Ha már űrkutatás és űrhajózás, akkor nem tehetjük meg, hogy a rakétákról ne ejtsünk pár szót. És, hogy a fontosságuknak megfelelően kezeljük őket, a most induló, több részesre tervezett poszt fő témája a rakéta ( történelme, elmélete, múltja, jelene és jövője ) lesz.

Rakéta: a pontos meghatározás szerint egy olyan jármű vagy repülőeszköz, amely a sugárhajtás elvén, az égési gázok kilövellésével a mozgatásához szükséges tolóerőt a környezettől függetlenül állítja elő. A rakéták repülése az egyik legegyszerűbb fizikai jelenségen alapszik: a hatás - ellenhatás elvén. Newton mester és az ő III. törvénye... Ennek megértéséhez nézzük a jól bevált iskolai példát, miszerint adott egy kerekeken guruló kiskocsi, ami egy pontosan vele azonos tömegű másik kiskocsival van összekötve. Egy rugó feszíti szét őket és ha elvágjuk a kábelt, a két kocsi ellenkező irányba, de egyenlő sebességgel gurul tova. Ugyanez a helyzet, ha a kocsiról egy vele egyenlő súlyú fémgolyót dobunk le. Szintén ezt az eredményt kapjuk, ha egy kisebb tömegű testet dobunk le, de nagyobb sebességgel! A lényeg, hogy ha valamire egy bizonyos erővel hatunk az pontosan akkora, de ellentétes erővel hat vissza. A rakéta működés közben nagy sebességű gázrészecskéket "lő" ki a kívánt haladási iránnyal ellentétesen, így a gázrészecskére ható erő következtében a rakéta az ellentétes irányba mozdul. A gázrészecskék nagyon könnyűek, de nagyon sok is van belőlük és ezek nagy sebességre gyorsulnak fel. Ha adott egy 10g-os tömeg amit ledobunk egy 100g-os tömegről akkor a 100g-os tömeg sebessége tizede lesz, mint a ledobott 10g-os tömeg sebessége. Ahogy a rakéta felemészti az üzemanyagot amit magával vitt, egyre könnyebbé válik. A könnyebb rakétára nagyobb gyorsító erő hat mint a nehezebbre, ezért roppant fontos egy üzemanyag-keverék elméleti kiáramlási sebessége. Ha az magas, akkor a rakéta is gyorsabban képes haladni. Ennek az egésznek az elméleti alapjaival már minden bizonnyal a korai idők emberei is tisztában voltak, csak nem tudták, hogy pontosan mit is tudnak. Kellett pár évszázad ahhoz, hogy Newton apánk megalkossa a törvényeit - igazán élvezetes fizikaórákat okozva ezzel nekünk - majd ismét pár száz év, hogy Konsztantyin Eduardovics Ciolkovszkij - névadó Mesterem - az örömünket teljessé téve megalkossa a rakétaelmélet alapjának tekinthető Ciolkovszkij-egyenletet, miszerint idealizált, gravitáció és légellenállás nélküli esetben:

Ahol

 a rakéta sebessége a t időpillanatban,

 a rakétát elhagyó gázsugár sebessége a rakétához képest (jellemző érték kémiai hajtóanyag esetén: 4,5 km/s),

 a rakéta induló tömege és

 a rakéta tömege az indulástól számított t idő múlva.

Itt látható maga a Mester:

Ahhoz azonban, hogy hatékony rakétákat építhessünk, a szállított üzemanyag saját energiáját is fel kell, hogy használjuk. Vagyis elégetjük egy zárt térben és az ebből származó gázt és nyomást is hasznosítjuk. A kiáramlott égéstermékek össztömege egyezni fog az üzemanyagéval, és nincs szükség külön energiaforrásra, ami az üzemanyagot kihajtja a fúvókán. Ennek a módszernek három képviselője létezik: a szilárd üzemanyagú rakéta a folyékony hajtóanyagú rakéta és végül a hibrid rakéta. Nézzük ezeket akkor szépen, sorjában:

