INTERIA.PL - Portal internetowy

Ściąga

    INTERIA.PL   > Nauka i zabawa   Matura 2015     ściąga     matura     studia  
  
Szukaj

Bryk to Cię wciąga Twoja ściąga   pisz do nas
#bl
#bl
#bl
#bl
#bl
Ankieta
Ściąganie...
Jest nieuczciwe, ale czasem tak robię
To najlepszy sposób na uczenie się
A kto nigdy nie ściągał?
Wymaga sprytu i odwagi
Nie wiem, nie ściągam
głosuj >>
 ENCYKLOPEDIA
 KATALOG
   - polski
   - zagraniczny
 MELOMAN
Silnik rakietowy

Silnik rakietowy, którego czynnik roboczy (np. gaz, spaliny, strumień jonów lub plazmy) znajduje się w napędzanym obiekcie (pocisku rakietowym, rakiecie); ciąg jest wytwarzany przez przyspieszenie czynnika roboczego lub produktów jego rozkładu. Praktyczne zastosowanie znalazły dotychczas jedynie silniki rakietowe spalinowe; silniki te pobierają tlen potrzebny do spalania paliwa z utleniaczy będących składnikami rakietowych materiałów pędnych znajdujących się w napędzanym obiekcie (w przeciwieństwie do silników odrzutowych spalinowych pobierających tlen z atmosfery); rozróżnia się silniki rakietowe spalinowe na materiały pędne(**): stałe, ciekłe i mieszane (tzw. hybrydowe, w których np. paliwo jest w stanie stałym, a utleniacz ? w stanie ciekłym).


