|
30. maj. 2008. Rakete na čvrsto gorivo čine onu klasu raketa kod kojih su gorivo i oksidator pomešani i presovani u obliku čvrstog materijala. On se proizvodi uglavnom u obliku cilindričnih blokova sa šupljinom duž središnje ose. Kada se data smeša upali, plamen putuje kroz taj središnji kanal i radijalno troši gorivo dokle god ga ima. S druge strane, kod raketa sa tečnim gorivom, gorivo i oksidator se nalaze u tečnom stanju i smešteni su u odvojenim rezervoarima, a onda se mešaju i sagorevaju u raketnim komorama. Obe navedene klase imaju svoje prednosti i mane. Mada su one na tečno gorivo u principu jače i efikasnije, one na čvrsto su manje komplikovane i lakše za čuvanje i održavanje. Danas postoje mnoge tehnike koje imaju za cilj da poboljšaju performanse motora na čvrsto gorivo. U jednu od klasičnih tehnika za povećavanje potiska takvih raketa spada dodavanje komadića aluminijuma u smešu goriva i oksidatora.
Korišćenje aluminijuma kao raketnog goriva datira još od početka pedesetih godina prošlog veka. Dok su po ugovoru radili za američku Ratnu mornaricu, dva mlada inženjera iz kompanije "Atlantic Research Corp.", Keith E. Rumbel i Charles B. Henderson, uspela su na polju po kome su drugi lutali. Tadašnji teoretski radovi su sugerisali da ako se u čvrsto gorivo doda mala količina aluminijuma, manje od 5% težinski, postoji mogućnost neznatnog povećanja specifičnog impulsa [1] motora. Zbog ipak marginalnog poboljšanja preformansi, vrlo malo istraživača je obratilo pažnju na ovu teoriju. Među njima su bili Rumbel i Henderson, koji su ipak sproveli seriju svojih ispitivanja, gde su znatno povećali količinu aluminijuma, i do 21%, u kompozitnom pogonskom gorivu. Njihovi rezultati su pokazali dramatično povećanje brzine ispusnih gasova iz raketa na čvrsto gorivo, što je bilo uporedivo sa performansama tečnih goriva, kao što je bio kerozin i tečni kiseonik. Veliko povećanje specifičnog impulsa značilo je i znatno povećanje dometa raketa i balističkih projektila.
Baš u vreme ovog otkrića, Vojna mornarica se pripremala da na svoje nuklearne podmornice instalira prvu generaciju strateških projektila. Mornarica je mudro planirala da na svojim plovilima koristi rakete sa čvrstim propulzivnim sistemima, da bi time izbegla komplikovane sigurnosne probleme koje su izazivale rakete na tečno gorivo. Nažalost, preliminarne studije su pokazale da bi gađanje ciljeva u Sovjetskom Savezu takvim interkontinentalnim balističkim raketama zahtevalo rakete ogromnih dimenzija. Veće rakete su podrazumele veće podmornice–nosače, a to je značilo povećavanje cena troškova logaritamskom progresijom. Otkriće aluminizovanih goriva predstavljao je vitalni iskorak u oblast koja će Mornaričke podmorničke rakete konačno učiniti praktičnim. Zahvaljujući ovoj novoj tehnologiji, US Navy je mogla da razvije manje projektile koji su mogli da nose iste bojeve glave na jednaku udaljenost. Takvi manji projektili su mogli da budu smešteni u silose manjih podmornica, i da budu daleko sigurniji za operisanje i održavanje na moru od svih sličnih sistema sa tečnim gorivom. Istraživanja Rumbela i Hendersona su kulminirala izgradnjom Polarisa A1, prvog balističkog projektila koji je mogao da se lansira sa podmornice (SLBM) na svetu.
Veština korišćenja podmorničkih raketa na čvrsto gorivo odrazila se na fantastične sigurnosne rezultate u US mornaričkoj balističkoj podmorničkoj floti. Za to vreme, Sovjetska mornarica, koja se na svojim taktičkim podmornicama opredelila za projektile na tečno gorivo, patila je od brojnih incidenata. Tokom patrole duž američke istočne obale, desilo se da je 3. oktobra 1986. nuklearnoj podmornici K–219 klase Nagava popustio kapak koji zatvara silos. To je omogućilo slanoj vodi da reaguje sa tečnim gorivom koje je iskapalo iz projektila unutar silosa, i stvori otrovne pare koje su uzrokovale eksploziju i požar na samoj podmornici. U pokušaju da spasu plovilo, četvorica mornara je poginula a ostali su morali da napuste podmornicu. Iako su Sovjeti pokušali da oštećenu podmornicu otegle u matičnu luku Gadžijevo, udaljenu 7.000 km, ona je potonula u Atlantiku na dubinu od preko 6.000 metara, ponevši sa sobom dva nuklearna reaktora i 32 nuklearne glave. Da je ova podmornica posedovala rakete na čvrsto umesto na tečno gorivo, morska voda nikada nebi mogla da pokrene katastrofični sled događaja. Danas je još uvek aluminijum glavni sastojak u mnogim taktičkim projektilima i platformama za svemirska putovanja. Najčešći tip aluminijuma koji se koristi u čvrstim gorivima predstavlja granulat od 5 do 60 mm u prečniku, i uobičajeno predstavlja 14–20% težine goriva. Busteri na čvrsto gorivo spejs šatlova (SRB), naprimer, od kojih svaki sadrži preko 500.000 kg goriva i pravi preko 14,7 miliona njutna potiska, sadrži po 16% aluminijuma. Slična formula će da se koristi i u programu Shuttle Derived Launch Vehicles (SDV), koji NASA predviđa da nakon 2015. godine koristi kao zamenu za šatlove.
