Van a KNO3-on kívül más rakéta hajtóanyag?

Van bizony bőven. Az első válaszoló által belinkelt wiki cikk egész jól összefoglalja mit használnak általában. Ha érdekel részletesebben is, akkor itt van néhány szempont, hogy mikor mit és miért választanak (HOSSZÚ LESZ, ÉN SZÓLTAM):

A legtöbb rakétahajtóanyag égéssel termel gázokat, ehhez pedig szükséges egy oxidálószer és egy éghető anyag. Kezdjük az egyszerűbbektől.

A legegyszerűbb szilárd hajtóanyagú rakéták esetében a kálium-nitrát (KNO3) az oxidálószer. Könnyen beszerezhető (ennél egyszerűbben beszerezhető oxidálószer nincs, gazdaboltban kiadják). Ehhez sokfajta éghető anyagot lehet választani, a leggyakoribbak:

szénpor -> harmadik anyagként egy kis kénporral alkotják a puskaport. Főként tűzijáték rakétákban alkalmazzák az egyszerűsége miatt. A komponensek por formában összekeverve és egy papírhengerbe kalapálva már megfelelő tolóerőt tudnak biztosítani kisrakétáknak. Egyéb anyagként lehet hozzáadni pl. dextrint az elegy szilárdságának megőrzéséhez, de hosszútávú tárolásra még gombaölőszerek is szükségesek, ugyanis az anyagban megtelepedő baktériumok idő után csökkenthetik az elegy kéntartalmát.

cukor -> A leggyakoribb választás kicsi amatőr rakétákhoz, az ilyen hajtóanyagok gyűjtőneve r-candy. A puskapornál bonyolultabb az elkészítése miatt, mert a megfelelő működéshez a KNO3-at el kell keverni megolvasztott cukorban. Itt figyelni kell, hogy a KNO3 finom por állagú legyen, mivel a hevítés során a KNO3 nem olvad meg, csak feloldódik/elkeveredik (nagy része csak elkeveredik). Továbbá figyelni kell a hőmérsékletre, hogy a cukor ne karamellizálódjon nagyon, valamint, hogy az anyag ne gyulladjon meg magától magas hőmérsékleten. A hevítést emiatt nem szabad gáz felett végezni, mert az helyenként túlhevítheti az anyagot. Gyakran használt cukorfajták:

Konyhacukor (szacharóz) -> rövidítése KNSU. Konyhacukor/porcukor lehet, de van különbség általában. Legegyszerűbben beszerezhető. Égése a cukorhajtóanyagok között a leggyorsabb, 60-70 bar nyomáson 16 mm/s, ezért nagyerejű rakétákhoz lehet használni, de nem szokták. Összeolvasztása veszélyes, mivel a szacharóz olvadáspontja nagyon magas és az egész hajtóanyag begyulladhat készítés közben. Készítés után csak tűzforrón helyezhető az égéstérbe, mert egy pici hűlés után is már kőkeménnyé szilárdul és morzsolódik (az emiatt gyakran keletkező légzárványok azonnal szétvetik a rakétamotort, tapasztalat), de a betöltés után is könnyen szétesik a hajtóanyagtömb. Komplexebb hajtóanyag geometriák létrehozására emiatt alkalmatlan, end-burner az egyetlen, ami ezzel megvalósítható. nagy égési sebessége miatt azonban ez sokszor elegendő is kisrakétához a felemelkedéshez.

Dextróz (szőlőcukor) -> A hajtóanyag neve KNDX. Olvadáspontja alacsonyabb, biztonságosabb az összeolvasztás. Lassabb az égése, emiatt az end-burner geometriájú hajtóanyagtömb helyett átfúrt tömböt érdemes készíteni vele. Elkészítés után pár percig formázható marad, még egy kevés hűlés után is.

Sorbit(ol) -> KNSB. Édesítőszer, a vele készített hajtóanyag még tovább marad formázható.

r-candy készítéshez tippek és trükkök: Adhatunk hozzá egy kevés (1-2%) alumínium-port, vagy vas-oxidot égésgyorsítás miatt.

