Raketmotor: Hvad er det? Principper, virkemåde og typer

Raketmotorer: forstå principper, virkemåde og typer. Fra kemisk forbrænding til væsketanke - design, kraft og anvendelser i rumfart.

En raketmotor er en anordning, der frembringer en kraft ved at presse gasser med høj hastighed ud af en dyse. Raketmotorer forbrænder kemikalier som f.eks. petroleum og flydende ilt ved meget høje tryk og temperaturer for at omsætte den kemiske energi til bevægelse. I nogle tilfælde (f.eks. NASA-raketter) kan den kraft, der skabes, være på over 1 000 000 000 pund-kraft (4 400 000 newton).

En haveslange viser, hvordan væske i bevægelse kan skabe en kraft. Når en slange skrues op, vil slangen sno sig rundt, medmindre den holdes stille. Det udstrømmende vand skaber en kraft på slangen, ligesom raketmotorens gasser presser på raketmotoren.

Grundlæggende principper

Raketmotorer bygger på bevarelse af momentum og Newtons tredje lov: for hver handling er der en lige og modsat reaktion. Når motoren udstøder masser (gasser eller partikler) bagud med høj hastighed, får raketten en fremadrettet reaktion (thrust).

En enkel måde at beskrive genereret kraft på er med to bidrag: massestrømmen gange udstødningshastighed og trykforskel ved dysen. Formelt kan man skrive det som: T = ṁ·v_e + (p_e − p_a)·A_e, hvor ṁ er masseflowet, v_e er udstødningshastigheden, p_e er trykket ved dysens udblæsning, p_a er omgivende tryk og A_e er dysens tværsnitsareal. I praksis betyder det, at både hvor meget masse man smider ud pr. sekund og hvor hurtigt den masse forlader motoren, bestemmer hvor stor kraft motoren leverer.

Hovedkomponenter i en raketmotor

• Forbrændingskammer: Hvor drivmidlerne mødes og reagerer (i kemiske motorer) — her dannes de varme gasser.
• Dysa (nozzle): Former og accelererer gasserne til høj hastighed, normalt via en konvergent-divergent (De Laval) dyse.
• Tanke og rørføring: Opbevaring og leverance af flydende eller flydende/fast drivmiddel til kammeret.
• Turbopumpe eller tryksystem: System til at føre drivstoffer ind i forbrændingskammeret ved højt tryk (særligt for flydende-propellantmotorer).
• Ignitions- og styresystem: Tænding, regulering af blanding, og vektorstyring (bevægelse af dyse eller separate styre-rygdyser for at ændre retning).

Typer af raketmotorer

• Fastbrændstofmotorer: Drivmidlet er en fast blanding (oxidant indlejret i brændstoffet). De er simple, robuste og ofte billigere, men kan sjældent slukkes eller reguleres præcist.
• Flydende-propellantmotorer: Bruger adskilte flydende brændstoffer og oxidatorer (fx RP-1/LOX eller LH2/LOX). Disse kan reguleres, startes og stoppes efter behov og har høj ydeevne.
• Hybridmotorer: Kombination hvor ét drivmiddel er fast og det andet flydende — søger at kombinere enkelheden fra faste motorer med regulerbarheden fra flydende.
• Ion- og elektriske motorer: Accelererer ioner med elektrisk felt. Meget høj effektivitet (specifik impuls), men lavt skub — velegnede til lange, langsomme manøvrer i rummet, ikke oplyft fra jorden.
• Nuklearejet: Bruger varme fra en nuklear reaktor til at opvarme og udstøde et arbejdsmiddel (fx hydrogen). Har teoretisk høj trækkraft og Isp, men praktiske, politiske og sikkerhedsmæssige udfordringer.

Ydeevne og måleenheder

To vigtige størrelser er thrust (kraft, målt i newton eller pund-kraft) og specifik impuls (Isp), som angiver hvor effektivt en motor bruger sit drivmiddel. Isp måles i sekunder og angiver hvor mange sekunder en motor kan producere en given kraft pr. enhed drivmiddelmasse. Typiske værdier:

• Fastbrændstof: ~200–300 s
• LOX/RP-1 (kerosenesk): ~250–350 s
• LOX/LH2 (brint): ~350–460 s (især i vakuum)
• Ionmotorer: flere tusinde sekunder (meget høj Isp, lav thrust)

Et andet vigtigt mål er forholdet thrust/masse (thrust-to-weight ratio) for at vurdere, hvor effektivt et motor-aggregat kan accelerere et totalt system ved start.

Anvendelser

• Opsendelse af satellitter og bemandede rumfartøjer.
• Ballistiske missiler og anden militær anvendelse.
• Raketassisteret start (booster motorer) for store nyttelaster.
• Mindre raketter til holdningskontrol og kurskorrektion i rummet.
• Forskning og hobby: modelraketter og eksperimentelle motorer.

Sikkerhed og miljø

Raketmotorer håndterer energitætte og ofte farlige drivmidler ved høje tryk og temperaturer. Derfor stilles store krav til materialer, test og procedurer. Udsendelse af forbrændingsprodukter kan også have miljøpåvirkninger; visse drivstoffer producerer sod og giftige biprodukter, mens andre (fx flydende brint/ilt) primært giver vanddamp.

Historiske og moderne eksempler

Historisk set har både faste og flydende motorer spillet centrale roller i rumfartens udvikling. Eksempler på kraftige kemiske motorer er de amerikanske F-1 motorer fra Saturn V (millioner newton pr. motor) og de faste boosters som blev brugt på rumfærgen. Moderne udvikling rummer genbrugelige flydende-motorer (fx de motorer, der kan styres og genstartes for at lande en booster), samt fremdriftssystemer til lange missionsfaser, såsom elektriske ionmotorer på ubemandede sonder.

Kort sagt: En raketmotor skaber fremdrift ved at udstøde masse bagud med høj hastighed. Forskellige teknologier vægter kompromis mellem thrust, effektivitet, kompleksitet og anvendelsesområde — fra kraftige, enkle faste boostere til meget effektive, lavthrust ionmotorer til dybderumsrejser.

Søg efter bogstav