Rakety

Úvod:

Vynález raketového motora bol míľnikom v dejinách. Umožnil ľudstvu skúmať kozmický priestor, no zároveň mu dal aj možnosť zostrojiť raketové strely, zbrane nevídanej ničivej sily a s veľkým dostrelom. História:

Už okolo roku 1040 n. l. poznali ľudia rakety. Prvými, ktorí ich zostrojili boli Číňania. Ako zbraň boli rakety použité v roku 1232, ako "raketové šípy" pri obrane mesta K'ai-Fung-Foo proti Mongolom. V Európe sa od 13. storočia používali rakety hlavne ako spôsob signalizácie, ale aj ako zbraň. Raketové jednotky boli odvtedy v každej armáde. Začiatkom 19. storočia postavil anglický generál William Congreve rakety, ktorých dolet bol 3000 m. V roku 1812 boli použité severnými Američanmi proti anglickým jednotkám. Od polovice 19. storočia sa stali rakety bezvýznamnými z dôvodu rýchleho rozvoja delostrelectva. Používali sa hlavne ako ohňostroj, signálne rakety a v námorníctve ako vrhače záchranného lana, v neskoršom vývojovom štádiu ako pomocné štartovacie rakety pre lietadlá, rakety s náložou v zbrojných systémoch, ako aj pohon pre "raketové" autá. Začiatkom 20. storočia odštartoval ruský matematik a fyzik Konstantin Eduardovič Ciolkowskij raketový vek. V roku 1896 začal s teoretickou štúdiou, ktorú zverejnil v roku 1903 pod názvom "Výskum interplanetárneho priestoru pomocou využitia pohonu na báze energie žiarenia". Ďalšími vedcami, ktorí zverejnili podobné práce boli Nemci Hermann Oberth, Walter Hohmann a Francúz R.H.Esnault-Pelterie. Americkému fyzikovi Hutchinsovi Goddartovi sa od roku 1926 podarilo niekoľko štartov s raketami na tekuté palivo. Nemecké pokusy boli od roku 1934 riadené NSDAP ako súčasť programu znovuvyzbrojenia. Hlavným vedcom bol Wernher von Braun, ktorý túžil objavovať vesmír, ale bol donútený pracovať na vojenskom programe, kde si mohol overiť svoje teórie. V Peenemünde bola vyvinutá predchodkyňa medzikontinentálnych balistických striel V2. Smer menila pomocou prevratnej technológie, ktorá bola neskôr použitá pri budúcich raketách a lietadlách - vektorovanie ťahu motorov. Po 2. svetovej vojne odišiel von Braun do USA. Na testovacom priestranstve White Sands postavil dvojstupňovú raketu ako pokračovanie V2 a podieľal sa na amerických vesmírnych projektoch, kde sa mu neskôr splnil jeho sen, poslať človeka do vesmíru. V októbri roku 1957 vyniesla sovietska trojstupňová raketa na obežnú dráhu prvý satelit, Sputnik 1. O mesiac neskôr sa do vesmíru dostal prvý organizmus, Laika.

V roku 1961 sa stal prvým človekom vo vesmíre Jurij Gagarin a v roku 1969 bol prvým človekom na Mesiaci Neil Armstrong. Princíp letu rakety:

