Tampereen teknillinen yliopisto Avaruustekniikan kurssin 72681 harjoitustyö: Hybridirakettimoottorit. Tommi Berg tommi.berg@tut.



Samankaltaiset tiedostot
Tekninen muovituote. Hybridimoottorin polttoaineosan valmistus. Esityksen sisältö

SUPIKOIRA-projekti. Tommi Berg Eero Alkkiomäki. (Tero Huttunen, Sami Kiiskilä, Ossi Mäkinen, Ilpo Suominen, Mikko Suominen, Asser Vuola)

Muovimateriaalit ja niiden tekniset sovellukset Hybridimoottorin polttoaineosan valmistus

Lämpöputkilämmönsiirtimet HPHE

TEKNIIKKA. Dieselmoottorit jaetaan kahteen ryhmään: - Apukammiomoottoreihin - Suoraruiskutusmoottoreihin

KAASUNJAKELUJÄRJESTELMÄT

Teknosafe TÄYDELLINEN SAMMUTUSJÄRJESTELMÄ TRUKKEIHIN

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Seoksen rikastus ja säätö - Ruiskumoottorit lambdalla

Tervetuloa. Polttoainelinjaston huolto, nykyaikaiset polttoaineet ongelmineen

Läppäventtiili Eurovalve

DEE Kryogeniikka

Ideaalikaasut. 1. Miksi normaalitila (NTP) on tärkeä puhuttaessa kaasujen tilavuuksista?

Lahti Energian uusi voimalaitos KYMIJÄRVI II. Jaana Lehtovirta Viestintäjohtaja Lahti Energia Oy

Kirjoittaja: tutkija Jyrki Kouki, TTS tutkimus

Voitelulaitteen kannessa olevalla säätöruuvilla voidaan ilmaan sekoittuvan öljyn määrä säätää helposti.

Kaasuauto. Autoalan opettaja- ja kouluttajapäivät Tampere. Jussi Sireeni.

Palot ajoneuvoissa Syyt / Riskit / Haasteet

ÖLJYNJAKELULAITTEET PAINEPISTE OY

LUONNONKAASUA TEOLLISUUDELLE NYT KAIKKIALLE SUOMEEN.

HOLZ-HER Glu Jet Järjestelmä Näkymättömät ja ohuet liimasaumat. Älykästä Reunalistoitusta PATENTOITU JÄRJESTELMÄ Ä

N:o Uusien polttolaitosten ja kaasuturbiinien, joiden polttoaineteho on suurempi tai yhtä suuri kuin 50 megawattia päästöraja-arvot

Clen Royal Vaativan ammattilaisen valinta kun tarvitaan tehoa ja kestävyyttä. Runsas vesimäärä ja paine esim. ajoneuvojen puhdistamiseen!

HW 1800 (350) - voimapesä pikkuveljeksi HW 3600:lle

PESUKARHU SUIHKUPUTKET

MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka. Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU

HW roudansulatusta uudella tasolla

Metallin lisäävän valmistuksen näkymiä

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Vuodesta Tynnyri- ja konttipumput Tiivisteettömät keskipakopumput

Läppäventtiili Eurovalve

Vaatimusmäärittely Ohjelma-ajanvälitys komponentti

NESTEIDEN KÄSITTELY TYNNYRISUPPILOT & TYNNYRIKANNET

Toiminnanharjoittajan turvallisuustiedote yleisölle Tukesin valvonnan alaiset tuotantolaitokset. Oy Woikoski Ab

Lahti Energia. Kokemuksia termisestä kaasutuksesta Matti Kivelä Puh

AirDirtVec. ilman- ja lianerottimet lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmiin.

KLAPI-ILTA PUUVILLASSA

AGA-säätimet. Keskussäädin MR-21.. s. 2. Keskussäädin MR-60.. s. 3. Unicontrol 500 s. 4. Fixicontrol HT. s. 5. R-21 < 10 bar s. 6. DIN Control.. s.