Szilárd üzemanyagú rakéták: felépítésükben hasonlítanak a sűrített gázos rakétákhoz, mert az üzemanyagtartály egyben a rakéta motorja is. A motor (üzemanyagtartály) fala ezért vastag, hogy a működéshez szükséges nyomást elviselje. A szilárd üzemanyagú rakéták egyik jellegzetessége, hogy nem lehet leállítani és újraindítani. Ha egyszer begyújtják, akkor már biztos hogy megy valahová, csak az a kérdés hogy hová.. Ez a működésük alapelveivel magyarázható: a szilárd üzemanyagú rakéták az üzemanyaguk elégetésével hoznak létre nagy nyomású gázsugarat, mely a tolóerőt biztosítja. Az üzemanyag elégetéséhez azonban magukkal kell vigyék szükséges oxigént is. Ha tehát az üzemanyag szilárd halmazállapotú, akkor az oxigén az üzemanyaggal előre keverve kell legyen. Ha az üzemanyag és az oxidálószer keveredve van, az a gyújtást követően égni fog. Az égés kioltásához vagy le kéne hűteni az égő keveréket a gyulladáspont alá, vagy el kéne venni tőle az oxigént. Egyik változat sem oldható meg, még egészen kis mennyiségek mellett sem. A tolóerő változtatására viszont van mód bár közvetlenül csak nehezen megoldható, ezért egy egyszerű megoldást találtak a problémára. Az üzemanyag másféle módon van betöltve a rakétamotor más más pontjain és így más sebességgel ég el az egyes szakaszokban. Ennek is több módja létezik. Nem igazán elterjedt megoldás, amikor az üzemanyag sűrűsége van változtatva. A sűrűbb részeken nagyobb a tolóerő, a ritkább részeken kisebb. A másik módszer a különböző égésterek alkalmazása. Az üzemanyagtömbökben előre hosszanti furatokat alakítanak ki, amelyek keresztmetszete befolyással van az üzemanyagblokk felületére, és így az egységnyi időn belül elégetett üzemanyag mennyiségére.

A legelterjedtebb égéstér egyben a legrégebben használt égéstér is (rajz 1.ábra): ez egy tüske alakú égéstér amiben kezdetben nagy a felület az égés számára, így egyszerre sok üzemanyag ég el és nagy tolóerőt fejt ki! Azonban ahogy fokozatosan elég az üzemanyag, úgy a rakéta egyre könnyebb lesz így már nincs szükség az induláskor fellépő nagy toló-erőszükségletre. Ezért az égéstér fokozatos szűkülésével egyenesen arányosan csökken az égés felülete és ezzel együtt a tolóerő is. Akadnak helyzetek amikor ugyan nagy tolóerő szükséges, de az nem kell sokáig tartson. Ilyenkor egy folyamatos nagy égésfelületet biztosító égésteret kell alkalmazni. ( rajz 2.ábra ) A másik régóta használt "égéstér" mikor nincs égéstér, azaz van de az nem az üzemanyagtömbben van. ( rajz 3.ábra) Ez kis tolóerőt hoz létre, de azt sokáig képes tartani. Mivel a rakéta kezdeti súlya nagy és viszonylag kicsi tolóerő áll rendelkezésre, ezért gyors égésű üzemanyagokat kell használni. A szilárd üzemanyagú rakéták üzemanyagaként számtalan keverék létezik. Előny ha az üzemanyag valami rugalmas kötőanyaggal van keverve, vagy megolvasztva, feloldva betölthető a motorba. Az üzemanyag szilárdsága és homogenitása a motortérben kulcsfontosságú.

Egyrészt az egyenletes tolóerőhöz, másrészt az esetleges robbanás elkerülése érdekében. Ha az üzemanyagban repedés vagy zárvány található, az azzal járna, hogy égés közben a gázok begyújtják a repedés vagy zárvány elérhető felületén az üzemanyagot. Ennek következtében túl sok üzemanyag fog egyszerre égni és a megnövekedett nyomást lehet hogy nem viseli majd el az üzemanyagtartály fala. Fontos a megfelelő összetételű keverék, ami megfelelő sebességgel és elég tisztán ég. Minél kisebb molekulasúlyú égésterméket fejleszt, és minél kevesebb szilárd égésterméket, annál hatékonyabb üzemanyagnak számít. Kezdetben kizárólag feketelőport használtak a szilárd hajtóanyagú rakétákban, manapság az űrhajózás korában már számtalan nagy teljesítményű kompozit üzemanyag létezik. Azonban ezek legtöbbje csak ipari körülmények között készíthető el. ilyen kompozit üzemanyagok amiket például az űrsiklók gyorsítórakétáiban használnak. Vagy a különleges füst nélkül égő ballisztit üzemanyagok, amik mellesleg borzasztó teljesítménnyel bírnak és főleg a hadsereg kamatoztatja őket. Ezek nitroglicerin, nitrocellulóz, PVC vagy más műanyagok, fémporok és hozzáadott oxidálószerek keverékei.
A szilárd hajtóanyagú rakéták esetében több fontos tényezőt is figyelembe kell venni a rakétatest tervezésénél, mivel itt a rakéta üzemanyagtartálya egyben a motorja is, a benne történő égési folyamatok miatt nagy hőnek és nyomásnak kell ellenálljon. Még szélsőségesebb viszonyokat kell elviseljen a fúvóka és környéke, ahol a kiáramló nagysebességű és hőmérsékletű gázok és szilárd égéstermékek folyamatos ostromát kell kibírnia. Mivel a szilárd hajtóanyagú rakétáknál nem áll fenn az üzemanyaggal való hűtés lehetősége mint a folyékony hajtóanyagú rakétáknál, ezért nagyon ellenálló anyagokat kell felhasználni, aminek gyakran az a következménye, hogy a rakéta nehezebb lesz mint amilyen lehetne. Hogy mégse olvadjon el a fúvóka, egy "kopóréteget" alakítottak ki, ami üzem közben elpárolog, és ez hűti a fúvóka egyes részeit. Más részek ellenálló kerámia bevonatot kapnak, ami nagyon jó hőszigetelő tulajdonságokkal bír. Minden használat után cserélni kell ezeket a kerámia betétlapokat.