(**)Materiały pędne stosowane dla silników rakietowych są to jedno- lub wieloskładnikowe substancje chem. zdolne do rozkładu lub spalania z wydzieleniem dużych ilości gorących gazów. Rakietowe materiały pędne stanowią źródło energii w silnikach rakietowych; charakteryzuje je wielkość impulsu właściwego, czyli stosunku ciągu silnika rakietowego do natężenia przepływu spalin.
Ogólnie rakietowe materiały pędne dzieli się na stałe, ciekłe i mieszane. Wśród stałych materiałów pędnych rozróżnia się materiały jednorodne i niejednorodne. Podstawowymi składnikami materiałów jednorodnych są tworzące koloidalną mieszaninę: nitrogliceryna i nitroceluloza. Niejednorodne materiały pędne powstają w wyniku rozproszenia cząstek dobrze rozdrobnionej substancji utleniającej, najczęściej azotanów i nadchloranów, w podłożu z żywicy lub kauczuku, stanowiącym jednocześnie paliwo; często stosuje się dodatki proszków metali (tzw. wysokoenerg.) ? berylu, litu, glinu, magnezu. Stałe rakietowe materiały pędne odznaczają się impulsem właściwym 2000?2600 Ns/kg; są one formowane w bryłę, zw. ziarnem, o kształcie zależnym od przewidywanego spalania. Ze względu na małe koszty i prostotę obsługi silnika stałe rakietowe materiały pędne są zwykle stosowane w technice wojskowej. Ciekłe rakietowe materiały pędne (tzw. propergole) dzieli się na jednoskładnikowe i dwuskładnikowe. Materiały jednoskładnikowe mogą być jednorodne, dostarczające ciepła w reakcji katalitycznego rozkładu (np. nadtlenek wodoru H2O2), i niejednorodne, stanowiące mieszaninę związków, z których jedne spełniają funkcję paliwa, a drugie utleniacza (np. mieszanina nitrometanu z kwasem azotowym). Materiały dwuskładnikowe, w których paliwo i utleniacz są łączone tuż przed spalaniem, dzieli się na samozapłonowe, np. dimetylohydrazyna i kwas azotowy, oraz normalne, niesamozapłonowe, w których paliwem są zwykle węglowodory (np. nafta), alkohole lub ciekły wodór, utleniaczem zaś ? ciekły tlen lub kwas azotowy. Ciekłe rakietowe materiały pędne są stosowane do napędu kosm. rakiet nośnych i silników korekcyjnych; ich impuls właściwy wynosi 2400?4200 Ns/kg. W rakietowych materiałach pędnych mieszanych paliwo i utleniacz występują w różnych stanach skupienia, np. paliwo stałe, a utleniacz ciekły
Silniki rakietowe spalinowe stosuje się przede wszystkim do napędu rakiet nośnych, statków kosm. oraz pocisków rakietowych, czasami są też wykorzystywane w samolotach jako silniki pomocnicze (np. do wspomagania startu). W stanie projektów (niekiedy prób) są także inne rodzaje silników rakietowych; w silniku rakietowym jądrowym reaktor jądr. stanowiłby źródło ciepła dla chłodzącego go gazu (czynnika roboczego), który by się następnie rozprężał w dyszy silnika; w silniku rakietowym elektr. do nagrzewania czynnika roboczego służyłby np. łuk elektryczny. Działanie silnika rakietowego polega na jego przetwarzaniu energii chemicznej paliwa na energię kinetyczną strumienia gazów, w wyniku, czego - na zasadzie odrzutu - powstaje ciąg potrzebny do ruchu rakiety.
Silnik rakietowy składa się z komory spalania i dyszy. Proces przemiany energii w silniku rakietowym odbywa się w dwóch etapach. W pierw­szym etapie paliwo się spala, a zawarta w paliwie energia chemiczna zamienia się na energię cieplną gazowych produktów spalenia oraz energię poten­cjalną związaną z wysokim ciśnieniem, pod którym to gazy się znajdują. W drugim etapie, wytworzone w czasie spalenia gazy, ulegają rozprężeniu, podczas którego wzrasta ich prędkość, a energia cieplna i potencjalna przemienia się w energię kinetyczną wylotowego strumienia gazu. Proces wyrzucania gazów w określonym kierunku i ze znaczną prędkością, dostarcza rakiecie niezbędnej siły odrzutu (ciągu).
Wydzielanie ciepła zachodzi wskutek rozrywania wiązań między atomami w cząsteczkach paliwa i two­rzenia nowych ' wiązań w cząsteczkach produktów spalenia. Im słabsze są wiązania w cząsteczkach pa­liwa i im silniejsze tworzą się wiązania w cząsteczkach produktów spalenia, tym wyższy jest efekt spalania.
Ponieważ ciąg silnika rakietowego zależny jest od: ciepła spalania paliwa w danym utleniaczu, więc najlepsze będą to paliwa, które charakteryzują się dużymi wartościami ciepła spalania. Ze względu na to, że dodatkowym warunkiem jest ciężar cząstecz­kowy produktu spalania, to najlepsze kombinacje materiałów pędnych tworzą pierwiastki uszeregowane na początku układu okresowego Mendelejewa (np. Li) i F dają więcej energii niż (C i O).Paliwo rakietowe powinno zapewnić uzyskanie dobrych własności termodynamicznych produktów spalenia, a mianowicie : małego ciężaru cząsteczko­wego, małej ilości atomów w cząsteczkach, niskiej temperatury wrzenia i małego ciepła parowania.

