Chemické raketové motory nám mohou připadat zastaralé, ale jsou nenahraditelné. Pouze s jejich pomocí lze v současnosti dosáhnout oběžné dráhy a patrně tomu tak ještě řadu let bude. I Elon Musk, který kromě SpaceX vede také automobilku Tesla, rád opakuje, že rakety jsou ironicky jediným způsobem dopravy, který v dohledné době nebude možné elektrifikovat.
Během činnosti dochází k přesunu paliva pomocí turbočerpadla či přetlakem do spalovací komory a zde je nutno palivo zažehnout, aby spaliny svým rozpínáním umožnily raketě letět. Většina používaných raketových paliv by se však při pouhém kontaktu s okysličovadlem nikdy nevznítila. Směs je nutné zapálit. Jak se to dělá?
Upozornění pro zvídavé čtenářeChceme dopředu varovat, aby pokusy z následujících videí sami nezkoušeli. Jde vesměs o pokusy velmi nebezpečné, které se snadno mohou vymknout kontrole. |
Hlavní hrdinové
Raketová paliva v principu rozlišujeme na tuhá, hybridní a kapalná. V našem přehledu se budeme zabývat hlavně palivy kapalnými, protože ta používá ve svých raketách firma SpaceX.
První možností, jak zapálit raketový motor, je použití hypergolických látek. Jedná se o paliva, která není třeba jakkoliv zapalovat. Stačí je prostě smíchat a raketový motor se zažehne. V raketové technice se tato paliva používají běžně na manévrovacích motorcích družic. Jejich další výhodou totiž je, že se dají dlouho skladovat, i to, že je není třeba uchovávat při nízkých teplotách.
Test motoru Draco v podmínkách vakua. Manévrovací motor se používá na všech typech kosmické lodi Dragon.
Mezi tato paliva patří hydrazin, asymetrický dimethylhydrazin a další. Jako okysličovadla se používá oxidu dusičitého či kyseliny dusičné. V historii kosmonautiky tato paliva hodně používaly americké rakety Titan, lunární modul Apollo a dodnes je používají čínské rakety CZ-2, 3, 4 a ruské Protony. Manévrovací motory Draco a SuperDraco na lodích Dragon jsou také hypergolické.
Jednoznačnou nevýhodou je ale vysoká toxicita obou složek raketového paliva. V posledních letech se zdá, že použití těchto raketových paliv u nosných raket se pomalu omezuje, jejich další nevýhodou je totiž nižší specifický impuls, tedy účinnost použité palivové směsi. Na druhou stranu, patrně ještě dlouhou dobu se tato paliva budou využívat na kosmických družicích a sondách. Na videu níže můžete názorně vidět příklad hypergolické reakce, kdy se do oxidu dusičitého přilévá anilin.
Jakýmsi přechodem mezi hypergolickými palivy a následující kategorií paliv, které je potřeba zapálit, jsou jednosložková paliva (monopropellant).
Do této kategorie patří zejména hydrazin a peroxid vodíku. Při spuštění raketového motoru u těchto látek nedochází k zážehu, ale ke katalytickému rozkladu, při kterém se uvolní horký plyn, který je schopen poskytnout tah.
V případě hydrazinu se jako katalyzátor používá iridiová mřížka, rozkladem pak vzniká čpavek, dusík a vodík. Pro peroxid se používá platina či oxid manganatý, produktem rozkladu je paroplyn.
Tyto látky se používají často u manévrovacích motorků, kupříkladu návratová kabina kosmické loď Sojuz je při sestupu atmosférou řízena motorky, které jako pohonnou látku používají peroxid vodíku. Na videu níže se můžete podívat, co se stane, když do peroxidu vodíku přidáte jodid draselný, který bude fungovat jako katalyzátor.
Nyní se přesuneme k jiným palivům, která už je potřeba zapálit. Samotné smíchání paliva nám v tomto případě kýžený zážeh nepřinese, a tak se pro tyto účely používá několik následujících metod. První z nich je elektrická jiskra. Na tomto místě si můžete představit svíčku, kterou je vybaven motor vašeho osobního auta. Když v něm dojde ke stlačení směsi paliva a vzduchu, ze svíčky přeskočí jiskra a palivo se zažehne.
Tuto metodu používá při zážehu SpaceX, když chce zapálit raketový motor Raptor. Podle Elona Muska plynný metan a kyslík zapalují výkonné svíčky. Díky tomu se zažehnou hořáky, které zapálí spalovací komory hnacích turbín (preburner) a také hlavní komoru. Zážeh Raptoru vyžaduje velmi rychlé a přesné roztočení kyslíkových a palivových turbín.
