Rachetă solidă

Naveta spațială este lansată cu ajutorul a două rachete cu combustibil solid numite Solid Rocket Boosters

O rachetă cu combustibil solid este o rachetă cu un motor care folosește un combustibil solid ( combustibil / oxidant ).

Primele rachete erau combustibil solid, alimentate cu praf de pușcă și utilizate în China și de către arabi ca arme deja în secolul al XIII-lea.

Toate rachetele au folosit o anumită formă de propulsor solid sau pulbere până în secolul al XX-lea, când au fost introduse rachete cu propulsor lichid și rachete hibride, mai eficiente și controlabile. Rachetele cu combustibil solid sunt folosite și astăzi pentru simplitatea și fiabilitatea lor; capacitatea de a le stoca pentru perioade lungi de timp și de a fi lansate în mod fiabil cu scurt timp, le face să fie cea mai utilizată soluție în armată, cum ar fi rachetele .

Unele rachete cu combustibil solid sunt rareori utilizate pentru propulsia primară în industria aerospațială, dar sunt adesea folosite ca amplificatoare .

Noțiuni de bază

Motor de rachetă solid.

O rachetă cu combustibil solid constă dintr-o carcasă, o duză, o încărcătură de combustibil și un sistem de aprindere. Propulsorul este sub formă de granule .

Granulele se comportă împreună ca o masă solidă și ard previzibil pentru a produce gaze de eșapament. Dimensiunea duzei este calculată astfel încât să mențină o presiune dată și să producă împingere din gazele de eșapament.

Odată aprins, un simplu motor cu combustibil solid nu poate fi oprit, deoarece conține toate elementele necesare pentru ardere în interiorul camerei de ardere. Cu toate acestea, cele mai moderne modele pot fi dezactivate și pornite din nou, precum și permiterea modificării forței produse prin controlul geometriei duzei sau prin orificiile de aerisire. În plus, unele motoare cu rachetă pot arde combustibil în segmente prin comenzi.

Proiectele moderne pot include o duză orientabilă pentru conducere, sisteme avionice , hardware de recuperare precum parașute , mecanisme de autodistrugere, propulsoare secundare controlabile pentru atitudine.

Proiect

Proiectarea unui motor rachetă cu combustibil solid identifică inițial impulsul specific total necesar, care determină masa combustibilului și a oxidantului. Geometria și chimia granulelor sunt apoi alese pentru a îndeplini caracteristicile necesare.

Variabilele sunt calculate luând în considerare următoarele constrângeri:

granulele ard într-un ritm previzibil, cunoscând suprafața lor și presiunea camerei de ardere.
presiunea camerei este determinată de diametrul duzei și de rata de ardere a granulelor.
tipul de carcasă determină valorile de presiune ale camerei.
caracteristicile granulelor determină, de asemenea, durata timpului de ardere.

Este posibil să utilizați sau nu un liant. Principalele cauze ale defecțiunilor la motoarele cu rachete cu combustibil solid includ fragmentarea granulelor, ruperea liantului sau formarea de buzunare de aer. Aceste fenomene pot produce o creștere instantanee a suprafeței de ardere și o creștere corespunzătoare a gazelor de eșapament și a presiunii, ceea ce poate provoca prăbușirea carcasei.

În general, un alt motiv pentru accidente este cauzat de proiectarea sigiliilor incintei. Sunt necesare în cazul rachetelor care trebuie deschise pentru a introduce propulsorul. Când un sigiliu se sparge, gazele fierbinți ies din punctul de rupere și erodează plicul. Acest fenomen a avut loc într - unul din Space Shuttle Challenger booster rachete cu combustibil solid și a provocat un accident care se dezintegrează aeronava în 1986 .

Geometria cerealelor

O rachetă cu combustibil solid explodează de pe suprafața combustibilului expus în camera de ardere. Geometria combustibilului din motor joacă un rol important în performanța motorului în sine. Pe măsură ce suprafața combustibilului arde, forma se schimbă, schimbând adesea cantitatea de suprafață a combustibilului expusă gazelor de ardere. Fluxul de masă ${\dot {m}}$ ${\ displaystyle {\ dot {m}}}$ ${\ dot {m}}$ (Kg / s) și, prin urmare, presiunea gazelor de ardere într-un anumit moment de timp este o funcție a suprafeței $A_{s}$ ${\ displaystyle A_ {s}}$ ${\ displaystyle A_ {s}}$ , (m ² ) prezent în acel moment și rata de ardere $b_{r}$ ${\ displaystyle b_ {r}}$ ${\ displaystyle b_ {r}}$ (Domnișoară):

Deoarece configurațiile geometrice variază, curba de împingere variază și, prin urmare, posibila aplicare a rachetei:

Alezaj circular
C-Slot
Moon Burner
Finocil în 5 puncte

Carcasă

Carcasa poate fi realizată din diverse materiale. Oțelul este utilizat pentru rachetele cu combustibil solid al navetei spațiale, dar este, de asemenea, posibil să se utilizeze grafit epitaxial sau aluminiu .

