„Rakéta-hajtóanyag” változatai közötti eltérés
| [ellenőrzött változat] | [ellenőrzött változat] |
Tartalom törölve Tartalom hozzáadva
a Bot: következő hozzáadása: cs:Raketové palivo |
a kisebb formai javítások |
||
1. sor:
A '''rakétaüzemanyagok''' meghatározás szerint olyan [[anyag]]ok, melyek égése során nagymennyiségű és szabályozható hozamú forró gáz keletkezik. A klasszikus rakétaüzemanyag alapjául két összetevő szolgál: az oxidálószer és egy éghető redukálószer, más néven tüzelőanyag. Az oxidálószer/tüzelőanyag-keverék égése során keletkező forró gáztömeg energiája alakul át a fúvókában tolóerővé, ez hajtja meg a rakétát, akár légüres térben is (ld. [[Newton harmadik törvénye]]). Léteznek egykomponensű üzemanyagok is, de ezek kevésbé elterjedtek. Az összetevők halmazállapotától függően három kategóriába soroljuk őket:
== Folyékony rakéta-hajtóanyagok ==
A folyékony rakéta hajtóanyagok esetében jellemzően külön van az üzemanyag és külön az oxidálószer tartály, a két anyag a hajtóműben keveredik és egyesül.Igen magas a fajlagos [[impulzus]]uk.
* Üzemanyagok: [[hidrogén]], kerozin, hidrazin (illetve monometil- vagy dimetil hidrazin), [[etanol]].
* Oxidálószerek: [[oxigén|cseppfolyós oxigén]] (LOX), nitrogén-tetroxid, hidrogén-peroxid.
A folyékony rakéta-hajtóanyagokkal működő rakéták igen bonyolult felépítésűek, turbószivattyú juttatja be az üzemanyagot és az oxidálószert az égéstérbe.
* Leginkább kétkomponensűek, de léteznek egykomponensű [[üzemanyag]]ok is. [[oxidáció|Oxidálószer]]ként oxigént, tömény [[hidrogén-peroxid]]ot, tömény [[salétromsav]]at, [[fluor]]t, fluor/oxigén keveréket (FLOX), [[dinitrogén-tetraoxid]]ot használnak, míg tüzelőanyagként elsősorban a folyékony [[hidrogén]], [[ammónia]], [[anilin]], [[hidrazin]], [[metanol]], [[etanol]], [[kerozin]] az elterjedtek. A legjobb oxidálószer a fluor, így a legnagyobb fajlagos impulzusa a fluor/hidrogén üzemanyagnak van, de a fluor nagyon korrodáló természete, magas égési hőmérséklete valamint az égés során keletkező igen környezetszennyező hidrogén-fluorid miatt nem használják. Legdivatosabb az oxigén/hidrogén hajtóanyag, amely végterméke a víz, fajlagos impulzusa pedig viszonylag magas, ha nem is éri el a fluor/hidrogén szintjét.
* Egykomponensűek: Az egykomponensű üzemanyagok közül a hidrogén-peroxid, a hidrazin és a [[nitrometán]] a fontosabbak. Ezen anyagok bomlása során ugyanis nagy térfogatú gázok és jelentős mennyiségű hő szabadul fel. Viszonylag alacsony fajlagos impulzusuk, de főként kiszámíthatatlan, robbanásra hajlamos természetük miatt csak ritkán használt üzemanyagok.
* Hipergol hajtóanyagok: jellemzőjük, hogy az üzemanyag és az oxidálószer találkozásakor öngyulladás következik be, nincs szükség az égést megindító külön gyújtószerkezetre. Gyakran használt megoldás, ha a hajtóművet a világűrben kell beindítani. Például a hidrazin (vagy gyakrabban dimetilhidrazin) és nitrogén-tetroxid (vagy ritkábban salétromsav) hipergol hajtóanyagok, keveredésükkor öngyulladás lép fel.
