En kunstners gjengivelse av den integrerte Powerhead-demonstranten. Bildekreditt: NASA. Klikk for å forstørre.
Når du tenker på fremtidig rakettteknologi, tenker du sannsynligvis på ionepropulsjon, antimattermotorer og andre eksotiske konsepter.
Ikke så fort! Det siste kapittelet i tradisjonelle flytende raketter er ennå ikke skrevet. Forskning pågår for en ny generasjon av rakettdesign med flytende drivstoff som kan doble ytelsen over dagens design og samtidig forbedre påliteligheten.
Flytende raketter har eksistert i lang tid: Den første væskedrevne oppskytingen ble utført i 1926 av Robert H. Goddard. Den enkle raketten produserte omtrent 20 kilo skyvekraft, nok til å føre den rundt 40 fot opp i luften. Siden den gang har design blitt sofistikert og kraftig. Romskyttens tre motorer med flytende drivstoff, for eksempel, kan utøve mer enn 1,5 millioner pund kombinert skyvekraft underveis til jordens bane.
Du kan anta at nå må alle tenkelige forbedringer i rakettkonstruksjoner med flytende drivstoff ha blitt gjort. Du tar feil. Det viser seg at det er rom for forbedring.
Anført av det amerikanske flyvåpenet, en gruppe bestående av NASA, Department of Defense, og flere industripartnere som jobber med bedre motordesign. Programmet deres kalles Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies, og de ser på mange mulige forbedringer. En av de mest lovende så langt er en ny ordning for drivstoffstrøm:
Den grunnleggende ideen bak en flytende rakett er ganske enkel. Bensin og oksydasjonsmiddel, begge i flytende form, blir ført inn i et forbrenningskammer og antent. For eksempel bruker skyttelen flytende hydrogen som drivstoff og flytende oksygen som oksydasjonsmiddel. De varme gassene som produseres ved forbrenningen slipper raskt gjennom den kjegleformede dysen og produserer dermed skyvekraft.
Detaljene er selvfølgelig mye mer kompliserte. For det første må både flytende drivstoff og oksydasjonsmiddel føres raskt inn i kammeret og under stort trykk. Skysstens viktigste motorer ville drenere et svømmebasseng fullt av drivstoff på bare 25 sekunder!
Denne myldrende strømmen av drivstoff drives av en turbopumpe. For å drive turbopumpen blir en liten mengde drivstoff "forhåndsbrent", og dermed genererer varme gasser som driver turbopumpen, som igjen pumper resten av drivstoffet inn i hovedforbrenningskammeret. En lignende prosess brukes til å pumpe oksidasjonsmidlet.
Dagens raketter med flytende drivstoff sender bare en liten mengde drivstoff og oksydasjonsmiddel gjennom forbuerne. Hoveddelen flyter direkte til hovedforbrenningskammeret, og hopper over forbrenningene helt.
En av mange nyvinninger som blir testet av Luftforsvaret og NASA er å sende alt drivstoff og oksidasjonsmiddel gjennom sine respektive forbrenningsmaskiner. Bare en liten mengde konsumeres der - akkurat nok til å kjøre turbos; resten strømmer gjennom til forbrenningskammeret.
Denne "full-flow iscenesatte syklusen" -design har en viktig fordel: med mer masse som passerer gjennom turbinen som driver turbopumpen, blir turbopumpen drevet hardere, og oppnår dermed høyere trykk. Høyere trykk tilsvarer større ytelse fra raketten.
En slik design har aldri blitt brukt i en flytende rakett i USA før, ifølge Gary Genge ved NASAs Marshall Space Flight Center. Genge er viseprosjektleder for IPD (Integrated Powerhead Demonstrator) - en testmotor for disse konseptene.
"Disse designene vi utforsker, kan øke ytelsen på mange måter," sier Genge. "Vi håper på bedre drivstoffeffektivitet, høyere skyvekraftforhold, forbedret pålitelighet - alt til en lavere pris."
"I denne fasen av prosjektet prøver vi imidlertid å få dette alternative strømningsmønsteret til å fungere riktig," konstaterer han.
Allerede har de oppnådd ett hovedmål: en kjøligere motor. "Turbopumps som bruker tradisjonelle strømningsmønstre kan varme opp til 1800 C," sier Genge. Det er mye termisk belastning på motoren. “Full flow” -turbopumpen er kjøligere, fordi med mer masse som løper gjennom den, kan lavere temperaturer brukes og fremdeles oppnå god ytelse. "Vi har senket temperaturen med flere hundre grader," sier han.
IPD er kun ment som en testbed for nye ideer, bemerker Genge. Demonstranten selv vil aldri fly til verdensrommet. Men hvis prosjektet er vellykket, kan noen av IPD's forbedringer finne veien inn i fremtidens lanseringsbiler.
Nesten hundre år og tusenvis av oppskytninger etter Goddard, kan det hende de beste væskedrivne rakettene ennå har kommet.
Originalkilde: NASA Science Article