Összeolvasztás helyett érdemes a KNO3-at és a kiválasztott cukorfajtát feloldani vízben, majd kifőzni a vizet a keverékből. Ez a folyamat biztonságosabb, és homogénebb eredményt biztosít, viszont nem önthető olvadékformában. Ezzel a módszerrel KNSU is biztonságosan készíthető.

Az éghető anyagok egymással keverhetők, gyakran használt például a szacharóz és dextróz keveréke konyhacukor és glükóz-szirup formájában.

Az r-candy üzemanyag általában véve törékeny, bonyolult formák létrehozására nem alkalmas. Ezen valamilyen műgyantával szoktak segíteni (pl. epoxy), ami megerősítheti a hajtóanyagtömböt. További hasonló ötletekért olvass utána Richard Nakka munkásságának:

[link]

Szilárd oxidálószerek terén egy másik gyakran használt anyag az ammónium-perklorát. Sokkal hatékonyabb rakétákat lehet vele készíteni, mint cukor alapú hajtóanyagokkal, pontosabban nagyobb a specifikus impulzusa, azaz adott tolóerőt kevesebb fogyasztással is el lehet érni vele, vagy ugyanazzal a fogyasztással nagyobb tolóerőt:

[link]

Az iparban főként ezt használják, például a mostanra már nyugdíjazott űrsikló gyorsítórakétái esetén (SRB):

[link]

Általában nagyerejű és méretre is nagyobb rakéták esetén alkalmazzák, ezért itt is szükség van egy anyagra, ami meggátolja, hogy a hajtóanyagtömb repedezzen/széttörjön, az így keletkező kompozit hajtóanyag az APCP. Gyakran alkalmazott anyagok mellette:

HTPB - [link]

PBAN - [link]

Mindkettő kissé rugalmassá teszi a hajtóanyagot, így az nem töredezik. Magas szén és hidrogéntartalmuk miatt pedig maguk is éghetőanyagként szolgálnak. Emellett alumínium-port kevernek hozzá, ami szintén éghető.

Ez eddig csak egy ici-pici része volt a hajtóanyagoknak. Folytatás hamarosan...

A szilárd hajtóanyagok legtöbbször a legkisebb specifikus impulzusúak. A rakéta-egyenlet alapján ez rossznak tűnhet:

[link]

Azonban a szilárd hajtóanyagok olcsóak, könnyen elkészíthetőek és kifejleszthetőek, valamint ezekkel lehet elérni a legnagyobb tolóerőket. Ilyen szempontól a Big Dumb Booster elvet követik, miszerint egyszerűbb egy nagyobb/nehezebb, de kevésbé hatékony rakétát üzemeltetni, mint komplexebb, hatékonyabb és gyakorta drágább design-okat:

[link]

Egyik legfontosabb előnyük egyebek mellett, hogy a nagy sűrűségű szilárd hajtóanyagok moderált méretek mellett is képesek nagy és hosszú ideig tartó tolóerő fenntartására, így a rájuk ható légellenállás is kisebb (vagy elvontabban a repülési profil Drag Loss-a).

Hátránya, hogy az üzemanyag keverve van az égéstérben. Emiatt egyrészt az egész rakétát meg kell erősíteni, hogy az égéstér nyomásából eredő terhelést kibírja, másrészt a begyújtást követően nincs mód a rakéta leállítására, a tolóerejének a változtatására. A különböző hajtóanyag geometriák segítségével a tolóerő időbeli változását előre ugyan meg lehet tervezni, de repülés közbeni módosításra, leállításra nincs mód az égéstér robbanóanyagokkal való felnyitásán kívül (ilyen rendszereket szinte minden nagy gyorsítórakétába terveznek).

