Jak działają rakiety: systemy napędu i technologia startu wyjaśnione

Każdy start orbitalny, od wynoszenia załogi przez Falcon 9 do testowych lotów Starship, opiera się na tej samej podstawowej fizyce najpierw opisanej przez Isaaca Newtona: na każde działanie jest równe i przeciwne działanie zwrotne. Silnik rakiety spala paliwo i wypuszcza powstały gorący gaz z dyszy na dużej prędkości; gaz popycha rakietę w przeciwnym kierunku. Według Centrum Badań Glenn'a NASA, ta para działania i reakcji istnieje między rakietą a jej własnymi spalinami, dlatego rakiety działają w próżni kosmicznej i nie potrzebują powietrza ani żadnego innego medium do odpychania się.

Fizyka: ciąg i impuls właściwy

Inżynierowie opisują wydajność silnika dwoma liczbami: ciągiem i impulsem właściwym. Ciąg to siła wytwarzana, napędzana głównie tym, ile masy wychodzi z dyszy i jak szybko się wylatuje. Impuls właściwy (Isp), mierzony w sekundach, opisuje, jak efektywnie silnik przekształca paliwo w ciąg — NASA Glenn definiuje go jako ciąg podzielony przez masowy przepływ paliwa, więc silnik o wyższym Isp wytwarza więcej ciągu z tej samej ilości paliwa lub wymaga mniej paliwa na ten sam ciąg.

Ta pojedyncza liczba pozwala inżynierom wielkościować silnik i porównywać bardzo różne systemy napędu na równych zasadach, dlatego Isp pojawia się stale w kartach specyfikacji rakiet.

Napęd chemiczny: ciekły, stały i hybrydowy

Prawie wszystkie pojazdy opuszczające powierzchnię Ziemi używają napędu chemicznego, gdzie paliwo i utleniacz reagują, aby wytworzyć gorący, rozszerzający się gaz. Istnieją trzy główne konfiguracje. Silniki na paliwo ciekłe przechowują paliwo i utleniacz oddzielnie i pompują je do komory spalania, co pozwala silnikowi na zmianę mocy, wyłączanie i ponowne uruchamianie — elastyczność wykorzystywana przez dostawców startów zarówno rządowych, jak i komercyjnych. Silniki na paliwo stałe mieszają paliwo i utleniacz w jeden stały ładunek spakowany w obudowę rakiety; są konstruktywnie proste i niedrogie, ale po zapaleniu spalają się aż do wyczerpania się paliwa. Systemy hybrydowe łączą paliwo stałe z utleniaczem ciekłym lub gazowym, zajmując miejsce pośrodku między dwoma podejściami.

Silnik Raptor firmy SpaceX, używany w pojazdy Starship i Super Heavy, ilustruje nowsze podejście w napędzie ciekłym: projekt 'pełnego przepływu spalania etapowego', w którym całe paliwo i cały utleniacz przechodzą przez dwa odrębne wstępne spalania przed dotarciem do głównej komory spalania, według źródła lotniczego Everyday Astronaut. Raptor spala ciekły metan z ciekłym tlenem — kombinację, którą SpaceX wybrała po części dlatego, że metan spala się bez pozostawienia osadów sadzy, które komplikują ponowne użycie silników opalanych kerazyną, i po części dlatego, że metan w zasadzie może być wytwarzany na Marsie z lokalnych zasobów. Źródło donosi, że Raptor wytwarza około 2 meganewtonów ciągu z impulsem właściwym w próżni około 330 do 350 sekund.

Dlaczego pojazdy startowe są budowane w etapach

Osiągnięcie orbity z powierzchni Ziemi wymaga osiągnięcia wysokości powyżej około 150 kilometrów przy podróżowaniu z prędkością powyżej 7,9 kilometrów na sekundę, według przewodnika producenta rakiet Europejskiej Agencji Kosmicznej. Pojedyncza konstrukcja silnika rzadko robi to efektywnie przez cały lot, więc większość rakiet orbitalnych jest podzielona na etapy, które są odrzucane po wyczerpaniu się ich paliwa, pozbawiając się martwego ciężaru, aby pozostałe etapy mogły łatwiej przyspieszać lżejszy pojazd.

Opis ESA typowego lotu klasy Ariane pokazuje, jak to działa w praktyce: dopalacze i główny etap pracują razem przez pierwsze około dwie minuty wznoszenia pionowego, główny etap kontynuuje spalanie przez około dwanaście minut, podczas gdy dopalacze już się oddzieliły i wpadły do morza w pobliżu 60 kilometrów wysokości, a górny etap następnie pracuje przez ostatni okres, osiągając szczytową prędkość misji około 8 kilometrów na sekundę przed uwolnieniem ładunku. Po zakończeniu swojej pracy zużyty górny etap jest zwykle przenoszony na orbitę cmentarza, aby nie stanowił zagrożenia kolizji dla aktywnych satelitów.

Poza startem: napęd elektryczny i jonowy

Kiedy statek kosmiczny już znajduje się na orbicie lub w głębokim kosmosie, napęd chemiczny nie zawsze jest najskuteczniejszym wyborem do długich podróży. Wiele sond zamiast tego używa napędu elektrycznego, które jonizuje paliwo — zwykle gaz ksenon — i przyspieszają wynikające z tego naładowane cząstki z silnika, używając pól elektrycznych zasilanych panelami słonecznymi. Laboratorium Napędu Reaktywnego NASA opisuje ciąg z tych systemów jako niezwykle łagodny: w przypadku misji Psyche w pasie asteroidów, ciśnienie wytwarzane przez jego silniki jonowe jest porównywalne do trzymania kilku monet w dłoni, nawet przy pełnej mocy.

Ten nieznaczny ciąg nie wystarczy do podniesienia czegokolwiek z Ziemi, ale w pozbawionej tarcia środowisku kosmicznym może być stosowany nieprzerwanie przez miesiące, powoli budując prędkość. JPL donosi, że solarno-elektryczne silniki Psyche już rozpędzily statek do około 84 000 mil na godzinę i ostatecznie doprowadzą go do około 124 000 mil na godzinę — ilustrując, dlaczego napęd jonowy jest zarezerwowany do stopniowego podróżowania w kosmosie na sondach takich jak Psyche, a nie do startu, gdzie silniki chemiczne wymagają znacznie większego ciągu, aby przezwyciężyć grawitację i opór atmosfery w ciągu kilku minut.