Společnost ARCA Space Corporation v těchto dnech ohlásila, že dokončila konstrukci revolučního lineárního motoru s tryskou tvořenou centrálním tělesem. Těmto motorům se říká aerospike (anglicky aerospike engine). Nový motor teď podstoupí pozemní testy a ARCA ho namontuje do své zkušební rakety Demonstrator 3.
Tento linární motor typu aerospike by podle dostupných informací mohl časem pohánět jednostupňovou raketu pro vynášení satelitů na oběžnou dráhu (SSTO, Single-Stage-To-Orbit), kterou ARCA připravuje pod označením Haas 2CA SSTO. Zkompletování takového motoru přitom podle společnosti ARCA zabere 60 dní.
Lety do vesmíru se během posledních desetiletí staly, bohužel, technologicky nenápaditou rutinou, která je stále komplikovaná a drahá, což brání rozvoji dobývání vesmíru. Mohutná nosná raketa zažehne první stupeň, vznese se, po chvíli první stupeň odhodí a zažehne další raketový stupeň, případně stupně, které vynesou náklad na oběžnou dráhu. A stojí to spoustu peněz.
Tento přístup vícestupňových letů se prosadil nejen kvůli vynášení velkých nákladů a masochismu kosmických agentur, které zřejmě prostě chtějí platit hodně peněz za lety do vesmíru. Dalším důvodem je to, že motory prvního stupně často nejlépe pracují v podmínkách u zemského povrchu. Když se raketa dostane do větších výšek, tak už s těmito motory taková sláva není. Proto mají stupně vícestupňových nosných raket nejen různé tvary, ale i různé motory.
Motory typu aerospike fungují jinak, než klasické raketové motory. Výtokové plyny u nich vytékají ze spalovací komory po vnějšku centrálního tělesa a vzhledem k příhodným fyzikálním procesům by takový motor měl být efektivnější, než klasický motor. A co je zásadní, měl by zvládnout let od země až na oběžnou dráhu. Výhody motorů typu aerospike jsou ale zatím známé prakticky jenom z teoretických úvah a pozemních testů. Zatím se ještě nikdy ve větší míře neprosadily. Často prostě jenom chyběly peníze na další testy, což je typické třeba pro NASA. Naštěstí jsou tu teď soukromé společnosti, jako právě ARCA.
Podle společnosti ARCA bude jejich nový zkušební lineární motor typu aerospike pohánět směs paliva, které tvoří ze 70 procent peroxid vodíku, plus vysoce rafinovaný petrolej RP-1. Na zemském povrchu by tento motor měl mít tah 4,2 tuny. Zvolené palivo sice neposkytne raketě Demonstrator 3 extrémní výkon, ale díky účinnosti motoru typu aerospike a speciální lehké kompozitní palivové nádrži by měla raketa s novým motorem v budoucnu dolétnout až do vesmíru.
Až motor projde sérií pozemních testů, tak by měl pohánět raketu Demonstrator 3 na suborbitálním letovém testu do výšky 120 kilometrů. Odstartuje z kosmodromu Spaceport America v Novém Mexiku a pokud se let uskuteční a bude úspěšný, tak půjde o historicky první kosmický let s lineárním motorem typu aerospike. Jestli vše půjde podle plánu, tak chce ARCA už příští rok vypustit ze střediska NASA Wallops Flight Facility raketu Haas 2CA SSTO s tímto motorem. Tato raketa by pak měla vynášet do vesmíru menší satelity za zhruba 1 milion dolarů na jeden start.
Video: Demonstrator 3 Aerospike - Ready for Testing
Video: Flight of the Aerospike: Episode 1
Video: ARCA - Who We Are
Literatura
ARCA 20. 7. 2017.
Nahradí SABRE tryskové motory?
Autor: Jan Bílek (09.12.2012)
Proč je tak těžké vyvinout vícenásobně použitelnou raketu?