Ezen problémák orvosolhatóak folyékony hajtóanyaggal. Itt az üzemanyag komponenseit külön tartályokban tárolják, amit belepumpálnak (vagy bele engednek a tartály saját nyomását kihasználva, amit külső nitrogén/hélium forrással tartanak fent) az égéstérbe. Előnye, hogy a tartályok (melyek az ilyen rakéták szerkezetének a legnagyobb részét teszik ki) lehetnek könnyebbek (pl. vékony alumínium), mert nem kell nagy hőmérsékletet és nyomást elviselniük.

Egyik leggyakrabban használt és egyik legnagyobb specifikus impulzusú hajtóanyagpáros a cseppfolyós oxigén , valamint cseppfolyós hidrogén (LOX/LH2). Az ezek által üzemeltetett hajtóműveket gyakran rövidítik Hydrolox hajtóműveknek. Adott tolóerő mellett csekély üzemanyagot fogyasztanak, emiatt Alacsony Föld körüli pályán messzebbre tartó űreszköz esetén nagyobb terhet képesek célba juttatni, mint a gyakran használt RP1/LOX (Kerolox) hajtóművek. De rendkívül sok probléma van vele:

A cseppfolyós oxigén -183 Celsius fokos, a cseppfolyós hidrogén -253. Mindkét érték megnehezíti a munkát (különösen az utóbbi), de legfőképpen a "feed-system" szelepeinek és egyéb rendszereinek támaszt nagy feladatot, ami végtére az árukat növeli. A cseppfolyós hidrogén és oxigén égése hatalmas hőmérsékletet eredményez (csakúgy mint egyéb folyékony hajtóanyagoké, de ez különösen), gyakran 3000 fok körülit, ami tovább nehezíti a munkát az égéstérben és fúvókában. Sűrűsége rendkívül kicsi (csaknem 13-szor könnyebb, mint a víz), így hatalmas, hőszigetelt, súlyos tartályok kellenek a tárolásához.

Legnagyobb probléma vele, hogy az égés során keletkező gázok magas hőmérséklete és kicsi moláris tömege miatt csak kis tolóerejű hajtóművek készíthetőek vele, melyen nem alkalmasak egy egész rakéta megemelésére az első másodpercekben, így szinte mindig valamilyen gyorsítórakétával együtt használják első fokozatokon:

[link]

[link]

[link]

Főként "sustainer" és "upper-stage" hajtóművekben alkalmazzák.

Mivel a hidrogén gyorsan párolog, ezért hosszan tartó missziókra nem alkalmazható sok esetben.

Az Európai Űrügynökség általában Hidrolox hajtóműveket és APCP szilárd gyorsítórakétákat fejleszt.

Másik leggyakrabban használt hajtóanyagpáros a cseppfolyós oxigén valamint rakéta-minőségű kerozin, az RP1. A specifikus impulzusa sokkal kisebb, mint a Hydrolox párosnak, de egyszerűsége kifizetődő. Az oxidálószer itt is cseppfolyós oxigén, ami alacsony hőmérsékletű, de még mindig magasabb, mint a hidrogén hőmérséklete. Az oxigénhez gyakran nem is használnak hőszigetelést. Az RP1 szobahőmérsékleten is folyékony, így könnyebb vele dolgozni. Korábban dolgoztak RP1 helyett kerozinnnal is közvetlenül, de ebben túl sokféle és túlságosan változó hosszúságú szénláncos vegyületek vannak, így egy kis hevítéstől is (regeneratív hűtésű hajtóművekben az üzemanyag a hajtómű falában van végigvezetve elégetés előtt) polimerizálódott csapadék válhat ki és rakódhat le az injektor vékony járataiban, ami végzetes lehet. Emiatt gáz-generátorok (amik a turbószivattyúkat hajtják egy turbinán keresztül) gyakran oxidálószer-dús keverékkel működnek még RP1-nél is, hogy az égéstermékből ne rakódjon le semmi a turbinalapátokra.

