 Is
een motor die zijn stuwkracht ontleent aan de reactiekracht van
uitgestoten stuwstoffen. In tegenstelling tot de straalmotor heeft de
raketmotor, voordat hij in werking wordt gesteld, alle stuwstoffen bij
zich. Hierdoor kan hij onafhankelijk van de (aardse) dampkring werken.
Doordat raketmotoren zeer duur in gebruik zijn, worden ze uitsluitend
dáár toegepast waar andere aandrijfmiddelen niet praktisch of mogelijk
zijn, zoals voor het bereiken van zeer grote snelheden, zeer grote
hoogten of combinaties hiervan.
1. Typen
De nucleaire raketmotoren ontlenen hun energie aan nucleaire processen
(kernreactor of radionuclide). Bij de elektrische raketmotoren wordt een
elektrisch geladen stuwstof door een elektrisch veld versneld, waardoor
aldus een stuwkracht wordt opgewekt, óf waarbij een stuwstof elektrisch
verhit wordt (bijv. vlamboog) en door thermische expansie wordt
versneld. De chemische raketmotoren ontlenen hun energie aan een
chemische reactie (verbranding). Nucleaire motoren worden nog niet op
grote schaal toegepast, elektrische motoren hebben succesvol op enkele
satellieten gevlogen ten behoeve van de standregeling, en lijken
toepassing voor interplanetaire ruimtevluchten te kunnen hebben,
aangezien ze jaren achtereen kunnen werken; hun stuwkracht is echter
zeer laag, minder dan 100 N.
1.1 Chemische raketmotoren
Deze worden verreweg het meest toegepast. Zij hebben in het algemeen een
werkingsduur liggend tussen enkele seconden en een tiental minuten.
Hierbij kunnen zeer hoge stuwkrachten worden opgewekt, meer dan 107 N.
Bij de vloeibare-stuwstofmotor zijn de stuwstoffen gewoonlijk in
afzonderlijke tanks opgeslagen. Zij worden door turbopompen in de
verbrandingskamer ingespoten. De brandstof koelt hierbij gewoonlijk de
inspuitplaat, verbrandingskamer en straalpijp. De daarbij opgenomen
thermische energie wordt gebruikt om de turbopompen aan te drijven. Bij
motoren voor zeer hoge prestaties, zoals bij de Space
Shuttle-hoofdmotoren, worden voor-verbrandingskamers toegepast. Hierin
reageert een gedeelte van de oxidator (zuurstofdrager) met de brandstof.
Deze verbrandingsproducten drijven de turbopompen aan om daarna in de
hoofdverbrandingskamer met de rest van de oxidator te verbranden. In de
straalpijp expanderen de verbrandingsgassen, waarbij ze een zeer hoge
snelheid krijgen en de stuwkracht als reactiekracht wordt opgewekt.
Vloeibare-stuwstofraketmotoren zijn vaak kantelbaar opgehangen om
besturing mogelijk te maken. Typische problemen bij
vloeibare-stuwstofmotoren zijn hoog- en laagfrequente instabiele
verbranding (screaming en motorboating) en een (laagfrequente) koppeling
tussen de eigen frequenties van het stuwstofvoedingssysteem en de
verbrandingsdruk. Ook om klotsen van de stuwstoffen in de tanks tegen te
gaan moeten speciale maatregelen worden genomen.
Bij vaste-stuwstofmotoren is de stuwstof zodanig in de verbrandingskamer
opgeslagen dat de wanden koel blijven. Door een geschikte vormgeving van
de stuwstofpil kan het gewenste stuwkracht-tijdverloop worden verkregen
(stuwkrachtsprogrammering). Door kanteling van de straalpijp of injectie
van gas of vloeistof in de straalpijp kan de richting van de stuwkracht
worden gevarieerd (stuwkrachtsvectorregeling); door het meer of minder
ver inschuiven van een conische pen in de keel van de straalpijp wordt
de keeldoorsnede van de straalpijp gevarieerd, en daarmee de grootte van
de stuwkracht (stuwkrachtsgrootteregeling). Een vaste-stuwstofmotor kan
eventueel worden gestopt door poorten te openen of door de straalpijp af
te werpen, zodat de kamerdruk zeer snel wegvalt en de stuwstof dooft.
Typische problemen bij vaste stuwstofmotoren zijn instabiele
verbranding, waarbij de druk in de motor sterk fluctueert, en
veroudering van de stuwstoffen, waarbij de mechanische eigenschappen
verminderen en/of glyceroltrinitraat migreert.
Hybride stuwstofraketmotoren, die gewoonlijk een vaste brandstof en een
vloeibare of gasvormige oxidator gebruiken, hebben nauwelijks toepassing
gevonden. Hun prestaties liggen tussen die van de vaste- en de
vloeibare-stuwstofmotoren. Door de oxidator massastroom te variëren, kan
de grootte van de stuwkracht worden geregeld.
2. Stuwkracht
De stuwkracht F, die een raketmotor ontwikkelt, is recht evenredig met
de per tijdseenheid uitgestoten massa, en met de effectieve snelheid
veff, waarmee de uitgestoten massa de straalpijp verlaat: F = m·veff. De
snelheidsverhoging die een raket (in vacuüm zonder zwaartekracht)
krijgt, is eveneens recht evenredig met de effectieve uitstroomsnelheid,
en tevens met de logaritme van de verhouding van de beginmassa M0 en
eindmassa Me van de raket (formule van Tsjolkowski): Dv = veff · ln
(M0Me). Vandaar dat een zo hoog mogelijke uitstroomsnelheid gewenst is.
Als maat voor de kwaliteit van een stuwstofcombinatie wordt algemeen de
hoeveelheid aan de raket geleverde impuls per massaeenheid verbruikte
stuwstof genomen. Deze grootheid heet de specifieke impuls en is
experimenteel direct uit een statische beproeving te bepalen. Bij
constante stuwkracht vindt men Isp = veff/g0 (g0 is de versnelling van
de vrije val op zeeniveau), zodat de specifieke impuls gekoppeld is aan
de effectieve uitstroomsnelheid en dientengevolge een directe maat is
voor de raketprestaties als zodanig. Voor moderne
vloeibare-stuwstofcombinaties kan Isp = 440 s worden bereikt, voor vaste
stuwstoffen kan Isp =270 s worden bereikt. Bij elektrische motoren, waar
de verhouding tussen begin- en eindmassa van de raket zéér laag is, kan
Isp = 8000 s of meer bedragen. |
|
|
|
|
|
|