== Szilárd rakéta-hajtóanyagok ==
Az első szilárd rakéta-hajtóanyag a fekete lőpor volt, amit a [[kína]]iak tűzijátékokban használtak. Ezek voltak egyben az első rakéták.
22. sor:
A szilárd rakéta-hajtóanyagok fajlagos impulzusa alacsonyabb, mint a folyékonyaké. Előnyük, hogy a rakéta felépítése viszonylag egyszerű (legegyszerűbb esetben csak egy puskaporral töltött cső, például a tűzijátékoknál).
=== A szilárd rakéta-hajtóanyagok kémiája ===
Az összes heterogén szilárd üzemanyag két alapvető komponense az oxidálószer és a redukálószer (vagy tüzelőanyag). A begyújtás során közölt energia hatására ez a két komponens reakcióba lép egymással, a reakció során pedig hő és gázok fejlődnek. Az érthetőség kedvéért a továbbiakban a káliumnitrát/szén üzemanyag égése van részletezve. A káliumnitrát (oxidálószer) hő hatására elbomlik oxigénre, nitrogénre és kálium-oxidra, a következő reakció szerint:
: <math> \mathrm{2KNO_3 \rightarrow K_2O + N_2 + 2,5 O_2 - 151 kcal}</math>
40. sor:
A pontos reakciót felírni eléggé bonyolult feladat, nehéz felmérni, hogy mennyi szén oxidálódik szénmonoxiddá, mennyi alakul tovább széndioxiddá, esetleg mennyi marad korom formájában, mennyi [[nitrogén]] oxidálódik nitrogén-oxidokká, mennyi [[kálium-hidroxid]] képződik stb., a lényeg hogy látható a gáz- (N<sub>2</sub>, CO<sub>2</sub>, CO) illetve a hőfejlődés. Minél több gáz és hő keletkezik, annál jobb az üzemanyagunk. Az ideális az lenne, ha csak [[gáz]]nemű termékek keletkeznének, sajnos ez korántsem így van, az említett példánál maradva az égéstermékek tömegének ~55%-a szilárd halmazállapotú (70-80% KNO<sub>3</sub> tartalomnál). Ez nagyban rontja a hajtóanyag „[[teljesítmény]]ét”, a szilárd részecskék ugyanis nagyobb tömegüknél fogva nem képesek annyira felgyorsulni mint a jóval könnyebb gázmolekulák, kisebb lesz tehát a rakétamotor impulzusa.
A fejlődő hőmennyiség a másik tényező, amitől a rakétaüzemanyag „ereje” függ. Ezt úgy az oxidálószer mint a tüzelőanyag milyensége is befolyásolja. Egyes oxidálószerek (pl. a nitrátok) bomlása endoterm (hőelvonással jár) míg például a perklorátok bomlása exoterm folyamat (hőfejlődéssel jár). Egyértelmű, hogy ez utóbbiak használatával jobb üzemanyagok készíthetők (lásd kompozit üzemanyagok). A [[tüzelőanyag]]ok szintén nagyban hozzájárulnak a keletkező hőmennyiséghez, például egy molekula szénmonoxid keletkezése során csupán 26 kcal szabadul fel, míg egy molekula [[alumínium-oxid]] keletkezése 400 kcal felszabaduló energiával jár. Nem véletlen tehát hogy a fajlagos impulzus növelése céljából többek között alumíniumport adagolnak a szilárd hajtóanyagokba. Az égéstermékek molekulatömege egy olyan tényező, ami talán első látásra nem egyértelmű módon befolyásolja a rakétaüzemanyagok energetikai [[potenciál]]ját. Ha megnézzük azonban a fajlagos impulzus képletét, láthatjuk, hogy a kisebb molekulatömegű égéstermékek nagyobb fajlagos impulzust eredményeznek. Ebből az következik, hogy minél kisebb molekulatömegű oxidáló- illetve redukálószerek használatára kell törekedni, amennyiben egy magas fajlagos impulzusú üzemanyag előállítása a cél. Oxidálószerként így leginkább az ammónium-nitrát, ammónium-perklorát az előnyösek, tüzelőanyagként pedig a könnyebb fémporok, mint például a berillium vagy a magas hidrogéntartalmú szerves vegyületek kerülnek előtérbe.