Silniki na paliwo stał są najstarszym rodzajem silnika rakietowego. W czasie II wojny światowej został one zastąpione przez silniki na paliwo ciekłe, jednak ostatnie dziesięciolecie ponownie przyniósł wzrost znaczenia silników na paliwo stałe. Należ y
jednak podkreślić że oba rodzaje silników mają swoje zalety i wady. Największą zaletą silnika rakietowego na paliwo
stał jest prostota jego budowy. Nie ma on części ruchomych, podczas gdy silnik na paliwo ciekłe jest bardzo skomplikowany, a jednocześnie delikatne zespoły mechaniczne i elektroniczne mogą mieć swoje błędy i wady. Silnik rakietowy na paliwo stał jest zatem bardziej niezawodny w działaniu, niż silnik na paliwo ciekłe i jest również tańszy w budowie. Rakiety na paliwo stałe są zawsze gotowe do startu, gdy tym-czasem zbiorniki rakiet na paliwo ciekł muszą zostać na pełnione dopiero tuż przed startem. Jeżyli utleniaczem jest ciekły tlen, którego temperatura wrzenia ( -182,9 C) powoduje - bez względu na jakoś izolacji cieplnej zbiorników - że poważy procent tlenu wyparowuje (np. 8% w ciągu godziny) i dlatego I właśnie zbiorniki powinny być napełniane tlenem tuż przed startem. Rakieta na paliwo stał ma również poważą wadę a mianowicie jej ładunek pali się tylko w krótkim czasie, najwyżej kilka minut, gdy tymczasem ładunek pędny rakiety na paliwo ciekłe pali się
od kilku do kilkunastu minut. Również spalanie ładunku rakiety na paliwo stał jest trudniejsze do kontrolowania. Raz zainicjowany proces spalania nie łatwo jest przerwać przed całkowitym jego zakończeniem. Zatem paliwo stał zapewnia rakiecie krótko trwałością o dużej mocy, gdy tymczasem paliwo ciekłe może zapewnić rakiecie słabszy ciąg, ale w dłuższym okresie czasu. Ostatecznie energia i wydajność danej ilości paliwa ciekłego jest większa, niż ta sama ilość paliwa stałego, chociaż w ostatnich latach wynaleziono paliwa stałe, których wydajność prawie dorównuje wydajności paliw ciekłych.
Silniki na paliwo stał są używane w astronautyce do rakiet nośnych, w poszczególnych stopniach rakiet wielostopniowych oraz do rakiet startowych połączonych z pierwszym stopniem rakiety nośnej W ciągu stuleci zasada budowy silnika rakietowego na paliwo stałe bardzo mało się zmieniła. Silnik rakiety na paliwo stał składa się w zasadzie z komory spalania, dna z dyszą lub dyszami, przedniej pokrywy przejściowej łączącej komorę spalania z częścią głowicową rakiety oraz z pomocniczych elementów takich jak ruszt paliwa, elementów ustalających ładunek napędowy itd. . Komora spalania w kształcie rury cylindrycznej jest jednocześnie zasobnikiem ładunku materiał pędnego i ma zwykle duże wymiary (średnica do 6,6 m i długość z dyszą do 42,7 m). Ścianki komory powinny wytrzymywać przy wysokich temperaturach duże ciśnienia panujące wewnątrz komory spalania. Ścianki komór spalania dużych silników rakietowych są wykonane ze stali i przeważnie pokryte specjalnymi mieszaninami izolacyjnymi. Izolacja cieplna pozwala na obniżenie ciężaru konstrukcyjnego silnika rakietowego oraz zmniejsza grubość ścianek. W silnikach startowych rakiety Titan 3C ścianki komory spalania są pokryte od wewnątrz izolacją cieplną składającą się z syntetycznego kauczuku.
Elementy silnika rakietowego mogą być wykonane również z tworzyw sztucznych wypełnionych włóknem szklanym metodą nawijania (część głowicowa, kadłub komory spalania, dysza) lub metodą prasowania (dno przejściowe, ruszt, dysza, brzechwy).
