Rakiety kosmiczne wymagają specjalnych rodzajów paliwa, co wynika z faktu, że ich loty nie należą do standardowe. Substancje stosowane przy lotach kosmicznych nie mają wiele wspólnego ze zwykłym paliwem lotniczym. Dzisiaj pochylimy się nad wnętrzem silnika rakietowego oraz omówimy paliwo rakietowe – co sprawia że prom wznosi się w powietrze? Tego dowiecie się z lektury tego artykułu.

Czym jest silnik rakietowy?

Aby przejść do tematu samego paliwa, należałoby pochylić się nad tym, czym jest sam silnik rakietowy. Jest to specjalny rodzaj silnika odrzutowego, który wykorzystuje zjawisko odrzutu substancji roboczej. W trakcie pracy nie pobiera on żadnej substancji z otoczenia, co pozwala mu na pracę w próżni kosmicznej. Substancję roboczą w jego przypadku stanowią gazy spalinowe powstające przy utlenianiu paliwa. Oczywistym jest jednak, że ze względu na obecną w przestrzeni kosmicznej próżnie zarówno paliwo rakietowe, jak i utleniacz są zlokalizowane w zbiornikach urządzenia, które napędzają. Ze względu na swoją charakterystykę silniki te występują najczęściej w promach i rakietach kosmicznych oraz w pociskach rakietowych.

Chemiczne silniki rakietowe zaliczamy do silników cieplnych, które podlegają ograniczeniom, jakie wynikają z praw termodynamiki. Ich wydajność określa się na podstawie ilości ciepła jakie zostanie zamienione na energię mechaniczną ruchu makroskopowego – w tym przypadku chodzi o ruch gazów wylotowych. Przyjmuje się, że jest to zależne od ciśnienia oraz temperatury w komorze spalania, a także konstrukcji dyszy wylotowej. W porównaniu do silników samochodowych osiągających sprawność rzędu 40-50%, pracują one z przynajmniej 70% wydajnością.

Paliwo rakietowe - rodzaje

Rodzaj paliwa stosowanego w programach kosmicznych zależy w dużej mierze od poziomu zaawansowania państwa macierzystego. Niezmiennie od zakończenia wyścigu kosmicznego, liderem w tej kwestii są Stany Zjednoczone. W USA obecnie używana jest mocno schłodzona i ciekła kerozyna wraz z podobnie przygotowanym tlenem. Czym jest pierwsza ze wspomnianych substancji? Jest to nafta lotnicza, zbliżona w składzie do paliwa lotniczego, jednakże dodatkowo wzbogacona o inne składniki. Stanowi ona tanie i wydajne źródło energii. Istotnym parametrem jest odpowiednia temperatura oraz ciśnienie paliwa. Dzięki prawidłowej kontroli tych czynników można otrzymać odpowiednio wydajne paliwo rakietowe. Z dobrodziejstw kerozyny korzysta obecnie m.in. SpaceX. Firma ta dokonuje tankowania rakiet na kilkanaście minut przed startem, aby uzyskać jak najniższą temperaturę paliwa. Pozwala to na zwiększenie poziomu bezpieczeństwa i osiągów rakiety.

Przed pojawieniem się paliw ciekłych stosowano jednak paliwa stałe. Wahadłowce NASA poruszały się przy pomocy dwóch rakiet wspomagających, które były zasilane hydrazyną. Jej wadą była duża ilość wysoce toksycznych zanieczyszczeń, jakie generowała podczas startu. Choć Stany Zjednoczone nie korzystają już z tego typu paliwa, to Indie oraz Chiny nadal zasilają swoje rakiety paliwem stałym. Jest to spowodowane tym, że względem paliw ciekłych są łatwiejsze w kontroli i użytkowaniu. Nie wymagają też skomplikowanego technologiczne procesu schładzania do bardzo niskich temperatur na chwilę przed startem rakiety.

Przyszłość paliwa rakietowego

Rozwój paliwa rakietowego to naturalna konsekwencja postępu w technologii kosmicznej. SpaceX planuje w przyszłości zastąpienie kerozyny metanem. Decyzja ta podyktowana jest faktem, że metan to prosty gaz, który można tanio uzyskać z dwutlenku węgla. Konieczna jest jedynie duża ilość energii elektrycznej oraz składniki reakcji – dwutlenek węgla i wodór, których pełno w kosmosie. Nie od dziś wiadomo, że jednym z następnych celów ludzkości jest załogowy lot na Marsa. Czerwona planeta obfituje w pierwiastki potrzebne do stworzenia metanu, w tym wodę na biegunach. Warto wiedzieć, że udowodniono, iż silniki rakietowe zasilane metanem, są w stanie uzyskać większy ciąg z tej samej ilości paliwa od urządzeń spalających kerozynę. Elon Musk już od 2009 roku prowadzi badania nad takimi rozwiązaniami, czego wynikiem było powstanie rodziny silników rakietowych „Raptor”, opartych na spalaniu metanu, które zaprezentowano w 2016 roku.