Hur fungerar en solid drivmedelraket

Raketer med solida drivmedel inkluderar alla de äldre fyrverkerieraketerna, men det finns nu mer avancerade bränslen, konstruktioner och funktioner med solida drivmedel.

Fast drivmedel raketer uppfanns före raket med flytande bränsle. Den fasta drivmedelstypen började med bidrag från forskarna Zasiadko, Constantinov och Congreve. I ett avancerat tillstånd är solida drivarraketer fortfarande i utbredd användning i dag, inklusive Space Shuttle-dubbla boostermotorer och Delta-seriens boosterstadier.

Ytarea är den mängd drivmedel som utsätts för förbränningsflammor, som finns i ett direkt förhållande till drivkraften. En ökning av ytarean kommer att öka dragkraften men minskar bränntiden eftersom drivmedlet konsumeras med en accelererad hastighet. Den optimala drivkraften är vanligtvis en konstant, som kan uppnås genom att upprätthålla en konstant ytarea under hela bränningen.

Exempel på konstruktion av spannmål med konstant ytarea innefattar: slutförbränning, inre kärna och yttre kärnförbränning och inre stjärna.

Olika former används för att optimera korntryckförhållanden eftersom vissa raketer kan kräva en initialt högtryckskomponent för start medan en lägre tryckkraft kommer att räcka med regressivt tryck efter lansering krav. Komplicerade kärnkärnmönster för att kontrollera den exponerade ytan på raketens bränsle har ofta delar belagda med en icke-brandfarlig plast (såsom cellulosaacetat). Denna beläggning förhindrar förbränningsflammor från att antända den delen av bränslet, antändas först senare när bränningen når bränslet direkt.

Vid utformningen av raketens drivkorn måste specifik impuls tas med i beräkningen, eftersom det kan vara skillnadssvikt (explosion) och en framgångsrik optimerad drivkraftsproducerande raket.

• När en fast raket antänds kommer den att förbruka hela sitt bränsle, utan något alternativ för avstängning eller tryckjustering. Saturn V-månraket använde nästan 8 miljoner pund drivkraft som inte skulle ha varit möjligt med användning av fast drivmedel, vilket krävde en högspecifik impulsvätske-drivmedel.
• Faran som är inblandad i de förblandade bränslena från monopropellant raketer, dvs ibland är nitroglycerin en ingrediens.

En fördel är enkel lagring av solida drivarraketer. Några av dessa raketer är små missiler som Honest John och Nike Hercules; andra är stora ballistiska missiler som Polaris, Sergeant och Vanguard. Flytande drivmedel kan erbjuda bättre prestanda, men svårigheterna med lagring och hantering av drivmedel av vätskor nära absolut noll (0 grader Kelvin) har begränsat användningen av att de inte kan uppfylla de stränga kraven som militären kräver av sin eldkraft.

Flytande eldade raketer teoretiserades först av Tsiolkozski i hans "Investigation of Interplanetary Space by Means of Reactive Devices", publicerad 1896. Hans idé förverkligades 27 år senare när Robert Goddard lanserade den första flytande raketen.

Flytande eldade raketer drev ryssarna och amerikanerna djupt in i rymdåldern med de mäktiga Energiya SL-17 och Saturn V raketer. Dessa raketers höga kapacitet möjliggjorde våra första resor ut i rymden. "Jättesteget för mänskligheten" som ägde rum den 21 juli 1969, när Armstrong gick på månen, möjliggjordes av 8 miljoner pund kraft från Saturn V-raket.

Två metallbehållare håller bränslet respektive oxidationsmedlet. På grund av egenskaperna hos dessa två vätskor laddas de vanligtvis i sina tankar strax före lanseringen. De separata tankarna är nödvändiga för många flytande bränslen förbränns vid kontakt. Vid en inställd lanseringssekvens öppnas två ventiler, vilket gör att vätskan kan rinna ner i rörarbetet. Om dessa ventiler helt enkelt öppnas så att de flytande drivmedlen flödar in i förbränningskammaren, a en svag och instabil tryckhastighet skulle uppstå, så antingen är en trycksatt gasmatning eller en turbopumpmatning Begagnade.

