En konstnärs rendering av den integrerade Powerhead-demonstratorn. Bildkredit: NASA. Klicka för att förstora.
När du tänker på framtida raket-teknik tänker du antagligen på jonframdrivning, antimattermotorer och andra exotiska koncept.
Inte så snabbt! Det sista kapitlet i traditionella flytande raketer har ännu inte skrivits. Forskning pågår för en ny generation av flytande eldade raketkonstruktioner som kan fördubbla prestandan jämfört med dagens design och samtidigt förbättra tillförlitligheten.
Flytande eldade raketer har funnits länge: Den första vätskedrivna lanseringen utfördes 1926 av Robert H. Goddard. Den enkla raketen producerade ungefär 20 kilo kraft, tillräckligt för att bära den cirka 40 fot i luften. Sedan dess har mönster blivit sofistikerade och kraftfulla. Rymdfärjans tre motorer ombord med vätska, till exempel, kan utöva mer än 1,5 miljoner pund kombinerat drivkraft på väg till jorden omloppsbana.
Du kan anta att nu, varje tänkbar förfining i flytande eldade raketkonstruktioner måste ha gjorts. Du skulle ha fel. Det visar sig att det finns utrymme för förbättringar.
Leds av det amerikanska flygvapnet, en grupp bestående av NASA, försvarsdepartementet och flera industripartners som arbetar med bättre motorkonstruktioner. Deras program kallas Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies, och de tittar på många möjliga förbättringar. En av de mest lovande hittills är ett nytt schema för bränsleflöde:
Grundidén bakom en flytande raket är ganska enkel. Ett bränsle och ett oxidationsmedel, båda i flytande form, matas in i en förbränningskammare och antänds. Till exempel använder skytteln flytande väte som bränsle och flytande syre som oxidationsmedel. De heta gaserna som alstras genom förbränningen slipper snabbt genom det konformade munstycket och därmed producerar tryck.
Detaljerna är naturligtvis mycket mer komplicerade. För det ena måste både det flytande bränslet och oxidationsmedlet matas in i kammaren mycket snabbt och under stort tryck. Bussens huvudmotorer skulle tömma en pool full av bränsle på bara 25 sekunder!
Denna brusande torrentström drivs av en turbopump. För att driva turbopumpen "förbränns" en liten mängd bränsle, vilket genererar heta gaser som driver turbopumpen, som i sin tur pumpar resten av bränslet in i huvudförbränningskammaren. En liknande process används för att pumpa oxidationsmedlet.
Dagens flytande eldade raketer skickar bara en liten mängd bränsle och oxidationsmedel genom förbrännarna. Huvuddelen flyter direkt till huvudförbränningskammaren och hoppar över förbrännarna helt.
En av många innovationer som testas av flygvapnet och NASA är att skicka allt bränsle och oxidator genom sina respektive förbränare. Endast en liten mängd konsumeras där - tillräckligt för att köra turbos; resten flyter genom till förbränningskammaren.
Denna "full-flow iscensatta cykel" -design har en viktig fördel: med mer massa som passerar genom turbinen som driver turbopumpen, drivs turbopumpen hårdare och når därmed högre tryck. Högre tryck motsvarar större prestanda från raketen.
En sådan design har aldrig använts i en flytande eldrad i USA förut, enligt Gary Genge vid NASA: s Marshall Space Flight Center. Genge är vice projektledare för den integrerade Powerhead-demonstratorn (IPD) - en testmotor för dessa koncept.
"Dessa design som vi utforskar kan öka prestandan på många sätt", säger Genge. "Vi hoppas på bättre bränsleeffektivitet, högre tryckkraftförhållande, förbättrad tillförlitlighet - allt till lägre kostnad."
"I den här fasen av projektet försöker vi dock att få detta alternativa flödesmönster att fungera korrekt," konstaterar han.
Redan har de uppnått ett viktigt mål: en svalare motor. "Turbopumpar med traditionella flödesmönster kan värmas upp till 1800 C," säger Genge. Det är mycket termisk stress på motorn. Turbopumpen med ”full flow” är svalare, eftersom med mer massa som går igenom den kan lägre temperaturer användas och fortfarande uppnå god prestanda. "Vi har sänkt temperaturen med flera hundra grader," säger han.
IPD är endast tänkt som en testbädd för nya idéer, konstaterar Genge. Demonstranten själv flyger aldrig till rymden. Men om projektet är framgångsrikt kan några av IPD: s förbättringar hitta vägen in i framtidens lanseringsfordon.
Nästan hundra år och tusentals lanseringar efter Goddard kan de bästa vätskedrivna raketerna ännu komma.
Originalkälla: NASA Science Article
