Rakieta trójpaliwowa

Rakieta trójpaliwowa to rakieta wykorzystująca trzy paliwa , w przeciwieństwie do bardziej powszechnych projektów rakiet dwupaliwowych lub rakiet jednopropelentnych , które wykorzystują odpowiednio dwa lub jeden materiał pędny. Systemy trójpropelentowe można zaprojektować tak, aby miały wysoki impuls właściwy i zostały zbadane pod kątem projektów jednostopniowych na orbitę . Podczas gdy silniki trójpalcowe były testowane przez Rocketdyne i Energomash , żadna rakieta trójśmigłowa nie została wystrzelona.

Istnieją dwa różne rodzaje rakiet trippropellant. Jednym z nich jest silnik rakietowy, który miesza trzy oddzielne strumienie propelentów, spalając jednocześnie wszystkie trzy propelenty. Innym rodzajem rakiety trójpaliwowej jest rakieta, która wykorzystuje jeden utleniacz , ale dwa paliwa , spalając kolejno dwa paliwa podczas lotu.

Jednoczesne spalanie

Równoczesne systemy trójpalcowe często wymagają użycia dodatku metalu o dużej gęstości energii, takiego jak beryl lub lit , z istniejącymi systemami dwupaliwowymi. W tych silnikach spalanie paliwa z utleniaczem zapewnia energię aktywacji potrzebną do bardziej energicznej reakcji między utleniaczem a metalem. Chociaż teoretyczne modelowanie tych systemów sugeruje przewagę nad silnikami dwupaliwowymi, kilka czynników ogranicza ich praktyczną implementację, w tym trudność wstrzykiwania stałego metalu do komory ciągu ; Transport ciepła, masy i pędu ograniczenia między fazami; oraz trudność w osiągnięciu i utrzymaniu spalania metalu.

W latach sześćdziesiątych Rocketdyne odpalił silnik, wykorzystując mieszaninę ciekłego litu, gazowego wodoru i ciekłego fluoru , aby wytworzyć impuls właściwy trwający 542 sekundy, prawdopodobnie najwyższą zmierzoną taką wartość dla chemicznego silnika rakietowego.

Sekwencyjne spalanie

W sekwencyjnych rakietach trójpaliwowych paliwo jest zmieniane podczas lotu, dzięki czemu silnik może łączyć duży ciąg gęstego paliwa, takiego jak nafta , na początku lotu z wysokim impulsem właściwym lżejszego paliwa, takiego jak ciekły wodór (LH2), później w locie. Rezultatem jest pojedynczy silnik zapewniający niektóre korzyści ze stopniowania .

Na przykład wstrzyknięcie niewielkiej ilości ciekłego wodoru do silnika opalanego naftą może przynieść znaczną poprawę impulsu właściwego bez uszczerbku dla gęstości paliwa napędowego. Zostało to zademonstrowane przez RD-701, który osiągnął impuls właściwy 415 sekund w próżni (wyższy niż czysty LH2 / LOX RS-68 ), podczas gdy silnik na czystą naftę o podobnym współczynniku ekspansji osiągnąłby 330–340 sekund.

Chociaż ciekły wodór zapewnia największy impuls właściwy spośród możliwych paliw rakietowych, wymaga również ogromnych konstrukcji, aby go utrzymać ze względu na jego niską gęstość. Struktury te mogą dużo ważyć, do pewnego stopnia równoważąc niewielką wagę samego paliwa, a także powodują większy opór w atmosferze. Podczas gdy nafta ma niższy impuls właściwy, jej większa gęstość skutkuje mniejszymi strukturami, co zmniejsza masę sceny, a ponadto zmniejsza straty spowodowane oporem atmosferycznym . Ponadto silniki na bazie nafty generalnie zapewniają wyższy ciąg , co jest ważne przy starcie, zmniejszając opór grawitacyjny . Ogólnie rzecz biorąc, na wysokości istnieje „słodki punkt”, w którym jeden rodzaj paliwa staje się bardziej praktyczny niż drugi.

Tradycyjne projekty rakiet wykorzystują to słodkie miejsce na swoją korzyść poprzez inscenizację. Na przykład Saturn V wykorzystywał dolny stopień zasilany RP-1 (nafta) i górne stopnie zasilane przez LH2. Niektóre z wczesnych promu kosmicznego wykorzystywały podobne projekty, z jednym stopniem wykorzystującym naftę do górnych warstw atmosfery, gdzie górny stopień napędzany LH2 zapalał się i szedł stamtąd. Późniejszy projekt wahadłowca jest nieco podobny, chociaż wykorzystywał rakiety na paliwo stałe na niższych stopniach.

SSTO mogłyby po prostu przenosić dwa zestawy silników, ale oznaczałoby to, że statek kosmiczny miałby jeden lub drugi zestaw „wyłączony” przez większość lotu. W przypadku wystarczająco lekkich silników może to być rozsądne, ale konstrukcja SSTO wymaga bardzo dużej części masy , a więc ma cienkie jak brzytwa marginesy na dodatkową wagę.

Podczas startu silnik zazwyczaj spala oba paliwa, stopniowo zmieniając mieszankę wraz z wysokością, aby utrzymać „dostrojoną” smugę spalin (strategia podobna w koncepcji do dyszy świecy, ale przy użyciu normalnego dzwonka), ostatecznie przełączając się całkowicie na LH2, gdy nafta jest spalony. W tym momencie silnik jest w dużej mierze prostym silnikiem LH2 / LOX, z wiszącą na nim dodatkową pompą paliwa.

Koncepcja ta została po raz pierwszy zbadana w Stanach Zjednoczonych przez Roberta Salkelda, który opublikował pierwsze badanie dotyczące tej koncepcji w Mixed-Mode Propulsion for the Space Shuttle , Astronautics & Aeronautics, sierpień 1971. Przestudiował szereg projektów wykorzystujących takie silniki, zarówno naziemne oraz pewna liczba wystrzelonych z powietrza z dużych samolotów odrzutowych. Doszedł do wniosku, że silniki trójpropelentowe przyniosłyby ponad 100% wzrost frakcji ładunku , zmniejszenie objętości paliwa o ponad 65% i ponad 20% suchej masy. W ramach drugiej serii projektowej badano wymianę wahadłowców SRB z dopalaczami na bazie trippropelentu, w którym to przypadku silnik zmniejszył o prawie połowę całkowitą wagę konstrukcji. Jego ostatnie pełne badanie dotyczyło orbitalnego samolotu rakietowego , który wykorzystywał zarówno trójśmigłowce, jak i (w niektórych wersjach) dyszę wtykową, w wyniku czego statek kosmiczny był tylko nieznacznie większy niż Lockheed SR-71 , zdolny do operowania z tradycyjnych pasów startowych.

Silniki trójpaliwowe budowano w Rosji . Kosberg i Głuszko opracowali kilka eksperymentalnych silników w 1988 roku dla samolotu kosmicznego SSTO o nazwie MAKS , ale zarówno silniki, jak i MAKS zostały anulowane w 1991 roku z powodu braku funduszy. RD-701 firmy Głuszko został jednak zbudowany i przetestowany, i chociaż wystąpiły pewne problemy, Energomash uważa, że ​​problemy te można całkowicie rozwiązać, a projekt stanowi jeden ze sposobów na zmniejszenie kosztów uruchomienia o około 10 razy.