Den enklare av de två, trycksatt gasmatning, tillför en tank med högtrycksgas till framdrivningssystemet. Gasen, en oreaktiv, inert och lätt gas (såsom helium) hålls och regleras, under intensivt tryck, av en ventil / regulator.

Den andra, och ofta föredragna, lösningen på bränsleöverföringsproblemet är en turbopump. En turbopump är densamma som en vanlig pump i funktion och kringgår ett gastrycksystem genom att suga ut drivmedlen och accelerera dem in i förbränningskammaren.

Oxidatorn och bränslet blandas och antänds inuti förbränningskammaren och trycket skapas.

Tyvärr gör den sista punkten raketer med flytande drivmedel komplicerade och komplexa. En riktig modern flytande bipropellantmotor har tusentals röranslutningar som bär olika kylnings-, bensin- eller smörjvätskor. Dessutom består de olika underdelarna, såsom turbopumpen eller regulatorn, av separat vertigo av rör, ledningar, reglerventiler, temperaturmätare och stödstagar. Med tanke på de många delarna är chansen att en integrerad funktion misslyckas stor.

Som noterats tidigare är flytande syre det mest använda oxidationsmedlet, men det har också sina nackdelar. För att uppnå vätskestillståndet för detta element måste en temperatur på -183 grader Celsius vara erhållna - förhållanden under vilka syre lätt avdunstar och förlorar bara en stor summa av oxideringsmedel under lastning. Salpetersyra, en annan kraftfull oxidator, innehåller 76% syre, är i sitt flytande tillstånd vid STP och har ett högt Specifik gravitationAlla stora fördelar. Den senare punkten är en mätning som liknar densitet och när den stiger högre så gör även drivmedlets prestanda. Men salpetersyra är farligt vid hantering (blandning med vatten ger en stark syra) och producerar skadliga biprodukter i förbränning med bränsle, och därför är dess användning begränsad.

Fyrverkerierna utvecklades under andra århundradet f.Kr. av de forntida kineserna och är den äldsta formen av raketer och den mest förenklade. Ursprungligen hade fyrverkerier religiösa syften men anpassades senare för militär användning under medeltiden i form av "flammande pilar."

Under det tionde och trettonde århundradet förde mongolerna och araberna den viktigaste komponenten av dessa tidiga raketer till väst: krut. Även om kanonen och pistolen blev den viktigaste utvecklingen från den östra introduktionen av krutt resulterade också raketer. Dessa raketer var i huvudsak förstorade fyrverkerier som drev längre än långbågen eller kanonen paket med explosivt krutt.

Under det imperialistiska kriget i slutet av 1700-talet utvecklade överste Congreve sina berömda raketer, som spårar avstånd på fyra miles. "Raketernas röda bländning" (American Anthem) registrerar användningen av raketkrig, i sin tidiga form av militär strategi, under den inspirerande striden om Fort McHenry.

En säkring (bomullstråd belagd med krutt) tänds av en tändsticka eller av en "punk" (en träpinne med en kolliknande rödglödande spets). Denna säkring brinner snabbt in i raketens kärna där den antänder kruttens väggar i den inre kärnan. Som nämnts tidigare är en av kemikalierna i kruset kaliumnitrat, den viktigaste ingrediensen. Molekylstrukturen i denna kemikalie, KNO3, innehåller tre syreatomer (O3), en kväveatom (N) och en kaliumatom (K). De tre syreatomerna som är låsta i denna molekyl ger "luften" som säkringen och raketen använde för att bränna de andra två ingredienserna, kol och svavel. Således oxiderar kaliumnitrat den kemiska reaktionen genom att lätt släppa ut sitt syre. Denna reaktion är dock inte spontan och måste initieras av hetta som tändstick eller "punk."