Lavalin suutin

 

Jotta suuttimesta tuleva kaasuvirta olisi ultraääninen, täytyy suuttimen olla erikoisella tavalla profiloitu. Kaasuhan virtaa säiliöstä pienellä, infraäänisellä nopeudella. Yhtälön (26 ) mukaan virtausnopeuden kiihtymisen edellytyksenä on suuttimen alkupuolen kaventuminen. Kun paine-ero on riittävän suuri, saavuttaa virtausnopeus suuttimen kapeimmassa kohdassa paikallisen äänen nopeuden. Jos sen kohdan jälkeen suutin alkaa levetä, niin yhtälön (26) mukaan virtaus jatkaa kiihtymistään.

 

Tällä tavalla toimivaa suutinta kutsutaan Lavalin suuttimeksi (kuva 5). Lavalin suuttimia käytetään höyry- ja kaasuturpiineissa, suihkumoottoreissa ja raketeissa.

Lavalin suuttimessa virtaavan kaasun paine, tiheys ja lämpötila pienenevät jatkuvasti. Myös kaasun sisäenergia pienenee. Tästä johtuen suihkun liike-energia kasvaa ja suihkun nopeus voi ylittää huomattavasti äänennopeuden (kuva 5).


 

 

 


Suihkumoottori

 

Lavalin suutin on jokaisen suihkumoottorin keskeinen osa. Suuren reaktiovoiman saamisen edellytyksenä on, että suihkun ulosvirtausnopeus on mahdollisimman suuri. Vain Lavalin suuttimen avulla saadaan kaasusuihkun nopeus ultraääniseksi.

 

Suihkumoottorit ovat rakenteeltaan erilaisia. Rajoitumme tässä tarkastelemaan vain yksinkertaisinta, suoravirtaista ilmasuihkumoottoria, joka on esitetty kaaviomaisesti kuvassa 6.

 

Suoravirtainen ilmasuihkumoottori pystyy toimimaan hyvin ja kehittämään suuren reaktiovoiman mikäli se itse liikkuu ultraäänennopeudella. Pohdintojen yksinkertaistamiseksi siirrytään moottoriin sidottuun koordinaatistoon. Tässä koordinaatistossa ilmavirta kohtaa tulosuuttimen ultraäänennopeudella. Alueella I tulosuuttimen taakse muodostuu yksi tai useampi tiivistymisporras ja kaasun nopeus tulee äänennopeutta pienemmäksi. Levenevässä kanavassa virtaus hidastuu entisestään - sen nopeus laskee, mutta paine, tiheys ja lämpötila kasvavat. Alueella 2, jota kutsutaan polttokammioksi, paineilmaan ruiskutetaan polttoainetta säiliöstä 3. Polttoaineen palamisen yhteydessä vapautuva energia lisää kaasun sisäenergiaa. Poltto kammiosta kaasu pääsee Lavalin suuttimeen 4. Jos kaasun termodynaamiset parametrit polttokammiossa on valittu oikein, niin suuttimen kapeimmassa kohdassa virtausnopeus tulee paikallisen äänennopeuden suuruiseksi ja ulostuleva virtaus ultraääniseksi.

 

Huomattakoon, että suoravirtamoottori on rakenteeltaan erittäin yksinkertainen ja varmatoiminen, mutta se voi toimia ainoastaan ultraäänennopeuteen kiihdytettynä. Moottorin kiihdyttämiseksi voidaan käyttää starttiraketteja.

 

Kuvassa 7 on esitetty turboahdetun ilmasuihkumoottorin (TAIS-moottorin) kaavio. TAIS-moottori toimii sekä isoilla, että pienilläkin nopeuksilla. Se poikkeaa suoravirtamoottorista siten, että ilmanpuristus toteutuu siinä kompressorin 1 avulla. Virtauksen energiaa polttokammion 2 takana käytetään osittain kaasuturpiinissa 3, joka pyörittää kompressoria ja joskus myös potkuria. Energian loppuosa käytetään reaktiovedon muodostamiseksi turpiinin takana sijaitsevassa suuttimessa 4.


 

 

Kulkumoottori RD-107

 

 

 

 


 


Sojuz-kantoraketin ykkösvaiheen kulkumoottori suunniteltiin jo 1950-luvun puolivälissä, mutta sen onnistunut aggregaattikokoonpano ja hyvät ominaisuudet ovat mahdollistaneet sen käytön nykypäivänäkin.

 

RD-107:n tärkeimmät aggregaatit on esitetty kaaviona kuvassa 8. Polttoainekomponentteina RD-107:ssä käytetään nestemäistä happea ja rakettipetrolia. Joka sekunti turbopumppuyksikköön syötetään runkoputkia pitkin 226 kg hapetusainetta ja 91 kg polttoainetta (ks. kuva). Turbopumppuyksikkö on valmistettu siten, että sen molemmat pumput on asennettu samalle turpiiniakselille ja niiden pyörimisnopeus on 138 kierrosta sekunnissa. Pumppuyksikön jälkeen hapetusaineen paine nousee p0 = 78 atm:n tasolle ja polttoaineen paine nousee pf = 93atm:ntasolle.

 

Turpiinin käynnistämiseksi RD-107:ssa käytetään vesihöyryn ja hapen seosta, jota syötetään turpiinin siiville. Seos muodostuu höyrystimessä kiinteän katalyytin kautta kulkevasta vetyperoksidista. Moottori on siis rakennettu sellaiseksi, ettei turpiinin pyörittämiseen tarvita polttoainetta. Vetyperoksidin pelkistyksestä vapautuva energia riittää hyvin turbopumppuyksikön toimintaan ja jopa käytetyn höyrykaasun purkuun raketista 450 m/s:n nopeudella, mistä saadaan aikaan ylimääräinen n. 7 kN:n suuruinen työntö.