Autor: Stanislav Mihulka (12.01.2015)
Budeme létat do vesmíru s plazmovými tryskovými motory?
Autor: Stanislav Mihulka (21.05.2017)
Diskuze:
Cenzura
Standa Kuncuj,2017-10-11 08:22:20
Budu muset zavolat do nemocnice v Novém Městě na Moravě ať neblbnou a nechají zachraňovaní životu něčím tak pavedeckym jako je transplantace stolice bo na osel.cz je tento příspěvek neustále mazan správcem, hmm https://stanislavkunc.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=579457
Re: Cenzura
Josef Hrncirik,2017-10-11 18:00:41
Ve videu Arca who we are je krásně vidět, jak se kraje raketového peroxidového "dýmu", vlastně jen mlhy z poměrně studené páry snadno vypařují do vzduchu a "kouř" mizí jako pára za výfukem,
na rozdíl od hustého a trvalého dýmu z tuhého paliva s chloristanem a hliníkem a kaučukem (aerosol Al2O3 + dým HCl ve vlhkém vzduchu po vychládnutí spalin).
Naše jediná jistota je, že proud spalin dopadající šikmo k centrální desce aerospice jí bude extrémně brzděn a rozviřován. Zaručeně to sníží tah více než slabé brzdění o stěnu v klasické trysce!
Josef Hrncirik,2017-10-04 20:55:14
Vrstva spalin má na aerospice Haas 2CA při toku 100kg/s a tahu 23 tun rychlost až 2300 m/s v celkové délce štěrbiny 1,5 + 1,5 m = 3 m.
Tloušťka v kapalné fázi by tedy byla cca 0,1m3/(3m.2300m/s)=14um, řekněme průměrně 30 um.
Plamen při atm. tlaku na brzdě bude cca 5000x tlustší, tj. cca 15 cm tlustý.
Na každý nárůst letové výšky o cca 6km se tloušťka vždy cca zdvojnásobí dvojnásobným poklesem atm. tlaku.
Ve 14 km bude mít vrstva tloušťku cca 0,75 m a zřejmě nebude proudit dobře rovnoběžně s osou letu jako v klasické trysce;
vlastně ve větší výšce, kde se má projevit výhoda aerospike už nebude centrální deska dostatečně dlouhá, aby zachytila a dokonce usměrnila impulz o od povrchových vrstev spalin odrážejících se od vnitřnějších spalin do boku.
Prostě expanze nebude kvalitně usměrněna při velmi velké expanzi hlavně u vnější části výtokového proudu snad již nad 20 km výškou, nehledě na problémy s chlazením, ablazí a větším třením o stěnu trysek a komor nutně menších průměrů.
Arca parní rakety s.r.o.
Josef Hrncirik,2017-10-02 18:52:15
Tabulky s průtoky "paliva" a tahem jsou v Kosmonautiks 17.9.2017 Arca. .
Podle chabého Is cca 100 s to skutečně vypadá, že nic nepálí, pouze plýtvají peroxidem, dokonce i jen šumákem 70% a bohulibě pouští do vzduchu deficitní kyslík a vodu, a vůbec žádný CO2.
Tak slabý čajíček není ani v tabulkách monopropergolů uváděn.
Je to pozorovatelné i na videu, kde se líně valí těžká oblaka studené vodní mlhy s trochou uvolněného kyslíku (expandované páry z trysky), místo viditelného plamene a stoupajícího horkého kouře.
Je to vidět i v začátku oslovského 3. videa Arca, who we are a lépe na videu v Kosmonautiks :Arca short presentation v 20.,30, a 85 vteřině.
Ani v demonstrátoru 3 nebudou ještě pokoušet osud 98% H2O2 s petrolejem a plamenem 2700°C horkým, ale z kotle jim půjde pára jen cca 250°C vhodná do sauny.