Sűrűsége sokkal nagyobb, mint a cseppfolyós hidrogénnek, valamint ezzel már nagyobb tolóerejű hajtóműveket is lehet készíteni. Ezt az üzemanyagot használta a valaha készített legnagyobb tolóerejű egyfúvókás folyékony hajtóanyagú hajtómű (a Saturn V, azaz a holdrakéta első fokozatának hajtóműve) és a valaha készült legnagyobb tolóerő/súly arányú hajtómű is:

[link]

[link]

Ilyen hajtóművek elegendőek önmagukban is egy teljes rakéta megemelésére. (Utóbbiból 1, 5, 9, 27-es "cluster" is volt használva).

Alacsony Föld körüli Pályára irányuló misszió esetén előnyösebb lehet, mint egy Hidrolox upper-stage hajtómű, de afelett (pl. Geoszinkron Transzfer Pálya) gyorsan elveszíti versenyképességét, így interplanetáris missziók indításánál gyakorlatilag nem is használnak ilyet az injection-burn szakaszában.

Az USA korábban több LOX/RP1, azaz Kerolox hajtóművet készített, manapság inkább a Hydrolox hajtóművek felé haladnak.

Cseppfolyós oxigén / Cseppfolyós metán: mint látható az oxigén nagyon gyakori, mert olcsó. Ez a hajtóanyag kombináció még nem volt használva sokszor, de két vadi új hajtómű is erre lett fejlesztve: BE-4 és Raptor. A cseppfolyós metán olcsóbb, mint az RP1, kisebb sűrűsége van (kicsit több, mint a fele az RP1-ének), de hőmérséklete szinte ugyanakkora, mint a cseppfolyós oxigénnek, szintén nem szükséges hőszigetelés a tartályaira. Keverési aránya és sűrűsége az oxigén mellett lehetővé teszi, hogy ugyanakkora tartálya legyen a két komponensnek, ami megkönnyíti a gyártásukat. Mindkét komponens képes a tartályban saját maguk nyomását fenntartani a gőznyomásuk segítségével (Autogenous pressurization), így nem szükséges bonyolult hélium/nitrogén feltöltő rendszer a tartályok mellé.

Égése tisztább, a metán nem képes lerakódások létrehozására kisebb hevítés hatására, így könnyen lehet éghetőanyag-dús gáz-generátorokat/preburnereket működtetni vele. Ez tette lehetővé a SpaceX Raptor hajtóműve számára a Full-Flow Staged Combustion Cycle implementálását:

[link]

Kicsit tömörebben a többi:

Cseppfolyós oxigén / 75-25 Alkohol-víz keverék: szintén oxigén, mellette pedig a legegyszerűbb hajtóanyag, amit lehet találni. Víz amiatt kell, hogy a hajtómű hűthető legyen, mert míg az alkohol fajhője és forráspontja alacsony, addig a belekevert víznek nagyobb. Kísérleti hajtóművekhez gyakran használják. Kisebb feltörekvő NewSpace cégek használják.

Alapvetően cseppfolyós oxigénnel "bármi" elég. Szóval a lehetőségek tárháza szinte végtelen.

Egyéb oxidálószerek:

Dinitrogén-oxid: aka kéjgáz. Kisebb specifikus impulzust eredményez, mint az oxigén. Cseppfolyós -80 fokon, de magasabb nyomáson (51 bar) már szobahőmérsékleten is az. Általában hibrid-hajtóműveknél használják (az amatőr kísérleti rakétaépítők kedvence, mert ötvözi a szilárd és folyékony hajtóanyag tulajdonságait).

Itt az oxidálószer folyadék, egy tartályból érkezik az előre egy tömbbé formázott éghető anyagra, ami lehet szinte bármi. Gyakran polimereket használnak, de születtek már szalámi rakéták is, amelyek szintén dinitrogén-oxiddal mentek.

Ritkábban cseppfolyós oxigént is alkalmaznak ilyen rakétáknál.