Zapálení pomocí jiskry používaly také hlavní motory raketoplánu RS-25 a v současnosti tuto metodu využívají například motory Rutherford na raketě Electron. Tento způsob zážehu se používá často u kryogenních pohonných látek, zejména pak v případě kombinace vodíku a kyslíku.
Další používaná metoda využívá elektrická energie jako zdroje tepla. Opět si můžete snadno představit elektrickou žárovku. Hlavním účelem vlákna v žárovce je sice vytvoření světla, ale kromě toho při své činnosti zahřívá i skleněnou baňku.
V kosmonautice se k tomu účelu používá kupříkladu odporový drát. Ten teplem iniciuje pyrotechnickou slož, která následně zažehne raketový motor.
Tímto způsobem se provádí například zážeh motorů na pevné palivo anebo hlavní motor evropské rakety Ariane 5 i motory rakety Sojuz. Vzhledem k tomu, že tato raketa byla použita při více než 1 900 startech a při každém zážehu se zapaluje 20 komor hlavních motorů a dalších 12 manévrovacích, je to v podstatě nejpoužívanější způsob startování motorů na světě.
Další metoda je chemická. V tomto případě se využívá jedné chemické reakce k nastartování další chemické reakce. Pro tuto variantu se používají samozápalné (pyroforické) látky, které samovolně vzplanou při kontaktu se vzduchem při teplotách 55 °C či nižších. Tyto látky jsou také často velice reaktivní při kontaktu s vodou či vzdušnou vlhkostí.
Příklad samozápalné reakce je možno vidět na videu níže, ve zkumavce je práškové železo, které se samo vznítí při kontaktu s dodaným kyslíkem.
Tento způsob zážehu se používá zejména u raketových motorů, které spalují kerosen (RP-1) a kapalný kyslík. Tyto motory je totiž poměrně obtížné zapálit elektricky a pokud ano, nejsou tyto zapalovače spolehlivé. Mnohem spolehlivější je chemické zapalování. Příkladem takovýchto motorů je kupříkladu obří F-1 rakety Saturn V, RD-180 Atlasu V nebo Merlin a Kestrel, které SpaceX využívá či využívalo na raketách Falcon.
Při zážehu motorů se používají látky jako triethylhliník (TEA), trietylboran (TEB) či jejich kombinace. Možná jste si při startech Falconu 9 během zážehu povšimli zeleného záblesku. To je právě okamžik, kdy došlo ke kontaktu směsi obou látek TEA+TEB se vzduchem, ve spalovací komoře dojde k vysokému nárůstu teploty, a tím se spolehlivě zažehne raketový motor. Obě látky jsou mimo jiné toxické a v podstatě je lze použít jako zápalné zbraně, podobně jako bílý fosfor.
Zelený záblesk samozápalné směsi TEA-TEB motorů Merlin rakety Falcon 9
Zelený záblesk je možno spatřit i v následujícím videu z testování motoru Merlin 1D.
Zde si možná položíte otázku, jaký je tedy rozdíl mezi hypergolickými látkami a látkami samozápalnými? Rozdíl je jednoduchý, v případě hypergolických látek není potřeba přítomnost kyslíku, samozápalné látky jej naopak vyžadují, ať už půjde o atmosférický, či kapalný kyslík z nádrží rakety.
Tento způsob zažehávání motorů s sebou však přináší tu nevýhodu, že počet zážehů je omezený množstvím zapalovacích kapalin, které si raketa nese s sebou. V případě motorů Merlin 1D na raketách Falcon 9 a Falcon Heavy dodává samozápalnou směs TEA-TEB při startu pozemní technika.
Tři části prvního stupně rakety Falcon Heavy společnosti SpaceX při plném výkonu
Některé Merliny na prvním stupni je však potřeba v pozdější fázi mise zažehnout znovu kvůli přistání, a tak raketa nese zásobníky s těmito látkami pro tyto účely. Ty však mají omezenou kapacitu, na což doplatil centrální stupeň Falconu Heavy během demonstrační mise v roce 2018. Z blíže neurčeného důvodu neměly motory dostatek samozápalné směsi, a tak se nepodařilo zažehnout všechny motory potřebné pro finální přistávací manévr. Stupeň tedy nakonec místo přistání na plovoucí plošinu tvrdě dopadl do oceánu.
Text vznikl pro server ElonX.cz, který se věnuje primárně zpravodajství o podnikatelských aktivitách Elona Muska. Před vydáním byl redakčně upraven. Originál naleznete zde.
