Hvordan en solid drivmiddelrakett fungerer

Raketter med solid drivstoff inkluderer alle de eldre fyrverkerirettene, men det er nå mer avansert drivstoff, design og funksjoner med solide drivmidler.

Fast drivmiddel raketter ble oppfunnet før rakett med flytende drivstoff. Den solide drivmassetypen begynte med bidrag fra forskerne Zasiadko, Constantinov og Congreve. Nå i avansert tilstand er solide fremdriftsraketter fortsatt i utbredt bruk i dag, inkludert Space Shuttle dual booster-motorer og Delta-serien booster-stadier.

Overflateareal er mengden drivmiddel utsatt for forbrenningsflammer, som eksisterer i direkte forhold til skyvekraft. En økning i overflatearealet vil øke skyvekraften, men vil redusere forbrenningstiden siden drivstoffet forbrukes med en akselerert hastighet. Den optimale skyvekraften er typisk en konstant, som kan oppnås ved å opprettholde et konstant overflateareal gjennom hele forbrenningen.

Eksempler på kornutforminger med konstant overflateareal inkluderer: brenning av endene, indre kjerne og ytre kjerne og intern kjerneforbrenning.

Ulike former brukes for optimalisering av kornstøtforhold siden noen raketter kan kreve en opprinnelig høy skyvekraftkomponent for start mens en lavere skyvekraft vil være tilstrekkelig med regressiv skyvkraft etter lansering krav. Kompliserte kornkjernemønstre har ofte deler som er belagt med en ikke-brennbar plast (for eksempel celluloseacetat) for å kontrollere det eksponerte overflatearealet til raketten. Dette belegget forhindrer forbrenningsflammer i å antenne den delen av drivstoff, antennes først senere når forbrenningen når drivstoffet direkte.

Ved utformingen av rakettens drivkorn må spesifikk impuls tas med i betraktningen siden det kan være forskjellssvikt (eksplosjon) og en vellykket optimalisert skyveproduserende rakett.

• Når en solid rakett er antent, vil den forbruke hele drivstoffet, uten mulighet for avstengning eller skyvejustering. Saturn V-måneraketten brukte nesten 8 millioner pund av skyvekraft som ikke ville vært mulig med bruk av fast drivmiddel, noe som krever en høy spesifikk impulsvæske drivmiddel.
• Faren involvert i forblandede drivstoffene til monopropellantraketter, dvs. noen ganger er nitroglyserin en ingrediens.

En fordel er enkel lagring av faste drivraketter. Noen av disse rakettene er små missiler som Honest John og Nike Hercules; andre er store ballistiske missiler som Polaris, Sergeant og Vanguard. Flytende drivmidler kan gi bedre ytelse, men vanskeligheter med lagring og håndtering av drivstoff av væsker nær absolutt null (0 grader Kelvin) har begrenset bruken av dem ikke i stand til å oppfylle de strenge kravene militæret krever av sin ildkraft.

Raketter med flytende drivstoff ble først teoretisert av Tsiolkozski i hans "Undersøkelse av interplanetært rom ved hjelp av reaktive enheter", utgitt i 1896. Ideen hans ble realisert 27 år senere da Robert Goddard lanserte den første flytende raketten.

Flytende drevne raketter drev russerne og amerikanerne dypt inn i romalderen med de mektige Energiya SL-17 og Saturn V raketter. Disse rakettenes høye skyvekapasitet gjorde det mulig for våre første reiser ut i verdensrommet. Det "gigantiske trinnet for menneskeheten" som fant sted 21. juli 1969, da Armstrong gikk på månen, ble muliggjort av 8 millioner pund skyvekraft fra Saturn V-raketten.

To metallbeholdere holder henholdsvis drivstoff og oksidasjonsmiddel. På grunn av egenskapene til disse to væskene, blir de typisk lastet inn i tankene sine rett før lansering. De separate tankene er nødvendige, for mange flytende drivstoff brenner ved kontakt. Ved en sett utskytningssekvens åpnes to ventiler, slik at væsken kan strømme nedover rørarbeidet. Hvis disse ventilene ganske enkelt åpnes slik at de flytende drivstoffene kan strømme inn i forbrenningskammeret, a svak og ustabil drivhastighet vil forekomme, så det er enten en trykkgasstilførsel eller en turbopumpefôr brukt.

