Kiintopolttoaineiset Raketit

Aina toisinaan sitä unohtaa pienoisraketteja lennättäessään Kulmakorven lennätysalueella, että Kliman moottorit ovat sitä itseään, siis oikeaa APCP’ta jolla NASA lennätti avaruussukkulaa ja jolla avustettuna SLS tulee aikanaan lentämään.  

Yksinkertaisimmillaan kiintopolttoaineinen raketti rakentuu moottorirungosta jonka sisällä on polttoainerakeet, sytytin, ja jonkinlainen kaasusuutin. 

Historiaa

Ensimmäinen raketti, historiallisten todisteiden valossa kehitettiin Song Dynastian aikaan (960-1279).  Aikalaisteoksissa on kuvauksia Kaifenginppiirityksestä, joka osoittaa, että jonkinlaisella rakettimoottorilla varustettuja nuolia käytettiin piiritysaseina.

Tekstien kuvaukset kertoivat putkista, joihin kiinnitettiin pitkiä salkoja, lennon vakauttamiseksi.  Nämä kuvaukset tuotiin eloon Monika Czyzykin toimesta, kun Monika valmisti Suomen Avaruustutkimusseuran avulla prototyyppiraketteja annettujen historiallisten kuvausten pohjalta. Nämä raketit osoittautuivat haastaviksi, mutta kiistattomasti toimiviksi raketeiksi. 

Ei ole myöhemmän historian valossa mitenkään yllättävää, että ensimmäiset kuvaavat teksit olivat sotatekniikkaan sidoksissa ja metallurgia kulki käsikädessä rakettien kehityksen kanssa. Ensimmäinen metallirunkoinen raketti on kuvattu 1780-1784 kirjoitetuissa raporteissa toisesta Anglo-Mysorelaisesta sodasta. Mysoren kuningaskunnan käyttämät raketit kantoivat puolitoista mailia (2,4km) taistelukentällä. 

Britti-imperiumin kirvelevä tappio Mysorealaisia vastaan aloitti ensimmäisen tutkimusaallon raketeissa joka kulminoitui William Congraven kehittämän tykistörakettiin. Congraven raketti ei ollut kuriositeetti. Se oli ensimmäinen sarjatuotettu rakettikäyttöinen sodankäynnin väline.

Congrave-raketin runko valmistettiin kylmävalssatusta rautalevystä teollisissa tuotantoerissä (aikansa tuotteeksi, tietysti) ja rakettia käytettiin menestyksekkäästi sotakentällä. 

1804 jälkeen teolliset valmistusprosessit joilla raketteja valmistettiin olivat pitkälle standardoitu ja jatkokehitys aseen parissa piti Congrave raketit-brittilaivaston asevalikoimassa 1850 saakka ja tukitoimissa (köysien ampumiseen vioittuneisiin laivoin) aina 1870-luvulle saakka.

Alkuunsa kiintopolttoaineiset raketit käyttivät propellanttinaan ruutia, mutta teho/paino suhteeltaan mustaruuti on vain välttävä ja mustaruudista valmistetut rakeet olivat hauraita. Mustaruuti teki tilaa nopeasti kaksikantamoottoreille. Kaksikantaisten propellanttien ajatuksena on yhdistää kaksi nestemäistä monopropellanttia- Toinen on äärimmäisen energeettinen ja toinen palaa rauhallisemmin ja geeliyttää propellantin. NItroglyseriini ja nitroselluloosa muodostivat yhden tällaisen parin. 

Kaksikanta propelanttien ongelmana oli edelleen polttoainerakeen mekaaniset ongelmat polton aikana, joka rajoitti rakeen geometrista muotoa, ja valmistusprosessit olivat kauniisti sanottuna, haastavia.

Kaksi propulsiopioneeriä muuttivat tätä. Jack Parsons ja Charles Bartley kehittivät 1950-luvulla komposiittipropellantin. Parsons käytti kokeissaan kumiasfalttia  ja kaliumperkloraattia, joka mahdollisti teho/paino suhteeltaan ja poltto-ominaisuuksiltaan soveliaan moottorin rakentamisen  ilmavoimien tarpeisiin, US AF:n kehittäessä sopivia moottoreita JATO ja RATO ohjelmiinsa.

Bartley puolestaan vaihtoi kumiasfaltin synteettiseen kumiin, joka ratkaisi polttoainerakeiden geometriset epävakavuudet lopullisesti. Tämä puolestaan mahdollisti kooltaan suurempien kiintopolttoainerakettien rakentamisen. 