Pára z rozkladu 100% H2O2 má jen 970°C; 82% H2O2 udělá jen 540°C a v Sojuz hnala pumpy.
67% H2O2 už ani nedokáže vypařit veškerou vodu.
Proto si nechali u OLTCHEM (oldchem) naředit peroxid na 70%, aby si neublížili.
viz v: J.C.Whitehead: Hydrogen peroxide propulsion for smaller satellites. SSC98-VIII-1, kde se též píše, jak si mají teroristé zakoncentrovat H2O2 na 85% a jsou zbytečně lidumilně varováni, že výbušné jsou zejména páry H2O2, na což nedávno doplatil zkušený švédský velkovýrobce H2O2 pro modeláře raket, torpéd, ... a vyhořel do základů.
Re: Arca parní rakety s.r.o.
Vojta Ondříček,2017-10-03 15:06:11
Zákeřnost vysoceprocentního H2O + H2O2 si ověřili Němci (za WW2) na vlastní kůži při pokusech s "walterovým pohonem" raketových letadel a parních turbin pro ponorky. Vynález PVC byl motivován zkrocením téhle "vodičky".
Lavalova tryska byla optimována na přeměnu tlaku plynu na reaktivní sílu. To, co je na obrázku znázorněno pod titulem "aerospike motor", si nedovedu představit s větší účinností, než má lavalova tryska. Opak bude spíš pravdou.
Re: Re: Arca parní rakety s.r.o.
Josef Hrncirik,2017-10-03 17:48:16
Prý už ale nikoho aerospike trysky příliš nezajímají.
Trysky pro příliš velký expanzní poměr jsou dlouhé a těžké (určitě víc u aerospike) a od určitého expanzního poměru už zisk z větší expanze není prakticky zajímavý.
Tryska s příliš velkým exp. poměrem má u země malou účinnost, protože do ní nárazově vniká atmosféra. Výše už je dobrá. Pokud je spalováno v komoře při větším tlaku než před mnoha desetiletími, ev. lze i větším průtokem tlak zpočátku dále zvýšit a nedojde ke vnikání atm. do trysky a účinnost bude dobrá. Při vysokých tlacích v komoře lze dosáhnout dostačující expanze i s přijatelně krátkou tryskou.
Arca počítá u neparních (hořících) raket s ablativním chlazením grafitové trysky, a mezní vrstvou s přebytkem petroleje i v komoře, tj. nižší teplotou a menší oxidací grafitu.
Nasa u systému H2O2 + RP naměřila erozi trysky cca 0,001´´/s.
Po 100 s chodu se tedy průměr trysky zvětší cca o 5 mm a úměrně zvětšení průřezu nejužšího hrdla klesne tlak v komoře a exp. poměr.
To hraje roli hlavně u relativně malých spalovacích komor a trysek pro Arca i aerospike.
Navíc jsou plyny chladnější kvůli špatnému spalování přebytku petroleje a grafitu.
Systém petrolej-peroxid je málo horký a tedy málo živý a vyžaduje prý cca 2x delší komoru než s kyslíkem.
Pravděpodobně je nutno alespoň ablativně chladit i centrální desku aerospike.
Proud je hnaný proti desce více než v lavalově dýze, je tudíž více brzděn a ochlazován ablazí či špatně spáleným filmem od povrchu centrdesky.
Jedním stupněm až na orbit (SSTO) nelze reálně zajistit rozumný návrat vehiclu na zem.
Je proto nutno použít 2, ne-li 3 stupně (TSTO). Mám dojem, že i manévr přibrzdění náého kluzáku na LEO vyžaduje spálit cca 10% jeho hmoty, aby rychlost klesla z kruhové na rozumnou sestupnou o 0,3 km nižší i při použití H2.
První stupeň nebude příliš dlouho příliš vysoko a pro návrat musí nést padáky či křídla a nějaké palivo, takže dvoustupňovost je evidentně nutná a třístupńovost optimální?
Aerospike tedy nebude nutný, stejně nebyl reálně ověřen.
(R)evoluce jménem ARCA Space Corporation
Marek Hudik,2017-09-29 16:37:24
Odkaz na 2 týdny starý článek na kosmonautix.cz o stejném tématu: http://www.kosmonautix.cz/2017/09/revoluce-jmenem-arca-space-corporation/
Re: (R)evoluce jménem ARCA Space Corporation
Josef Hrncirik,2017-09-29 18:25:49
Díky za odkaz.
Stěžují si, že si na ně stěžovali již Rumuni. Ani se Rumunům nedivím.
První rakety Helen, Helen2 a Demonstrator jsou pouhé létající šumáky na 70% H2O2, bez přidané hořlaviny, aby to uchladili a mají impulz jen cca 100 kp.s.
Ze startovní hmotnosti 2240 kg a prázdné váhy 120 kg plyne při uváděném průtoku 44 kg/s doba chodu 2120 kg/44 kg/s = 48 s, místo jimi udávaných 85 s.
Proto včas utekli do země neomezených možností, kde to nepoznají.
Tam si skutečně budou zahrávat s ohněm, kdy v "palivu" bude i palivo a nejspíše i 100%?
H2O2 schopný kvalitního výbuchu i bez paliva, na rozdíl od 70%-ní vodičky na kloktání.
Pro raketu Haas 2CA uvádí vše potřebné (kromě nejdůležitější koncentrace H2O2 a poměru mísení s RP-1). Impulzy nejspíše optimisticky opsali z klasických komor a trysek.
Raketa bez užitečné zátěže má velmi pěkný poměr Ms/Mk = 29,6 a dobu hoření cca 160 s,
průměrný impulz cca 2770 N.s.
Mohla by dosáhnout bez zátěže rychlost cca 2,77 km/s.ln29,6 = 9,4 km/s, leč - cca 1,6 km/s kvůli pádu během letu = cca 7,8 km/s, což sice stačí na vytažení cca 500 kg šrotu prázdného stupně na LO (leč jen bez nutné ztráty z aerodynamiky!), ale jen pokud opsané impulzy z velké klasické trysky budou dosaženy i u příliš malé, nutně příliš velkou ztrátou petroleje chlazenou tryskou? s příliš velkým bočním parazitním rozfukem a obtížným dohoříváním (k nové rovnováze) v rychle rozfouklém proudu se ztraceným směrem.
Pokud však navíc v běžně jen 98% H2O2 bude obvyklých 315 kg vody aby nevybuchoval spontánně, či je ošidí vodou jako vždy s kořalkou, potom si vypočtu i bez 20 kg družice konečnou rychlost 2770.ln(16290/(550+315) = 8,1km/s ...- řekněme 2km/s (pád + aero) = kdoví jestli 6,1 km/s určitě bez družice.
Re: Re: (R)evoluce jménem ARCA Space Corporation
Josef Hrncirik,2017-09-29 19:21:53
Strašení s rychlostí jen 6,1 km/s zdánlivě vypadá jako čisté klamání,
protože voda uniká okamžitě a neveze se na orbit. Pouze sníží cca o 2% impulz (dokonce i méně, řekněme jen o 1,5 %), tj. rychlost bude jen 6,1.0,985 = 6 km/s. Logaritmus jsem neměnil proto, že v raketě asi naprosto nutně musí být rezerva paliva min. 2% (jako neužitečné užitečné zatížení sichrující dosažení nutné rychlosti). Zejména u malého motoru vlivem nepřesnosti nastavených parametrů paliva, spalování a expanze či opotřebení či dodávky čerpací energie je nutno určitě udržovat větší rezervu paliva a krásný konstrukční poměr rakety uvedených 29,6 je jen nereálné zbožné přání.
U vícestupňového provedení se velikost rezervy neprojevuje tak devastačně.
Obrázek
Ladislav Strnad2,2017-09-29 14:55:44
Nějaký informační nákres jak vlastně tenhle motor funguje, vy nebyl? V textu je to popsáno, ale v grafice by to bylo polopatističtější. Alespoň pro mně.
Re: Obrázek
Josef Hrncirik,2017-09-29 16:33:42
Princip je zobrazen v 8.-9.sec. 1.-ho oslovského videa,
či na wiky odkazech: "aerospike engine"
Tvrdí, že velkou zvonovitou trysku je lépe nahradit expanzí plamene příčně jednak vůči vhodně tvarované desce či kuželi v ose plamene, a v protějším směru pak zcela volně do okolí (konečně do vakua).
Tvrdí, že to umožní automaticky maximalizovat tah i při proměnlivém vnějším tlaku (tj. proměnlivém expanzním poměru plynů ze spalovací komory) (či jejich řady)).
Tvrzení, že to umožní nastolit výhodnější jednostupňovitost je zjevný nesmysl, či kéž by jen svaté přání či pouhé nedorozumění.
Re: Re: Obrázek
Jaroslav Lepka,2017-09-29 18:08:23
S tímhle principem jsem se setkal již před dost lety, jako s návrhem na reaktivní motor supersonického letadla, kde se jen čerpalo palivo do porézního povrchu zvláštně tvarovaného křídla, ovšem efekt se dokázal projevit jen u vysoké obtokové rychlosti, kdy tlak kolem křídla proudícího vzduchu usměrňoval výtokové plyny tím správným směrem. Z toho usuzuji, že i tento raketový motor bude účinnější až od jisté, poměrně vysoké obtokové rychlosti a patrně tak by se uplatnil právě až u druhých stupňů. Tedy u kolmo startujících raket.
Proč vícetupňové rakety?
Pavel A1,2017-09-28 22:30:35
Důvod, proč se dělají vícestupňové rakety není primárně v tom, že v různých podmínkách jsou třeba různé motory. Hlavní důvod je v tom, aby se netahala na oběžnou dráhu mrtvá (neužitečná) hmotnost. Z Ciolkovského rovnice vyplývá, že spotřeba paliva nutného pro vynesení nějaké hmotnosti na oběžnou dráhu exponenciálně roste s touto hmotností. Proto se cestou odhazuje vše, co už není potřeba. A je-li hmotnost motoru druhého (a dalšího) stupně nižší, než hmotnost nádrže potřebné pro dosud spálené palivo (zhruba řečeno), tak se vyplatí vícestupňová raketa i když sebou tahá hmotnost několika motorů navíc.
Re: Proč vícetupňové rakety?
Josef Hrncirik,2017-09-29 06:00:04
Mnohostupňovost navíc umožní i ev. reálny návrat a znovupoužití vyhořených stupňů,
kdy se nemusí tahat až na nejvyšší polohu (brzdění pouze v nízké poloze umožňující) návratová křídla, či nutný zbytek paliva pro brzdění zbytečně vysoko kontrarevolučně vynesených již neužitečných tříd hmot.
Re: Proč vícetupňové rakety?
Alexandr Kostka,2017-09-30 14:37:24
Více stupňů byla nutnost, kvůli nedostatečně výkonným motorům. A přinášelo to též nemalé obtíže. Například obrovské rozměry a nesmírnou složitost. Až by se dalo říct, že jde proti proncipům bezpečnosti. Všude v letectví je běžná záloha přístrojů. Dokud funguje jediný, letí to. V raketě je spíš záloha chyb. Jedna jediná kritická chyba a je konec. A součástek k selhání je tam přes milion. (a také bývá naprosto běžné, že úspěšný start hlásí stovky závad) A poměr startovní hmotnosti a užitečného nákladu je šílený, příčemž třeba motory druhého a třetího stupně se "vezou" značnou část letu zbytečně, je tam riskantní manévr oddělování, jsou tam spojovací prvky a nosníky. (které mimochodem přími a nepřímo zavinily zkázu jak Challengeru, tak Columbie) Pokud má motor typu aerospike možnost zvednout celý stroj od hladiny moře až do vesmíru v kuse, bude to mnohem výhodnější. A pokud (asi) počítají s přistáním a dotankováním, tak víceméně není co řešit. Spotřeba pár tun peroxidu a kerosinu navíc je v porovnání s cenou celého stroje směšný výdaj. Nemluvě o tom, že ve srovnání třeba s hydrazinem, případně kombinací kyslík-vodík, je ten kerosin a peroxid mnohem levnejší. (a myslím že i bezpečnější)
Kontrarevoluční názor jasný jako facka
Josef Hrncirik,2017-09-28 22:03:26
Konečná rychlost v u jednostupňové rakety je určena reakcí na akci výtokovou rychlostí w plynů z trysky vytékajících.
v = w.ln(Mstart/Mkonec).
Palivo petrolej - peroxid má malou výtokovou rychlost max 2,5 km/s.
Je použito, protože jediné snadno umožňuje velmi dobré chlazení komory, snadné dávkování, trvalé skladování a ev. opakované zážehy.
Systém s kapalným kyslíkem místo peroxidu je mnohem levnější a má větší w 3,5 km/s; ale obtížnější chlazení a čerpání a nelze trvale skladovat LOX v raketě.
Pokud let na orbitu trvá minimálně 300? s (tj. překonávám + cca 3 km/s kvůli pádu) a je požadována rychlost cca 8 km/s, vlastně potřebuji dosáhnout formální rychlosti 11 km/s.
Potom 1 stupňová raketa by musela mít Ms/Mk = exp(11/2,5) = e**4,4 = 81,5 i s užitečnou zátěží a mít navíc celá odolnost k průletu atmosférou.
To se dá velmi jednoduše a navíc celkově levněji obejít vícestupňovou konstrukcí, třeba i složenou ze stejných motorů, třeba i na TPH a sofistikovanější je jen poslední stupeň.
Při stejné výtokové rychlosti a stejných Ms/Mk jednotlivých stupňů by pak rychlost na konci hoření n-tého stupně byla cca n.w, aniž by to vyžadovalo nedostupně či nebezpečně vysoký poměr Ms/Mk ve stupních.
Aby se chemická energie paliva dobře přeměnila v usměrněný pohyb spalin, musí probíhat spalování dokonale promíchané směsi dostatečně dlouho a musí velmi expandovat především v přesně žádaném směru, tj. ne dosti do boku od osy letu rakety, jak to určitě hrozí u aerospike, na rozdíl od velké klasické trysky.
Zisk tahu z velkého expanzního poměru nad běžný cca 100, ev. z přesného přizpůsobení tlaku okolí není radikální a navíc trysky jednotlivých stupňů lze dosti optimalizovat.
Nakonec na wiky u aerospike engine byly čísla pouze na ose expanzního poměru.
Osa y s účinností pro jistotu nebyla číslovaná vůbec. Měla sice 0 i 100%, ale pod grafem byla v neznámé výšce přetržená křehkým lomem jak had).
Spalování v malých komůrkách a expanze v malých a krátkých a vlastně do boku příliš otevřených "tryskoštěrbinách" kvůli ztrátám tepla a horšímu dohořívání a nakonec i s problémem uchladit zbytečně narostlý povrch či "proplýtvat" veškeré palivo štěrbinkami během 300? s, aby nedohořívalo až někde daleko za raketou asi bude problém.
Těsně po startu při podzvukové rychlosti letu možná chvíli interakce plamene s atmosférou i nepatrně interaguje i s kuželem štěrbiny a expanze atmosféry částečně příznivým směrem na brzdě vyvolává dojem vysokého tahu, tj. vynikající účinnosti hoření a expanze.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
