Raketový motor na kapalné pohonné látky

Raketový motor na kapalné pohonné látky je druh raketového motoru, který používá k pohonu palivo a okysličovadlo v kapalném skupenství. Tento druh motorů je často využívaný, neboť palivo v kapalném skupenství poskytuje relativně vyšší specifický impuls. Používají se varianty na jednosložkové palivo (např. hydrazin) a dvousložkové, klasicky palivo (kerosin, kapalný vodík) a okysličovadlo (Lox - Liquid OXygen - kapalný kyslík).

Motory na kapalné pohonné látky jsou velmi rozšířené, využívaly je mimo jiné i hlavní motory raketoplánu Space Shuttle, první stupně raket Atlas, Delta, Falcon, Saturn, Angara, Eněrgija, Proton, Sojuz, Ariane a mnoho dalších.

Dosahují velmi vysokých poměrů tah : hmotnost, sovětský/ruský motor NK-33 dosahuje až 133:1. Hustota používaných kapalných pohonných látek je podobná jako hustota vody 700 - 1400 kg/m3 (s výjimkou kapalného vodíku, který má mnohem nižší hustotu) a přetlak nutný k zábraně samovolného vypaření je také relativně nízký, to umožňuje použití tenkých a lehkých nádrží. Pro husté látky jako třeba kerosin tvoří hmotnost nádrže pouze 1% celkové hmotnosti, u nádrží na kapalný vodík je kolem 10% (kvůli jeho nízké teplotě varu je nutná solidní izolace).

Vstřikování paliva a okysličovadla do spalovací komory vyžaduje přetlak kapalin oproti vnitřku komory. Potřebný přetlak je vytvářen pomocí turbočerpadla (v minulosti se využívalo i pístových a membránových čerpadel), které dosahuje vysokých výkonů a jeho hmotnost je velmi nízká. Oddělená čerpadla pro palivo a okysličovadlo umožňují relativně přesné řízení složení palivové směsi v komoře. Systém rovněž umožňuje plynulé snižování a zvyšování výkonu a při použití vhodného zážehového systému nebo hypergolických kapalin (vznítí se při vzájemném kontaktu) úplné vypnutí a restartování motoru.

Nevýhody:

• Protože palivo tvoří velkou část hmotnosti rakety, postupná spotřeba paliva vede k posuvu těžiště směrem dozadu, což může vést ke ztrátě kontroly.
• Vibrace a rázy mohou způsobit „šplouchání“ nebo „cákání“ paliva v nádrži, to může způsobit ztrátu kontroly.
• Ve stavu beztíže může kapalné palivo „ztratit kontakt“ s hrdlem čerpadla. Proto se využívají rozběhové motory, které udělí malé zrychlení, postačující k „nastartování“ (analogie k roztlačení automobilu)
• Kapaliny můžou vytéct a následně vzplanout nebo explodovat.
• Turbočerpadla jsou velmi složitá a náchylná k poruchám, běh naprázdno nebo kovové nečistoty mohou způsobit zadření.
• Víření paliva může způsobit nasátí plynu do čerpadla nebo motoru.
• Hluboce zmražené palivo způsobuje namrzání okolních ploch, to je velmi nebezpečné pro těsnění a ventily – průsaky paliva.
• Komplexní konstrukce je činí náchylné k poruchám.
• Složitá a dlouhá doba přípravy před startem je vylučuje z většiny moderních vojenských aplikací.

Doprava paliva: 

Palivo a okysličovadlo je třeba dodávat do spalovací komory rychle a pod velkým tlakem. Pro dopravu se již od dob V-2 používají turbočerpadla. Jejich parametry jsou voleny s ohledem na provozní podmínky motoru a druh použitých pohonných látek, hlavně jejich hustotu, vazkost a bod varu. Pro paliva o nízké hustotě, jako je kapalný vodík, se volí robustní čerpadla s velkým dopravovaným množstvím. Naopak pro hustší látky jako je RP-1 (kerosin) nejsou potřeba tak robustní čerpadla.

Turbočerpado rakety V-2

Přetlakový cyklus

Palivo a okysličovadlo jsou tlačeny do spalovací komory plynem (obvykle heliem) z oddělené nádrže. Plyn je ohříván vedením kolem spalovací komory. Jedná se o velmi jednoduchý systém, často neobsahuje ani turbočerpadla. Většinou je schopen několikanásobného restartu. Ovládání je jednoduché, stačí otevřít nebo zavřít ventil.

Expanzní cyklus

Pohon turbočerpadel zajišťuje turbína, kterou roztáčí expandující palivo, ohřívané průchodem kanálky ve spalovací komoře. Expanzní cyklus vyžaduje kryogenické palivo, které snadno dosahuje bodu varu například: vodík, metan nebo propan. Při použití klasické „zvonovité“ trysky je omezen tah na 300 kN.

Otevřený cyklus

Cyklus s plynovým generátorem neboli otevřený cyklus je jeden z nejpoužívanějších způsobů pohonu turbočerpadel. Část paliva a okysličovadla je přivedena do plynového generátoru kde je spálena a vzniklá energie roztáčí turbínu, která pohání turbočerpadla. Spaliny jsou z turbíny odvedeny malou tryskou do atmosféry. Nevýhodou je snížená účinnost kvůli spálení části paliva.

Uzavřený cyklus

Princip je podobný jako u otevřeného cyklu s tím rozdílem, že do plynového generátoru je odvedena jen část okysličovadla a veškeré palivo. Množství spáleného paliva je závislé na množství okysličovadla. Spaliny jsou vedeny z turbíny přímo do hlavní spalovací komory, což poskytuje přebytek výkonu a možnost dosažení vyšších tlaků ve spalovací komoře. Nevýhodou je problém s rychlým opotřebováním turbíny a složitý způsob vstřikování paliva.