Tahkekütusrakett

NASA töölised kinnitamas tahkekütusrakettmootorit Delta II kanderaketile

Tahkekütusrakett on rakett, mille mootoris kasutatakse tahket kütust. Omavahel segatud kütusekomponendid (põlev aine ja oksüdeerija) reageerivad keemiliselt, moodustuvad gaasid kiirenevad düüsis ja paiskuvad välja suure kiirusega. Impulsi jäävuse seaduse tõttu liigub rakett edasi. Kõikides rakettides kasutati mingit liiki tahket kütust kuni 20. sajandi alguseni, kui tulid kasutusele vedelkütusraketid, mis olid tõhusamad ja paremini juhitavad.

Tahkekütusrakettide peamised kasutusalad tänapäeval on mudelraketid ning suuremad moodulid tahkekütusraketi lihtsuse ja töökindluse tõttu. Tahkekütusrakett võib ka pärast pikka aega laos seismist töökindel olla, tänu sellele kasutatakse neid peamiselt sõjatööstuses. Kosmoselendude puhul on enamasti kasutusel hübriidmootorid, mis tähendab, et peamised mootorid on vedelkütusmootorid ning tahkekütusraketid on kinnitatud kanderaketi külge, aitavad suurendada kasuliku lasti mahtu (kuna on väiksemad kui vedelkütusraketid) ning annavad vajaliku lisakiirenduse peale starti ning tahke kütuse lõppedes heidetakse kanderaketi küljest ära.

Ajalugu

Esimesed teadaolevad tahkekütusrakettide kasutajad olid hiinlased, kelle varaseimad katsetused pärinevad 13. sajandist. Lisaks kasutasid tolleaegses sõjapidamises tahkekütusrakette veel indialased, mongolid ja araablased. 18. sajandil tehti Indias tahkekütusraketile oluline täiendus – süütekambrina võeti kasutusele metallsilinder. 20. sajandi alguses võeti kasutusele juba vedelkütusraketid. Sellegipoolest on tahkekütusraketid kasutusel. 20. sajandi vältel on neid pidevalt arendatud (nt on muudetud ka kütuse konsistentsi), nii et saavutatud on suurem stabiilsus ning leitud võimalusi suuremaid rakette ehitada. Seni suurim valmistatud tahkekütusrakettmootor on 2011. aastal Ameerika Ühendriikdies Utah' kõrbes testitud Development Motor 3 (DM3), mille ehitamine pidi olema algselt projekti Ares I esimene staadium. Mootori võimsus on umbes 16,4 GW, see on ehitatud viiest osast, läbimõõduga 3,7 m. Mootori kogupikkus on 47 m.

Tahkekütusraketi ehitus

Tahkekütusraketi lihtsustatud skeem

Lihtne tahkekütusrakett koosneb tugevast korpusest (kambrist), düüsist, kütusest ja sütikust. Kütus koosneb põlevaine ja oksüdeerija segust, mis reageerivad kõrge rõhu ja temperatuuri tingimustes. Selle tulemusel eraldub suur kogus kuumi gaase, mis kiirenevad düüsis ja paisatakse välja, tekitades tõukejõu. Põhinõudeks raketi korpusele on tugevus – ta peab taluma kõrget siserõhku purunemata ja deformeerumata. Seejuures peab korpuse mass olema võimalikult väike: igasugune lisakaal vähendab raketi kasulikku lasti. Võimalikult kerged korpused saadakse kvarts- või süsinikkiust. Siseküljelt kaetakse korpus soojusisolatsiooni kihiga, mis väldib korpuse läbipõlemist mootori töö viimastel sekunditel. Korpuse läbipõlemise tagajärjel tekib külgsuunaline tõukejõud ja rakett võib kaotada juhitavuse. Tahkekütuse põlevainena kasutatakse tänapäeval sageli alumiiniumpulbrit, mis põlemisel tekitab kõrge temperatuuri, andes gaasidele suure väljavoolukiiruse. Oksüdeerijaks on sageli ammooniumperkloraat (NH4ClO4) või ammooniumnitraat (NH4NO3). Peale selle kuuluvad kütuse koostisesse katalüsaatorid, tahkestajad ja siduvad ained. Korpuse täitmise ajal on kütus poolvedel, seejärel see tahkub ja muutub struktuurilt sarnaseks kõva kummiga. Selline kütus ei põle ega plahvata normaaltingimustel, seda ei saa süüdata tikuga ega löögiga esile kutsuda detonatsiooni. Süttimiseks on vajalikud kõrge temperatuur ja rõhk, mida saab esile kutsuda sütiku süütamisega. Enamikus tahkekütusrakettides põleb kütus kesksest kanalist korpuse suunas, st. algab kesksest kanalist, mis kulgeb piki laengut. Kanali algsest kujust sõltub see, kuidas muutub tõukejõud lennu ajal. Sageli valmistatakse keskne kanal tähekujuline. Kõige võimsamad mootorid monteeritakse sektsioonidest ja erinevates sektsioonides võib olla erinev põlemiskanali kuju, mis võimaldab veel paindlikumalt programmeerida tõukejõudu. Düüsi ülesandeks on kiirendada põlemisel tekkinud gaas ülehelikiirusele. Rakettmootorites kasutatakse tavaliselt de Lavali düüsi, mis algul kitseneb ja seejärel uuesti laieneb. Kõige kitsamat kohta nimetatakse düüsi kriitiliseks ristlõikeks. Gaaside kiirenemine vaakumis on seda efektiivsem, mida pikem on düüsi laienev osa. Atmosfääris ei saa düüs olla liiga pikk, kuna siis välisrõhk "lukustaks" selle ja gaas ei saaks kiireneda. Ülemistel astmetel on aga düüsi pikkus piiratud konstruktsiooniliselt. Liiga pika düüsi korral oleks astmetevaheline üleminek liiga pikk ja raske. Selle probleemi lahendamiseks tehakse vahel ülemiste astmete mootorite düüsid muutuva pikkusega. Mootorite düüsid valmistatakse tavaliselt terasest. Düüsi on vaja kaitsta kuumade gaaside kahjustava mõju eest. Eriti tugev on gaaside mõju kriitilise ristlõike kohal, kus on kõige kõrgem temperatuur. Mõnikord on düüsi suund muudetav, mis võimaldab muuta reaktiivjõu vektori suunda. Näiteks kosmoselennuki kiirendite düüsid on hüdrauliliste ajamite abil kallutatavad kahes tasandis mõne kraadi võrra.

