Kosminiai galiūnai ir judintuvai

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle – tekstas apie raketas ir kitus kosmoso dalykus

Visatai tyrinėti, kosminių stočių statybai, Mėnulio, Marso ir kt. objektų kolonizavimui (tai kolei kas greičiau fantastiniai projektai – astronautika.lt pastaba) reikia vis galingesnių priemonių, transportuojančių masyvesnius erdvėlaivius bei krovinius. Jau 60 metų dažniausiai naudojami reaktyviniai raketiniai 2-3 pakopiai kompleksai, varomi cheminiu būdu (deginant efektyvų kurą) generuojamais dujų srautais. Pradedant 1957 metais, į kosmosą startavo per 5400 galingų raketų (450 – nesėkmingai), kainavusių galybes lėšų, darbo sąnaudų ir net aukų. Tik vienam žmogui pakelti kosmosan reikia bent 500 t masės raketinio komplekso, kurio 95 % sudaro kuras ir oksidatorius.

Prisiminus erdvėlaivio įgreitinimo nuo Žemės dėsningumus (žr. „Kosminė logistika“), darytina išvada, kad norint efektyvinti reaktyvinius varytuvus, racionalu būtų didinti srauto tūtoje greitį. Tačiau to padaryti nepavyksta dėl ribotos temperatūros degimo kamerose (vengiant sienelių lydymosi). Kuras ir oksidatorius iš milžiniškų bakų siurbiami (ir stumiami helio dujomis) į degimo kameras (dažniausiai dvisienes aušinamas), kur chemiškai jungiasi (dega) 3000 – 4500 ^oC temperatūroje bei srūva iš tūtos bent 4,5 km/s greičiu. Kuo didesnis šio srauto debitas (kg/s) ir greitis (km/s), tuo didesnė išvystoma reaktyvinė jėga (stūma, N). Beje, erdvėlaivio greitinimą dar menkina ir gravitacinė bei aerodinaminė varžos (Saturn I-os pakopos atveju prarandama 1,2 km/s ir 0,05 km/s atitinkamai). Greičiau srūva dalelės iš elektromagnetinių varytuvų (iki 100 km/s), branduolinių (50 km/s). Fotoniniai, helioterminiai, lazeriniai turi dar kitokių pranašumų, bet sunkiau įgyvendinami.

Galingiausieji raketiniai kompleksai

LEO – orbita apie Žemę, maždaug 260 km aukščio; TLI – pereinamoji orbita skrydžiui į Mėnulį.

Galingiausi (per 100 GW, o pvz IAE – 3 GW) raketiniai kompleksai sudaromi iš daugelio varytuvų ir greitintuvų, dažniausiai lygiagretaus montavimo būdu, kurį dar 1650 m. aprašė mūsų tautietis K.Semenavičius veikale „Didysis artilerijos menas“. Ilgą laiką efektyviausiu laikytas sovietinis PД-171M, dabar konkuruoja amerikietiškas Merlin.

Saturn V kelia Apollo 11 erdvėlaivį

Energija Buran ruošiami startuiEnergija starto aikštelėje

1981 balandžio 12, netrukus startuos Space Shuttle erdvėlaivis

Titan IV B startas

Raketa Delta IV

Ariane 5 startas

N1 raketos startas

Vienu metu 30 variklių neveikė

Raketinių kompleksų varytuvai

Raketos Saturn V kūrėjas Verner von Braun prie I-osios pakopos variklių F1

Raketos Saturn V variklis F1 variklis Merlin D1Vienas iš efektyviausių raketinių variklių RD-171MJAV raketos Atlas variklis RD-180

Raketos Delta IV variklis RS-68ANaujausias Falcon variklis Super Draco

Kietojo kuro greitintuvai gali sukurti net didžiąją dalį stūmos, pvz Space Shuttle naudoti SRB (Solid Rocket Booster) kiekvienas – 12,15 MN.

Tolimų kelionių erdvėlaiviams geriau tinka mažo galingumo ilgai veikiantieji joniniai varytuvai, pasižymintys impulsyvumu; pvz, 10 kg kroviniui nugabenti į Marsą reikėtų:

Reaktyvinę stūmą generuoja jonizuotos ksenono, argono ar kt. dujos, srūvančios pro elektrinį ir magnetinį laukus 20-50 m/s greičiais. Srautas yra mažo intensyvumo, todėl stūma – nedidelė (lyg paspirtuko), bet ilgai veikianti (keletą metų). Jonizavimo procesui reikia elektros šaltinio – dažniausiai saulės elementų. Nuo 1993 metų (pirmojo palydovo su joniniu varikliu startas) iki 2013 metų pabaigos buvo paleista 236 įvairius palydovai su skirtingų tipų joniniais varikliais.

Joniniai varytuvai

PPS-1350 joninis varytuvas

Vienas ankstyvesnių PPS-1350 joninis (Hall principo) varytuvas sėkmingai funkcionavo Švedijos satelite SMART-1, kuris 2003 – 2006 metais orbitavo aplink Mėnulį. Išeikvojęs apie 80 kg ksenono dujų (iš baliono 15 MPa), satelitas buvo nukreiptas Mėnulio paviršiun 2 km/s greičiu ir sudužo.

NSTAR veikė erdvėlaivyje Deep Space 1 1998-2009 metais, tyrinėjant asteroidus ir kometas, o trys tokie joniniai varytuviukai tebeveikia tyriklyje Dawn (str. „Tolimiausieji erdvėlaiviai“).

NSTAR joninis variklis

NEXT (NASA Evolutionary Xenon Thruster) dar tobulinamas, siekiant geresnio efektyvumo.

VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) radijo bangomis gamina plazmą ir įgreitina ją magnetiniu lauku.

DS4G joninis varytuvas

Erdvėlaivių ir satelitų trajektorijoms koreguoti, kaip ir astronautų lokomocijoms (str. „Kosminės lokomocijos“) naudojami įvairūs varytuviukai „paspirtukai“:

11D428A mikrovarytuvas RDMT10 mikrovarytuvas

Kosminių prietaisų pavaroms taikomi varytuviukai mikriukai (15x10x1 mm – net mažesni už 1 cento monetą), veikiantieji 0,01-0,1 s trukmės impulsais bent 1 mN stūma. Juose tiekiamas hidrazinas 0,5-5 mg/s skyla „Shell-405“ katalitiniame reaktoriuje, kaista, garuoja ir srūva pro reaktyvinę tūtelę.

Daugelio erdvėlaivių padėčiai palaikyti skriejimo trajektorijoje naudojami giroskopiniai įtaisai, dar vadinami girodinais. Keičiant jų vidaus kinetinius parametrus, pvz, pagreitinant ar sulėtinant smagračio sukimąsi, išvystomi jėgų momentai, judinantys erdvėlaivį reikiamu kampu. Tad tokie giroskopiniai įtaisai vadintini kampiniais judintuvais. Net didžiulės TKS padėtį reguliuoja 4 judintuvai, kiekviename kurių sukasi 6600 aps/min 100 kg plieninis diskas 4880 N.m.s kinetiniu momentu.

CMG (control moment giroscope) sistema

Giroskopiniai judintuvai

CMG15-45S girodinas