som består av flytende hydrogen og flytende oksygen. Spesielt er hydrogenet vanskelig å behandle siden kokepunktet ligger på –253 °C. Flytende hydrogen og flytende oksygen ble blant annet brukt av den amerikanske romfergens tre hovedmotorer, som hver yter en skyvkraft på 1754 kiloNewton ved havflatenivået. Drivstofforbruket var 508 kilogram per sekund. Den kraftigste væskemotoren (2006) var USAs F-1, som utviklet en skyvkraft på 6749 kiloNewton ved havflatenivået og 7779 kiloNewton i rommet.
For andre typer væskedrivstoff, se væskemotor .
Den russiske rompioneren Konstantin E. Tsiolkovskij var allerede i 1890-årene inne på bruken av væskemotorer. Æren for utprøving av den første væskemotor har amerikaneren Robert Hutchings Goddard, som foretok en oppskytning 16. mars 1926 fra Auburn i Massachusetts. Til tross for Goddards innsats var interessen for væskemotorer større i Sovjetunionen og Tyskland enn i USA, og i Tyskland kan man følge utviklingen fra de første famlende forsøk i slutten av 1920-årene til V-2 motoren. Drivstoffet var en kombinasjon av etylalkohol/vann og flytende oksygen, med et forbruk på nesten 127 kilogram per sekund.
Det blir også eksperimentert med motorer med andre typer dyser, slik som de såkalte lineære pluggdysemotorene (engelsk: aerospike engine). Gassene vil ekspandere langs begge sider av en slags krum lineær plugg, mens et variabelt atmosfæretrykk på utsiden hele tiden sørger for nær optimale forhold. Et romfartøy med lineære pluggdysemotorer kan styres ved regulering av drivstofftilførselen til brennkamrene på over-/undersiden eller høyre/venstre del av den lineære pluggen. Det finnes (per 2020) ingen operative raketter som bruker dette prinsippet.
Av elektriske rakettmotorer finnes tre hovedtyper: de elektrotermiske, de elektrostatiske og de elektromagnetiske.
I de elektrotermiske motorene varmes drivmediet (hydrogen, ammoniakk eller liknede) opp av et elektrisk motstandselement eller en lysbue og strømmer deretter ut gjennom en dyse.
I de elektrostatiske motorene akselereres elektrisk ladede partikler i form av atomære, positive ioner, molekylære ioner eller ladede kolloidpartikler, støvpartikler eller væskedråper ved hjelp av et elektrostatisk felt. Atomære ioner er mest anvendt, og de elektrostatiske motorene omtales derfor oftest som ionemotorer. Ioniseringen foregår særlig etter to metoder: elektronbombardement, eller gassutladningsmetoden, og kontaktmetoden. Drivmediet kan være cesium eller kvikksølvdamp. Etter akselerasjonen må ionene tilføres elektroner slik at motor og romfartøy forblir elektrisk nøytrale.
I de elektromagnetiske motorene utvikles skyvkraft ved at magnetiske krefter virker på elektriske strømmer i en ionisert drivmedium-gass. Ioniseringen og delvis strømmene frembringes ved en elektrisk lysbue. Andre strømmer induseres av særskilte felter. Fordi det ioniserte drivmediet opptrer som et plasma, omtales motorene ofte som plasmamotorer. De er imidlertid også kjent som magnetoplasmadynamiske (MPD) motorer. Elektriske rakettmotorer, som kjennetegnes ved lave skyvkraftnivåer, men høye verdier for spesifikk impuls, har vært benyttet blant annet til stillings- og posisjonskontroll av satellitter.
I en nukleær rakettmotor erstatter varme fra en kjernereaktor den varmen man i en kjemisk rakettmotor utvikler ved en forbrenning. Drivmediet behøver således ikke bestå av mer enn én komponent, og oppvarming skjer ved passering gjennom reaktoren. Deretter følger ekspansjon og akselerasjon gjennom en de Laval-dyse. Ved å bruke en gass med lav relativ molekylmasse (hydrogen) som drivmedium, oppnår man teoretisk en tre ganger høyere spesifikk impuls enn drivstoffkombinasjonen hydrogen/oksygen i en væskemotor.
Nukleære rakettmotorer har vært under utvikling i USA, trolig også i Sovjetunionen/Russland. I et forsøk på å løse noen av de strukturelle og materialtekniske problemene som hindrer høyere gasstemperaturer og dermed høyere verdier av spesifikk impuls, har man arbeidet med muligheten av å konstruere en nukleær rakettmotor, der kjernen er i gassform eller i flytende form. I fremtiden vil kanskje termonukleære prosesser kunne benyttes i fremdriftssystemer. Bruk av små, nukleære sprenglegemer i fremdriftsøyemed har vært studert, men videre arbeid ble stoppet av prøvestansavtalen.
Den soldrevne rakettmotoren anvender fokuserte solstråler til oppvarming av et drivmedium, men den er ikke utviklet over eksperimentstadiet. Det er heller ikke den laserdrevne motoren, som benytter konsentrert energi i en laserstråle sendt fra bakken til oppvarming av et drivmedium. Fotonmotoren er foreløpig av teoretisk interesse.
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.