Silnik rakietowy

Mój text o silnikach rakietowych. Stary wygrzebany.

============================

Silnik Rakietowy
Historia
Chiński wynalazek prochu czarnego zapoczątkował eksperymenty z bronią palną różnych typów i rodzajów. Zaczęto go stosować w: płonących strzałach, bombach, działach, co doprowadziło do opanowania pierwszych technik rakietowych. Chińczycy wystrzeliwali pierwsze rakiety już ok.970 r. w różnych obrzędach religijnych, na cześć swoich bóstw. Na początku XII w. używali ich podczas walk z najazdem mongolskim. Rakiety z tamtego okresu były napędzane prochem strzelniczym, podobnie jak dzisiejsze sztuczne ognie. Umocowane do strzał lub włóczni były bronią skuteczną i przerażająca. Mongołowie byli pod wrażeniem tej nowej broni. Sami zaczęli używać rakiet w walkach z Arabami i w Europie(używał ich Czyngis-Chan w czasie swoich podbojów). Arabowie przejęli umiejętność konstruowania rakiet i zaczęli ich używać w walce przeciwko chrześcijańskim królestwom w Ziemi Świętej.
Wojska francuskie w czasie walk o Orlean w 1429 używały rakiet. Jednak w krótkim czasie zniknęły z arsenałów wyparte przez broń palną, znacznie skuteczniejszą i celniejszą.
Od XVI wieku rakiet używano na pokazach ogni sztucznych, początkowo we Włoszech, a wkrótce w całej Europie. Polskie doświadcznia rozpoczęły się znacznie później, bo w roku 1650 wraz z publikacjami Kazimierza Siemienowicza. Najsłynniejszą była -"Wielkiej sztuki artylerii część pierwsza". Opisuje w niej podstawy technologii produkcji rakiet, charakterystyki balistyczne i stateczniki.
W 1792 roku oddziały brytyjskie walczące w Indiach zostały ostrzelane małymi rakietami obitymi blachą. Okazały się one bronią tak skuteczną, że dyrektor londyńskiego laboratorium Woolwicha, pułkownik Congreve zdecydował wyprodukować broń rakietową dla armii brytyjskiej. Od 1804 roku stworzył z prostej rakiety broń o wielkiej jak na owe czasy sile rażenia wyposażoną w głowicę wybuchową bądź zapalającą. Niestety, celność rakiet pozostawiała wiele do życzenia. Dopiero w 1844 roku udało się Williamowi Hale’owi znacznie ją poprawić stosując technikę stabilizacji ruchem obrotowym (rakiety obracały się do okoła własnej osi podczas ruchu). Nadawało jej to stabilność. Nieregularność w kształcie lub rozkładzie masy rakiet nie powodowała już dłużej ich zbaczania z kursu. Podobna technika stabilizacji lotu była używana od XV wieku dla broni palnej, a dla strzał i oszczepów już od czasów starożytnych.
Podstawowym problemem broni rakietowej był jej zasięg. Aby rakieta mogła polecieć dalej powinna być większa, aby ponieść więcej prochu lub różnego paliwa. To z kolei zwiększało masę rakiety czyniąc ją trudniejszą do napędzania i zasięg znowu był ograniczony. Rozwiązanie tego problemu zostało wymyślone przez Francuza Frezera, a wprowadzone do użytku w 1855 roku przez wojsko angielskie. Chodziło o połączenie dwóch rakiet, jedną za drugą. Gdy część tylnia wypaliła już swoje paliwo, ładunek wybuchowy oddzielał część przednią, zapalając jednocześnie umieszczone w niej paliwo. Ta pierwsza rakieta wielostopniowa miała większy zasięg od rakiety jednostopniowej o takiej samej masie, gdyż tylko jej część miała dolecieć do celu. W