A fentiek fényében látható, hogy egy adott oxidálószer/redukálószer-páros fajlagos impulzusa nem feltétlenül akkor a legnagyobb, ha az oxidálószer bomlása során a tüzelőanyag teljes oxidációjához éppen elegendő mennyiségű [[oxigén]] keletkezik. A káliumnitrát/szén üzemanyagnál maradva: ha a sztöchiometriát nézzük, egy mól KNO3 bomlása 1.25 mól O2-t eredményez, ami 1,25 mól szén CO<sub>2</sub>-á való oxidálásához elég. Ez tömegarányban kifejezve ~75/15 KNO<sub>3</sub>/C keveréket jelent, a keverék fajlagos impulzusa pedig Isp = 133 s. A sztöchiometrikus aránytól eltérő, 80/20 tömegarányú keverék fajlagos impulzusa viszont Isp = 143 s. Ez utóbbi esetben az üzemanyag oxigéntartalma nem elég a szén teljes oxidációjához, az égés során kb. kétszer annyi szénmonoxid keletkezik, mint széndioxid. Az égéstermékek kisebb molekulatömege miatt nagyobb a kiáramlási sebesség és magasabb a fajlagos impulzus. Ha azonban még több szenet adagolunk a keverékhez, akkor ismét csak csökkenni fog az Isp, mert ennek már a felszabaduló hőmennyiség látja kárát. Egy [[molekula]] CO2 képződésekor ugyanis 94 kcal hő szabadul fel, míg ugyanez az érték a CO esetében jóval kisebb, csupán 26 kcal/mól. Meg kell találni tehát az arany középutat, ami a legmagasabb fajlagos impulzust eredményezi. Nagyon megkönnyíti dolgunkat egy üzemanyag-szimuláló program használata (pl. Propep, Guipep) amelyek szerencsére elérhetőek a világhálón.
47. sor:
A [[kompozit]] üzemanyagok valamilyen szerves kötőanyagba ágyazott oxidálószerből állnak. Az első kompozit üzemanyag a [[bitumen]]nel (aszfalt) kevert fekete lőpor volt ([[Robert Goddard]] állította elő valamikor a '30-as években). További kísérletek során a lőport [[perklorát]]okkal helyettesítették és a lőporos üzemanyagok teljesen kiszorultak a rakétatechnikából.
== Hibrid rakéta-hajtóanyagok ==
Általában kétkomponensűek, szilárd tüzelőanyag és folyékony/gázhalmazállapotú oxidálószer a klasszikus felállás. A könnyen beszerezhető komponensek, viszonylag magas fajlagos impulzus és nem utolsósorban ezen üzemanyagok "legális" besorolása az amatőrök egyik kedvencévé teszi a hibrideket. Egy lehetséges kombináció pl. a HTPB alkalmazása nitrogén-oxiddal.
== Egyéb megoldások ==
Napjaink rakétái szinte kivétel nélkül kémiai reakcióból származó energiát használnak. Sikeresen teszteltek már [[ionhajtómű]]vet, melyben ([[napelem]]ekből származó) elektromos energiával gázt (pl. [[xenon]]t) ionizálnak, és az ionokat elektromos mező segítségével gyorsítják. Ez a hajtómű igen kis teljesítményű, de jellemzően hosszú ideig (akár néhány napig folyamatosan) működtetik. Rendkívül kedvező, hogy a kémiai hajtóanyagokkal összehasonlítva nagyon kevés anyagot használ fel azonos impulzus elérésére.
== Forrás ==
{{nincs forrás}}
{{DEFAULTSORT:Raketa-hajtoanyag}}
[[Kategória:Üzemanyagok]]
| |||