Na čem raketa běží?

Cestování vesmírem, jeden z nejinspirativnějších úspěchů lidstva, je nemožné bez raketového pohonu. Na jednu stranu je princip jeho fungování maximálně jednoduchý, na druhou se ale jen málokterá země může pochlubit raketovými motory vlastní výroby.

Od okamžiku Gagarinova startu dodnes všichni ruští kosmonauti stoupají z povrchu Země pomocí motorů RD-107/108. Sériová výroba těchto mimořádně spolehlivých motorů pokračuje v závodě Rostec v Samaře, UEC-Kuzněcov. Povídáme si o tom, jak funguje a funguje vesmírný motor RD-107/108 s dlouhou životností.

Kosmicky jednoduché

Dokonce i dítě dokáže vysvětlit princip fungování proudových motorů, mezi které patří raketové motory. K tomu stačí uvolnit nafouknutý balónek, který pod vlivem vyvrženého vzduchu poletí opačným směrem. K pohybu koule i rakety dochází podle třetího Newtonova zákona: na akci je vždy stejná a opačná reakce. Akce nepřichází z ničeho. K zajištění akce je zapotřebí energie. V kouli je to potenciální energie vzduchu stlačeného podle nejlepších schopností vašich plic. Rozdíl mezi raketou je v tom, že k překonání atmosféry je nutné vyvrhnout velké masy hmoty velmi vysokou rychlostí, což vyžaduje přísun obrovského množství energie. To je to, co dělá raketový motor.

Foto: Vesmírné středisko Vostočnyj / Roskosmos

Nejběžnějším typem motoru pro vesmírné programy jsou dnes raketové motory na kapalné palivo (LPRE), které jako palivo využívají kapalné palivo a okysličovadlo. K tomuto typu patří i ruský RD-107/108.

Kapalinové motory jsou v současnosti nejvýkonnější a nejuniverzálnější raketové motory, s jejichž pomocí se uskutečňuje většina letů do vesmíru. Vyznačují se vysokým specifickým impulsem, to znamená, že s menší hmotností spotřebovaného paliva vytvářejí větší tah. Motory na kapalná paliva navíc umožňují aktivní řízení úrovně tahu a lze je použít mnohokrát. Navíc oproti jiným typům raketových motorů, například na tuhá paliva, jsou mnohem složitější a dražší, takže jejich hlavní oblastí použití je kosmonautika a zajištění startů orbitálních a meziplanetárních vozidel.

Jak funguje kapalný raketový motor?

Pro získání užitečného účinku dostatečného pro průlom do vesmíru je potřeba získat velké množství energie – efektivně spálit velké množství paliva. Jak víte, jakýkoli proces spalování je chemická oxidační reakce. A pokud na Zemi pro jiné typy tepelných motorů může být jako okysličovadlo použit atmosférický kyslík, pak pro raketový motor a zvláště ve vesmíru musí být okysličovadlo a palivo k dispozici přímo na raketě a nejlépe v nejhustší a vhodné pro dodávku kapalné formy. RD-107/108 používá kapalný kyslík jako okysličovadlo a petrolej jako palivo.

Foto: United Engine Corporation

Ve spalovací komoře, zásobované speciálními čerpadly v potřebném množství a s požadovaným tlakem, dochází k míchání a spalování okysličovadla a paliva. Horké (s teplotou několika tisíc stupňů) spaliny ve speciálním profilu profilu – nadzvuková Lavalova tryska – jsou urychleny na mnohonásobné nadzvukové rychlosti a jdou do vesmíru. Vynásobíte-li součet druhé spotřeby hmotností paliva a okysličovadla rychlostí výstupu spalin z trysky, můžete k prvnímu přiblížení získat tahovou sílu motoru. Obecně tedy můžeme popsat provozní schéma raketového motoru na kapalné palivo.

Zařízení RD-107/108

Motor RD-107/108 se skládá ze čtyř spalovacích komor, turbočerpadlové jednotky, plynového generátoru, dusíkového výparníku pro přetlakování raketových nádrží a sady automatizačních jednotek. Pro řízení letu rakety mají motory řídící kamery: dvě na RD-107 a čtyři na RD-108.

Teploty hoření a zplodiny hoření neodpovídají možnostem stávajících kovů a vyžadují chlazení stěn spalovací komory a trysky. V RD-107/108 je tento inženýrský problém řešen dvoustěnným provedením spalovací komory a trysky a organizací stěnového chlazení z horké dráhy přiváděním paliva (petroleje) do spalovací komory přes mezistěnové prostory.

Druhým rysem RD-107/108 je otevřený okruh výboje generátorového plynu. Okysličovadlo a palivo jsou uloženy v samostatných nádržích a přiváděny do systému pomocí jednotky turbočerpadla (TPA). K pohonu palivových a okysličovacích čerpadel slouží turbína, jejíž pracovní kapalinou je paroplyn, produkt katalytického rozkladu peroxidu vodíku. Výfuk z turbíny je vyhazován za výstup trysky.

Držitel vesmírného rekordu

Vývoj motorů RD-107 a RD-108 probíhal v letech 1954–1957 pod vedením vynikajícího konstruktéra Valentina Glushka. Motory byly určeny pro první mezikontinentální balistickou střelu na světě R-7, jejíž modifikace v roce 1957 vynesla do vesmíru první umělou družici Země. V roce 1961 motory poháněly první pilotovaný let do vesmíru. Již více než 60 let vzlétají ruské rakety Sojuz s motory RD-107/108 a jejich modifikacemi. Sériová výroba motorů byla zavedena v závodě Samara „ODK-Kuzněcov“, který je součástí United Engine Corporation Rostec.

Program RD-107/108 se nadále vyvíjí, vznikají nové modifikace – celkem bylo vyvinuto 18 možností pro různé programy. Dnes jsou modifikacemi pohonných systémů RD-107A/RD-108A vybaveny prvním a druhým stupněm všechny nosné rakety střední třídy typu Sojuz. Všechny vesmírné lodě s lidskou posádkou a až 80 % nákladních lodí v Rusku startují právě díky těmto motorům.

RD-107/108 již vytvořil svůj vlastní vesmírný rekord v dlouhé životnosti. Samozřejmě jednou jeho čas uplyne, ale dnes ještě není rezerva na vylepšení motoru vyčerpána.