Způsoby zažehávání raketových motorů SpaceX a dalších firem

Raketový motor je typ tepelného motoru, který pracuje na principu třetího Newtonova zákona, tedy na základě akce a reakce, kdy pohyb rakety je reakcí na výtok plynů z raketového motoru opačným směrem. Na rozdíl od většiny ostatních motorů není závislý na atmosferickém kyslíku a může tak pracovat i ve vakuu. V tomto článku se nebudeme zabývat principy raketového motoru, zaměříme se jen na různé způsoby, kterými je možno tento motor zažehnout. Stručně si projdeme jednotlivé možnosti a ke každé si přiřadíme příklad, kde je takovýto způsob používán. Článek si rozhodně neklade za cíl zmínit všechny možné způsoby zážehu, ale jen zmínit ty nejčastěji používané.

Jediným způsobem, jakým se mohou současné raketové nosiče dostat na oběžnou dráhu, jsou chemické raketové motory. Během jejich činnosti dochází k přesunu paliva pomocí turbočerpadla či přetlakem do spalovací komory a zde je nutno palivo zažehnout, aby spaliny svým rozpínáním umožnily raketě dosáhnout oběžné dráhy. Většina používaných raketových paliv by se však při pouhém kontaktu s okysličovadlem nikdy nevznítila a nevznikl by onen nádherný ohňostroj, který všichni při startu rakety obdivujeme. Je potřeba tedy tuto směs zapálit. Raketová paliva v principu rozlišujeme na tuhá, hybridní a kapalná. V našem přehledu se budeme zabývat hlavně palivy kapalnými, protože ty používá ve svých raketách firma SpaceX.

Dopředu bych rád uvedl, že žádné z následujících videí chemických experimentů ve vás nemá rozhodně vyvolat chuť vyzkoušet si to taky, jedná se často o nebezpečné pokusy, které se mohou snadno vymknout kontrole. Pokud tak učiníte, konáte na vlastní riziko.

Test motoru Draco v podmínkách vakua. Manévrovací motor se používá na všech typech kosmické lodi Dragon (Zdroj: SpaceX)

První možností, jak zapálit raketový motor, je použití hypergolických látek. Jedná se o paliva, která není třeba jakkoliv zapalovat. Stačí je prostě smíchat a raketový motor je zažehnut. V raketové technice se tato paliva používají běžně na manévrovacích motorcích družic, jelikož jejich další výhodou je jejich dlouhodobá skladovatelnost a fakt, že je není třeba uchovávat při nízkých teplotách. Mezi tato paliva patří hydrazin, asymetrický dimethylhydrazin a další. Jako okysličovadla se používá oxidu dusičitého či kyseliny dusičné. V historii kosmonautiky tato paliva hodně používaly americké rakety Titan, lunární modul Apollo a dodnes je používají čínské rakety CZ-2, 3, 4 a ruské Protony. Manévrovací motory Draco a SuperDraco na lodích Dragon jsou také hypergolické.

Test motoru SuperDraco (Foto: SpaceX)

Jednoznačnou nevýhodou je ale vysoká toxicita obou složek raketového paliva. V posledních letech se zdá, že použití těchto raketových paliv u nosných raket se pomalu omezuje, jejich další nevýhodou je totiž nižší specifický impuls, tedy účinnost použité palivové směsi. Na druhou stranu, patrně ještě dlouhou dobu se tato paliva budou využívat na kosmických družicích a sondách. Na videu níže můžete názorně vidět příklad hypergolické reakce, kdy je do oxidu dusičitého přiléván anilín.

Jakýmsi přechodem mezi hypergolickými palivy a následující kategorií paliv, které je potřeba zapálit, jsou jednosložková paliva (monopropellant). Do této kategorie patří zejména hydrazin a peroxid vodíku. Při spuštění raketového motoru u těchto látek nedochází k zážehu, ale ke katalytickému rozkladu, při kterém se uvolní horký plyn, který je schopen poskytnout tah. V případě hydrazinu se jako katalyzátor používá iridiová mřížka, rozkladem pak vzniká čpavek, dusík a vodík. Pro peroxid se používá platina či oxid manganatý, produktem rozkladu je paroplyn. Tyto látky se používají často u manévrovacích motorků, kupříkladu návratová kabina kosmické loď Sojuz je při sestupu atmosférou řízena motorky, které jako pohonnou látku používají peroxid vodíku. Na videu níže se můžete podívat, co se stane, když do peroxidu vodíku přidáte jodid draselný, který bude fungovat jako katalyzátor.

