A Vinci hajtómű újdonsága – ami a hírekből kimaradt
(Rovat: Az Ariane rakéták - 2013.01.05 08:15.)

November végén az ESA miniszteri tanácsa döntést hozott az Ariane-5 ME megépítéséről. Ez a rakéta a jelenleg is használt Ariane-5 hordozórakéta továbbfejlesztése lesz, egy új felső fokozattal.

A fejlesztésnek köszönhetően a geostacionárius átmeneti pályára juttatható hasznos teher húsz százalékkal nő. Több, a sajtóban megjelent cikkből az olvasható ki, hogy a teljesítmény növekedése annak köszönhető, hogy a harmadik fokozat többször indítható. Ez kétségtelenül hasznos tulajdonság egy rakéta felső fokozatának esetében, de önmagában még a 16,5 tonnáról 27,5 tonnára növelt üzemanyagkészlet sem elegendő a teljesítmény ilyen mértékű javulásához.

A Vinci hajtómű. (Kép: EADS Astrium)

Ahhoz, hogy megértsük a Vinci hajtómű legfontosabb újítását, érdemes áttekinteni a rakéták működését. A legegyszerűbb rakéták kétségtelenül a szilárd hajtóanyagú rakéták. Ezeknél a hajtóanyag magában az égéstérben kerül elhelyezésre, így nincs szükség bonyolult berendezésekre az üzemanyag továbbításához. Az ilyen rakéták az egyszerű felépítés miatt olcsón gyárthatók, ám a szilárd hajtóanyagok nem érik el a folyékonyak hatékonyságát, így űreszközök pályára juttatásában csak korlátozott szerepet játszanak.

A folyékony hajtóanyagokat nem lehet az égéstérben tárolni, így meg kell oldani a tartály és a hajtómű közötti továbbítás problémáját. A legegyszerűbb megoldás a nyomógázos táprendszer. Ennél a megoldásnál az üzemanyagot nagynyomású gáz préseli át a tartályokból az égéstérbe. Ennek a kialakításnak nagy előnye, hogy nem igényel mozgó alkatrészeket, ezért megbízható. Hátránya, hogy nagy tömegű nyomógáz szükséges a működéséhez, ami csökkenti a hasznos terhet. Jelenleg nagyobb rakétákon nem alkalmazzák ezt a megoldást, de egyes korai elképzelések szerint a Space Shuttle folyékony hajtóművei ilyen elven működtek volna.

Az űrhajózásban legelterjedtebb folyékony hajtóművek szivattyús táprendszereket használnak. Ezek a rendszerek két nagyobb csoportra oszthatók: nyílt és zárt ciklusúakra. A nyílt ciklusú rendszer a szivattyú hajtásához szükséges energiát a hajtóanyag egy részének elégetésével állítja elő egy gázturbinával. A szerkezet épségének megőrzése miatt a hajtóanyag két komponensét nem ideális arányban keverik, így csökkentve az égési hőmérsékletet. Az égéstermék a generátorból a külső térbe távozik. Ezzel a megoldással jelentősen csökkenthető a fokozat tömege a nyomógázos táprendszerhez viszonyítva.

A nyílt üzemanyagciklus esetén a hajtóanyag egy része veszendőbe megy, hiszen a generátor megkímélése miatt oxidálóanyag-hiányos keverék égetésével állítják elő az energiát. A veszteségek minimalizálása zárt üzemanyagciklussal oldható meg. Két megoldást használnak a modern rakétákon, mindkettőt 1970 körül dolgozták ki. A kisebb hajtóművekben használatos változat az expanziós ciklus. Ennél a megoldásnál a hajtóanyagot, mielőtt bekerül az égéstérbe, a hajtómű hűtésére használják, hasonlóan a folyékony hajtóművek többségéhez. A magas hőmérsékletre melegedő gázt ezután, a nyílt ciklust használó hajtóművektől eltérően, egy turbina közbeiktatásával vezetik be az égéstérbe, ahol elég. A turbina hajtja a szivattyút. Az expanziós ciklus hatására jelentősen javul a hajtóművek egyik legfontosabb paramétere, a fajlagos tolóerő. Az RL-10 első változata nyílt ciklust alkalmazva 4030 Ns/kg fajlagos tolóerőt ért el, ami az expanziós ciklussal mára elérte a 4530 Ns/kg értéket.

Expanziós ciklusú hajtómű vázlata. Piros jelöli a folyékony hajtóanyag, zöld az oxidáló anyag útját. (Kép: Wikimedia Commons)

Végezetül essen szó az előégetős ciklusról. Ezt a megoldást a Szovjetunióban dolgozták ki, és az első űrhajózási alkalmazására az N1 rakétán került volna sor. Mint az elnevezés is mutatja, a hajtóanyag égése két lépésben megy végbe. A nyílt ciklusú rendszerhez hasonlóan egy égéskamrában kezdődik a folyamat. A hajtóanyag részbeni elégése során felszabaduló energia egy szivattyút hajt meg, az égéstermék pedig bekerül a hajtómű égésterébe, ahol tökéletesen elég. Hogy mit lehet elérni az előégetős üzemanyagciklussal, azt jól példázza az amerikai és a szovjet holdprogramhoz kifejlesztett, kerozin-oxigén keveréket használó hajtóművek összehasonlítása. Míg az amerikai F-1 fajlagos tolóereje 2580 Ns/kg, addig a szovjet NK-33 hajtóműé 2910 Ns/kg.

Lehet, hogy első ránézésre nem tűnik jelentősnek a 12% körüli javulás, de a hasznos tömeg ennek köszönhetően akár másfélszeresére is nőhet. Elmondhatjuk tehát, hogy napjainkban modern, nagy teljesítményű, olcsó hordozórakéta nehezen képzelhető el zárt üzemanyagciklusú hajtómű nélkül. Az expanziós ciklusú Vinci hajtóművel Európa megkezdi a felzárkózást a modern hajtóművek terén.

Nagy Imre