Raketin spesifinen impulssi oli kuitenkin matala, aina siihen asti, kunnes Atlantic Research Corporation lisäsi alumiinijauheen määrän yli 20% propellanttiseokseen ja ratkaisi ISP ongelman ja varmisti täten kiintopolttoaineisten rakettien käytettävyyden niin mannertenvälisten ohjusten- kuin rakettien moottoreina.

Rakenne

Rakenteellisesti kiintopolttoaineinen raketti on todella yksinkertainen. Sen on paineastia jonka sisällä propellantti on varastoituna. Rakeen geometria määrittelee rakeen poltto-ominaisuudet; syntyneet palokaasut ohjautuvat kohti kaasusuuttimen kurkkua, jossa kaasuvirtaus hidastuu ja paine kasvaa; Kun kaasuvirtaus ohittaa kurkun kuristusalueen, virtausnopeus kasvaa räjähdysmäisesti ja kaasun paine alenee.

Toiminta

Kiintopolttoainen raketti toimii samalla tavoin kuin mikä hyvänsä raketti- se on luonteeltaan reaktiivinen laite. Se tuottaa polttoprosessilla pakokaasua joka työntää rakettia virtaussuuntaa vastaan. 

Jos ohitetaan tässä vaiheessa propellantin polttoprosessin stoikiometrinen reaktio, joka on täysin riippuvainen käytestä propellantista ja tarkastellaan vain työntövoiman yhtälöä, voidaan sanoa, että työntövoima F on:

Jossa 

m^o = on massavirtauksen suuruus

v_e = ulosvirtausnopeus

P_e = virtauksen paine

P_a = ympäristöpaine

A_e = suuttimen kurkun ala

Yhtälön voi viedä eksplisiittiseen muotoon lisäämällä fluidien tiheyksien suhteet, suuttimen virtauksen kriittisen nopeuden v*, suuttimen toteutuneen ulosvirtausnopeuden v_e^ ja huomioiden ideaalikaasun yhtälön- Mutta tämän yhtälön käsittely on siinä määrin haastava, että tarvittaisiin virtausopin sivuaine sitä käsittelemään; joten hyväksytään seuraava teesi:

• Rakettimoottorin tekijän määrittää kaksi tekijää. Moottorin kurkun pinta-ala ja lähes suora verrannollisuus moottorin paineeseen P₀ .
• Propellantin palokaasut noudattavat Taylor-Culick virtaamaa

Ja sovellettuna kiintopolttoaineisiin raketteihin: 

Paine suljetussa tilassa on verrannollinen kaasun määrään suljetussa tilassa, joten kun raketti polttaa propellanttia, paineella on taipumus madaltua, mutta samalla käytettävissä oleva pinta-ala kasvaa, joten optimoimalla pinta-alaa voidaan optimoida paloprofiilia ja siten työntövoiman suuruutta. 

Propellanttikemiaa 

Kiinteää polttoainetta käyttävä rakettimoottori käyttää eksotermistä poltto-prosessia tuottamaan ulosvirtuskaasua. Tämän tuottamiseksi on kaksi pääsuuntausta- ja tietysti useimmat propellantit ovat toiminnalisia pareja joissa on ominaisuuksia ja seoksia molemmista. 

Kaksikantamoottorit

Kaksikantapropellantit (Eng. doublebase propellant, DB) muodostavat homogeenisen propellanttirakeen, yleensä käyttäen pohjana nitroselluloosaa (NC*), jotakin kiinteää materiaalia johon sitoutetaan nitroglyseriiniä ja johon puolestaan lisätään inhibiittoreita joilla kaksi räjähdettä saadaan muutettua hapettimeksi ja polttoaineeksi.

Toisinaan näiden inhibiittoreiden rinnalle lisätää nitramideja (Syklotetrametyleeniä (HDX) ja Hexogeeniä (RDX). Molemmat näistä ovat voimakkaita räjähteitä. Ajatus rähteestä propellantissa on hilpeä, mutta nitramidit ovat erinomainen tapa lisätä raketin suorituskykyä. Vastoin yleistä käsitystä kumpikaan nitramideista ei käynnistä räjähdysreaktiotaan paloreaktiolla; molemmat vaativat erillisen sytyttimen jolla räjähdys voisi tapahtua. 

Raketinrakenetajat etsivät aina maksimia ISP:stä, joten nitramidien määrä rakeessa voidaan maksimoida käyttämällä sidoskemikaalina polybutanidia jolloin molekyylimassoihin menee vielä pari nitramidia lisää, että saadaan suorituskykyä koko rahalla. 

Komposiittimoottorit

Komposiittimoottorit muodostavat sitten heterogeenisen polttoainerakeen; Hapetin on kiteinä polttoainejauheen (yleensä alumiinia) kanssa synteettisessä matriisissa, joko kumi- tai muovipohjaisessa sidosaineessa.

