Rakettmootor

Rakettmootor on reaktiivmootor, mis ei vaja reaktiivjoa tekitamiseks väliskeskkonda.^[1]

Vedelkütusrakettmootori RS-68 katsetamine

Tuntuim on keemiline rakettmootor, milles energia allikaks on mõni eksotermiline reaktsioon (peamiselt põlemine ja katalüütiline lagunemine) ning reaktiivjoa moodustavad selle kuumad jääkgaasid. Keemiline rakettmootor ei vaja töötamiseks välisõhku ei oksüdeerija ega reaktiivmassina.

Rakettmootor on peamine kosmonautikas kasutatav mootor.^[1] Ühe või mitme rakettmootoriga lennuseadet nimetatakse üldjuhul raketiks.

Tänapäeval kasutatakse peamiselt keemilisi vedelkütus- ja tahkekütusrakettmootoreid,^[1] kuid arendamisel on ka tuuma- ja elektrirakettmootorid.^[1]

Teooria

Vedelkütusrakettmootor: 1) kütus 2) oksüdeerija 3) kütusepump 4) oksüdeerija pump 5) pumba ajam gaasiturbiin 6) turbiini gaasigeneraator 7) gaasiturbiini kütuseklapp 8) gaasiturbiini oksüdeerija klapp 9) kütuse peaklapp 10) oksüdeerija peaklapp 11) gaasiturbiini väljundgaasid 12) segusti 13) põlemiskamber 14) düüs

Rakettmootorite töö aluseks on impulsi jäävuse seadus.

Siinses käsitluses on tehtud järgnevad lihtsustavad eeldused:

1. Rakett on isoleeritud süsteem st sellele ei mõju teisi jõude peale mootori tekitatud tõukejõu
2. Tõukejõud ${\displaystyle \textstyle T}$ ja reaktsioonimassi efektiivne väljumiskiirus ${\displaystyle \textstyle v_{e}}$ on rakettmootori töötamise ajal konstantsed.

${\displaystyle \Delta p_{r}=\Delta p_{m}}$

• kus ${\displaystyle \textstyle p_{r}}$ on raketi impulss, ning ${\displaystyle \textstyle p_{m}}$ reaktsioonimassi impulss.

Tõukejõud avaldub impulsi definitsiooni ja Newtoni 3. seaduse kohaselt

${\displaystyle T=-{\frac {d}{dt}}p_{m}=-{\frac {d}{dt}}m(t)v_{e}=-{\dot {m}}v_{e}}$

ja raketi impulsi muut ajahetkel ${\displaystyle \textstyle t}$

${\displaystyle \Delta p_{r}(t)=Tt={\dot {m}}v_{e}t}$.

Raketi kiiruse muut avaldub Tsiolkovski raketivõrrandist:

${\displaystyle \Delta v=v_{\text{e}}\ln {\frac {m_{0}}{m_{1}}}}$^[2]

Energeetiline tõhusus

Rakettmootoris vabastatud energiast läheb vaid osa raketi kineetilise energia tõstmiseks ehk raketi kiirendamiseks. Erinevad kaod on seotud põlemise ebaefektiivsusega, soojuskadudega põlemiskambri seintesse, soojuskadudega reaktiivjoa jääksoojusse ning kineetilise energia kaoga reaktiivjoa enda liikumisse.

Jättes kõrvale soojuskaod on võimalik leida rakettmootori tõuke-efektiivsus, st suhe raketi ning reaktiivjoa kineetiliste energiate vahel:

${\displaystyle \eta ={\frac {2{\frac {v_{r}}{v_{e}}}}{1+{\frac {v_{r}}{v_{e}}}^{2}}}}$,

• kus ${\displaystyle \textstyle \eta }$ on kasutegur ning ${\displaystyle \textstyle v_{r}}$ raketi liikumise kiirus^[3]

Rakettmootorite tüübid

Füüsikalise jõuallikaga

Tüüp	Kirjeldus	Eelised	Puudused
Veesurverakett	Raketi jõuallikaks on anumas surve all olev vesi või gaseeritud vee vabanemisel tekkiv surve.	Väga lihtne ja odav ehitada.	Lennukõrgus üldiselt väga piiratud, keskmiselt kuni 100 meetrit. Veesurveraketi lennukõrguse maailmarekord on 830 meetrit.[4]
Külmgaasimootor	Kasutatakse kütusepaagis hoiustatava gaasi survet, kütust ei süüdata. Kasutatakse kosmosesõidukite trajektoori ja kiiruse väiksemaks korrigeerimiseks.	Mootori ehitus lihtne, pole vaja süütemehhanismi ega kuumakindlust.	Väike tõukejõud, kasutatav väikese gravitatsioonijõu ja atmosfäärirõhu korral.

