Rutherford, az „e-hajtómű”
(Rovat: Amerika hordozórakétái - 2017.06.30 07:15.)

E-hajtómű? Miért ne?

Ez „e” korszakban élünk, e-mailt írunk, e-bankban intézzük pénzügyeinket, e-boltban vásárolunk, miért ne lehetne hát pont egy hajtómű „e”, azaz elektromos? Hogyne lehetne, mondhatná, aki járatos az űrhajózásban, hiszen még 1964-ben, a Mars felé indított szovjet Zond-2 űrszondán alkalmaztak először ilyen hajtóművet, akkor még helyzetbeállító feladatkörrel. Aztán ott van pl. az ESA Artemis műholdja, amely 2001-ben a pályára állításához használt rakéta hibája miatt nem érte el a kívánt geostacionárius átmeneti pályát. Szerencsére a fedélzetén elhelyeztek egy nagy teljesítményű ionhajtóművet is kísérleti céllal, ami hónapok leforgása alatt, és terven felüli üzemanyag-felhasználással ugyan, de eljuttatta az űreszközt a tervezett állomáshelyére. De az Űrvilág korábbi hírei közt böngészve rátalálunk az ionhajtóműves Hayabusa és Dawn űrszondákra, vagy az egy éve pályára állított két Eutelsat műholdra is. Ha az elektromos hajtóművek ennyire elterjedtek, már-már hétköznapinak számítanak, akkor talán kár is a szót vesztegetni az Electron rakéta Rutherford hajtóművére. Azaz hogy mégsem.

Az elektromosnak nevezett hajtóművek elektromos energia segítségével gyorsítják fel a hajtóanyagot, így hozva létre tolóerőt. A Rutherford azonban nem így működik, tehát valójában nem elektromos hajtómű. Ezen a ponton elnézést is kell kérnie a tisztelt Olvasótól jelen sorok írójának a becsapós, bulváros címért! Elnézést, túl nagy volt a kísértés! Azt azonban hozzá kell tenni, hogy a címadás nem volt teljesen alaptalan, mert egyetlen kémiai rakétahajtómű esetében sem kap akkora szerepet az elektromos áram, mint a Rutherford esetében.

(Kép: Rocket Lab)

Hogyan is működik egy a Rutherfordhoz hasonló folyékony üzemanyagú kémiai rakétahajtómű? A hajtóanyag két komponense (esetünkben RP-1 jelű kerozin változat és folyékony oxigén) tartályokban foglal helyet, ahonnan valahogy be kell juttatni azokat a magas hőmérsékletű égéstérbe. Ott elkeverednek, végbemegy az égés, majd a fúvócsövön kiáramlik az égéstermék, lehetőleg minél nagyobb sebességgel.

A hajtóanyag eljuttatása az égéstérbe több módszerrel történhet. A legegyszerűbb megoldás, hogy egy kisebb tartályban nagyon nagy nyomású semleges gázt (pl. héliumot) visz magával a rakéta, amivel kiszorítják a hajtóanyag-komponenseket a tartályokból. Ezt a módszert kisebb tolóerejű hajtóműveknél alkalmazzák.

A nagyobb tólóerejű hajtóművek esetén bonyolultabb, és így kevésbé megbízható, ám gazdaságosabb megoldást, szivattyút használnak a hajtóanyag égéstérbe juttatására. Miért nem gazdaságos a nyomógáz? Azért, mert az végig a rakétában marad, akárcsak a plusz tartály, amiknek a tömege a pályára juttatható hasznos terhet csökkenti. A szivattyús megoldások működéséhez persze energia is kell, amit a hajtóanyag egy részének (tökéletlen) elégetésével állítanak elő egy gázturbinában. Ennek a módszernek az a hátránya, hogy vagy elvész a gázturbinában elégetett hajtóanyag (nyílt üzemanyag ciklus), vagy ha ezeket a magas hőmérsékletű gázokat bevezetik a rakétahajtómű égésterébe (zárt ciklus), akkor meg kell oldani a szerkezet védelmét a magas hőmérsékletű, erősen oxidatív anyagok korróziójától. A nyílt ciklus veszteségét jól szemlélteti, hogy a holdversenyben kifejlesztett, kerozint és oxigént égető nyílt ciklusú amerikai F-1 hajtómű fajlagos tolóereje (ami alapjaiban határozza meg a pályára állítható hasznos teher nagyságát) tengerszinten 2580 Ns/kg, míg a hasonló hajtóanyagú, de zárt ciklusú kortárs szovjet NK-33 hajtómű 2910 Ns/kg értéket ért el. A zárt ciklus megvalósítási nehézségeit jelzi, hogy az NK-33 mind a mai napig nem lett üzembiztos (ld. Antares rakéta), illetve a Zenyit rakéták RD-171 hajtóművének a fejlesztése is éveket késet.