 

Perustyönnön aikaansaamiseksi RD-107:ssa käytetään peräti neljää moottorikammiota. Nesterakettimoottoreiden monikammiorakenne on tyypillinen monissa kantoraketeissa. Polttoaineen jakamiseen 4 osaan päädyttiin palamisprosessin, raketin kokonaismassan, seinämävahvuuden ja jäähdytyksen tarkan mitoituksen perusteella. Tällainen ratkaisu pienensi myös palamistuotteiden määrän. RD-107-moottorin suunnittelijat valitsivat monimutkaisemman moottorirakenteen voittaen tavoiteominaisuuksissa - moottorin työntövoimassa ja sen painossa.

 

Polttoaine palaa moottorin polttokammiossa Tbc = 3520 K:n lämpötilassa ja pbc = 58,2 atm:n paineessa. Sitten kaasu kiihtyy suuttimessa va = 2950 m/s :n nopeuteen, lämpötila suuttimen kärjessä laskee Ta = 1960 K:iin ja paine pa = 0~4 atm:iin. Yhden kammion tyhjiössä aikaansaama työntö on F = 230 kN, mutta todellisuudessa se on jonkin verran pienempi johtuen siitä, että ympäristön ilma vastustaa kaasun virtaamista suuttimesta.

 

Kaksi kuvassa 8 näkyvää pientä kammiota ovat ohjauskammioita. Niihinkin syötetään (tosin vähäisemmissä määrin) polttoainekomponentteja, joilla palamisen ja kiihdytyksen jälkeen saadaan suuttimessa aikaan noin Fcc = 50 kN :n suuruinen työntö. Pienen massansa ansiosta ohjauskammiot on asennettu erillisten kannakkeiden varaan. Kammiot kääntyvät 45° kulmaan liikesuuntaan nähden, mahdollistaen raketin hallitun kääntymisen.

 

RD-107-moottorin kokonaismassa kaikkine kammioineen ja aggregaatteineen on Mmot = 1275 kg (ilman polttoainetta) ja käyntiaika täystyönnöllä on 140 s. Tällöin kokonaistyöntö Maassa on FEarth = 821 kN ja avaruudessa Fcosm = l MN. Ominaisliikemäärät ovat vastaavasti Ich.Earth = 2520 m/s ja Ich.cosm = 3080 m/s.

 

Sojuz-kantorakettiin asennettu kakkosvaiheen moottori (RD-108) poikkeaa RD-107-moottorista vain ohjausmoottoreiden lukumäärältään sekä muutamilta rakenteellisilta ominaisuuksiltaan, mm. sen päävaiheen käyntiaika on pitempi (320 s).

 

 


 

13. Sojuz-kantoraketti

 

 

Sojuz-kantorakettia käytetään monenlaisten avaruusinstrumenttien lähettämiseksi avaruuteen, mm. miehitettyjen Sojuz-avaruusalusten toimittamiseksi kiertoradalle. Kuvassa 15 on esitetty Sojuz-kantoraketin suurimmat osat. Käytännössä se muodostuu kuudesta yhteen liitetystä raketista, joista käytetään nimeä rakettimoduuli.

 

Kantoraketin 'alempi' osa koostuu 5 rakettimoduulista - keskimoduulista (1) ja neljästä symmetrisesti kantoraketin keskiviivaan nähden sijoitetusta sivumoduulista. Näiden moduulien moottorit ovat lähes samanlaiset, paitsi että sivumoduuleihin on tankattu vähemmän polttoainetta, kuin keskimoduuliin. Tämä mahdollistaa sen, että sivumoduulit sammuvat keskimoduulia aikaisemmin irtautuen kiihtyvästä raketista. Työntö voima heikkenee silloin viidesosaan, mutta samalla raketin massakin pienenee. Jos hyötykuorman massa olisi vain 100- 200 kg kuten ensimmäisillä tekokuilla, niin keskimoduulin polttoaineen loppumishetkellä raketti olisi jo saavuttanut ensimmäisen kosmisen nopeuden. Mutta Sojuz-avaruusaluksen massa on peräti 6800 kg, eikä sillä hetkellä sen nopeus vielä riitä kiertoradalle vakiintumiseksi vaan lisäkiihdytystä tarvitaan.

 

Lisäkiihdytyksen antajana käytetään kuudetta rakettimoduulia. Ennen keskimoduulin moottoreiden sammumista avaruusalus ja kuudes rakettimoduuli olivat muodostaneet raketin hyötykuorman. Keskimoduulin irtautumisen jälkeen käynnistyvät suurille lentokorkeuksille suunnitellut kuudennen rakettimoduulin moottorit ja muutaman minuutin kuluttua raketti jo saavuttaa kiertoliikkeen edellyttämän korkeuden ja nopeuden.

 

Tätä hyötykuorman kiertoradalle toimittamisen vaihetta kutsutaan lennon aktiiviseksi vaiheeksi tai liikeradan aktiiviseksi vaiheeksi. Alan kirjallisuudessa puhutaan lisäksi raketin vaiheista. Sojuz-kantoraketti on kolmivaiheinen. Se tarkoittaa, että raketti koostuu kolmesta rakettiyksiköstä ja että hyötykuorman kiihdytys tapahtuu kolmessa vaiheessa. Ensin toimii ja irtautuu ensimmäinen vaihe (neljä sivumoduulia), sitten toinen vaihe (keskimoduuli) ja lopuksi rakettia kiihdyttää kolmas vaihe eli kuudes rakettimoduuli.