PUUHIILIUUNI METOS INKA P300, P600, P900

PC vai Yoshbox? Moottorinohjauksen lyhyt teoria ja vertailu Mustavalkoisesti kirjoitettuna innostamaan tiedon ja mielipiteiden jakamiseen by PetriK

Satamatie LAPPEENRANTA. p fax

3D-TULOSTAMINEN: PÄÄSTÖT JA

Entistä parempaa valoa

2. Prosessikaavioiden yksityiskohtainen tarkastelu

Tilavuusvirta maks. 160 l/min Paine maks. 11 bar OILFREE.AIR

DUNIFORM YKSINKERTAISTAA TOIMINTAA

Test report. Kuva 1. Vella II-uuni

LINJASÄÄTÖVENTTIILI haponkestävä teräs hitsatut päät / laipat 467 ja 468

DUOMIX PU 460 DUOMIX PU komponentti polyureajärjestelmät. Vaahtojärjestelmät

LÄPPÄVENTTIILI WAFER tyyppi haponkestävää terästä 411 (410) sarjat PN , sarjat höyrylle (fire safe rakenne)

Pääedustaja Suomessa OY. LAATUVAUNU AB HELSINKI. P. Esplanaadikatu 23. Puh ja 23326

MATEMATIIKKA. Matematiikkaa pintakäsittelijöille. Ongelmanratkaisu. Isto Jokinen 2017

TUOTENRO NIMIKE MITAT PAINO NIM.TEHO SÄILIÖ IP-LUOKKA JOHTO Märkä- ja kuivaimuri GWD x 600 x 868 mm 21 kg 2700 W 50 L IP24 10 m

VALMISTEYHTEENVETO. Lääkkeellinen hengitysilma on tarkoitettu lapsille, aikuisille ja vanhuksille.

UUSI. parempi suojata kuin katua!

Energiatietäjä-kilpailukysymyksiä

18757: NESTEIDEN KÄSITTELY MÄRKÄ- JA KUIVAIMURIT MÄRKÄ- JA KUIVAIMURIT MÄRKÄ- JA KUIVAIMURIT IVB 5 & 7 ALLROUNDIMURIT PÄIVITTÄISEEN KÄYTTÖÖN

LINJASÄÄTÖVENTTIILI haponkestävä teräs hitsatut päät / laipat 467 ja 468

Betonituotteet kemiallista kestoa vaativiin kohteisiin Ruskon Betoni Oy , Niko Riikonen

KJR-C2004 materiaalitekniikka Materiaalinvalinta ja elinkaarianalyysi

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Energian talteenotto liikkuvassa raskaassa työkoneessa Heinikainen Olli

DirtVec. lianerottimet lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmiin.

Aukoton havaitseminen. Varmasti luotettava. Commercial Series -liiketunnistimet

Kääntöluistiventtiilit HRB 3, HRB 4

Typpeä renkaisiin Pitää paineen vakaana ja vähentää kustannuksia

Oikea konsepti kaikkiin tarpeisiin. Lukitusjärjestelmät

Kuumana kovettuvat hiekkaseokset

Kääntöluistiventtiilit HRB 3, HRB 4

Kierreliittimet Lyijytöntä Piipronssia CuSi PURAFIT

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Yhdistelmäuuni: kuumasavu/bbq/grilli Käyttöohjeet

Suomen kaasuyhdistyksen syysseminaari Kaasuautokonversio. Tommi Kanerva

Elisa ja Eino. Potilaspaneelit Potilaskourut Leikkaussali -ja Tehohoitopalkit 2002/2003

Kandidaatintyö: Vesikiertokeskuslämmitysjärjestelmien putkistolaskenta ja perussäätö

Avaruusaluksen ja satelliitin radan muuttaminen ilman ajoainetta: sähköpurje ja plasmajarru

ANC erikoisleikkuuneste alumiinin työstöön - käyttöturvatiedote

PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2016

Liikennepolttoaineet nyt ja tulevaisuudessa

Ainemäärien suhteista laskujen kautta aineiden määriin

Kon HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA

Palloventtiili haponkestävä teräs ja teräs Mecafrance

Suomi. turvallisuus. lihamylly. lihamyllyn kokoaminen

..PILKK.O" PUUKAASUTIN VALMISTAJA OY. ;>\ LAHTI

Ratkaisu aurinkopaneelien liitäntään

Valmispiippu RONDO PLUS

Jäspi-Lämpöakku 500, 700, 1500, 2000 ja 3000 l energiavaraajat

PUMPPUJEN LISÄVARUSTEET LOREM IPSUM JE ZULT MAAR 60 HZ. Head. 3m/s. 1m/s. 5m/s. 2m/s. 4m/s NPSH Ø138 Ø144 Ø133. Flow.

