Kosminiuose skrydžiuose galioja viena pagrindinė taisyklė: norėdamas judėti į priekį, privalai kažką stumti atgal. Raketinis varytuvas veikia būtent taip – jis išmeta medžiagos srautą ir taip kuria stūmimo jėgą. Tačiau kaip pamatuoti, kuris variklis yra efektyvus, ir kuo skiriasi tradicinių raketų varytuvai nuo joninių varytuvų?
Specifinis impulsas
Galima įsivaizduoti variklio efektyvumą kaip automobilio kuro sąnaudas 100 kilometrų kelio. Tik kosmose matuojame ne „litrus šimtui kilometrų“, o specifinį impulsą. Specifinis impulsas parodo, kiek laiko variklis gali išlaikyti tam tikrą traukos jėgą, sunaudodamas vieną kilogramą kuro. Kuo šis skaičius didesnis, tuo variklis taupesnis. Varytuvo kuro sąnaudos perskaičiuojamos naudojant standartinį Žemės laisvojo kritimo pagreitį. Nepriklausomai nuo to, kur skrieja kosminis aparatas – prie Marso, Jupiterio ar tarpplanetinėje erdvėje – ši skaičiavimo konstanta nekinta. Tai tiesiog tarptautinis susitarimas, leidžiantis lengvai palyginti bet kurį varytuvą.
Varytuvų skirtumai
Specifinio impulso sąvoka galioja visiems varikliams, tačiau skiriasi būdas, kaip jie išgauna energiją ir ką išmeta pro purkštuką.
Kieto kuro varikliai yra lyg milžiniškos petardos. Kuro ir oksidatoriaus mišinys supresuojamas į vieną kietą bloką. Energija gaunama iš cheminės reakcijos, o kuro užtenka vos 250–290 sekundžių stūmai užtikrinti. Skysto kuro varikliai naudoja du atskirus skystus komponentus (pvz., žibalas arba vandenilis su skystu deguonimi), kurie maišomi ir deginami kameroje. Energija gaunama iš cheminės reakcijos, o kuro užtenka apie 300–450 sekundžių. Joniniai (elektriniai) varytuvai nedegina nieko. Juose neutralios dujos (pvz., ksenonas arba kriptonas) įkraunamos jonais ir elektriniu lauku išmetamos lauk kosminiu greičiu. Energija imama iš Saulės baterijų arba branduolinio reaktoriaus. Tokio varytuvo efektyvumas yra nuo 1500 iki 5000 sekundžių.
Joninio varytuvo veikimo schema
Kieto kuro varytuvų ribos
Kieto kuro varikliai turi milžinišką pradinę jėgą, todėl idealiai tinka karinėms raketoms ar pradiniam kosminių raketų pagreičiui (pvz., Space Shuttle šoniniai greitintuvai). Tačiau tolimiems skrydžiams jie netinka dėl trijų priežasčių. Uždegtas kietas kuras dega iki galo, o varytuvo negalima reguliuoti, išjungti ar vėl įjungti. Kuras naudojamas itin neracionaliai. Jei kuro bloke atsiranda bent vienas mikroįtrūkimas, degimo plotas staiga padidėja, slėgis padidėja ir raketa sprogsta. Būtent kieto kuro greitintuvo sandariklio gedimas lėmė „Challenger“ daugkartinio erdvėlaivio katastrofą 1986 metais.
Skysto kuro varytuvų dujų išmetimo greitis
Skysto kuro varytuvams galioja paprasta taisyklė: kuo greičiau pro purkštuką išlekia dujos, tuo efektyvesnis variklis. Išmetimo greitį lemia du pagrindiniai veiksniai. Kuo karštesnės dujos degimo kameroje, tuo daugiau jos turi energijos ir tuo greičiau išlekia lauk. Lengvesnės molekulės skrieja greičiau! Esant tai pačiai temperatūrai, lengva molekulė turi daug didesnį greitį nei sunki.
Būtent todėl vandenilio ir deguonies mišinys yra efektyvesnis už žibalą su deguonimi. Kuro poros skystas vandenilis + skystas deguonis varytuvuose susidaro labai lengvos vandens garų ir vandenilio molekulės, todėl išmetimo greitis siekia net 4,5 km/s. Kuro poros žibalas + skystas deguonis varytuvuose susidaro sunkesnės anglies dioksido ir anglies monoksido molekulės, todėl greitis tesiekia 3,0–3,3 km/s.
Klasika – hipergolinis kuras
Šaltojo karo metais ir ankstyvojoje kosmonautikoje išpopuliarėjo vadinamasis hipergolinis kuras: NTO ir UDMH. Šios medžiagos susisiekusios tarpusavyje, užsiliepsnoja pačios, be jokios žvakės ar kibirkšties.
Šie skysčiai gali stovėti kuro bakuose kambario temperatūroje ištisus metus – jų nereikia šaldyti kaip skysto deguonies ar vandenilio. Tai buvo idealu Šaltojo karo balistinėms raketoms, kurios turėjo iššauti per kelias minutes iš požeminių šachtų. Šį kurą naudoja ir kosminiai erdvėlaivai „Sojuz“, TKS manevriniai varikliai, tarpplanetiniai zondai. Varytuvą galima įjungti ir išjungti šimtus kartų be užsidegimo rizikos. Medžiagos yra itin toksiškos, agresyvios ir kancerogeniškos. Pasaulis šio kuro masiškai atsisako ir pereina prie ekologiškesnių alternatyvų.