Rakettimoottori

SpaceX Kestrel -rakettimoottori testauksessa.

Rakettimoottori on raketeissa käytettävä purkautuvan materiavuon avulla työntövoimaa tuottava moottori, joka ei käytä ulkopuolista hapetinta, esimerkiksi ilmakehän happea.

Propulsio avaruuteen pääsemiseksi ja avaruudessa lentämiseen

Useimmat nykyiset ja kaikki suuren työntövoiman tuottavat rakettimoottorit ovat polttomoottoreita, kemiallisia rakettimoottoreita. Niiden lisäksi on olemassa mm. ionipropulsiomoottoreita, joita käytetään satelliittien ja vähemmässä määrin avaruusluotainten asennonsäädössä ja radankorjauksessa. Ionimoottoreiden työntövoiman tuottokyky on rajallinen, mutta sähköisinä propulsiomenetelminä niiden toiminta-aika on pitkä, jopa vuosia tai jopa vuosikymmeniä siinä missä raskaiden kemiallisten rakettien paloaika on yleensä enintään joitakin kymmeniä minuutteja. Tämä tuottaa erittäin suuren satelliitin nopeuden kasvun. Pitkään kehitteillä ovat olleet ydinpropulsiomoottorit, joita on vain testattu maanpäällä muttei avaruudessa esimerkiksi Yhdysvaltain ilmavoimien 1950-luvun NERVA-projektissa ja NASAn 2000-luvun Prometheus-projektissa. Lähellä prototyypin testausvaiheetta on ionisoituneeseen plasmaan perustuva VASIMR, joka saattaa aikaansaada aiempaa nopeammin lentäviä avaruusluotaimia. Aurinkopurje ja sähköpurje ovat rakettimoottoreiden kanssa kilpailevia propulsiotekniikoita avaruudessa, aurinkopurjetta on kokeiltu avaruudessa muutamia kertoja ja jälkimmäinen on suunnitteluasteella.

Kemiallinen rakettimoottori

Kemialliset rakettimoottorit tuottavat työntövoiman kiihdyttämällä suuttimessa raketista poistuvia kuumia ja korkeapaineisia palamiskaasuja, jotka on yleensä aikaansaatu polttamalla ajoaineen polttoainetta hapettimella polttokammiossa. Sekä polttoaine että hapetin kuljetetaan raketin mukana, joka on kuljetettavan ajoaineen massan suhteen hyvin epätaloudellinen tapa polttomoottorille. Tämä kuitenkin mahdollistaa raketin toiminnan avaruuden tyhjiössä.

Raketin tehokkuutta kuvaa sen paloaikanaan aikaansaama nopeuslisä $\Delta v$ eli delta-V, jota kuvaa 1800-luvun lopulla kehitetty Tsiolkovskin laki. Nopeuslisä ("delta V") riippuu raketin alku- ja loppumassan suhteesta, joka kuvaa ajoaineen massan suhdetta sen suurempaan nopeuteen kiihdyttämän hyödyllisen massa suhteeseen. Tämä suhde on 2000-luvun alussa monivaiheraketeilla 10:1 – 25:1. Mitä suurempi suhde sitä suurempi nopeus voidaan saavuttaa.

Yleisimmin käytetyissä kemiallisissa rakettimoottoreissa ajoaine voi olla eri faaseissa ja tämä vaikuttaa moottorin luokitteluun.

Kiinteä ajoaine

Avaruussukkula Atlantis muutama sekunti lentoonlähdön jälkeen. Kiinteää ajoainetta käyttävät moottorit tuottavat merkittävän osan työntövoimasta lentoonlähdön aikana.

Useimmissa ohjuksissa ja monissa kantoraketeissa käytetty moottorityyppi on kiinteän ajoaineen moottori, jossa sekä polttoaine että hapetin ovat kiinteässä olomuodossa sekoitettuna keskenään. Tämä moottori on rakenteeltaan yksinkertaisin. Se sisältää ainoastaan polttokammion, jossa ajoaine palaa, ja suuttimen, josta palokaasut purkautuvat ulos. Kiinteän ajoaineen etuina on hyvä varastoitavuus ja raketin suuri työntövoima, joiden takia se on ollut suosituin sotilaallisten ohjusten rakettimoottori. Toisaalta kiinteän ajoaineen haittoja ovat esimerkiksi se, ettei raketin tehoa voi useimmissa tapauksissa mitenkään säätää palamisen aikana, ja ettei moottoria voi sammuttaa ennen polttoaine-hapettimen loppumista. Tämä estää myös rakettimoottorin uudelleen sytyttämisen.

Kiinteää ajoainetta käyttäviä raketteja käytetään usein lentoonlähdössä auttamaan raketti ulos maanpinnan voimakkaasta painovoimasta ja matalalla olevasta tiheimmästä ilmakehästä.

Nestemäinen ajoaine

Toinen yleinen moottorityyppi on nesterakettimoottori, joka perustuu nestemäisen hapettimen ja polttoaineen palamiseen. Tämä moottorityyppi on monimutkaisin, koska nesteen pumppaamiseen tarvitaan yleensä ajoaineen paineistetut säiliöt, polttoaineen syöttöjärjestelmän, jonka kriittisiä osia ovat turbopumput.