Nyní se v našem přehledu přesuneme jiným palivům, která už je potřeba zapálit. Samotné smíchání paliva nám v tomto případě kýžený zážeh nepřinese, a tak se pro tyto účely používá několik následujících metod. První z nich je elektrická jiskra. Na tomto místě si můžete představit svíčku, kterou je vybaven motor vašeho osobního auta. Když v něm dojde ke stlačení směsi paliva a vzduchu, ze svíčky přeskočí jiskra a palivo je zažehnuto.

Tuto metodu používá při zážehu SpaceX, když chce zapálit raketový motor Raptor. Elon Musk prozradil, že plynný metan a kyslík je zapálen výkonnými svíčkami, čímž se následně zažehnou hořáky, jež zapálí spalovací komory hnacích turbín (preburner) a také hlavní komoru. Zážeh Raptoru prý vyžaduje velmi rychlé a přesné roztočení kyslíkových a palivových turbín.

Zapálení pomocí jiskry používaly také hlavní motory raketoplánu RS-25 a v současnosti tuto metodu využívají například motory Rutherford na raketě Electron. Tento způsob zážehu se používá často u kryogenních pohonných látek, zejména pak v případě kombinace vodíku a kyslíku.

Druhá metoda zapalování je velice podobná té předchozí. Opět se při ní používá elektrická energie, ale v tomto případě ji využijeme jako zdroj tepla. Opět si můžete snadno představit elektrickou žárovku. Hlavním účelem vlákna v žárovce je sice vytvoření světla, ale kromě toho při své činnosti zahřívá i skleněnou baňku. V kosmonautice se k tomu účelu používá kupříkladu odporový drát. Ten teplem iniciuje pyrotechnickou slož, která následně zažehne raketový motor. Zde je možno jako příklad uvést zážeh motorů na pevné palivo anebo hlavní motor evropské rakety Ariane 5. Tímto způsobem jsou zapalovány i motory rakety Sojuz. Díky tomu, že tato raketa byla použita při více než 1900 startech a při každém zážehu se zapaluje 20 komor hlavních motorů a dalších 12 manévrovacích, je to v podstatě nejpoužívanější způsob startování motorů na světě.

Zážeh motorů rakety Sojuz S-1a při startu Progressu MS-15. Na koncích trysek jsou umístěna pyrotechnická zařízení (Foto: Roskosmos)

Další metoda je chemická. V tomto případě jde o použití jedné chemické reakce, aby nastartovala jinou chemickou reakci. Pro tuto variantu se používají samozápalné (pyroforické) látky, které samovolně vzplanou při kontaktu se vzduchem při teplotách 55 °C či nižších. Tyto látky jsou také často velice reaktivní při kontaktu s vodou či vzdušnou vlhkostí. Příklad samozápalné reakce je možno vidět na videu níže, ve zkumavce je práškové železo, které se samo vznítí při kontaktu s dodaným kyslíkem.

Tento způsob zážehu se používá zejména u raketových motorů, které spalují kerosen (RP-1) a kapalný kyslík. Tyto motory je totiž poměrně obtížné zapálit elektricky a pokud ano, nejsou tyto zapalovače spolehlivé. Mnohem spolehlivější je chemické zapalování. Příkladem takovýchto motorů je kupříkladu obří F-1 rakety Saturn V, RD-180 Atlasu V nebo Merlin a Kestrel, které SpaceX využívá či využívalo na raketách Falcon.

