Od raketové židle k Sokolu těžkému
První rakety vznikly v Číně krátce po vynálezu střelného prachu. Bylo to v sedmém století našeho letopočtu v době, kdy se u nás rozhádané kmeny Slovanů učili základům státnosti. Nicméně od té do by se rakety skoro nijak nezměnily, princip je pořád stejný, liší se jenom konstrukcí motoru a použitím palivem.
Pár let potom, co Kolumbus při cestě do Indie objevil Ameriku se do kosmu vydal první kosmonaut, přesněji řečeno taikonaut. Jednalo se totiž o čínského mudrce Wan-Hu, který se vydal do kosmu kolem roku 1500 na své raketové židli. Svědci tvrdí, že start byl úspěšný, když se rozplynul kouř a dým, židle i s Wanem byla pryč a už jej nikdy nikdo neviděl. Nicméně raketa ze střelného prachu nemá dostatečně velkou rychlost výtokových plynů na to, aby dosáhla potřebné rychlosti pro opuštění gravitačního pole Země. Musel přijít Newton se zákonem akce a reakce a po něm ještě Ciolkowskij, aby dali letům do kosmu teoretický rámec a po něm velikáni jako Goddard, Braun (https://cs.wikipedia.org/wiki/Wernher_von_Braun) a Koroljov, kteří splnili lidský sen a umožnili Gagarinovi a po něm zástupu dalších lidí podívat se na naši planetu z vesmíru.
| Isaac Newton bývá považován za jednu z nejvlivnějších osob v dějinách lidstva. (Kredit: Wikimedia Commons) | Konstantin Eduardovič Ciolkovskij, zakladatel kosmonautiky. | Wernher von Braun, konstruktér německých a později amerických raket. Na snímku stojí před motorem rakety Saturn V. (Kredit: NASA) |
| S. P. Koroljov s Jurijem Gagarinem. | Falcon Heavy | VASIMR schema (Kredit: NASA) |
I když za tu dobu urazila raketová technologie ohromný pokrok, pořád je to o tom samém – o přeměně chemické energie paliva na dopředný pohyb i když existují i jiné způsoby, jako je například VASIMR. V tom se neliší primitivní raketová židle čínského mudrce od nejnadějnějšího soukromého projektu Falcon Heavy (to je ten sokol těžký z mezititulku – více zde. A potom už jde jenom o to najít palivo, které na jednotku hmotnosti obsahuje nejvíce energie a o způsobu, jak tuto energii z paliva dostat.
Obvykle se používá kapalné palivo (například dvousložková směs vodíku a kyslíku) nebo jeho různé varianty a pro zvýšení energetické hustoty je palivo skladováno v nádržích obvykle v kapalné formě. Výhodou je, že u hustých látek jako je kyslík nebo kerosen tvoří váha nádrže jenom zhruba 1 % z váhy paliva (u vodíku je to 10 % kvůli nízké hustotě a tepelné izolaci). Aby bylo dosaženo co nejvyššího výkonu, je potřeba spalovat palivo pod co nejvyšším tlakem. K tomu je potřeba složité soustrojí vysokotlakých čerpadel a velmi pečlivě navrhnuté potrubí. Stačí drobná turbulence kdekoliv v rozvodné soustavě a bum. Ani dnešní nejmodernější počítače nedokáží zachytit všechny možné závady, proto i dnes vybuchují první rakety nových typů nosičů.
Pořádně to zmáčknout a zchladit
Efektivita paliva se poměřuje v jednotce zvané specifický impuls Isp(s) - jeden kilogram paliva dokáže vyvolat pod dobu jedné sekundy tah 1000 Newtonů. Anebo že po dobu 1000 sekund tah 1 Newton. Moderní kapalné motory dokáží Isp zhruba 460 s (definice). Motor, který by pracoval na metalický kapalný vodík, by dosahoval Isp 1700 s. Jednostupňová raketa s tímto motorem by dokázala dopravit náklad ze Země nejen na orbitu, ale rovnou na Měsíc. Potíž ale je v přípravě kovového vodíku. Pro přeměnu plynného H2 na kovový je potřeba velmi vysoký tlak, v závislosti na teplotě začínáme od 25 GPa. Ale poměr váha výkon z metalického vodíku dělá opravdovou hvězdu. Metalický vodík je totiž uložen jako jednotlivé atomy (na rozložení z molekuly H2 je potřeba energie 4,68 eV), při tání se atomy opět slučují do molekul a tak lze z 1 kg paliva získat až 216 MJ.
Kromě vysokého tlaku je dalším problémem i vysoká teplota ve spalovací komoře. 6000 K nedokáže vydržet žádný nám známý materiál. Ovšem netřeba věšet hlavu, i při konfiguraci s teplotou spalování okolo 3000 K dosahuje metalický vodík zajímavých výsledků. Navíc by samotná spalovací komora mohla být menší než u klasických motorů.
Na závěr bych chtěl doplnit vysvětlení pro zvídavé čtenáře, kteří se podívají i na zdroje ve Wiki. Jistě tam najdou, že iontový pohon má Isp 3 000 s a VASIMR dokonce 30 000 a budou se ptát, proč místo metalického vodíku nepoužijeme raději tento pohon. Bohužel se jedná o motory, které dokáží spíše ten 1 Newton za 1000 sekund než naopak.
Zdroj: IOP Science