Tahkekütusraketi eelised

Tähtsaim eelis võrreldes vedelkütusmootoriga on suhteline odavus ja lihtne väljatöötamine ja valmistamine, samuti võimalus skaleerimiseks, mis tähendab, et tulevase suure mootori omadusi saab uurida kasutades väikesi mudeleid, peale seda ei tekita suure mootori valmistamine raskusi. Just seetõttu kasutavad kõige suuremad olemasolevad rakettmootorid tahkekütust. Tahkekütusraketid on oluliselt töökindlamad kui vedelkütusraketid. Vedelkütusrakettidel on tavaliselt palju liikuvaid osi, mis töötavad kõrgetel temperatuuridel ja rõhkudel. Tahkekütusrakettidel aga liikuvad osad praktiliselt puuduvad ja seetõttu polegi neis millelgi peale korpuse ja düüsi katki minna. Üks võimas tahkekütusrakett võib asendada mitut väiksema võimsusega vedelkütusraketti, ületades neid lihtsuse ja töökindluse poolest. Täiendavaks eeliseks on tahke kütuse suur tihedus. Tihedam kütus võtab vähem ruumi ja seetõttu on tahkekütusraketi astmete mõõtmed väiksemad kui vedelkütusraketi astmete omad. Seetõttu on tahkekütusraketi valmistamine ja transport odavam ning lihtsustab ka stardiseadeldisi. Lisaks sellele on tahkekütusega astmed tugevamad ja nad taluvad suuremaid kiirendusi. See aga tähendab, et koormise orbiidile viimine võib toimuda efektiivseima skeemi järgi, samuti lihtsustub astmete korduvkasutus. Kompaktsus ja suurte ülekoormuste talumine stardil on üheks põhjuseks, miks viimasel ajal kasutatakse tahkekütusrakette ka kontinentidevahelistes ballistilistes rakettides.

Tahkekütusraketi puudused

Põhiliseks tahkekütusrakettide puuduseks on tahkekütuse suhteliselt väike eri-impulss, mis näitab kui palju tõukejõudu me ajaühikus düüsidest väljastatud massi ühiku kohta saame. See aga tähendab, et eri-impulsi vähenemisega kasvab raketi stardimass ning seega ka raketi ja stardikompleksi hind. Seetõttu püüavad konstruktorid saavutada võimalikult suurt eri-impulssi ja kui võimalik, kasutada vedelkütusrakette. Tahkekütusrakette kasutatakse aga sageli kanderakettide esimeste astmete puhul, kui suure tõukejõu madal hind on olulisem stardimassi kasvust. Tavaliselt kasutatakse neid esimestel astmetel stardikiirenditena, mis töötavad samaaegselt põhiraketi vedelkütusmootoriga ja arendavad tõukejõudu, mis on vajalik raketi õhkutõusuks ja algkiiruse saavutamiseks. Teiseks tahkekütusraketi puuduseks on tõukejõu reguleerimise ja korduvkäivituse puudumine. Tegelikult on tehnilised vahendid selleks olemas ja neid on katsetatud, kuid nad muudavad mootori oluliselt keerulisemaks, kallimaks ja vähem töökindlaks ning seetõttu pole neid praktiliselt kasutatud. Sellest hoolimata on võimalik mootori tõukejõudu programmeerida valmistamise ajal. Lennu ajal võib tõukejõud muutuda suurtes piirides vastavalt eelnevalt programmeeritule – näiteks vähendades tõukejõudu tihedate atmosfäärikihtide läbimisel, et vähendada aerodünaamilist õhusurvet. Enamiku vedelkütusrakettide tõukejõud on reguleeritav vaid väikeses vahemikus. Vedelkütusega mootor muutub tunduvalt keerukamaks, kui on vajalik töötamise käigus tõukejõudu oluliselt muuta.

Muud kasutusalad

Tänu kompaktsusele ja võimele arendada suurt tõukejõudu kasutatakse tahkekütusrakette ka siis, kui on vaja lühiajalist suurt kiirendust, näiteks kosmoselaevade avariipäästesüsteemides. Võimas tahkekütusrakett paigaldatakse raketi ülaossa ja avarii korral viib see kosmoselaeva kiiresti ohutusse kaugusse, kus rakett eraldub ja kosmoselaev maandub langevarjude abil. Teise kasutamise näitena võib tuua pidurdusmootorid. Need on suunatud düüsidega ettepoole ja peavad kiiresti eraldama läbitöötatud astme, et vältida kokkupõrget järgmise astmega. Väikesed tahkekütusmootorid kustutavad maandumisaparaatide jääkkiiruse langevarjudega maandumisel. Sarnast süsteemi kasutati ka Marsi maandumissondidel.