Povećavanje performansi raketa na čvrsto gorivo koje donosi aluminijum nastaje zbog osobina sagorivog materijala. Aluminijum gori na temperaturi od preko 4.100° C, što je dve trećine temperature koja vlada na površini Sunca. Na toj temperaturi, zapaljeni aluminijum oslobađa ogromnu količinu energije koja značajno širi zapreminu gasova u komorama za sagorevanje. Kako se sagoreni gasovi šire u ograničenom prostoru, pritisak raste i tera ispusne gasove da kroz izduvnik izlaze mnogo većom brzinom. Za uzvrat, takvo brže izlaženje gasova povećava specifični impuls motora. Sagorevanjem čvrstog aluminijuma u prisustvu oksidatora, nastaje aluminijum–oksid (Al2O3, ili alumina). Tačna priroda oksidacionog procesa još uvek je tema diskusija, ali se uopšteno veruje da se veliki deo aluminijuma na površini zapaljenog goriva konvertuje u dim aluminijum–oksida čije su čestice manje od 5 µm. Ostatak aluminijuma se grupiše u veće aglomerate koji mogu da imaju prečnik i do 500 µm, koje okolni gasovi skidaju sa zapaljene površine i izbacuju ga napolje. Dok napušta komoru i izlazi van mlaznica, anglomerat ostaje u istopljenom stanju i gori mnogo sporije.
Pokazačlo se da je prisustvo tih aluminijumskih anglomerata u komorama korisno, jer istopljeni komadi utiču na smanjivanje nestabilnosti u sagorevanju koja se povremeno javljuju. Kod raketnih motora na čvrsto gorivo često se javljaju nepostojani akustički talasi, koji mogu da rezoniraju unutar komore za sagorevanje o stvore pikove zvučnih udara. Prednost aluminijumskog aglomerata je u tome što se mešaju sa tim putujućim talasima i u zapaljenom gorivu stvaraju mnogo postojanije talase. Treba pomenuti da ima i drugih aditiva koji mogu da se dodaju u čvrsta goriva i izazovu slična povećanja performansi motora. Jedan od njih je berilijum, ali aluminijum ostaje kao kao atraktivnije opcija, jer je u poređenju sa berilijumom jeftiniji i (relativno) manje otrovan.
Međutim, treba potsetiti sagorevanje aluminijuma ima i svoje mane. Iako većina manjih čestica aluminijuma prati putanju sagorelih gasova kroz izduvnik, inercija većih čestica često dovodi do njihovog sudaranja sa zidovima motora i sakupljanja na krajevima izduvnika. Ti sudari mogu da izazovu površinsku eroziju zidova i smanje efikasnost raketnog motora. Istopljeni aluminijum takođe moža da se sakuplja na krivinama ispusne konfiguracije i taloži se na tim mestima. Zbog visokih temperatura, te istopljene naslage često reaguju sa kompozitom i izazivaju prevremenu dekompresiju zidova motora. Viskozne sile mogu da povuku te delove istopljenog aluminijuma kroz grlo mlaznice i izazovu delimično začepljenje tog regiona. Takva začepljenja stvaraju kratkotrajne ali snažne pikove u pritisku u komori za sagorevanje. Kada čestice alumine izlete kroz grlo izduvnika, nastavljaju da ubrzavaju, zajedno sa sagorelim gasovima. Veće čestice teže da se kreću duž centralne ose izduvnika, dok se one manje raspršuju okolo. Kako se gasovi šire van, temperatura postepeno opada, i alumina počinje da očvršćava. Kapljice aluminijum–oksida velike brzine mogu da udaraju u zidove mlaznice i stvore ubrzanu eroziju. Zbog svega navedenog, motori raketa na čvrsto gorivo sa aluminizovanim gorivom često zahtevaju više konične nego zvonaste izduvnike koji se često koriste u raketarstvu. Nažalost, zbog divergentnih gubitaka, tipično je da konične mlaznice imaju mnogo manju efikasnost. Gubici nastaju zbog toga što gasovi više ne teku tangencijalno u odnosu na osu izduvnika.
Ipak, glavne mane aluminizovanih goriva se ispoljavaju kroz dvofazne gubitke toka, koji su vezani za aglomerate. Kada se veće kapljice jednom formiraju, one u odnosu na ispusne gasove putuju relativno malom brzinom unutar komora za sagorevanje, i za ubrzavanje im treba energija koju uzimaju od izlaznih gasova. Pored toga, čestice aluminijuma ne ubrzavaju samo aksijalno, već i radijalno, i mogu da oduzmu znatan deo izduvne energije, već u zavisnosti od količine prisutnog aluminijuma u gorivu. U stvarnosti, dvofazni gubici toka mogu da za čitavih 5% umanje performanse rakete. Uprkos znatnih problema koji su vezani za sagorevanje aluminizovanih goriva, prednosti koje se ispoljavaju u znatnom povećanju specifičnog impulsa daleko ih prevazilaze. Danas američka vlada (i vojska) finansira mnoge istraživačke projekte koji pokušavaju da reše te probleme i proizvedu još naprednije rakete na čvrsto gorivo. U poslednjih par decenija, značajan napredak u kompjuterskim tehnikama modelovanja i merenja doveo je do boljeg razumevanja fenomena aluminijumskog sagorevanja. Zahvaljujući tim istraživanjima, sledeća generacija motora na čvrsto gorivo biće još efikasnija i imigući će kontrolu još sitniji detalji procesa sagorevanja. To unapređivanje će u budućnosti još više poboljšati performanse raketa, što će unaprediti sposobnosti projektila i omogućiti još lakši pristup svemiru.
(05.06.2008.)
|
|