Hidrogén-peroxid: sűrű, nem a legjobb specifikus impulzusú, de elég bármivel és szobahőmérsékleten is lehet tárolni. Ha nem lenne nagy koncentrációban bomlékony, akkor ideális hajtóanyag lehetne sok esetben (bár így is használják). De nagyobb rakétákhoz nem éri meg a bajlódás.

Legfontosabb végezetül:

Hipergol üzemanyagok. Ezek olyan üzemanyagok, melyeknél a két komponens találkozásakor azonnal megindul az égés, bármi gyújtás nélkül. Egyszerű és megbízható hajtóműveket lehet tervezni így, mert nincs combustion-instability és egyéb gyújtással kapcsolatos problémák sem. Annyira szeretik az ilyen hajtóanyagokat, hogy a nem-hipergol üzemanyagokat is hipergol anyagokkal gyújtják gyakran be. Ellentétben a többi hajtóanyaggal ezekkel könnyebben lehet változtatható tolóerejű hajtóműveket készíteni (akár 10%-os tolóerő is elérhető vele instabilitások nélkül).

Alkalmazott anyagok:

Dinitrogén-tetroxid, mint oxidálószer és hidrazin származékok (Hidrazin, Monometil-hidrazin, asszimetrikus dimetil-hidrazin, Aerozine 50-50). Sűrűek, közel szobahőmérsékleten tárolhatóak és hasonló specifikus impulzust eredményeznek, mint az LOX/RP1. Egyik eddig nem említett előny, hogy nem párolog gyorsan, így interplanetáris missziókban RCS hajtóműveknél (helyzetváltoztatáshoz és precíziós hajtóművekhez) használják, mivel sokáig a tartályban marad folyékonyan.

Előbb felsorolt előnyei miatt használják minden esetben, ahol szükséges a hosszan-tartó megbízhatóság: RCS hajtóművekhez, landerek hajtóműveihez, a Holdkomp, az Apollo parancsnoki modul hajtóműve.

Egyetlen hátránya van, ami miatt semmi máshoz nem merik használni: rendkívül mérgező és rákkeltő, ezért kerülik ahol lehet.

Utoljára pedig: egykomponensű hajtóanyagok.

Minden előnyét osztják a hipergol üzemanyagoknak általában, csak a specifikus impulzusuk van a béka s*gge alatt. A hajtóanyag általában bomlékony és egy katalizátor hálón átvezetve magas hőmérsékletű gázokra bomlik, amik a fúvókán távoznak. Hidrogén-peroxid és Hidrazin használható általában ilyen célra. RCS hajtóművekhez használják sokszor.

Legutolsók:

Nitrogén-gáz: cold gas thrusterekhez használják: a nagynyomású nitrogént egy egyszerű fúvókán kiengedik. Gyatra teljesítménye van, de a legegyszerűbb az összes közül.

Sűrítette levegő: csak fúvóka-fejlesztésnél használják kutatási célból. Olcsóbb, mint a hélium, de cserébe számolni kell az expanzió után a fúvókában való csapadék-leválással (nitrogénnél is).

***Ezek csak a kémiai hajtóművek hajtóanyagai voltak, sok kihagyással, egy külön mese például, hogy miért pont Xenon az ion hajtóművek hajtóanyaga, erre itt egy kis magyarázat:

https://www.youtube.com/watch?v=Cb_U_CbQ5sc

Egy hasznos forrás:

[link]

Egy hasznos program:

PropPEP3 GUI -> különböző anyagok égésének hőmérsékletét és egyéb adatait lehet kiszámítani egyszerűen

Egy méghasznosabb program:

NASA CEA -> több különböző anyag égésének hőmérsékletét és sok más adatát lehet kiszámítani nagyon bonyolultan

Valakinek lenne kedve rakétát építeni velem?

Teljesen amatőr vagyok még, de az itt leírt ismeretek jórészét tudtam már... De nagyon sok mindent nem tudok még, úgyhogy tanácsokat is szívesen vennék...

18/f