Hapettimet

Taulukossa 1 on listattu muutamia esimerkkejä mahdollisista hapettimista. Näistä yleisin on ehdottomasti ammoniumperkloraatti (NH₄ClO₄).  Ammoniumperkloraatin suorituskyky on hyvä, se on kemiallisesti hyvin yhteensopvia useimpien polttoaineiden kanssa, se on tasalaatuista ja varsin helppovalmisteinen. 

Hapetin	Kemiallinen Kaava	Tiheys, km/m3	Happipitoisuus (m %)	Huomiot
Ammoniumperkloraatti	NH4ClO4	1949	54,5	Matala n, edullinen, helposti saatavilla
Kaliumperkloraatti	KClO4	2519	46,2	Matala palonopeus, keskitason suorituskyky
Natriumperkloraatti	NaClO4	2018	52,3	Hygroskooppinen, korkea suorituskyky
Ammoniumnitraatti	NH4NO3	1730	60,0	Savuton, keskitason suorituskyky
Kaliumnitraatti	KNO3	2019	47,5	Edullinen, heikko suorituskuky

Lähde: Rocket Propulsion Elements 7. Laitos, George P. Sutton, s. 499

Muut hapettimet, kuten ammoniumnitraatti ja kaliumperkloraatti ovat edelleen käytössä raketeissa- Harrastetasolla jopa mustaruuti on käytössä tietyissä rakettimottoreissa- mutta modernit moottorit, niin harraste kuin ammattikäytössä ovat hapetettu ammoniumperkloraatilla. 

Muut perkloraatit löytävät kyllä käyttöä kiintopolttoaineissa raketeissa. Korkea happipitoisuus on houkutteleva, etenkin jos muut ongelmat voidaan ratkaista. Kaikki perkloraattipohjaiset hapettimet tuottavat vetykloridia (HCl) paloreaktiossaan, ja moottorin jättämä kaasulaahus on suurissa pitoisuuksissa vaarallinen.

Tämän vuoksi ammoniumnitraatti on löytänyt paikkansa joistakin matalatehoisista moottoreista ja kaasunkehittimistä:  Ammoniumnitraatti on äärimmäisen edullinen ja sen pakokaasu on täysin myrkytön

Polttoaineet

Hapettimessa on tarjolla kaasumaisessa muodossa aggressiivista hapetinta. Polttoaineena on metallijauhe, joka on yleensä alumiinia. Alumiini nostaa palolämpötilaa ja pelkistyy reaktiossa Alumiinioksidiksi, tämä tuottaa korkeamman spesfisen impulssin. 

Tarkastellaan stoikiometristä polttoyhtälöä tämän myötä. Oletetaan, että sidosaineet eivät vaikuta haitallisesti palamiseen: 

Yhtälössä 2 on tyypillisen harrastusraketin moottorin stoikiometrinen paloreaktio, ammoniumperkloraatille. 

Tämä yhtälö perustuu Cesaroni ProX-29 moottorin datalehteen. Havaitsemme, että Ammoniumperkloraatti polttaa alumiinijauhetta ja lopputuloksena on alumiinioksidia, alumiinikloridia, typpeä ja vettä. 

Alumiini ei ole ainoa metalli jota käytetään kiinteänä polttoaineena. Boori on erittäin energiatiheä, alumiinia kevyempi puolimetalli, jolla olisi teoriassa korkeampi spesifinen impulssi, mutta boorin käyttö on rajallista. Sen käyttö edellyttää erittäin pitkää polttokammiota, äärimmäisen pientä kidekokoa polttoainerakeessa. Joissakin sovelluksissa nämä ongelmat voidaan ottaa huomioon. Edellämainitut ongelmatt sivuuttuvat berylliumissa, mutta berylliumin polttotuotteet ovat äärimmäisen myrkyllisiä, joten berylliumin käyttö on erittäin harvinaista, vaikkakaan ei täysin tuntematonta.

Teoreettisista polttoaineista alumiinihydridi (AlH₃) ja berylliumhydridi (BeH₂) ovat kaikkia edellä mainittujä polttoaineita parempia- mutta molempien valmistaminen on vaikeaa, molemmilla on taipumus pelkistyä varastossa menettäen vetyä ja siten kumpaakaan ei ole käytetty missään sovelluksessa laboratorion ulkopuolella.

Lisäaineet

Ei liene yllättävää, että vain komposiittimoottoreissa on kaksikantaisten propellanttien tapaan inerttien lisäaineiden lisäksi käytettävissä valtaisa valikoima erilaisia yhdisteitä lisäaineiksi. Toisinaan propellanttiin seostetaan nitramineja (HMX ja RDX) korvaamaan ammoniumperkloraatti suurimmalta osin,  kuten kaksikantamoottorissa- Tai vaihtoehtoisesti rakeen seostuksen pehmentämisessä käytetään nitroglyseriiniä, tai elastomeerit vaihdetaan tetryyli johdannaisiin. Mitä sovelluksen kannalta on tarpeen tehdä. 