TRV Nordic. Termostaattianturit Joka sisältää tuntoelimen Pohjoismainen muotoilu

OMAX VESILEIKKUUMATERIAALIT

KULJETTAJAN KÄSIKIRJA

KALVOVENTTIILIT OMINAISUUDET: YLEISIMMÄT KÄYTTÖKOHTEET: Kemianteollisuus, vesilaitokset, elintarviketeollisuus sekä paperiteollisuus

TONA. Taloudellinen ja ekologinen keraaminen savupiippujärjestelmä CERAMIC GUARANTEE

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Metropolia AMK BOSCH REXROTH HYDRAULIPENKIN KONSEPTISUUNNITTELU

Kaksi yleismittaria, tehomittari, mittausalusta 5, muistiinpanot ja oppikirjat. P = U x I

SÄILYTYSKANSI VOITELUKANNUT VÄHENTÄVÄT ÖLJYJEN EPÄPUHTAUKSIA PITKÄ NOKKA JA ROISKEITA KÄYTÖSSÄ YLEISKANSI

TULIKIVI Green tuoteperhe. Onni Ovaskainen

R o L. V-PALLOVENTTIILI haponkestävä teräs 455- (459) sarjat SILVER LINE. Operation. Käyttö ja rakenne. Versio

Lämpömittari ja upotustasku venttiiliin MTCV DN 15/20. Kuulasululliset venttiiliyhdistäjät (2 kpl sarjassa) G ½ x R ½ venttiiliin MTCV DN 15

Transkriptio:

Tampereen teknillinen yliopisto Avaruustekniikan kurssin 72681 harjoitustyö: Hybridirakettimoottorit Tommi Berg tommi.berg@tut.fi 190080 2004

2 Sisällysluettelo Sisällysluettelo... 2 Historia... 3 Moottorin rakenne ja toiminta... 4 Polttoaineet... 4 Hapettimet... 5 Polttokammio ja suutin... 6 Mitoitus... 7 Sovellukset... 8 Loppupäätelmät... 11 Viitteet... 12