Carcasa trebuie să fie proiectată pentru a rezista presiunii și solicitărilor produse de centrala electrică. Este proiectat ca un vas sub presiune .

Pentru a-l proteja de gaze fierbinți, foarte corozive, este adesea introdus un strat de ablativ intern, care se uzează protejând carcasa reală.

Duză

O duză convergent-divergentă accelerează gazele de eșapament spre exterior (gazele de eșapament sunt eliberate în atmosferă mai repede decât viteza sunetului, motiv pentru care se alege o formă convergentă-divergentă) pentru a produce împingere. Trebuie să fie realizat din materiale care să reziste la temperaturile ridicate ale gazelor. Sunt adesea alese materiale pe bază de carbon, cum ar fi grafit amorf sau materiale armate cu carbon-carbon.

Unele proiecte includ controlul direcțional al gazelor de eșapament, prin orientarea duzei, așa cum se întâmplă în amplificatoarele Space Shuttle, sau cu utilizarea mecanismelor de deviere a jetului, cum ar fi în rachetele V2 sau, în cele din urmă, printr-un sistem de împingere. injecție de lichid ( Vectoring de împingere a injecției de lichid ). Cea din urmă tehnică constă în injectarea unui lichid în fluxul de gaze de eșapament: lichidul devine vapori și uneori reacționează chimic, adăugând un flux de masă pe o parte a fluxului principal de gaze de eșapament, oferind astfel o axă de împingere. De exemplu, amplificatoarele de combustibil solid Titan III C dețineau un injector de tetraoxid de dinitrogen, conținut în rezervoare situate pe părțile laterale ale rachetei între etapa centrală și amplificatoare ^[1] .

Performanţă

Un motor rachetă cu combustibil solid bine proiectat are de obicei un impuls specific de 265 secunde. În comparație, un propulsor kerosen / oxigen lichid are un impuls de aproximativ 330 secunde și un propulsor lichid hidrogen / oxigen aproximativ 450 secunde ^[1] .

Propulsoarele cu combustibil solid pot asigura o presiune ridicată la un cost relativ scăzut. Din acest motiv, acestea au fost utilizate frecvent pentru primele etape în rachete (un exemplu clasic este naveta spațială ), în timp ce etapele superioare sunt rezervate propulsoarelor cu impuls specific mai mare, cum ar fi motoarele care utilizează hidrogen ca combustibil. Mai mult, propulsoarele cu combustibil solid au o istorie lungă ca etapă finală pentru trimiterea pe orbită a sateliților datorită simplității, fiabilității, compactității și fracțiunii de masă rezonabile a propulsorului ^[2] .

Deoarece combustibilul solid poate rămâne în rachetă pentru o lungă perioadă de timp și poate menține fiabilitatea, acest tip de rachetă este utilizat pe scară largă în armată.

Familii de propulsori

Propulsori cu pulbere neagră

Compusă din carbon vegetal (combustibil), azotat de potasiu (oxidant) și sulf (aditiv), pulberea neagră este unul dintre cei mai vechi compuși pirotehnici. În prezent, pudra neagră este utilizată la modelele de rachete cu putere redusă, deoarece este ușor de produs și ieftin. Boabele de combustibil sunt compuse dintr-un amestec de pulbere presat fin, cu o rată de combustie care depinde puternic de compoziția exactă și de condițiile de funcționare. Datorită sensibilității sale la fracturare (și, prin urmare, la accidente catastrofale) și performanței slabe, pulberea neagră nu este utilizată în propulsoarele de rachete cu un impuls mai mare de 40 Ns.

Combustibili de zinc-sulf

Propulsorul este format din zinc și sulf sub formă de pulbere. Nu găsește nicio aplicație practică în afara rachetelor amatorice datorită performanței reduse, cauzată de arderea care are loc în principal în afara camerei de ardere și de rata extrem de mare de ardere (în jur de 2 m / s). Este folosit în rachetele amatorilor pentru accelerația puternică și pentru că lasă în urmă o minge de foc spectaculoasă.

Propulsori „dulci”

Combustibilii moi constau în general dintr-un oxidant (de obicei azotat de potasiu) și un combustibil zaharat (de obicei dextroză , sorbitol sau zaharoză ). Sunt fuzionate împreună și ambalate sub forma unui coloid amorf. Acestea generează un impuls mediu-scăzut de aproximativ 130 de secunde, deci sunt utilizate în principal numai pentru rachete de amatori.