Rakeen vaikutus suorituskykyyn

Kuten toiminta kappaleessa tuli mainittua, rakeen geometrialla on suuri merkitys moottorin toiminnalle. Mitä suurempi osa pinta-alaa ottaa osaa polttoon, sitä suurempi on kaasun tuotto. Rakeen regressio itse asiassa vähentää käytettävissä olevaa pinta-alaa, mitä monimutkaisempi (kirjaimellisesti) rae on. 

Kuva 5,  kantapoltin rae	Kuva 6, Sydänpoltin rae	Kuva 7, C-rako rae

Esimerkkeinä on annettu muutama harrasteraketin käyrä ja raegeometrian muoto. Kantapoltin rae (kuva 1)  on tyypillinen päästä palava rae, jota suurin osa pienitehoisista rakettimoottoreista käyttää. Sydänpoltin rae (kuva 6) antaa alkuunsa paremman tehon lähdössä ja kasvattaa nopeasti moottorin työntövoiman korkeaksi; Regression nopeus on merkittävä, joten saman impulssiluvun moottorina, sydänpoltin palaa lyhimmän aikaa. C-Rako rae on puolivälissä kantapoltinta ja sydänpoltinta, antaen hyvän ja tasaisesti nousevan työntövoimakäyrän; mutta regressio on sydänpoltinta hitaampi, joten moottori tuottaa työntövoimaa pidempään.

Sovellukset Avaruustekniikassa

Kiintopolttoainerakettimoottorilla on merkittävänä etunaan erittäin matala hinta ja mekaaninen yksinkertaisuus, sekä todella korkea TWR (Thrust to Weight) luku.  Ei siis mitenkään ihmeellistä, että pienois- ja luotainraketeissa tämä on valmistajien ja lennättäjien suosiossa. Kiertoratakykyisten rakettien kanssa edut ovat samat, mutta ongelmat alkavat kasaantua:  Kiintopolttoaineraketin paloprosessi on väkivaltainen. Moottori aiheuttaa ympäristöönsä haitallisia värähtelyitä, Spesifinen impulssi on heikompi ja  ainoastaan teoreettisia malleja on kehitetty moottorin sammuttamiseen. Edut ovat kuitenkin kiistattomat ja kiintopolttoaineraketit ovat vakiinnuttaneet paikkansa ensimmäisen vaiheen moottorina.

Kenties kuuluisin moottori jonka kaikki tunnistavat on avaruussukkulan apumoottori. Se oli halkaisijaltaan noin nelimetrinen,  45 metrin mittainen torni, ladattu viidälläsadalla tonnilla Polybutadiene Akrylonitriiliä ja Ammoniumperkloraattia jonka moottori poltti 127 sekunnissa, antaen spesifiksi impulssiksi 242 sekuntia

Termi kiintopolttoaineraketti ei tee oikeutta sukkulan moottorille. SRB oli kantorakettijärjestelmä ja  Ares-1X koelennolla lennätettiin pelkästään yksi sukkulan SRB joka osoitti avioniikkatietokoneen olevan riittävän edistyksekäs yksittäiseen lentoon. Ares 1X ei kuitenkaan ollut kaupallisesti kannattava kiertorataraketiksi. Oire joka on vaivannut useita muita yrityksiä kehittää kiintopolttoaineella toimiva kiertoratakykyinen raketti joka kykenisi kantamaan hyötykuormaa.

Loppusanat

Sukkula-ohjelma on poistunut aktiivisesta lentopalveluksesta, mutta useita komponentteja on kuitenkin päätynyt uusikäyttöön NASAn uudessa kantorakettiprojektissa- Space Launch Systeemissä:

Solid Rocket Booster. Toki, moottori käy läpi useita päivityksiä, josta yhdessä jo ennestään suurta propellanttikuormaa kasvatetaan vielä 20%,  mutta pohjimmiltaan kyse on samasta raketista. 

Kiintopolttoaineisten moottoreiden käyttö ei ole katoamassa mihinkään. SLS käyttää ensimmäisessä vaiheessaan SRB moottoreita. Samoin Ariane VI. Vulcan-raketti samoin, ei muutoksia. Harrastelijat jatkavat edelleen kiintopolttoainerakettien käyttöä omissa raketeissaan. Kiintopolttoaineiset raketit  ovat haastavia, mutta toiminnallisesti erittäin luotettavia raketteja.