Tätä tyyppiä käytetään lähinnä suurissa kantoraketeissa, joissa tarvitaan paljon työntövoimaa, joka syntyy parhaiten nestevedyn tai alkoholin polttamiseen nestehapen tai esim. fluorin tai typpihapon johdannaisten avulla. Tällaisia moottoreita käytetään myös avaruusaluksissa, joissa vaaditaan, että moottori voidaan sammuttaa ja käynnistää useita kertoja, mikä ei ole mahdollista, jos käytetään kiinteää ajoainetta. Esimerkiksi NASAn Avaruussukkulan ohjaukseen käytettiin noin 30 tällaista pientä rakettimoottoria.

Osa nestemäistä ajoaineitta käyttävistä moottoreista ovat yksinkertaisempia, esim. hydratsiini on ajoaineena sellainen neste, joka palaa itsestään esim. platinakatalyytin sytyttämänä. Nestemäistä ajoainetta käyttävä on myös useimmissa tapauksissa huomattavasti puhtaammin palava, kuin kiinteää polttoainetta käyttävä moottori, koska nestepolttoaine ei sisällä kiinteässä polttoaineessa olevia sidosaineita.

Kaasumainen ajoaine

Avaruusalusten asennonsäännössä käytetään jonkin verran rakettimoottoreita, joiden ajoaine on paineenalainen nestetyppi, joka kaasuuntuneena tuottaa työntövoimaa suuttimissa kaasusuihkun nopeuden kasvaessa. Näitä moottoreita kutsutaan trustereiksi. Tällaisen ajoaineen ominaisimpulssi on hyvin pieni verrattuna palamisprosessia hyväksikäyttäviin moottoreihin.

Hybridiraketti

Kolmas moottorityyppi on hybridirakettimoottori, jonka toiminta perustuu yleensä kiinteään polttoaineeseen ja nestemäiseen tai kaasumaiseen hapettimeen (ns. suora hybridi).

On olemassa myös hybridimoottoreita, joissa polttoaine on nestemäinen ja hapetin kiinteässä muodossa. Näitä kutsutaan käänteisiksi hybrideiksi ja ne ovat selvästi harvinaisempia kuin suorat hybridit.

Hybridimoottorin tehoa pystytään säätämään kaasumaisen hapettimen tai polttoaineen virtausta rajoittamalla, ja se voidaan myös sammuttaa ja käynnistää uudelleen toisin kuin kiinteää polttoainetta käyttävä moottori. Eduistaan huolimatta hybridimoottorien kehitys on jäänyt jälkeen perinteisemmistä kiinteää ja nestemäistä ajoainetta käyttävistä moottoreista.

Ydinlämpömoottori

Kaavio ydinlämpöraketin toiminnasta

Ydinlämpöraketti hyödyntää reaktorin tuottamaa lämpöenergiaa samaan tapaan kuin perinteinen ydinvoimala. Moottorin toiminta perustuu ajoaineen virtaukseen reaktorin läpi, jolloin se lämpenee ja laajenee. Ajoaineessa ei tapahdu useimmissa ydinmoottorissa kemiallisia reaktiota, kuten palamista. Ydinrakettien etuna on niiden korkea ominaisimpulssi ja suuri työntövoima, mutta niiden avaruuteen lähettämistä on jarruttanut lähinnä moottoreihin liittyvät ympäristöriskit.

Yhdysvalloissa ja Neuvostoliitossa kehitettiin kylmän sodan aikana ydinraketteja, jotka etenivät jopa prototyyppiasteelle.

Esimerkkejä ydinraketeista

• NERVA
• RD-0410

Ionimoottori

Ionimoottori käyttää työntövoimana ioneja. Ionimoottorin työntövoima ei riitä Maan painovoimakentästä poistumiseen mutta se mahdollistaa planettojenväliset lennot vähäisellä polttoainemäärällä.

Moottoria voidaan käyttää pitkiä aikoja ja alus kiihtyy hitaasti.

Lähteet

• Karttunen, Hannu: Matkalla avaruuteen. Otava, 2009.

Aiheesta muualla

• Designing for rocket engine life expectancy
• Rocket Engine performance analysis with Plume Spectrometry
• Rocket Engine Thrust Chamber technical article
• Design Tool for Liquid Rocket Engine Thermodynamic Analysis
• Rocket & Space Technology - Rocket Propulsion
• The official website of test pilot Erich Warsitz (world’s first jet pilot)
• Übersicht über Raketentriebwerksprüfstände der DLR
• Radiofrequency Ion Thruster Heritage: EURECA (Arkistoitu – Internet Archive)
• NASA gibt „Go“ für Nuklear-Projekt Prometheus
• Nukleare Raketenantriebe bei FAS
• DLR: Advanced Rocket Engines
• Tool für die thermodynamische Berechnung der Leistungsdaten von Raketentriebwerke (mit Deutscher Oberfläche)
• Tamperelainen amatööri/yliopistoraketti Supikoira (Arkistoitu – Internet Archive)
• Suomen avaruustutkimusseuran Haisunäätä-amatööriraketti (Arkistoitu – Internet Archive)