Erinevate kütuste ja kütusekomponentide näidised.

Keemilise jõuallikaga

Tüüp	Kirjeldus	Eelised	Puudused
Tahkekütusrakett	Rakett milles kasutatakse jõuallikana tahket kütuse ja oksüdandi segu.	Lihtne ja töökindel ehitus. Kerge hoiustada.	Põlemist raskem kontrollida kui vedelkütuse puhul, kütuse põlemisel suureneb gaasikamber juba põletatud kütuse arvelt. Töötsükli katkestamine ja taaskäivitamine keerukas, raketi kütusega taastäitmine keerukas, kütus enamasti tuleohtlik.
Hübriidrakett	Rakett, milles on eraldi oksüdant ja kütus, mis on erinevates agregaatolekutes. Enamasti on kütus tahke ning oksüdant vedelal kujul.	Turvaline, kütus on enamasti inertne. Põlemise kiirust saab paremini kontrollida, kui tahkekütuste puhul. Töötsüklit on võimalik kiirelt peatada.	Keerukam ehitus, kui tahkekütusrakettidel. Mõningad oksüdandid on iseseisvalt tuleohtlikud. Esinevad tahkekütusrakettidega sarnased põlemise ja tõukejõu muutumisega seotud probleemid.
Ühekomponentne vedelkütusrakett	Rakett, milles kasutatakse jõuallikana vedelat kütuse ja oksüdandi segu.	Lihtsa ehitusega. Põlemise kiirus ja tõukejõud lihtsalt kontrollitavad.	Kütused on tihti väga tuleohtlikud, süütamine võib vajada katalüsaatoreid, mille rikemine võib kaasa tuua käivitamisel lõhkemist. Võimsus üldiselt oluliselt väiksem kui kahekomponentsetel vedelkütusrakettidel.
Kahekomponentne vedelkütusrakett	Rakett, milles on eraldi oksüdant ja kütus, mis on mõlemad vedelas olekus. Oksüdant ja kütus segunevad põlemiskambris ning süüdatakse.	Töötsükkel väga efektiivne, kütuse segunemine ja seega põlemisparameetrid väga täpselt kontrollitavad.	Keerukas ehitus, vajab tööks rohkelt pumpasid, torustikku ja reguleerivaid klappe.
Kaherežiimiline vedelkütusrakett	Rakett, mis toimib suuremat tõukejõudu vajavates tööetappides kahekomponentse raketina, orbiidile jõudes aga suletakse enamasti oksüdandi pealevool ning rakett toimib edasi ühekomponentsena.	Säästlikum, kuna väiksemat tõukejõudu vajavates etappides ei kulutata oksüdanti, mistõttu oksüdandi kogus võib olla väiksem.	Üleüldine võimsus väiksem, kui kahekomponentsetel rakettidel.
Kolmekomponentne vedelkütusrakett	Rakett, milles kasutatakse enamasti üht oksüdanti ning kahte erinevat kütust, et erinevates tööetappides saavutada erinevaid reaktiivjoa omadusi.	Erinevates tööetappides saab kasutada olukorrale sobivat kütust/kütuste vahekorda. Tihti kasutatakse lisakütusena vedelat vesinikku, mis on väga väikese tihedusega.	Ehitus veelgi keerukam, kui kahekomponentsetel rakettidel.
Turborakettmootor	Hübriidmootor, kus tavapärase reaktiivmootori töötsüklisse (mis kasutab oksüdandina atmosfääriõhku) lisatakse võimsuse ja lennulae tõstmiseks lisaoksüdanti, näiteks hapnikku. Selline mootor võib olla võimeline ka ilma atmosfääriõhuta töötama.	Olemasolevate reaktiivmootoritega väga sarnane, võib võimaldada suuremate lennukite kasutamist kõrgemates atmosfäärikihtides. Võimalik efektiivselt kasutada väga erinevatel kõrgustel.	Maksimaalne kiirus sarnane olemasolevate reaktiivmootorite omaga. Oksüdandi kaasas kandmine toob kaasa arvestatava tuleohu. Lennukitel kasutamiseks võib mootor olla liiga raske.
Õhusissetõmbega rakettmootor	Rakettmootor, mis kasutab atmosfääris olles reaktiivjoana välist allikat – atmosfääriõhku, kiirendades seda tavapärase rakettmootori reaktiivjoaga.	Atmosfäärisiseselt kasutades efektiivsem, kui kahekomponentsed raketid. Võimalik teha kergemaid rakette, kuna kütust ja oksüdanti kulub vähem.	Madalatel kiirustel ja väljaspool atmosfääri on käitumine sarnane tavalise rakettmootori omaga. Varases arendusstaadiumis.