Jednoduchý príklad vystrelenia náboja ukazuje, že teleso, ktoré vychŕli hmotu jedným smerom, vytvára hybnú silu v opačnom smere (zákon akcie a reakcie). V skutočnosti sa raketa správa veľmi podobne ako náboj. K vymršteniu hmoty dochádza v podobe veľmi horúcich plynov (produktov spaľovania paliva) vznikajúcich v raketovom motore. Keď uvažujeme fyzikálne vlastnosti typickej rakety, ignorujeme gravitáciu vo vesmíre. Predpokladáme, že v čase t raketa a výfukové plyny sú popísané takto: raketa a palivo majú počiatočnú hmotnosť Mo, ale spaľovanie a vymršťovanie paliva mení túto hmotnosť. Ostávajúcej hmotnosti M je dodaný impuls sily počas intervalu @t vymrštenými plynmi hmotnosti @m rýchlosti v. Raketa a ostávajúce palivo v čase t majú hmotnosť M a rýchlosť Vi. Vo veľmi krátkom intervale @t je malé množstvo plynov @m vymrštené. Zaujíma nás impuls sily dodaný rakete počas tohoto času, takže treba poznať rýchlosť vymrštených plynov vzhľadom na raketu v súradnicovom systéme. Ak použijeme -v ako rýchlosť plynov vzhľadom na raketu, potom zmena hybnosti vymrštených plynov počas intervalu @t je
zmena hybnosti = -(@m)v
Toto množstvo je rovné impulzu sily dodanému vymrštenému plynu počas intervalu @t, a preto je rovnaký impulz sily dodaný rakete a ostávajúcemu palivu. Keď v intervale @t raketa zvýši svoju rýchlosť z V1 na V2, zmena hybnosti rakety môže byť
zapísaná ako M(V2 - V1) = M @V,
kde sme ignorovali malú zmenu v hmotnosti vyplývajúcu z úbytku plynov vymrštených v čase @t. Ak túto zmenu hybnosti dáme do rovnosti s impulzom dodaným rakete (záporná hodnota impulzu dodaného plynom), dostaneme
M @V = (@m)v
Potom môžeme použiť Newtonov druhý zákon o sile. Ak vydelíme uvedenú rovnicu časovým intervalom @t, tak
F = M (@V/@t) = (@m/@t) v
F je sila ťahu (hnacia sila) pôsobiaca na raketu. Z tejto rovnice vidíme, že hnacia sila rakety je výsledkom vymrštenia hmoty horúcich plynov @m v časovom intervale @t (@m/@t) a rýchlosti plynov v vzhľadom na raketu. Táto hnacia sila zrýchľuje raketu a na dosiahnutie konečnej rýchlosti musí byť čo najväčšia. Toto sa dá dosiahnuť buď zvyšovaním rýchlosti v vymrštených plynov vzhľadom na raketu alebo zvýšením množstva vymrštených plynov za časový interval @m/@t. Veľkosť rýchlosti sa dá zvýšiť vhodným tvarovaním vnútra raketového motora alebo používaním paliva, ktoré horí pri vyšších teplotách. Obe tieto riešenia majú však svoje medze. Prvé vyžaduje zmenšenie prierezu otvoru, kadiaľ unikajú výfukové plyny.

Keď urobíme prierez veľmi malý, zväčšíme rýchlosť, ale len na úkor znižovania @m/@v. Limit spaľovania vo vyšších teplotách je daný bodom topenia vnútrajšku motora rakety. Na praktické využitie je najvvyšššia rýchlosť vymršťovania plynov, ktorú môžeme dosiahnuť, v intervale medzi 2,00.103 a 2,5 .103 m/s. Ďalšie zvýšenie hnacej sily rakety si vyžaduje upraviť pomer vymrštených plynov v danom časovom intervale (@m/@t). Najvyššiu hnaciu silu by sme dosiahli, keby bolo všetko palivo spálené naraz a vymrštené v najkratšom časovom intervale, ale v takom prípade by raketa musela vydržať obrovské zrýchlenie. Užitočné zaťaženie techniky a kozmonautov má horné medze zrýchlenia bez trvalého zničenia. Rovnica M @V = (@m)v nám určuje limity zrýchlenia rýchlosti. Môžeme to zapísať rovnicou
M @V = -(@M) v
Z tejto rovnice sa dá odvodiť konečná rýchlosť rakety
Vf = v ln Mo/Mr,
kde sme predpokladali V=0 v čase t=0. Konečná rýchlosť Vf preto závisí od prirodzeného logaritmu pomeru počiatočnej a konečnej hmotnosti rakety. Na dosiahnutie veľkej konečnej rýchlosti musí byť spálené veľké množstvo počiatočnej hmotnosti. Úniková rýchlosť na opustenie Zeme je okolo 11,2 km/s. Jednostupňová raketa by potrebovala na dosiahnutie tejto rýchlosti pomer M0/MR rovný približne 180. To znamená, že by len okolo 0,5% z celkovej hmotnosti rakety mohlo byť užitočné zaťaženie a nádrž na skladovanie paliva. V skutočnosti, keď berieme do úvahy odpor vzduchu a gravitačnú silu, počiatočná hmotnosť pre užitočné zaťaženie tvorí potom iba 0,25%. To znamená dve možnosti: buď veľmi malý náklad alebo veľmi veľkú raketu. Na zmenšenie veľkosti rakety a zväčšenie užitočného zaťaženia boli vyprojektované viacstupňové rakety, ktoré postupne zanechávajú svoje oddeliteľné časti tak, ako sa spaľuje palivo. Rakety musia byť taktiež stabilné. Také dlhé, tenké teleso ako raketa s veľkou silou pôsobiacou pri štarte na jej konci spôsobuje, že raketa má tendenciu prevrátiť sa. U rakiet používaných ako zbrane sa tento problém rieši upevnením dlhej tyče na raketu, ktorá zabraňuje rotácii vo vzduchu. Pre veľké rakety to nie je praktické riešenie, a preto je potrebný systém, ktorý zabraňuje rakete prevrátiť sa a upravuje jej hnaciu silu tak, aby sa dal korigovať smer jej pohybu. Väčšinu prvých problémov s veľkými raketami vyriešil americký fyzik Robert H. Goddard. Zlepšil tvar spaľovacej komory a vymyslel systém, ktorý zabraňuje jej roztopeniu. Tento systém sa ešte stále používa. Tekuté palivo cirkuluje v špirálach okolo vonkajších stien spaľovacej komory na ceste k vstreknutiu a spáleniu.

Taktiež vymyslel gyroskopy, ktoré odhalia malé bočné zrýchlenia a skorigujú pohyb rakety aktivovaním lopatiek, ktoré odkláňajú výfukové plyny rakety. To bol predchodca systému použitého počas 2. svetovej vojny pri V2. Vo väčšine dnešných rakiet je problém stability vyriešený takým uchytením motora, že sa dokáže natočiť v rôznych smeroch, a tým korigovať smer pohybu. Asi najlepší doteraz vyvinutý je systém použitý pri raketopláne. Dve pomocné rakety na pevné palivo vyrobia 11,6 MN každá, aby napomohli pri štarte a pri dosiahnutí potrebného zrýchlenia. Každý z troch hlavných raketových motorov na tekuté palivo vyprodukuje 2,1 MN hnacej sily. Tento systém je komplikovaný, lebo tri motory raketoplánu na tekuté palivo, ktoré možno riadiť, sú potrebné na korekciu ťahu dvoch pomocných rakiet na tuhé palivo. Za niekoľko sekúnd musia tieto motory prejsť z takmer nulového výkonu na skoro plný výkon. Len keď je isté, že motory na tekuté palivo idú hladko, môže počítač zapnúť motory na pevné palivo. Keď sú raz zapálené, nemôžu byť vypnuté, dokým nevyhorí všetko palivo. To bolo príčinou katastrofy amerického Challengeru, ktorý mal v jednej z pomocných rakiet bočný otvor. Keby sa počas letu odpojil raketoplán od pomocných rakiet, znamenalo by to taktiež katastrofu. S tým, ako je postupne vymrštenej viac a viac hmoty, konštantný ťah pomocných rakiet produkuje stále väčšie zrýchlenie. Na udržanie zrýchlenia pod hranicou prijateľnou pre človeka a techniku (a<3g) sa raketám na tekuté palivo "uberá plyn".

Typy raketového pohonu:

Motory používané pri konštrukcii rakiet rozdeľujeme na chemické, elektrické, jadrové, pulzové a motory pracujúce s vodou.
Termochemická reakcia pohonnej látky z paliva a oxydátora vytvára v chemickom motore spaľovacie plyny. Tieto sú odvádzané cez trysky a umožňujú zvýšenie rýchlosti na nadzvukovú hranicu a následné dosiahnutie hodnôt až 5000 m/s.
Na vojenské účely sa viac používajú rakety s pohonom na pevné látky. Ich výhodou je, že sa dajú dlho skladovať a naviac je nádrž na pohonnú látku a spaľovacia komora identická, a tak nie je treba zložité systémy na vedenie paliva.
Elektrické motory vyrábajú kinetickú energiu častí hmoty "pracovného média" v malom reaktore, izotopovej batérii alebo v solárnom zariadení. I keď rýchlosť vypúšťaných častíc pracovného média, ktorá dosahuje 10 000 až 200 000 m/s je veľmi veľká, je hybná sila relatívne malá. Elektrické motory sa preto hodia len pre pohyb vo vesmíre, keď sa už raketa nachádza na vesmírnej dráhe. Tam totiž môžu s malou spotrebou hmoty a v dlhej dobe prevádzky dosiahnuť vysoké konečné rýchlosti.

V elektrostatických, elektrotermických a elektromagnetických motoroch sa vyrába pohybová energia prostredníctvom prúdu vysoko zrýchlených iónov. Pracovným médiom sú ľahko ionizovateľné alkalické kovy alebo plazma vysokej teploty.
V jadrových reaktoroch slúži ako energetický zdroj termická energia, ktorá je uvoľňovaná pri jadrových reakciách.
Mimoriadne hospodárne ako pomocné motory pri štarte sú motory na horúcu vodu. Prehriata zmes vodných pár, ktorá bola vyrobená v elektrických alebo špeciálnych horákoch, sa v týchto motoroch odvádza cez ventily do výfukových trysiek.