Folyékony hajtóanyagú rakéták: felépítésükben egyáltalán nem hasonlítanak a szilárd üzemanyagú rakétákhoz. Az üzemanyag cseppfolyós, ezért azt "könnyen" a különálló motorhoz lehet vezetni, így nincs szükség a nagy nyomást elviselő vastag tartályokra! Egyedül csak a motor és a szivattyúk kell viseljék a nagy nyomást. További előnye a folyékony üzemanyagnak, hogy a "helyszínen" keverhető. Vagyis nem kell egy tartályban tárolni az oxidálószert és az üzemanyagot. Az üzemanyagtartályokból a motorba turbószivattyúk segítségével juttatják a folyadékokat. A szivattyúk gázturbinái azt az üzemanyagot használják, amit maguk is szállítanak.

Mind az üzemanyag, mind az oxidáló szer felforr a hűtőkörben és gőz formájában "szivárog" át a perforált belső falon. Így tökéletesen keverednek a komponensek, kihasználva az égésteret. A szivárog szó alatt azt kell érteni, hogy PL: a Saturn V rakéta ami az Apolló űrhajót a Holdig juttatta, az indulást követő 15mp-ben másodpercenként(!) 15tonna üzemanyagot égetett el! Ezzel 3millió lóerőt produkált! Később az oroszok jóvoltából kisebb, de még erősebb rakétákat tudtak építeni méghozzá úgy, hogy az üzemanyag szállítására használt gázturbina elégetett gázait nem a rakéta oldalán vezették el, hanem a motorba préselték és ezzel hozzávetőleg 25% többleterőhöz jutottak. Ez nem rossz, de sajnos kezdetben nem ment minden simán. Ez azt jelentette, hogy a turbinában jóval nagyobb kell legyen a nyomás mint a korábban és ez óriási igénybevételt jelentett. Ennek következtében hírhedten veszélyessé váltak ezek a rakéták. A technika csiszolásával ez a probléma megoldódott, a "kipufogógázt" a fúvóka megfelelő pontján keverték a rakétamotorból kiáramló gázokhoz. A gázturbina által létrehozott égésgázok hőmérséklete lényegesen alacsonyabb a rakétamotorból kiáramlókénál. Jól jött ez az alacsonyabb hőmérsékletű gáz, mert az aerodinamikai törvényeknek engedelmeskedve hozzálapul a fúvóka palástjához, így távol tartja a forróbb gázokat.