Elektrilise jõuallikaga

Tüüp	Kirjeldus	Eelised	Puudused
Resistojet-rakett	Gaasi kuumutatakse elektrilise kütteelemendiga. Kuumutamisel tekkiv gaas juhitakse düüsi (inertse gaasi kasutamisel) või põlemiskambrisse (kus gaas süüdatakse).	Kui kasutatakse koos keemilise ühekomponentse kütusega, siis on võib saavutatav kütuseefektiivsus olla ligi 40% kõrgem, kui tavalisel ühekomponentse vedelkütusega raketil.	Vajab suurt elektrienergia hulka.
Arcjet-rakett	Sarnane resistojet-raketiga, kuid kütust kuumutatakse otse elektrivoolu juhtimisega läbi kütuse. See võimaldab saavutada kõrgemat temperatuuri kui resistojet lahendused.	Sarnased eelised kui resistojet lahendustel, kuid temperatuuri ja seega ka kütuseefektiivsuse kasv veelgi suurem.	Vajab suurt elektrienergia hulka. Inertse kütuse kasutamisel on võimsus võrreldav ioonmootoritega.
Pulss-plasmamootor	Elektrivooluga tekitatakse kütusest (enamasti teflon) plasma, mis seejärel anoodi ja katoodi abil kiirendatakse ning düüsist suurel kiirusel välja heidetakse.	Lihtne disain. Kõrge kütuseefektiivsus.	Väike energiatõhusus, vajab suurt elektrienergia hulka.
VASIMR (muutuva eriimpulsiga magnetoplasmarakett)	Sarnane pulss-plasmamootoriga, kuid plasma tekitamiseks kasutatakse raadiolaineid (näiteks mikrolaineid) ning tekkinud plasma liikumist juhitakse ja kiirendatakse magnetvälja abiga.	Kütuseefektiivsus ja tõukejõu hulka saab reguleerida.	Vajab suurt elektrienergia hulka, On veel arendusjärgus, mistõttu lahendamata on võimalikud probleemid jahutusega.

Vaata ka: Ioonmootor

Soojusliku jõuallikaga

Eelkuumutatud

Tüüp	Kirjeldus	Eelised	Puudused
Kuumaveerakett	Sarnane veesurveraketiga, kuid tõukejõu annab vee kuumutamisel tekkiva auru surve	Lihtne ehitada, ohutu. Auru juurde tekitamine lihtsam, kui veesurveraketil surve uuesti tõstmine. Kütus üsna lihtsalt leitav ka kosmoses (jääkogumid).	Madalama temperatuuriga kasutamisel toimib sarnaselt veesurveraketiga. Kõrgema rõhu ja temperatuuri kasutamisel suureneb kütusepaagi mass.

Päikeseenergiat kasutavad

Tüüp	Kirjeldus	Eelised	Puudused
Päikeseenergiat kasutav termorakett	Kütust kuumutatakse päikeseenergiast saadud soojusega.	Lihtne disain. Kütuseefektiivsus sarnaneb tuumaenergiat kasutava termoraketi omaga, kuid kergem ehitada ja hooldada kui tuumareaktoriga lahendusi. Võimaldab kasulikult ära kasutada kosmoses vedela vesiniku hoiustamisel tekkivat gaasilist vesinikku.[5]	Suur tõukejõud saavutatav ainult väikese molekulmassiga kütuseid kasutades. Kasutatav ainult Päikesele piisavalt lähedal.

Valgusenergiat kasutavad

Tüüp	Kirjeldus	Eelised	Puudused
Valgusenergiat kasutav termorakett	Kütust kuumutatakse välise, suure võimsusega valguskiire (enamasti laseri) mõjul kas otse või soojusvaheti kaudu.	Lihtne disain. Olenevalt kütusest võib saavutada väga kiire reaktiivjoa.	Kasutatav laser peab olema suure võimsusega. 1 kg kasuliku koormuse orbiidile saatmiseks kulub ~1 MW. Laserkiirt häirivad pilved, vihm ja muud ilmastikuolud. Peegeldunud laserkiir võib olla ohtlik inimestele ja lennuvahenditele. Kiire reaktiivjoa ja suure kiirenduse saavutamiseks tuleb kasutada väikese molekulmassiga kütuseid (näiteks vesinikku), mis vajavad keerukama disainiga ja raskemaid kütusepaake.
Mikrolaineenergiat kasutav termorakett	Kütust kuumutatakse välise, suure võimsusega mikrolainekiire abil	Võimaldab saavutada veelgi kiiremat reaktiivjuga.	Sarnased valgusenergiat kasutavate termorakettidega. Piisavalt peene kiire saavutamiseks peab mikrolainesaatja olema väga suur.