3 Johdanto Hybridirakettimoottorit ovat viime vuosina nousseet potentiaaliseksi vaihtoehdoksi jo pitkään käytössä olleisiin nestemäisiin ja kiinteisiin polttoaineisiin perustuvien rakettimoottoreiden rinnalle. Tällä hetkellä hybriditekniikka on jo melko laajasti käytössä keveissä luotainraketeissa, mutta suurten kantorakettien kokoluokassa vaaditaan vielä kehitystyötä, jotta hybriditekniikka voisi kilpailla nykyisten tekniikoiden kanssa. Kiinnostusta kehitystyön tekemiseen kuitenkin on sillä hybriditekniikan edut ovat merkittävät sekä nestemäisiin että kiinteäpolttoaineisiinkin moottoreihin verrattuna. Tässä harjoitustyössä hybridimoottorilla tarkoitetaan nestemäiseen hapettimeen ja kiinteään polttoaineeseen perustuvaa rakettimoottoria. Muita hybridimoottorin tunnusmerkit täyttäviä moottori tyyppejä ovat mm. kiinteäpolttoaineinen ramjet/scramjet sekä nestemäistä polttoainetta ja kiinteätä hapetinta polttava hybridi, eli ns. käänteinen hybridi. Tämä harjoitustyö on lyhyt johdatus hybridirakettitekniikkaan ja tässä pyritään kertomaan aiheesta tyylillä, joka auttaisi kiinnostunutta lukijaa ymmärtämään hybridien toimintaperiaatteen ja edut verrattuna tämänhetkisiin valtavirran tekniikoihin. Historia Hybridimoottoritekniikan pioneeriaika alkoi 30-luvulta, jolloin venäläiset, saksalaiset ja amerikkalaiset tiedemiehet tutkivat tekniikkaa. Venäläiset saivat aikaan ensimmäisen lentävän hybridiraketin S. Korolevin ja M. Tikhonravovin johdolla vuonna 1933. Hybridien pioneeriajan voidaan katsoa ulottuvan 60-luvulle asti. Tänä aikana tutkittiin jo monia eri hapetin-polttoaine kombinaatioita, näistä monet polttoaineet ovat nyttemmin vaihtuneet muoviperustaisiin polttoaineisiin, mutta yleisimmät hapettimet ovat edelleen samoja kuin alkuaikoina: nestemäinen happi tai typpioksiduuli (ilokaasu). Starstruck (Amroc) Dolphin [8] 1970-luvun alkaessa hybridirakettimoottorien tutkimus eli suvantovaihetta kunnes yhdysvaltalainen yhtiö Starstruck esitteli 1981 keskikokoisen kanto-/luotainraketin edullisempana vaihtoehtona perinteisille rakettitekniikoille. Projekti kaatui rahoitusvaikeuksiin, mutta tästä alkoi kuitenkin hybridien uusi aikakausi, joka jatkuu edelleen. Tällä hetkellä ainakin Yhdysvalloissa tutkitaan hybridien käyttöä kantoraketin ns. strap-on apurakettina. Tässä käytössä se olisi paitsi tehokkaampi niin myös turvallisempi vaihtoehto.

4 Moottorin rakenne ja toiminta Hybridi sijoittuu rakenteen monimutkaisuutensa puolesta nestemäistä ja kiinteää polttoainetta polttavien moottorien puoliväliin. Nestemäinen hapetin vaatii venttiileitä, putkitusta, anturointia ym., mutta toisaalta kiinteällä polttoaineella ei ole mitään erityisiä vaatimuksia käytön tai käsittelyn aikana. Valmistuksen ja varastoinnin kannalta hybridimoottorit ovat varmasti erityisen tervetullut uudistus avaruusalalla, jossa on totuttu toimimaan myrkyllisten ja helposti räjähtävien materiaalien kanssa. Esimerkiksi polttoainelatauksen valmistus ei eroa oleellisesti minkä tahansa muovivalukappaleen valmistuksesta. Hybridimoottorin perusrakenneosat ovat hapetinsäiliö, jossa säilytetään paineen alaista nestemäistä hapetinta. Tästä säiliöstä hapetin suihkutetaan pääventtiilin ja tarkkaan mitoitetun suuttimen läpi polttokammioon, jossa hapetin palaa polttokammion lämmössä sulaneen polttoaineen kanssa muodostaen kuumia palokaasuja ja siten suuren paineen. Polttokammiosta palokaasut viedään jälkipolttokammion kautta suuttimeen ja sitä kautta suurella nopeudella ulos. Usein polttokammiossa on myös esipolttokammio, josta kerrotaan tarkemmin edempänä. Hybridimoottori käynnistetään lämmittämällä polttokammio sopivaan lämpötilaan esim. happi-butaani liekillä ennen hapetinsäiliön pääventtiilin avaamista. Hybridimoottorin rakenne [5]. Polttoaineet Nykyisissä hybridimoottoreissa käytetään yleisesti HTPB (hydroksyylipäätteinen polybutadieeni) perustaisia polttoaineita. Lisäaineina HTPB:n lisäksi voidaan käyttää esim. alumiinijauhetta, IPDI:tä (isoforonidi isosyanaatti), nokea ja risiinioljyä [1,5]. Lisäaineilla on erilaisia käyttötarkoituksia. Esimerkiksi alumiini nostaa jonkin verran palokammion lämpötilaa mikä nostaa painetta ja kasvattaa työntövoimaa, mutta toisaalta palokaasut ovat suurimolekyylisempiä (suurempimassaisia partikkeleita), mikä puolestaan laskee työntövoimaa hieman. Yleensä hybridin palokaasut ovat varsin puhtaat. Esimerkiksi harrastekäyttöön tarkoitetun HyperTEK-moottorin [9] palokaasut koostuvat pääasiassa typestä (54%), hiilimonoksidista (18%), vesihöyrystä (13%) ja hiilidioksidista (12%), ja tästä syystä raketin jättämä vana on melko näkymätön. Jos savu halutaan näkyvämmäksi voidaan polttoaineeseen sekoittaa esim. aiemmin mainittua alumiinia. Jollain lisäaineilla siis vaikutetaan palotapahtumaan, mutta niillä voidaan myös vaikuttaa myös polttoaineen lujuus- ja lämmönjohtumisominaisuuksiin tai savukaasun näkyvyyteen.