Zelený záblesk samozápalné směsi TEA-TEB motorů Merlin rakety Falcon 9 (Zdroj: SpaceX)

Při zážehu motorů se používají látky jako triethylhliník (TEA), trietylboran (TEB) či jejich kombinace. Možná jste si při startech Falconu 9 během zážehu povšimli zeleného záblesku. To je právě okamžik, kdy došlo ke kontaktu směsi obou látek TEA+TEB se vzduchem, ve spalovací komoře dojde k vysokému nárůstu teploty a tím se spolehlivě zažehne raketový motor. Obě látky jsou mimo jiné toxické a v podstatě je lze použít jako zápalné zbraně, podobně jako bílý fosfor. Zde si možná položíte otázku, jaký je tedy rozdíl mezi hypergolickými látkami a látkami samozápalnými? Rozdíl je jednoduchý, v případě hypergolických látek není potřeba přítomnost kyslíku, samozápalné látky jej naopak vyžadují, ať už půjde o atmosférický či kapalný kyslík z nádrží rakety. Zelený záblesk je možno spatřit i v následujícím videu z testování motoru Merlin 1D.

Tento způsob zažehávání motorů s sebou však přináší tu nevýhodu, že počet zážehů je omezený množstvím zapalovacích kapalin, které si raketa nese s sebou. V případě motorů Merlin 1D na raketách Falcon 9 a Falcon Heavy dodává samozápalnou směs TEA-TEB při startu pozemní technika. Některé Merliny na prvním stupni je však potřeba v pozdější fázi mise zažehnout znovu kvůli přistání, a tak raketa nese zásobníky s těmito látkami pro tyto účely. Ty však mají omezenou kapacitu, na což doplatil centrální stupeň Falconu Heavy během demonstrační mise v roce 2018. Z blíže neurčeného důvodu neměly motory dostatek samozápalné směsi, a tak se nepodařilo zažehnout všechny motory potřebné pro finální přistávací manévr. Stupeň tedy nakonec místo přistání na plovoucí plošinu tvrdě dopadl do oceánu.

Start prvního Falconu Heavy (Foto: SpaceX)

Poslední možností, kterou bych v tomto článku rád zmínil, je použití laseru. Většina předchozích metod zážehu raketových motorů měla své nevýhody. Šlo o toxicitu pohonných látek u hypergolických paliv či chemických zážehů. V případě použití elektrického proudu, který zažehl iniciační slož a nastartoval raketový motor, zde zase byla nevýhoda, že motor nebylo možno opakovaně zapalovat. Jiskrové systémy se zase v případě vícenásobného použití motorů opotřebovávají a navíc vyžadují i komplikovaný a těžký systém zvláštních dodávek paliva, ventilů a zvláštních spalovacích komor, kde dochází ke vzniku horkého plynu, který je posléze přiváděn do spalovací komory. Všechny tyto okolnosti jen komplikují stavbu raketového motoru. Zážeh pomocí laseru s sebou tak přináší nové možnosti, které by umožnily snížit opotřebení zapalovačů a vůbec komplexnost celé startovní sekvence raketového motoru. Pokud je mi známo, zážeh palivové směsi pomocí laseru žádná současná raketa nepoužívá. Existuje řada testů, zkoušek či patentů i řada videí na YouTube, ale tento systém využíván není.

Toto jsou tedy v současnosti nejčastěji používané systémy zapalování chemických raketových motorů. Dále pak dozajista znáte kupříkladu iontové motory. Ty mají sice vysoký specifický impuls, ale zato malý tah, takže jako primární pohon rakety jsou nepoužitelné. Ač nám tedy chemické raketové motory mohou připadat zastaralé, jen s jejich pomocí lze v současnosti dosáhnout oběžné dráhy a patrně tomu tak ještě řadu let bude. Sám Elon Musk, který kromě SpaceX vede také automobilku Tesla zaměřující se na elektromobily, rád opakuje, že rakety jsou ironicky jediným způsobem dopravy, který v dohledné době nebude možné elektrifikovat.

Jiří Hadač



Mohlo by se vám líbit...

Odebírat komentáře
Nastavit upozorňování na
guest
72 Komentáře
nejnovější
nejstarší nejlepší
Inline Feedbacks
Zobrazit všechny komentáře