Tuumatermaalenergiat kasutavad

Tüüp	Kirjeldus	Eelised	Puudused
Raadioisotooprakett	Kütust kuumutatakse radioaktiivse lagunemise jääksoojusega.	Liikuvad osad peaaegu puuduvad. Kõrge kütuseefektiivsus.	Madal kaalu ja võimsuse suhe. Reaktiivjoas leidub radioaktiivset materjali. Lihtsa radioisotoopgeneraatori töötsükkel pole lihtsalt juhtiv, tekkivat jääksoojust tuleb pidevalt mujale juhtida.
Tuumaenergiat kasutav termorakett	Kütus suunatakse läbi tuumareaktori, mis seda kuumutab.	Väga kõrge kütuseefektiivsus. Keerukama reaktori tööd on võimalik rohkem juhtida.	Madal kaalu ja võimsuse suhe. Reaktiivjoas leidub radioaktiivset materjali. Maksimaalset töötemperatuuri piirvad kasutatavad materjalid.

Tuumaenergia jõuallikaga

Tüüp	Kirjeldus	Eelised	Puudused
Gaasireaktor-rakett	Kütus on reaktoris otsekontaktis gaasilise lõhustuva ainega.	Väga kõrge temperatuur, hea energiatõhusus. Suur tõukejõud.	Arendusjärgus. Reaktiivjoas leidub suure hulgal radioaktiivset materjali. Düüs vajab efektiivset jahutust. Reaktori ja düüsi ehitust piiravad kasutavatate materjalide omadused.
Lõhustumisjääk-rakett	Reaktiivjuga tekib reaktorist välja heidetud lõhustumisjääkidest.	Lihtne disain. Hea energiatõhusus.	Hetkel vaid teoreetiline lahendus. Reaktiivjuga koosneks radioaktiivsest materjalist.
Tuumapuri	Lõhustumisjääkidega pannakse liikuma "puri", mis veab endaga kosmoselaeva kaasas.	Vähe liikuvaid osi.	Hetkel vaid teoreetiline lahendus.
Tuumasoola-rakett	Kütusena kasutatakse plutooniumi või uraani soolade lahust, mis enne düüsi reaktoris kokku juhitakse, et saavutada radioaktiivse lõhustumise jaoks tarvilik kriitiline mass.	Väga suur energiatõhusus, suur tõukejõud.	Reaktiivjuga sisaldab suures koguses radioaktiivset materjali. Düüs vajab efektiivset jahutust. Kütus võib halva disaini puhul saavutada kriitilise massi.
Pulss-plahvatusrakett	Kosmoselaeva taga lõhatakse tuumapomme, mis laeva tõukurplaadi abil edasi tõukavad.	Suur energiatõhusus, suur tõukejõud. Hea kaalu-tõukejõu suhe.	Tõukurplaadile mõjuvad väga järsult väga suured jõud. Planeetide magnetosfääris kasutades on suur radioaktiivse saaste oht. Tuumapommid on hetkel veel suhteliselt suured ja rasked.
Antiainekatalüsaatoriga pulss-plahvatusrakett	Lõhatavate tuumapommide juures kasutatakse väiksema massi ja suurema energia saamiseks antiainet.	Sarnane pulss-plahvatusraketi toimimisega, kaalu ja tõukejõu suhe veel parem.	Hetkel vaid teoreetiline lahendus. Vajab tööks toimivat antiaine tootmise ja hoiustamise tehnoloogiat.
Fusioonrakett	Kütuse kuumutamiseks kasutatakse kergete tuumade liitumist.	Väga kõrge töötemperatuur ja väga kiire reaktiivjuga, mis võimaldab saavutada suurt kiirendust.	Kontrollitud fusioonitehnoloogia on hetkel veel arendusjärgus.
Antiainerakett	Kütuse kuumutamiseks kasutatakse antiaine ja aine liitumisel vabanevat energiat.	Ülikõrge töötemperatuur ja reaktiivjuga.	Vajab toimivad antiaine tootmise ja hoiustamise tehnoloogiat. Hetkel vaid teoreetiline lahendus.

Vaata ka

• Reaktiivmootor
• Raketimootoriga lendkeha