5 Tarkan lisäainekombinaation löytyminen on tietenkin kovan työn takana ja se on usein tarkoin varjeltu salaisuus. Poikkeuksellisesti kuitenkin Coloradon yliopiston MaCH-SR1 projektin dokumentaatiossa [5] on kerrottu testien avulla saadut tarkat sekoitussuhteet HTPB:lle ja eri seosaineille. NASA on tutkinut viimevuosina myös parafiinia hybridimoottorin polttoaineena [4]. Viime vuonna suoritetut kokeet ovat osoittaneet että parafiiniperustainen polttoaine on palonopeudeltaan jopa kolminkertainen verrattuna useisiin muihin polttoaineisiin. Tämä tekee parafiinista erityisen käyttökelpoisen suurta työntövoimaa vaativissa sovelluksissa. Yksi ajateltu sovellus on avaruussukkulan kiinteäpolttoaineisten apurakettien korvaaminen tällä tekniikalla. NASA:n mukaan hybriditekniikalla toteutettu sukkulan apuraketti olisi kooltaan vastaava mutta hieman pitempi kuin nykyinen, ja sillä olisi tietenkin selvät turvallisuusedut sammutus, työntövoiman säätö ja helppo käsittely- nykyiseen ratkaisuun verrattuna. Hapettimet Yleisimmät hybrideissä käytetyt hapettimet ovat nestemäinen happi ja nestemäinen typpioksiduuli (ilokaasu). Näistä happea pidetään yleisesti vaikeampana ja vaarallisempana käsitellä sen alhaisen kiehumispisteen ja voimakkaan reaktiivisuuden vuoksi. Typpioksiduulin taas on ominaisuuksiltaan verrattavissa hiilidioksidiin ja on siten merkittävästi helpompaa käsitellä ja säilyttää. Alla olevassa taulukossa on vertailtu nestemäisen hapen ja typpioksiduulin etuja ja haittoja. Yleisimpien hapettimien vertailu [5, report 2003-04, s.20] Hapetinsäiliön paineistamiseen voidaan käyttää jotain suuripaineista ja inerttiä kaasua kuten heliumia tai typpeä. Paineistamiseen käytettävän kaasun valintaan vaikuttaa luonnollisesti käytetty hapetin. Esimerkiksi hapen paineistamiseen ei kannata käyttää typpeä, koska typen kiehumispiste (195,8 C @ 1 bar) on liian lähellä hapen kiehumispistettä. Joissain tapauksissa hapettimen paineistus voi tapahtua yksinkertaisesti hapettimen itsensä avulla. Typpioksiduulilla huoneen lämmössä olevaan säiliöön muodostuu noin 50 baarin paine, jota käytetään hyväksi mm. SpaceShipOne avaruusaluksessa ja HyperTEK harrastemoottoreissa. Yleensä hapetin ajetaan paineen alaisena polttokammioon suuttimen kautta, joka hajottaa nesteen pieniksi pisaroiksi varmistaen näin paremman sekoittumisen rajapinnassa sulan polttoaineen kanssa. Hyvä sekoittuminen saa aikaan tehokkaan palamisen ja siten myös pienet päästöt. Hapetinsuuttimen toinen tehtävä on rajoittaa hapettimen virtausta tasolle, jolla hapettimen ja polttoaineen seossuhde on optimaalinen. Esimerkiksi MaCH-SR1 projektissa typpioksiduulille ja HTPB-polttoaineelle laskettu optimaalinen hapetin/polttoainesuhde on noin 5:1. [5,6]