Az égésből szármaró nagy hőmérséklet nem jelent gondot, mivel a motornak és a szivattyúknak is van hűtésük! Hogyan lehet hűteni egy rakétamotort? Nyilván a belső égésű motoroknál megszokott folyadékhűtéssel nem. Vagy mégis? A motorok hűtését magával az üzemanyaggal oldották meg. Az üzemanyag, és az oxidálószer keresztüláramlik a motoron elhelyezett csöveken, és eközben lehűti azt. Legtöbbször oxidálószernek folyékony oxigént használnak. Az oxigén -189 °C-on cseppfolyósodik, ezért különösen alkalmas hűtésre. Miközben az oxigén és az üzemanyag lehűti a motort, ők maguk is felmelegszenek és felforrnak. A keletkezett nagy nyomású gőz áramlik be a motorba. Ez megkönnyíti a motorba juttatást, mert a keletkező nyomást fel lehet használni. Ha a motorba direkt préselnénk be a hideg oxigént az rontana a hatásfokon. Létezik egy másik eljárás a hűtésre, de már nem gyakran használják. A lényege az, hogy többletüzemanyagot fecskendeznek a fúvóka megfelelő pontján a motorba. Az üzemanyag párolgása hőt von el a a motor falától. A tökéletlen égés következtében egy hidegebb égéstermék réteg választja el a fúvókát a belső forró gázsugártól. Ezt a technikát használták a német V-2 rakétában is, onnan a jellegzetes hosszú lángcsóvája. De néhány modernebb rakétamotor is használja ezt a technikát, még ha nem is teljesen ez felel a motor hűtéséért. Jellegzetesen akkor alkalmazzák ezt a módszert, mikor a szivattyúk gázturbinájának gázai nincsenek visszavezetve a fúvókába. Jól látszik a szabad "kipufogó csonk" a lentebbi első képen. A negatív oxigénegyenlegű keverék égéstermékei sárgára színezik a lángot.

A korai típusokon először egy külön vezetéken keresztül áramlott be az oxigén ami előtte körbejárta a fúvókát és a motor burkolatát, ezzel hűtve azt. A motorba belépő vezetékből egy porlasztófelületre jutott a nagynyomású gőz, majd az üzemanyaggal keveredett és elégett. A keveredés nem tökéletes és így kisebb teljesítményt lehet elérni. Erre megoldásként azt találták ki, hogy az oxigént és üzemanyagot magán a motor falán keresztül juttatják az égéstérbe! A motor több rétegű fallal készül, és a két réteg közt áramló oxidálószer és üzemanyag így hűti le a motort, ahogy felforrnak a folyadékok, a gőz bepréselődik a motortérbe azokon az apró lyukakon, amit a belső rétegre perforáltak. Gyakorlatilag jóval egyenletesebb és nagyobb felületen keveredtek a gőzök, Így tisztább és gyorsabb lett a kémiai reakció. A motor hatásfoka jelentősen megnövekedett. Inkább egy kép mint ezer szó:

Folyékony üzemanyagként sok anyag szóba jöhet ezen motorok esetében. Legtöbbször az a jellemző, hogy oxigént és alkoholt használnak, mivel ez kellően biztonságos és olcsó ( bár a szénhidrogénekkel jóval alacsonyabb kiáramlási sebességet lehet elérni mint például a hidrogénnel) De a folyékony hidrogén és oxigén keveréke is sokszor szerephez jut, pl: az amerikai űrsikló projekt is hidrogén/oxigén alapú főmotort használ. Sajnos a hidrogén nem a legjobb üzemanyag, erős és hatékony, de nehezen kezelhető. -253 °C-on cseppfolyósodik, ezért roppant nehéz előállítani és tárolni. Könnyen forrni kezd, a keletkezett gázok pedig erősen robbanásveszélyes elegyet képeznek a levegővel. Technikai szempontból is hátrányos, nagyobb helyre van szüksége mint az alkoholnak, mert sűrűsége nagyon alacsony.

Sajnos a szuperhideg üzemanyagok betöltése és előállítása körülményes feladat, vannak helyzetek mikor ezt a technológiát nem használhatják, mert a hideg üzemanyagok előbb utóbb felmelegszenek és forrni kezdenek. Ezután elszivárognak a tartályokból a külön erre a célra kialakított szelepeken keresztül. Az oxigént és más gázt csak akkor lehet cseppfolyós halmazállapotban tárolni ha hideg. Ha melegebb és forrni kezd, akkor a keletkező gázt semmivel nem lehet visszatartani, ugyanis csak nyomással nem lehet cseppfolyósítani őket. A gázokat összepréselhetjük de azok sosem lesznek cseppfolyósak, csak gőzökké alakíthatjuk. Ha ezt a gőzt lehűtjük egy bizonyos hőmérsékletre, csak akkor csapódik ki mint folyadék.

 

Főleg a haditechnikában akadnak helyzetek mikor szükség van a folyékony hajtóanyagok előnyeire, de nincs mód hogy a szuperhideg üzemanyagot használjanak. Ezért kell olyan üzemanyag keveréket használni ami hosszú időn keresztül tárolható startrakész állapotban. Üzemanyagként benzint, alkoholt, kerozint, hidrazint is használnak. Oxidálószerként salétromsav és hidrogénperoxid az ami legtöbbször szóba jöhet.