roku 1903 Konstanty Ciołkowski, rosyjski uczony polskiego pochodzenia ogłosił artykuł, w którym wykłada teorię lotu rakiety z uwzględnieniem zmiany masy (pierwsza poważna praca z dziedziny astronautyki). W roku 1929 Ciołkowski opracował teorię ruchu rakiet wielostopniowych w ziemskim polu grawitacyjnym. Po raz pierwszy w dziejach podał podstawy teorii silnika rakietowego na paliwo ciekłe. Zaprojektował wiele rakietowych mieszanek paliwowych. Na podkreślenie zasługuje fakt, że Ciołkowski opracował podstawy lotów kosmicznych, zanim jeszcze bracia Wright wykonali pierwszy w świecie lot samolotem. Idee techniczne wysunięte przez Ciołkowskiego także obecnie znajdują zastosowanie przy budowie współczesnych silników rakietowych, rakiet i statków kosmicznych. Ciołkowski niedoceniany przez współczesnych sobie, został przez następców nazwany „ojcem lotów kosmicznych”.
Podczas I Wojny Światowej (1914-1918) Brytyjczycy używali prymitywnych pocisków rakietowych do zestrzeliwania niemieckich statków powietrznych. Po wojnie intensywne prace nad militarnym wykorzystaniem rakiet prowadzono w Związku Radzieckim. Wieloletnie badania przyniosły w roku 1936 efekt w postaci rakiet na paliwo ciekłe osiągających rekordowy pułap 5,6 km. W czasie II Wojny Światowej Rosjanie używali rakietowych pocisków powietrznych tzw. RS-ów oraz słynnych „katiusz”.
Niemieckim pionierem rakietowym był w latach 20-tych XX w. Hermann Oberth. Jego prace teoretyczne o rakietach na paliwo ciekłe zainspirowały grupę młodych inżynierów do stworzenia w 1927 roku Towarzystwa Lotów Kosmicznych. Rozwój nazizmu w Niemczech zmusił członków w 1934 roku, do rozwiązania organizacji, choć niektórzy z nich za rządowe pieniądze kontynuowali prace nad militarnym wykorzystaniem rakiet. Prace te stworzyły podwaliny pod niemieckie osiągnięcia na tym polu w czasie II Wojny Światowej. Czołowym niemieckim konstruktorem rakiet w tym okresie był Werner von Braun. Był on konstruktorem pierwszego rakietowego pocisku balistycznego V2, używane w końcowej fazy wojny do ostrzeliwania terytorium Wielkiej Brytanii.
W okresie międzywojennym w USA prace nad rakietami prowadziła grupa entuzjastów pod kierownictwem fizyka Roberta Goddarda. Pomimo trudności finansowych osiągnęli oni pokaźne sukcesy m.in. w 1926 roku wystrzelili pierwszą w świecie rakietę na paliwo ciekłe. Po wojnie USA i Związek Radziecki uzyskały wgląd do niemieckiej technologii rakietowej. Od tego czasu broń rakietowa zaczęła zajmować coraz bardziej znaczące miejsce w arsenałach wielkich mocarstw. W latach 50tych XX wieku miał miejsce rozwój międzykontynentalnych strategicznych pocisków rakietowych – nosicieli głowic nuklearnych. Dysponując takimi rakietami, naukowcy radzieccy posiedli narzędzie umożliwiające wyniesienie niewielkiego obiektu na orbitę około ziemską. W październiku 1957 roku, Sputnik 1, pierwszy sztuczny satelita Ziemi, nadał sygnały do naukowców, rozpoczynając erę kosmiczną.
Amerykanie wspomagani przez Wernera von Brauna w ciągu czterech miesięcy umieścili na orbicie swojego satelitę. Wpływ tego niemieckiego uczonego na amerykański program budowy rakiet był nieprzerwany, aż do zakończenia programu Apollo. Program ten doprowadził 1969 roku do wyniesienia człowieka na Księżyc za pomocą gigantycznych trójstopniowych rakiet Saturn V.
Zasada działania
Trzecia zasada dynamiki Newtona stwierdza, że każdemu działaniu towarzyszy równe, co do wartości, lecz przeciwnie skierowane, przeciwdziałanie. Przykładowo, gdy wyskoczymy z małej łódki na brzeg, to skacząc wprawimy łódkę w ruch oddalający ją od brzegu. Rakiety poruszają się na tej samej zasadzie. Napędzane są przez wyrzucany z dużą prędkością strumień materii, zwykle gazu. Silnik odrzutowy, aby spalić paliwo musi pobierać z atmosfery tlen. Silnik rakietowy nie potrzebuje niczego z zewnątrz, zarówno paliwo jak i utleniacz znajdują się w rakiecie. Właśnie to powoduje, że rakiety mogą działać w próżni panującej w kosmosie, przez co nadają się do napędu statków kosmicznych. W silniku rakietowym stałe bądź płynne paliwo spalane jest w zamkniętej przestrzeni, a powstałe przy spalaniu gorące gazy wylatują przez jedną lub kilka wąskich dysz. Tlen niezbędny do spalania paliwa może być otrzymany z rozkładu związków chemicznych (azotan potasu). W nowoczesnych rakietach ciekły tlen jest zgromadzony w specjalnych zbiornikach. Paliwem może być nafta, wodór lub hydrazyna.
Silniki rakietowe na paliwo stałe są powszechnie używane ze względu na swoją prostotę i dużą niezawodność. Napędzają one większość pocisków, są używane w rakietach jako silniki wspomagające. Natomiast w silnikach na paliwo ciekłe siła ciągu może być stosunkowo łatwo kontrolowana, dlatego używa się ich w dużych, wielostopniowych rakietach. Silniki na paliwo ciekłe mają większą siłę ciągu i prędkość lotu(pocisku) niż silniki na paliwo stałe.
Rozwiązania przyszłości
Jednak rakiety na paliwo płynne są niewystarczające do lotów międzygwiezdnych, poza nasz układ planetarny. Naukowcy zastanawiają się nad rakietami o napędzie nuklearnym, ale prawdopodobnie nie będzie można wystrzelić ich z powierzchni Ziemi, gdyż zbyt zanieczyściłyby środowisko odpadami radioaktywnymi i promieniowaniem. Niemniej jednak mogłyby być one wypuszczone z przestrzeni około ziemskiej. Rakiety takie mogłyby uzyskać ogromne siły ciągu za pomocą serii eksplozji nuklearnych. Inną możliwością jest użycie reaktora jądrowego do ogrzania cieczy, tak aby zamieniła się w gaz wyrzucany z dyszy.
Rozważane są możliwości wykorzystania do napędu rakiet strumienia naładowanych cząstek, bądź atomów. W jednym z projektów wodór zamieniany byłby w plazmę, którą z rakiety wyrzucałoby pole magnetyczne.
Inna idea polega na tym, że z rakiety wyrzucane są rozpędzone w polu elektrycznym jony rtęci lub cezu. Testy wykazały, że taki silnik działa. Niestety uzyskiwana siła ciągu jest bardzo mała. Jednakże paliwo takiej rakiety nie zużywałoby się szybko i rozpędzając się stopniowo, rakieta mogłaby w końcu uzyskiwać naprawdę duże prędkości.
Innym pomysłem jest silnik fotonowy, rakieta taka napędzana byłaby przez emitowane fotony, czyli po prostu przez wysyłanie strumienia światła z tyłu urządzenia. Jednak nawet przy największych możliwościach obecnie koncentracji strumienia światła jego siła ciągu nie jest w stanie konkurować nawet z tą wytwarzaną przez silniki jonowe.
=========================================

Mogło trochę obciąć

Ostatnio zmieniony przez l&m dnia Nie 04 Cze, 2006 15:25, w całości zmieniany 1 raz

Sob 03 Cze, 2006 19:57

strasznie długggggie ale ciekawe
_________________
Królestwo Elderlandu
II WW

Sob 03 Cze, 2006 20:22

Długie ale interesujące, bardzo. Nie miałem pojęcia o tym że już w 970 mieli rakiety. Czego to ludzie nie wymyślą.

PS: Pozdrawiam

Sob 03 Cze, 2006 21:36

Nie takie długie znowu, ale dzięki !!! Jak redakcja chce do może dodać do działu artykuły

Sob 03 Cze, 2006 21:38

Ja mam malutkie uwagi...

Cytat:

Był on konstruktorem pierwszego rakietowego pocisku balistycznego V2, używane w końcowej fazy wojny do ostrzeliwania terytorium Wielkiej Brytanii.

- używaneGO , no i nie tylko przeciw WB - także Antwerpii i Remagen.

Cytat:

Silnik rakietowy nie potrzebuje niczego z zewnątrz, zarówno paliwo jak i utleniacz znajdują się w rakiecie.

Cytat:

W silniku rakietowym stałe bądź płynne paliwo spalane jest w zamkniętej przestrzeni

Owszem, ale to pewne uproszczenie - są przecież silniki rakietowe na paliwo jednoskładnikowe, gdzie nie ma utleniacza i nic nie jest spalane.

Cytat:

Tlen niezbędny do spalania paliwa może być otrzymany z rozkładu związków chemicznych (azotan potasu). W nowoczesnych rakietach ciekły tlen jest zgromadzony w specjalnych zbiornikach. Paliwem może być nafta, wodór lub hydrazyna.

Nie uważasz, że przy wymienionych utleniaczach i paliwach brak zwrotu "na przykład" - wszak stosowane substancje można by mnożyć i mnożyć? Muszę też przyznać, że podanie jako przykładowego utleniacza akurat azotanu potasu jest... no dość zaskakujące.
Trudno też zgodzić się z zastosowaniem ciekłego tlenu jako wykładnikiem nowoczesności rakiety - jest to niewątpliwie utleniacz bardzo wydajny, ale bardzo też kłopotliwy.

Cytat:

Silniki na paliwo ciekłe mają większą siłę ciągu i przyspieszenie niż silniki na paliwo stałe.

No to jest nie uzasadnione stwierdzenie i tak jednoznacznie i radykalnie stawiać tego nie można. Raz, że 'przyśpieszenie' nie jest cechą silnika tylko całego pocisku, a dwa, że zarówno to przyśpieszenie, jak i siła ciągu zależą od mnóstwa czynników - impulsu jednostkowego i całkowitego, czasu pracy itp. Na przykład silnik o największym ciągu (trzykrotnie większym od silnika rakiety V 2) zbudowany w czasie 2 wojny był silnikiem na paliwo stałe.

Pzdr

Grzesiu

Nie 04 Cze, 2006 12:24

Dzięki za odpowiedź. Poprawię trochę o tym przyspieszeniu

Nie 04 Cze, 2006 15:24

Cytat:

Zasada działania Trzecia zasada dynamiki Newtona stwierdza, że każdemu działaniu towarzyszy równe, co do wartości, lecz przeciwnie skierowane, przeciwdziałanie. Przykładowo, gdy wyskoczymy z małej łódki na brzeg, to skacząc wprawimy łódkę w ruch oddalający ją od brzegu. Rakiety poruszają się na tej samej zasadzie. Napędzane są przez wyrzucany z dużą prędkością strumień materii, zwykle gazu. Silnik odrzutowy, aby spalić paliwo musi pobierać z atmosfery tlen. Silnik rakietowy nie potrzebuje niczego z zewnątrz, zarówno paliwo jak i utleniacz znajdują się w rakiecie. Właśnie to powoduje, że rakiety mogą działać w próżni panującej w kosmosie, przez co nadają się do napędu statków kosmicznych. W silniku rakietowym stałe bądź płynne paliwo spalane jest w zamkniętej przestrzeni, a powstałe przy spalaniu gorące gazy wylatują przez jedną lub kilka wąskich dysz. Tlen niezbędny do spalania paliwa może być otrzymany z rozkładu związków chemicznych (azotan potasu). W nowoczesnych rakietach ciekły tlen jest zgromadzony w specjalnych zbiornikach. Paliwem może być nafta, wodór lub hydrazyna. Silniki rakietowe na paliwo stałe są powszechnie używane ze względu na swoją prostotę i dużą niezawodność. Napędzają one większość pocisków, są używane w rakietach jako silniki wspomagające. Natomiast w silnikach na paliwo ciekłe siła ciągu może być stosunkowo łatwo kontrolowana, dlatego używa się ich w dużych, wielostopniowych rakietach. Silniki na paliwo ciekłe mają większą siłę ciągu i prędkość lotu(pocisku) niż silniki na paliwo stałe.

nie powiem Newton miał wielka głowę i jaki był mądry <lol2>
_________________
Królestwo Elderlandu
II WW

Nie 04 Cze, 2006 21:24

Ależ proszę.
Dzisiaj np. też silniki na paliwo ciekłe niekoniecznie są mocniejsze - np. w przypadku amerykańskiego wahadłowca silnik na paliwo ciekłe ma max ciąg 2,1 MN, a silnik na paliwo stałe - 13,7 MN.
Natomiast myślę, że chodziło Ci w tym ustępie głównie o wydajność energetyczną silników i paliw - współczesne paliwa ciekłe mają zasadniczo większy impuls jednostkowy niż paliwa stałe - zwłaszcza niezwykle wydajna mieszanina tlen/wodór (choć z kolei w czasie 2 wojny paliwa stałe i ciekłe były w zasadzie pod tym względem porównywalne, może nawet ze wskazaniem na stałe), a silniki na ciekłe mp wykazują przede wszystkim znaczny zysk na masie konstrukcji, a szczególnie komory spalania - w przypadku silników na smp komora spalania, wytrzymująca max. ciśnienie gazów, musi mieścić na raz cały zapas paliwa, a w silnikach na cmp może być malutka, a paliwo magazynować można w lekkich zbiornikach. Innymi słowy silnik na cmp ma lepszy stosunek impulsu całkowitego do własnej masy (wliczając materiały pędne). Natomiast problematyczne jest budowanie silników na cmp o wielkich ciągach, głównie ze względu na konieczność skonstruowania odpowiednio wydajnych pomp paliwa.

Pzdr

Grzesiu

Pon 05 Cze, 2006 10:24

Widzę, że spory z Ciebie ekspert zainteresowanie czy zawód

Pon 05 Cze, 2006 13:59

E tam, zaraz tam ekspert...
Zdecydowanie nie zawód, trochę zainteresowania.

Pzdr

Grzesiu

Wto 06 Cze, 2006 11:34

Troche trzeba się interosować, żeby tyle wiedzieć. Albo masz sporo dobrych książek na ten temat.

Wto 06 Cze, 2006 14:46

Re: Silnik rakietowy

Hej

Jeszcze moje 3 grosze:

Co do teorii rakiet: ich działanie można wytłumaczyć także na podstawie zasady zachowania pędu (wynikającej ze wspomnianej dynamiki Newtona).
Pęd (czyli iloczyn masy i prędkości) w układzie izolowanym (czyli nie wymieniającym pędu z otoczeniem) jest stały. Jeśli więc silnik odrzutowy wyrzuca strumień "czegoś" (nazwijmy to sobie czynnikiem roboczym) o określonej masie i z określoną prędkością, czyli nadaje temu czemuś pęd, to sam silnik (i razem z nim to do czego jest on przyczepiony) uzyskuje pęd u takiej samej wartości ale przeciwnie skierowany, tak że pęd całego układu (silnik + strumień "czegoś") pozostaje bez zmian. Siła która powstaje wskutek wyrzucania czynnika roboczego zwana jest ciągiem.

Silniki korzystające z tego efektu czyli wykorzystujące ten "odrzut" nazywają się odrzutowymi. Dzielą się na silniki przelotowe, w których czynnik roboczy jest czerpany z otoczenia i rakietowe, w których jest on zmagazynowany w zbiornikach (albo surowce do jego wytworzenia).

Najpopularniejszym obecnie silnikiem przelotowym jest s.turboodrzutowy (zwany w skrócie "odrzutowym") w którym czynnikiem roboczym jest powietrze; pobierane z otoczenia przez sprężarkę, zostaje ono podgrzane przez spalanie paliwa, przez co wzrasta jego ciśnienie; wypływające z dyszy powietrze wraz z gazami spalinowymi wytwarza ciąg (a wcześniej przechodzi jeszcze przez turbinę gdzie oddaje część swej energii; a owa turbina napędza tę sprężarkę na początku).

Najpopularniejsze obecnie chemiczne silniki rakietowe wykorzystują jako czynnik roboczy gorące gazowe produkty rozmaitych reakcji chemicznych, najczęściej typu spalania.

A jeszcze co do silników na paliwo stałe (smp) z czasów II wojny: podstawowy problem w ich konstrukcji stanowiły rozmiary ziarna (tak się popularnie określa blok stałego paliwa). Aby uzyskać silnik o odpowiednio długim czasie pracy niezbędne jest ziarno o odpowiednio dużych wymiarach. Materiały pędne dostępne w tym okresie były typu homogennego (homogenicznego), tzn. opierały się na jednym składniku którego rozkład (spalanie) generował owe gazy; materiał taki przypominał proch artyleryjski - mieszanina nitrocelulozy i nitrogliceryny czy innych nitroestrów + pewne dodatki jeszcze. Ziarno paliwa formuje się z tego przez wytłaczanie i tu leży problem - przy wytłaczaniu ziarno nagrzewa się wskutek tarcia, ściskania itp. Jeśli więc chcielibyśmy wykonać z tego ziarno o zbyt duzych wymiarach to odprowadzenie ciepła z jego wnętrza byłoby na tyle powolne że doszłoby do samozapłonu i pożaru lub wybuchu (w takim wypadku zginął któryś z niemieckich naukowców w latach 30., Richard Nebel zdaje się). W praktyce ziarno tego typu, większe niż kilkadziesiąt kg spotyka się nawet współcześnie niezwykle rzadko.
Współcześnie najczęściej wykorzystuje się w silnikach smp tak zwane paliwa heterogenne (heterogeniczne) - są one mieszaniną stałego utleniacza (najczęściej jest to nadchloran amonowy) i stałego składnika palnego (najczęściej jakiś polibutadien, polimer na bazie syntetycznego kauczuku; i zwykle też jeszcze aluminium żeby podnieść temperaturę). Coś takiego po przyrządzeniu ma konsystencję takiej mazi; można to odlewać w formach a gdy kauczuk usieciuje, otrzymujemy blok stałego paliwa.(tzn. to naprawdę nie jest takie proste, nie tak łatwo to zmieszać a i kurczy się przy odlewaniu tak że jednak są pewne granice takiej zabawy; ale i tak jest to dobry pomysł). W ten sposób wytwarza się ziarno paliwa stałego o dowolnych w zasadzie rozmiarach; np. w silnikach SRB do wahadłowca ziarno ma masę bodajże 500 t (chociaż tam ono chyba jednak z kilku bloków się składa; ale i tak ponad 100-tonowych).
_________________
Pozdr.
Speedy

Wto 06 Cze, 2006 15:02

To ja jeszcze może malutkie grosiki...
Tak naprawdę ciąg silnika rakietowego nie pochodzi li tylko od siły reakcji wyrzucanych gazów - dochodzi do tego jeszcze siła od ciśnienia gazów w komorze spalania działających na dno komory w obszarze odpowiadającym przekrojowi krytycznemu dyszy (dysz) oraz wzdłużna składowa siły od ciśnienia gazów oddziaływującego na ściankę dyszy wylotowej.
Warto też zauważyć, że ciąg silnika, jako zależny od różnicy ciśnienia wewnątrz i na zewnątrz komory spalania rośnie wraz ze spadkiem ciśnienia atmosferycznego, największą wartość osiągając w próżni.

Jeśli o wielkość ziaren prochowych chodzi, to podobnież, wg niektórych publikacyj Niemcy próbowali wepchać do 2. stopnia rakiety R 3P pojedyncze ziarno o masie 450 kg (tak mniej więcej 50 cm średnicy i 220 cm długości), co im właśnie niespecjalnie wychodziło i skończyło się na 6 ziarnach po 90 kg.

Wahadłowiec w ogóle dobrym jest materiałem do porównań silników na cmp i smp - rakieta SRB faktycznie mieści ciut ponad 500 t paliwa, zaś sama waży 90 t - i pracuje ok. 122 s przy maksymalnym ciągu 12,4 MN (13,7 MN to chyba teoretyczny w próżni). Zbiornik ET zawiera z kolei 700 t tlenu i wodoru, ważąc ledwo 30 t - zasila 3 silniki o łącznym ciągu 6,3 MN przez bodaj 480 s.

Pzdr

Grzesiu

Wto 06 Cze, 2006 15:39