6 Polttokammio ja suutin Hybridimoottorin polttokammio on useimmiten oheisen kuvan kaltainen. Se sisältää pituussuunnassa katsoen hapetinsuuttimen, esipolttokammion, polttoaineosan jälkipolttokammion ja suuttimen. Hapetinsuutin kannattaa kirjallisuudessa [1] esiintyneiden tietojen mukaan suunnitella niin, että se aiheuttaa runsaasti pyörteilyä esipolttokammiossa ja siten säilyttää liekin polttokammiossa hybridimoottorille ominaisen sykäyksittäisen palotapahtuman aikana. MaCH-SR1 projektin II-vaiheen testimoottori. [3] Esi- ja jalkipolttokammio on yleensä eristetty moottorin kuoresta lämpöä eristävän ja kuumuutta kestävän kerroksen, esim. fenoli-pohjaisen materiaalin tai grafiitin, avulla. Tällä estetään lämmön siirtymistä moottorin kuoreen ja siten moottorin työntövoiman laskua. Samalla estetään moottorin ulkokuoren vahingoittuminen polttokammion suuressa kuumuudessa. Suutin on useimmiten valmistettu grafiitista tai hiili-hiili-komposiitista, joka kestää kuuman ja suurinopeuksisen kaasuvirtauksen aiheuttamaa eroosiota erittäin hyvin. Happi kuitenkin aiheuttaa nopean eroosion hiilellä, joten se ei käy suutinmateriaaliksi moottoreille, joiden palokaasut sisältävät merkittävissä määrin happea. Jos moottorin työntövoimaa halutaan säätää, palokaasujen seossuhteet voivat hetkellisesti vaihdella paljonkin. Tämän seurauksena palokaasujen happipitoisuus saattaa hetkellisesti runsas, mikä aiheuttaa ongelmia hiiliperustaisilla suuttimilla. Tästä syystä esimerkiksi eac [7] on tutkinut viime aikoina ahkerasti muita ratkaisuja, esimerkiksi aktiivisesti jäähdytettyjä kuparisuuttimia.

7 Yksi tuore suutinvaihtoehto, joka voi olla erityisen sopiva esimerkiksi pitkään palavalla hybridimoottorilla varustetulle yksivaiheiselle luotainraketille, on ns. aerospike-suutin. Sen etuna on joustava mukautuminen ympäristön paineen muutokseen. Perinteinen kaksoiskartion mallinen (convergent-divergent) rakettimoottorin suutin on aina suunniteltu toimimaan hyvin jossain tietyssä ulkoisessa paineessa. Jos paine kuitenkin poikkeaa merkittävästi suunnittelupaineesta seurauksena on suuri virtausvastus. Tästä syystä erityisesti yksivaiheisessa raketissa suuttimen mukautuminen vallitsevan paineen muutokseen ilmakehän ohentuessa on merkittävä etu. eac:n testejä kiinteällä polttoaineella ja aerospike-suuttimella normaalipaineessa ja lähikuva aerospikesuuttimesta. [7] Mitoitus Hybridirakettimoottorin mitoitukseen vaikuttavat saatavissa olevat materiaalit, käyttöolosuhteet, halutut suoritusarvot ja muut tekijät kuten turvallisuus sekä käsittelyn helppous. Moottorin mitoituksen ja suunnittelun lähtökohtina ovat yleensä haluttu paloaika ja työntövoima. Tämän harjoitustyön puitteissa moottorin mitoitusta ei voida käsitellä yksityiskohtaisesti, mutta joitain periaatteita otan tässä kuitenkin esiin. Hybridimoottorin rakenneparametrit, eli polttoaineen massavirta ja määrä sekä hapettimen massavirta ja määrä, voidaan teoriassa määrittää kunhan tiedetään käytettävissä olevan yhdistelmän optimaalinen seossuhde ja aiemmin mainitut paloaika ja haluttu työntövoima. Hapettimen massavirralla on suora vaikutus hapettimen ja polttoaineen seossuhteeseen, ja siihen vaikuttaa myös polttoaineen massavirta. Polttoaineen massavirtaan vaikuttavat polttoainekammion sisäpuoleinen muoto (pyöreä, tähti, monireikäinen,...) ja kammion pituus, kammiossa vallitseva lämpötila, lämmön johtuminen polttoaineessa sekä polttoaineen sulamislämpötila. Moottorin suoritusarvojen laskenta käytännössä vaatii vielä paljon kokeellista tutkimusta. Hybriditekniikka on vasta yleistymässä ja siksi valmista tutkimustietoa on vielä melko rajallisesti saatavissa. Hybridimoottorin toimintaan vaikuttavat oleellisesti myös lämpötilajakauma sekä hapettimen ja palokaasujen virtaus moottorin sisällä, joiden laskenta on erittäin vaikeaa.

8 Sinänsä moottorin aiheuttaman kiihtyvyyden (a) laskenta voidaan tehdä samalla tavalla kuin muillakin rakettimoottoreilla, eli käyttäen Tsiolkovskyn rakettiyhtälöä: Sovellukset a( t) = v out M M t Tällä hetkellä varmasti tunnetuin hybridimoottorilla varustettu lentolaite on amerikkalaisen Scaled Composites (SC) -nimisen yrityksen SpaceShipOne -avaruusalus. Tämä X-prize kilpailuun osallistuva miehitetty raketti laukaistaan White Knight -nimisen lentokoneen alta noin 20 km korkeudessa, mistä se lentää oman rakettimoottorinsa voimalla huippukorkeuteensa noin 100 km:iin. SpaceShipOne suoritti 21. kesäkuuta 2004 historiallisen ensimmäisen yksityisesti rahoitetun avaruuslennon ja tätä kirjoitettaessa uusia lentoja odotetaan. WhiteKnight-lentokone ja SpaceShipOne-alus. [6] SpaceShipOne:n moottori on syntynyt SC:n ja eac:n yhteistyönä. Tässä eac on vastannut polttoaineen, polttokammion, suuttimen, hapetinventtiilien, hapetinsuuttimen ja moottorin ohjauselektroniikan kehittämisestä sekä maatestien suorittamisesta. Maatestausvaiheessa oli moottoripuolella mukana myös toinen yhteistyöyritys ja eac:n kilpailija, SpaceDev, eli aiemmin mainitun Amroc:n seuraaja. SpaceShipOne:n moottori koostuu kolmesta pääosasta: moottorin polttokammio/suutinosasta, hapetintankista ja näitä yhdistävästä välilaipiosta. Alla oleva karkea kuva esittää moottorin osia. Hapetintankki on valmistettu hiilikuituvahvisteisesta muovista ja polttokammio luultavasti fenolieristeisestä hiilikuituputkesta. Molemmat kuiturakenteet on valmistettu kelaamalla epoksilla kostutettua kuitua sisäpuolelle jäävän aihion ympärille. Välilaipion materiaali on luultavasti haponkestävä teräs tai lämpösuojakerroksella päällystetty alumiini. Päähapetinventtiili, jonka tehtävä on säädellä hapettimen virtausta polttokammioon, on sijoitettu välilaipioon hapetintankin sisään, jotta moottoriin liittyvä putkitus saadaan mahdollisimman lyhyeksi.

9 SpaceShipOne aluksen moottorin rakenne. [6] Moottorin rakenne on suunniteltu niin, että hapettimena toimivan typpioksiduulin täyttöliittimet ja tarvittava anturointi on tankin etuosassa, jotta ko. komponentit eivät joutuisi alttiiksi lennonaikaiselle lämpökuormalle. Moottorin rakenteessa on muutenkin pyritty mahdollisimman yksinkertaiseen rakenteeseen ja hyvään luotettavuuteen, mikä on olennaista miehitetyissä raketeissa. SpaceShipOne liussa kohti maan pintaa. [6]

10 Toinen erittäin mielenkiintoinen ja tuore sovellus on Coloradolaisen yliopiston (University of Colorado at Boulder) opiskelijoiden monivuotinen projekti, jonka tavoitteena on saada yliopiston käyttöön suuri, turvallinen ja mahdollisimman helppokäyttöinen luotainraketti, joka voi kuljettaa 4,5 kg hyötykuorman 125 km korkeuteen. Raketti ei ole kertakäyttöinen, vaan sen runko ja tärkeimmät moottorinkin osat on tarkoitus käyttää uudelleen. Täyskokoisen moottorin tavoitteellinen keskimääräinen työntövoima 58 kn ja paloaika 15 s. Tällä hetkellä ryhmä on testannut menestyksellä 22 kn työntövoimaan pystyvää moottoria 15 s paloajalla. Alla oleva kuva esittää viimeksi mainittua moottoria testausalustalla ennen testejä. MaCH-SR1 -projektin moottori testialustalla. [5]

11 Loppupäätelmät Yleisesti hybriditekniikka rakettimoottoreissa vaikuttaa erittäin mielenkiintoiselta kehityssuunnalta. Se mahdollistaa turvallisten, rakenteeltaan yksinkertaisten ja myöskin ympäristöystävällisten rakettien rakentamisen tulevaisuuden tarpeisiin. Nestemäistä polttoainetta polttavat rakettimoottorit ovat kemiallisista raketeista Isp:n suhteen mitattuna tietenkin parhaita, mutta rakenteeltaan monimutkaisina ne rajautuvat pois monista käyttökohteista. Kiinteäpolttoaineiset raketit puolestaan ovat hybrideihin verrattuna todella vaarallisia ja useasti myöskin ympäristön kannalta haitallisempia kuin tuoreet kilpailijansa. On erittäin mielenkiintoista nähdä miten hybridirakettitekniikka kehittyy tulevaisuudessa. Siinä on ainakin valtavasti potentiaalia ja tietysti myös muut uudet tekniikat kuten aerospike tasoittavat tietä hybridimoottoreille. Tähän loppuun sopii vielä lainaus SpaceDev:n nettisivuilta [8], jossa puhutaan hybridimoottorien turvallisuudesta: Safety It is difficult to find a rocket motor safer than one using rubber/plastic and laughing gas. It is nonexplosive. The rubber / LOX combination has even been rated by the Vandenburg range as a 0 lb of TNT equivalent (i.e. non-explosive). N2O is even safer (it is used as a pressurant for whipped cream). The bottom line is that the fuel has to be vaporized in the presence of an atomized oxidizer with a high temperature igniter in order for it to burn. Even in failure mode, it s safe. Flow oxidizer without vaporized fuel and nothing happens. Vaporize fuel without oxidizer and nothing happens. Fuel vaporized in the presence of an atomized oxidizer with a high temperature igniter, and space happens.

12 Viitteet 1. Rakettitekniikan perusteos. Sutton, George P. & Biblarz, Oscar; Rocket Propulsion Elements 7th edition, John-Wiley & Sons, 2001 2. Hybridien historiaa saksalaisella nettisivulla. http://www.hybridraketen.de/homepage/old/antares/hybridraketen/history.htm 3. Selostus hybridimoottorin suunnittelusta ja testauksesta. Krauss, Otto, Design and test of a lab-scale N20/HTPB hybrid rocket, AIAA. 4. NASA hybridimoottoritestit. http://amesnews.arc.nasa.gov/releases/2003/03_04ar.html 5. University of Colorado, opiskelijoiden MaCH-SR1-rakettiprojekti. http://www.mach-sr1.org 6. Scaled Composites, SpaceShipOne-projektin toteuttaja. http://www.scaled.com/ 7. Environmetal Aeroscience Corporation (eac), yksi tärkeimmistä hybriditekniikan kehittäjistä tällä hetkellä. http://www.hybrids.com/ 8. SpaceDev Inc. Starstruck ja Amroc yritysten patenttien haltija, toiminnan jatkaja. http://www.spacedev.com 9. HyperTEK, Kanadalaisen Cesaroni Inc:n eac:n lisenssillä valmistamia hybridimoottoreita harrastajille ja yliopistoille. http://www.hypertekhybrids.com