Propelenți cu bază dublă

Propulsorii cu bază dublă constau din două componente monopropelente. În general, una dintre ele are o energie mai mare (și este mai instabilă), în timp ce cealaltă are o energie mai mică și se stabilizează. De obicei, se folosește nitroceluloză dizolvată într-un gel de nitroglicerină și solidificată cu aditivi. Propulsorii cu bază dublă sunt utilizați în aplicații în care este necesară puțină fum și este necesară performanță medie-înaltă (impuls specific de aproximativ 235 secunde). Adăugarea de combustibili metalici (cum ar fi aluminiu ) poate crește performanța (la aproximativ 250 de secunde) prin nucleația oxidului metalic din evacuare, ceea ce face ca fumul să fie opac. Adăugarea de carbon negru limitează inflexiunea gazelor de evacuare „îndepărtate” pe reacția care se termină în duză

Propulsori compoziti

Conceptul general pentru combustibilii compuși este după cum urmează: un oxidant și un metal sub formă de pulbere sunt amestecate împreună și legate cu un compus care acționează și ca combustibil. Propulsorii compuși constau adesea din azotat de amoniu (numit ANCP ) sau perclorat de amoniu (numit APCP ). Primul necesită ca magneziu și / sau aluminiu să fie folosit ca combustibil și oferă performanțe medii (impuls: 210 secunde). Pe de altă parte, combustibilii compuși din perclorat de amoniu utilizează aluminiu drept combustibil și oferă performanțe ridicate (impuls: 265 secunde). Aluminiu este, de asemenea, baza unui combustibil experimental, ALICE , compus din nano-pulbere de aluminiu și apă, ideal pentru producția in situ pe suprafața Lunii . Datorită performanțelor ridicate, producției destul de simple și costului relativ scăzut, combustibilii APCP sunt folosiți pe scară largă în rachete aerospațiale, în rachete militare, în rachete amatoare. Propulsorii ANCP mai ieftini și mai puțin eficienți sunt utilizați în rachete amatoare și generatoare de gaz.

Propelenți compuși de înaltă energie (HEC)

Propulsorii HEC constau dintr-un amestec standard de propulsori compoziti (cum ar fi APCP), cu adăugarea unui exploziv de mare energie. Acesta din urmă se prezintă de obicei sub formă de mici cristale de RDX sau HMX . Chiar dacă se obțin impulsuri specifice de aproximativ 275 secunde, utilizarea acestor explozivi limitează utilizarea acestor propulsori din cauza pericolelor.

Rachete pentru amatori și hobby

Propulsoarele de rachete cu combustibil solid pot fi achiziționate pentru a fi utilizate la modelare; în mod normal, constau din cilindri mici de pulbere neagră, cu duză și o încărcare mică, care vă permite să porniți a doua etapă (numai pulbere neagră), să activați o cameră sau să desfășurați o parașută. Sarcina poate fi setată să se aprindă atunci când propulsorul este epuizat, fie imediat, fie după o anumită perioadă de timp.

Proiectarea motoarelor cu combustibil solid prezintă un interes deosebit pentru pasionații de rachete. Proiectarea rachetelor necesită aplicarea multor domenii ale fizicii și chimiei, inclusiv mecanica continuumului , chimia , știința materialelor , dinamica fluidelor , transferul de căldură , geometria și mașinile . Majoritatea rachetelor de amatori folosesc un propulsor compozit, de obicei APCP.

Căutări avansate

Cercetarea rachetelor cu combustibil solid se concentrează pe diferite domenii:

Combustibili mai ecologici
Statoreactoare de combustibil solid
Proiecte de împingere variabilă bazate pe duze cu geometrie variabilă
Rachete hibride folosind combustibil solid și un oxidant lichid sau gazos

Notă

^ ^a ^b Sutton, George P., Rocket Propulsion Elements; Ediția 7 , Wiley-Interscience, 2000, ISBN 0-471-32642-9 .
^ Solid. Arhivat 5 ianuarie 2002 la Internet Archive .

linkuri externe

(RO) Pagina de propulsie a rachetelor Robert A. Braeunig pe braeunig.us.
( EN ) Propelenți solizi compuși Astronautix , pe astronautix.com .
( EN ) Ariane 5 SRB , pe esa.int .
( EN ) Asociația amatorilor de rachete de mare putere , pe tripoli.org .
( EN ) Nakka-Rocketry (Calcule de proiectare și formulări de propulsie) , pe nakka-rocketry.net .
( EN ) Rachetă de zahăr de 5 cenți , pe balloons.space.edu . Accesat la 9 august 2009 (depus de „Adresa URL originală la 17 octombrie 2014).
(RO) Rocketry practic , pe allstar.fiu.edu.
(EN) NASA Practical Rocketry , pe quest.nasa.gov. Adus la 9 august 2009 (arhivat din original la 4 octombrie 2006) .
( RO ) Noțiuni de bază ale motorului pentru rachete de mare putere ( PDF ), la rockets4schools.org . Accesat la 9 august 2009 (arhivat din original la 7 octombrie 2007) .

Controlul autorității	LCCN (EN) sh85124629 · GND (DE) 4654439-2

Portalul aviației : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu aviația

[S-1] Sutton, George P., Rocket Propulsion Elements; Ediția 7 , Wiley-Interscience, 2000, ISBN 0-471-32642-9 .

[2] Solid. Arhivat 5 ianuarie 2002 la Internet Archive .

[1]

[2]