A hibrid rakéták működése a következő: adott egy szilárd hajtóanyagú rakétához nagyon hasonló felépítésű motor. Ebben található a szilárd üzemanyag, gyakorlatilag ugyanúgy mint a szilárd hajtóanyagú rakéta üzemanyag blokkja. Erre az oxidálószerrel előre nem kevert tömbre permetezik rá az égéshez szükséges oxidálószert. Ez lehet folyadék, vagy gáz halmazállapotú. Ettől függően folyadék/szilárd vagy gáz/szilárd üzemanyagú hibridről beszélünk. Léteznek folyadék/gáz hibrid üzemanyagú motorok is, bár ezek technikailag a folyékony hajtóanyagú rakétákhoz állnak közelebb. Az oxidálószer mennyiségével szabályozható mennyi üzemanyag éghessen el, állítható a tolóerő. Sőt kioltható és újraindítható a motor! Hátránya hogy nehéz, mivel az üzemanyagtank maga az égéstér és ezért vastag a fala mint a szilárd rakétáké! De ezen kívül az oxidálószert is az égéstérbe kell juttatnia ami nem olyan könnyű feladat. Szinte kizárólag a hajtógázos megoldás jöhet szóba, ami azt jelenti, hogy mind az üzemanyagnak, mind az oxidálószernek nagy nyomású üzemanyagtankja kell legyen. A hajtógázas megoldást a normál folyékony üzemanyagú rakéták esetében is használták de az így jelentkező többlet súly miatt oda az előny a szilárd hajtóanyagú rakétákkal szemben! Röviden valóban hibridről van szó, mert az üzemanyaghoz hasonlóan a hatékonyság is valahol a kettő között van!

Az utóbbi időben a hibrid rakéták elkezdtek teret hódítani az amatőr rakétaépítés terén is. Úgyhogy hobbi-rakétások most figyeljenek. Oxidálószerkén ugyanis gyakran használnak gázt. Erre a célra a viszonylag olcsón kapható dinitrogén-oxid (habpatron) a legmegfelelőbb választás, hiszen a gáz 53 bar nyomáson 25 °C-on cseppfolyós. Másik áldásos tulajdonsága, hogy szinte bármilyen szénhidrogénnel reakcióba lép és oxidálja. (persze csak bizonyos hőmérsékleten) vagyis a szilárd üzemanyag terén szinte bármi szóba jöhet! Az ilyen konstrukciónak üzemanyagnak megteszi: a paraffin, cukrok, PVC, poliuretán, de akár elmegy egy rúd szalámival is, vagy akár egy darab fával! Persze a hatásfok szemszögéből egyáltalán nem mindegy hogy mit használunk üzemanyagnak, de a lényeg a lényeg, hogy ezek nagy mennyiségben állnak rendelkezésre..

A dinitrogén-oxidot (N2O más néven nitró) sok helyen használják, talán az autók tuningolása által lett leginkább közismert. A gyógyászatban kéjgáz néven fut. Élettani hatásai meglehetősen mókásak, legalábbis annak biztosan aki belélegzi. Én magam még anno a mentőknél szerettem :) Ami számunkra is érdekes lehet: a tejszínhab kihajtására is dinitrogén-oxid töltetű patront használnak. Ezek a kis palackok már szinte azonnal felhasználhatóak a kisebb hibrid motorokhoz. Visszatérve a hibrid rakéták felépítésére, ezek sem túl bonyolult konstrukciók persze elkészítésük igényel némi kézügyességet és ismeretségi kört. Ezek motorjai fémből készülnek és ez jelenthet némi problémát, másrészt azt sem túl egyszerű megoldani hogy akkor áramoljon a gáz az égéstérben mikor mi szeretnénk. Erre a legegyszerűbb megoldás, ha olyan szelepet használunk ami gyakorlatilag elég. például a gázt a tartályból visszatartó szelep valamilyen préselt pirotechnikai elegy. Ha elég és átszakad, a nagynyomású folyadék a tartályban felforr és gáz formájában az égéstérbe tör. A több itt már a kémia dolga. Ez különösen jó módszer, mert a másik problémát, a tüzelőanyag felmelegítését, gyújtását is megoldja. Az üzemanyagblokk kialakítása olyan legyen ami megfelelő keveredést biztosít az oxidálószerrel.

Végezetül egy hangulatos kis videó az említett hibrid-rakétáról. Papír/Dinitrogén-oxid motor. Természetesen a palack habpatron és nem CO2: