En kunstners gengivelse af den integrerede Powerhead-demonstrator. Billedkredit: NASA. Klik for at forstørre.
Når du tænker på fremtidig raket-teknologi, tænker du sandsynligvis på ion-fremdrift, antimattermotorer og andre eksotiske koncepter.
Ikke så hurtigt! Det sidste kapitel i traditionelle flydende raketter er endnu ikke skrevet. Der er forsket på en ny generation af flydende brændstof raketdesign, der kunne fordoble ydeevnen i forhold til dagens design og samtidig forbedre pålideligheden.
Flydende fyrede raketter har eksisteret i lang tid: Den første væskedrevne opsætning blev udført i 1926 af Robert H. Goddard. Den enkle raket producerede ca. 20 pund skyvekraft, nok til at bære den omkring 40 fod i luften. Siden da er design blevet sofistikerede og kraftfulde. Rumfærgenes tre flydendrevne indbyggede motorer, for eksempel, kan udøve mere end 1,5 millioner pund kombineret tryk på vej til Jorden bane.
Du kan antage, at alle tænkelige forbedringer i raketdesign med flydende brændstof i øjeblikket skal være foretaget. Du har forkert. Det viser sig, at der er plads til forbedring.
Anført af det amerikanske luftvåben, en gruppe bestående af NASA, forsvarsdepartementet og flere industripartnere, arbejder på bedre motordesign. Deres program kaldes Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies, og de ser på mange mulige forbedringer. En af de mest lovende indtil videre er en ny ordning for brændstofstrøm:
Den grundlæggende idé bag en flydende brændstof raket er temmelig enkel. Et brændstof og en oxidator, begge i flydende form, føres ind i et forbrændingskammer og antændes. For eksempel bruger rumfærgen flydende brint som dets brændstof og flydende ilt som oxidationsmiddel. De varme gasser frembragt ved forbrændingen slipper hurtigt gennem den kegleformede dyse og frembringer således tryk.
Detaljerne er selvfølgelig meget mere komplicerede. For det første skal både det flydende brændstof og oxidationsmidlet føres meget hurtigt ind i kammeret og under stort pres. Lufthavnens hovedmotorer dræner en swimmingpool fuld af brændstof på kun 25 sekunder!
Denne brusende torrent brændstof drives af en turbopumpe. For at drive turbopumpen "forbrændes" en lille mængde brændstof, hvilket frembringer varme gasser, der driver turbopumpen, som igen pumper resten af brændstoffet ind i hovedforbrændingsrummet. En lignende proces bruges til at pumpe oxidationsmidlet.
Dagens raketter med flydende brændstof sender kun en lille mængde brændstof og oxidator gennem preburners. Størstedelen flyder direkte til hovedforbrændingsrummet og springer helt over preburnerne.
En af mange innovationer, der testes af Luftforsvaret og NASA, er at sende alt brændstof og oxidationsmiddel gennem deres respektive preburners. Der forbruges kun en lille mængde - lige nok til at køre turbos; resten strømmer igennem til forbrændingskammeret.
Dette "fuld-flow iscenesatte cyklus" -design har en vigtig fordel: med mere masse, der passerer gennem turbinen, der driver turbopumpen, drives turbopumpen hårdere og opnår således højere tryk. Højere tryk svarer til større ydelse fra raket.
Et sådant design er aldrig blevet brugt i en flydende raket i USA før, ifølge Gary Genge ved NASAs Marshall Space Flight Center. Genge er viceprojektleder for den integrerede Powerhead-demonstrator (IPD) - en testmotor til disse koncepter.
”Disse designs, vi undersøger, kunne øge ydeevnen på mange måder,” siger Genge. "Vi håber på bedre brændstofeffektivitet, højere drivkraftforhold, forbedret pålidelighed - alt sammen til lavere omkostninger."
”I denne fase af projektet prøver vi imidlertid bare at få dette alternative flowmønster til at fungere korrekt,” bemærker han.
De har allerede nået et hovedmål: en køligere kørende motor. ”Turbopumps ved hjælp af traditionelle strømningsmønstre kan varme op til 1800 C,” siger Genge. Det er meget termisk belastning på motoren. Turbopumpen med “fuld flow” er køligere, fordi med mere masse, der løber igennem, kan lavere temperaturer bruges og stadig opnå god ydelse. ”Vi har sænket temperaturen med flere hundrede grader,” siger han.
IPD er kun ment som en testbed for nye ideer, bemærker Genge. Demonstranten selv flyver aldrig til rummet. Men hvis projektet er vellykket, kunne nogle af IPD's forbedringer finde vej ind i fremtidens lanceringsbiler.
Næsten hundrede år og tusinder af lanceringer efter Goddard er de bedste flydende raketter muligvis endnu ikke kommet.
Original kilde: NASA Science Article