Przy nawijaniu włókna szklanego przesyconego lepiszczem stosuję się specjalne oprawki, na których tę operację powtarza się kilkakrotnie. Oprawkę z nawiniętym na nią materiałem, umieszcza się w termostacie, gdzie zachodzi utwardzenie materiału. Celem zmierzenia wytrzymałości warstwowych tworzyw sztucznych stosuje się obecnie nowe wysoko wytrzymał wypełniacze z włókna kwarcowego. Zmniejszenie ciężaru konstrukcji jest jednym ze sposobów polepszenia osiągów rakiety. Jednakże podczas konstruowania rakiety należy uwzględnić wymagania dotyczące wytrzymałości i sztywności konstrukcji, co nie jest łatwe ze względu na dużą siłę i wysokie temperatury działające na rakietę w czasie lotu. W celu zachowania odpowiedniej lekkości i wytrzymałości, należ stosować specjalne metody konstrukcyjne i technologiczne. Sztywne i lekkie powłoki rakiet można uzyskać stosują konstrukcje przekładkowe. Komora spalania silnika rakietowego jest zakończona dyszą wylotową w której następuje rozprężenie i przyspieszenie strumienia produktów spalania, nadające rakiecie odpowiedni odrzut. Silnik rakietowy może mieć jedną dyszę centralną lub zespół wielodyszowy. Pojedyncze dysze mają z reguł konstrukcje tłoczno - spawane, chociaż niekiedy przy wykonywaniu takich dysz stosuje się metodę odlewania. Dysza ma kształt zbieżno -rozbieżny, a jej najmniejszy przekrój, tzw. przekrój krytyczny - czyli gardziel - powoduje, że strumień produktów spalania uzyskuje tu prędkość równą prędkości dźwięku. Następnie strumień ten osiąga dalszy wzrost prędkości, już naddźwiękowej, W rozszerzającej się części dyszy.. Wielkość średnicy przekroju krytycznego dyszy jest zależna od prędkości palenia się materiału pędnego danego silnika oraz od całkowitej powierzchni spalania ładunku i od ciśnienia w komorze spalania. W dużych silnikach rakietowych, jak np. W silnikach startowych rakiety Titan 3C, dysza ma długość 3,3 m, a średnica przekroju krytycznego wynosi 0,96 m. Dysza silnika rakietowego na paliwo stał, podobnie jak komora spalania, zazwyczaj jest nie chłodzona. Przekrój krytyczny dyszy jest najbardziej narażony na działanie ciepła i erozji mechanicznej.
Dlatego bardzo ważne jest dobranie odpowiedniego materiał na gardziel dyszy, który zapobiegały zbędnemu przegrzewaniu elementów. Szeroko stosuje się tu materiał ceramiczne, specjalnie obrobiony grafit i inne materiał odporne na działanie temperatury. Dokładne ustawienie osi dyszy ze środkiem ciężkości rakiety jest bardzo istotne ze względu na zmniejszenie błędów lotu rakiety. Dlatego zazwyczaj stosuje się małe tolerancje tych wymiarów. Ładunek napędowy silnika rakietowego na paliwo stał składa się z reguł z jednego lub kilku niezależnych elementów, zwanych ziarnami. Ziarna prochowe otrzymuje się ze specjalnie przygotowanej mieszanki paliwa rakietowego, w postaci prętów o żadnym przekroju -przez prasowanie lub przez odlewanie. Wymiary geometryczne i kształt ziaren prochowych wpływają w znacznym stopniu na podstawowe
charakterystyki i warunki pracy silnika rakietowego.
Jak wiemy kształt ziaren szczególnie wpływa na przebieg krzywej spalania. Początkowo, we współczesnych silnikach rakietowych materiał pędny w postaci jednego lub kilku sprasowanych ładunków był umieszczony centralnie
w komorze spalania. Obecnie ładunek napędowy odlewa się bezpośrednio w komorze spalania.
W pierwszym przypadku, między ładunkiem i ścianką komory spalania pozostawiono dość duży luz. Ziarno prochowe o kształcie cylindrycznym spala się równomiernie, a zatem metalowe ścianki komory są narażane przez cały okres spalania ładunku na działanie ciepła. Powoduje to osłabienie ścianek komory i wymaga stosowania znacznie grubszych ścianek. Poza tym, wskutek przewodzenia ścianki komory szybko się rozgrzewają i mogą spowodować przedwczesny zapłon dalszej części ładunku. W ładunkach odlewanych cała przestrzeń komory spalania jest wykorzystana przez materiał pędny. Ten sposób umieszczenia ładunku zabezpiecza ścianki komory przed nadmiernym nagrzaniem oraz zmniejsza gabaryty komory spalania i ciężar silnika.
 