Den enklere av de to, trykksatt gassmatning, tilfører en tank med høytrykksgass til fremdriftssystemet. Gassen, en ureaktiv, inert og lett gass (som helium), holdes og reguleres, under intenst trykk, av en ventil / regulator.

Den andre, og ofte foretrukne løsningen på drivstoffoverføringsproblemet er en turbopumpe. En turbopumpe er den samme som en vanlig pumpe i funksjon og omgår et gasstryksystem ved å suge frem drivmidlene og akselerere dem inn i forbrenningskammeret.

Oksidasjonsmidlet og brennstoffet blir blandet og antent inne i forbrenningskammeret og skyvekraften blir til.

Dessverre gjør det siste punktet raketter med flytende drivstoff intrikate og komplekse. En ekte moderne flytende bipropellantmotor har tusenvis av rørforbindelser som fører forskjellige kjøle-, drivstoff- eller smørevæsker. De forskjellige underdelene, for eksempel turbopumpen eller regulatoren, består av separat svimmelhet av rør, ledninger, reguleringsventiler, temperaturmålere og støttestiver. Gitt de mange delene, er sjansen for at en integrert funksjon svikter stor.

Som nevnt tidligere, er flytende oksygen det mest brukte oksydasjonsmiddelet, men også det har sine ulemper. For å oppnå væsketilstanden til dette elementet, må en temperatur på -183 grader Celsius være oppnådd - forhold under hvilke oksygen lett fordamper, og mister bare en stor sum oksidasjonsmiddel mens du laster. Salpetersyre, en annen kraftig oksydasjonsmiddel, inneholder 76% oksygen, er i sin flytende tilstand på STP, og har en høy spesifikk tyngdekraftAlle store fordeler. Det siste punktet er en måling som ligner tetthet, og når den stiger høyere, gjør også drivmiddelets ytelse. Salpetersyre er imidlertid farlig i håndtering (blanding med vann gir en sterk syre) og produserer skadelige biprodukter i forbrenning med drivstoff, og dermed er bruken begrenset.

Fyrverkeri ble utviklet i det andre århundre f.Kr. av eldgamle kinesere, og er den eldste formen for raketter og den mest forenklede. Opprinnelig hadde fyrverkeri religiøse formål, men ble senere tilpasset til militær bruk i middelalderen i form av "flammende piler."

I løpet av det tiende og trettende århundre brakte mongolene og araberne den viktigste komponenten av disse tidlige rakettene til Vesten: krutt. Selv om kanonen og pistolen ble den viktigste utviklingen fra den østlige introduksjonen av krutt, resulterte også raketter. Disse rakettene var hovedsakelig forstørret fyrverkeri som videre, fremfor langbuen eller kanonen, pakker eksplosivt krutt.

Under imperialistiske kriger på slutten av det attende århundre utviklet oberst Congreve sine berømte raketter, som spenner over avstander på fire miles. "Rakettenes røde gjenskinn" (American Anthem) registrerer bruken av rakettkrigføring, i sin tidlige form for militær strategi, under det inspirerende slaget om Fort McHenry.

En sikring (bomullssnor belagt med krutt) blir tent av en fyrstikk eller av en "punk" (en trestokk med en kulllignende rødglødende spiss). Denne sikringen brenner raskt inn i kjernen av raketten der den antenner kruttveggene i den indre kjernen. Som nevnt før er et av kjemikaliene i krutt kaliumnitrat, den viktigste ingrediensen. Molekylstrukturen til dette kjemikaliet, KNO3, inneholder tre oksygenatomer (O3), ett nitrogenatom (N) og ett kaliumatom (K). De tre oksygenatomer som er innelåst i dette molekylet gir "luften" som sikringen og raketten brukte for å brenne de to andre ingrediensene, karbon og svovel. Dermed oksiderer kaliumnitrat den kjemiske reaksjonen ved lett å frigjøre oksygenet. Denne reaksjonen er imidlertid ikke spontan, og må initieres av hete som fyrstikk eller "punk."