A Rutherford, bár a fentebb említettekhez hasonló hajtóanyagot használ, mégis jelenősen különbözik mindkettőtől. Megtartja ugyan a szivattyús táprendszert, ám azt nem a hajtóanyagot égető gázgenerátor hajtja, hanem két villanymotor. Hogy ez miért jó? Azért, mert egy villanymotor egyszerűbb, megbízhatóbb és a belsejében kevésbé extrém körülmények uralkodnak működés közben, mint egy gázturbinában sőt, még a tömege is kisebb. Ezek a tulajdonságok persze jó hatással vannak az árra is, ami egy kereskedelmi rakéta esetén fontos szempont. Mivel nem pazarolja a hajtóanyagot, 2970 Ns/kg fajlagos tolóerőt ér el tengerszinten, ami nem sokkal marad el a kategóriában csúcstartó RD-170 család 3030 Ns/kg értékétől. Azt mondhatnánk, hogy akkor ez ideális választás, és furcsállhatjuk, hogy eddig miért nem készült ilyen hajtómű? A válasz roppant egyszerű. Azért, mert bár figyelemre méltók a jó tulajdonságai, a használata esetén szembesülünk azzal a kellemetlenséggel, hogy egy a világűr felé száguldó rakétát nem lehet bedugni a konnektorba, de még csak áramszedővel sem lehet áramhoz juttatni, így maradnak az akkumulátorok. Amiknek viszont szép nagy a tömege. (Nem véletlen, hogy napjainkban az elektromos autók egy feltöltéssel legfeljebb 400 km-t tudnak megtenni ideális, illetve ~200 km-t valós körülmények között, míg benzines társaiknak ennek többszöröse sem okoz gondot.) Javítja az összképet, hogy míg a gázgenerátorok hatásfoka 50% körüli, a villanymotorral akár 95%-ot is el lehet érni. Maguk a motorok 37 kW-osak, ami a villanyautók motorjának nagyságrendjébe esik, ám némileg magasabb, percenkénti 40000-es fordulatszámon működnek. Mivel az Electron rakéta első fokozatában kilenc Rutherford-hajtómű kapott helyet, a fokozat akkumulátorának képesnek kell lennie mintegy 1 MW elektromos teljesítmény leadására.

Hogy mit hoz a jövő, lesz-e folytatás, elterjed-e ez a technológia, nehéz megmondani. Az biztos, hogy a korábbi megoldásokhoz képest nem növekszik a hasznos teher, és bár a gázgenerátor villanymotorra cserélésével csökken a meghibásodás valószínűsége, de cserébe egy jelentős tömegű akkumulátort is el kell helyezni a rakétán. Azt sem szabad elfelejteni, hogy az akkumulátorok megbízhatóságával is akadnak gondok, akár telefonban (pl. Galaxy Note 7), akár repülőgépen (pl. Boeing 787). Bár jelenleg gyorsan nő az akkumulátorok egységnyi tömegre eső kapacitása, még kísérleti szinten sincs olyan megoldás, ami felülmúlná a kémiai hajtóanyagok energiasűrűségét. Ez érthető is, hiszen az akkumulátorban is kémiai reakciók mennek végbe. Talán majd a szuper kondenzátorok, de az még messze van, ha egyáltalán megoldható. Addig is leginkább a feltételezett nagyobb megbízhatóság, és többször használható esetben az egyszerűbb karbantartás szól a Rutherford mellett.

Összességében elmondható, hogy a Rutherford a legelektromosabb kémiai rakétahajtómű, így kis túlzással nevezhetjük akár e-hajtóműnek is. Ugyanakkor azt is ki lehet jelenteni, hogy nem egyértelmű áttörés az új konstrukció, ám hosszú évek után végre igazi innovációt hoz a hajtómű-technológiában. És az sem mellékes, hogy nem egy kissé presztízs szagú fejlesztés, ami egy állami kutatóintézet falai közt született, hanem egy nagyon is gyakorlatias megfontolások által vezérelt kereskedelmi űrvállalkozás készítette saját céljaira.

Nagy Imre