Podsumowanie
Liczne są zalety rakiet zasilanych paliwem stałym. Ich główny walor to stała gotowość do użycia. Poza tym rakiety takie wyróżniają się krótkim czasem startu oraz łatwością transportowania i przechowywania. Względy te przesądziły o powszechnym stosowaniu paliwa stałego w rakietach małych i średnich. Paliwo stałe mają nawet niektóre rakiety międzykontynentalne, na przykład amerykańskie Minuteman i MX, a także rakiety kosmiczne Tytan III. Powszechność stosowania paliwa stałego hamuje nieco mniejsza efektywność.
   Konstrukcja silnika na paliwo stałe jest stosunkowo prosta. Komora spalania i pojemnik paliwa stanowią jedność w tego rodzaju silnikach. Tak więc każdy stopień w rakietach wielostopniowych jest odrębnym silnikiem. W efekcie elementy konstrukcyjne tych stopni muszą spełniać odpowiednie wymagania, wpływając na wzrost masy rakiety. W rakietach na paliwo stałe nie są potrzebne pompy, źródła zasilania i rozwinięte instalacje paliwowe. Okoliczności te wnoszą liczące się korzyści.
   Paliwo stałe może być mieszaniną dwóch składników z których każdy jest samoistnym paliwem. Może też składać się z dwóch ewentualnie z większej ilości związków chemicznych, przy czym poszczególne związki nie są z reguły odrębnymi substancjami pędnymi. Stosowane są kombinacje takich związków, jak: nitroceluloza, nitrogliceryna, polibutadien, nadchloran amonowy, polichlorek winylu, poliuretan i aluminium. Składnik ostatni lub beryl dodawane są do paliw stałych o różnym składzie, w celu sprawnego wyzwalania energii.
   Potężne silniki rakietowe na paliwo stałe i ciekłe, a takie są przydatne do wynoszenia obiektów w kosmos, wykonują w zasadzie jeden ciągły cykl pracy do wyczerpania paliwa. W silnikach na paliwo płynne łatwo może być przerwany dopływ paliwa przed jego wyczerpaniem. Ponowne uruchomienie stanowi problem bardziej złożony. Przerwy pracy silnika na paliwo stałe w dowolnym momencie są raczej niemożliwe. Przynajmniej jednolite, wcześniej nie oddzielone, sekcje materiału pędnego raz zapalone muszą spłonąć. Stosowane w rakietach na paliwo stałe inhibitory zapobiegają rozpadowi paliwa oraz chronią elementy konstrukcji przed korozją. Nie mogą jednak zapewnić sterowanego przerywania pracy silników. Dlatego oprócz głównych silników rakietowych w obiektach kosmicznych stosuje się silniki pomocnicze. Mogą one być napędzane paliwem stałym. Odpowiednio zaprojektowane umożliwiają także wielokrotne uruchamianie. Możliwe jest przy tym uzyskiwanie znacznej siły ciągu, i to wykorzystywanej w sposób planowy. Do zadań nie wymagających dużej siły ciągu przydatne są silniki wykorzystujące paliwo w postaci gazowej. Na przykład podczas cumowania obiektu kosmicznego do innego może być konieczne wielokrotne uruchamianie silników korekcyjnych.

Materiały
Strony internetowe:
www.pwn.pl
www.proszynski.com.pl
oraz "Świat Nauki" nr.2/2001



autor: Dawid Turczak


LOGA SMS

czy wiesz ?...
Co nowego w bazie ściąg?
Skróter
 •Tematy maturalne
 •Czekamy na Wasze wypracownia
 •Francuskie pytania
 •Gajusz Juliusz Cezar
 •Znaczenie powstania listopadowego
 •Dobre rady
 •Najlepsze sposoby!
 •Sienkiewicz i Żeromski
 •Nowotwory
 •Kryzys w Europie XIV wieku