Pohoné systémy pro vesmírné Pohoné systémy pro vesmírné letylety

Ľuboš Bednárik, Tomáš Bílý, Vítek Dolejší, Michal Ľuboš Bednárik, Tomáš Bílý, Vítek Dolejší, Michal SvobodaSvoboda

Co uvidíteCo uvidíte

• historiehistorie

– historie raket, schéma a druhy raket, druhy paliv, ...historie raket, schéma a druhy raket, druhy paliv, ...

• současnostsoučasnost

– Ariane 5, STS, Deep Space 1, ...Ariane 5, STS, Deep Space 1, ...

• blízka budoucnostblízka budoucnost

– EZ, solar sail, EZ, solar sail, jaderné pohony (štěpný, fúzní), ...jaderné pohony (štěpný, fúzní), ...

• vzdálená budoucnostvzdálená budoucnost

– antihmotový, gravitační, WARP a další sci-fi pohonyantihmotový, gravitační, WARP a další sci-fi pohony

Historie raketHistorie raket

• kol. r. 1130 n. l. kol. r. 1130 n. l. Wu Cling Yeo: vynález rakety, pohon: černý Wu Cling Yeo: vynález rakety, pohon: černý

prach (směs ledku draselného (KNO3), dřevného uhlí a síry)prach (směs ledku draselného (KNO3), dřevného uhlí a síry)

• 1232 1232 Číňané u města Pien Kingu rozprášili mongolskou jízdu Číňané u města Pien Kingu rozprášili mongolskou jízdu

raketamiraketami

• Indové, Peršané a Arabové (Indové, Peršané a Arabové (vojenské i oslavné účely)vojenské i oslavné účely)

• 1397 Padovští (obléhání města Mestre)1397 Padovští (obléhání města Mestre)

• 18. století námořní piráti ( zapalování napadených lodí)18. století námořní piráti ( zapalování napadených lodí)

Historie raketHistorie raket

• 1766 první raketový útvar na světě; 1200 mužů, založen 1766 první raketový útvar na světě; 1200 mužů, založen

v Indii Hajderem Alimv Indii Hajderem Alim

• 1806 součást výzbroje britské armády1806 součást výzbroje britské armády

• 2.sv. v.: sovětská kaťuše, německé V-1, V-2 2.sv. v.: sovětská kaťuše, německé V-1, V-2

• 1942 Bachvadži (SSSR) první let na stíhačce poháněné 1942 Bachvadži (SSSR) první let na stíhačce poháněné

raketovým motoremraketovým motorem

Schéma pohybu raketySchéma pohybu rakety

Druhy raketDruhy raket

• chemickéchemické

– výkonné, lehké a jednoduché (až čtyřstupňové)výkonné, lehké a jednoduché (až čtyřstupňové)

• jadernéjaderné

– při reakcích uvolňuje 10 až 100milionkrát více energie než při při reakcích uvolňuje 10 až 100milionkrát více energie než při

chemickém spalováníchemickém spalování

• elektrickéelektrické

– pracovní látka se zrychluje elektrickou energií ze zdroje, který si pracovní látka se zrychluje elektrickou energií ze zdroje, který si

raketa nese s sebouraketa nese s sebou

Chemické rakety - palivaChemické rakety - paliva

• pevnápevná

– axiální hoření (ve směru osy rakety)axiální hoření (ve směru osy rakety)

– radiální hoření (kolmo k ose)radiální hoření (kolmo k ose)

– bezdýmný prach na bázi dusičnanu celulózy, nitroglycerín, diglykol aj.bezdýmný prach na bázi dusičnanu celulózy, nitroglycerín, diglykol aj.

• kapalnákapalná

– jednokapalinové: hydrazín Njednokapalinové: hydrazín N22HH44, ethylnitrát C, ethylnitrát C22HH55NONO33, etylénoxid (C, etylénoxid (C22HH44O)O)

– dvoukapalinovédvoukapalinové

Schéma jednokapalinové Schéma jednokapalinové raketyrakety

Teoretické největší výtokové Teoretické největší výtokové rychlosti u některých palivrychlosti u některých paliv

PalivoPalivo OkysličovadloOkysličovadlo Výtoková rychlost Výtoková rychlost [m/s][m/s]

černý prachčerný prach 23602360

benzínbenzín tekutý kyslíktekutý kyslík 43774377

benzínbenzín tekutý ozontekutý ozon 48884888

benzínbenzín peroxid vodíkuperoxid vodíku 36403640

benzínbenzín kyselina dusičnákyselina dusičná 34503450

etylalkoholetylalkohol kyslíkkyslík 41644164

benzolbenzol kyslíkkyslík 44504450

pentanpentan kyslíkkyslík 44554455

vodíkvodík kyslíkkyslík 51805180

SoučasnostSoučasnost

• Ariane 5Ariane 5

– konstrukce, parametry, vlastnosti, ...konstrukce, parametry, vlastnosti, ...

• STS (Challenger, Columbia, Atlantis, Discovery, ...)STS (Challenger, Columbia, Atlantis, Discovery, ...)

– důležitá data, vlastnosti jednotlivých částí, srovnání s Ariane 5, ...důležitá data, vlastnosti jednotlivých částí, srovnání s Ariane 5, ...

• Deep Space 1Deep Space 1

– důležitá data, iontový pohon, stavba trysky, ...důležitá data, iontový pohon, stavba trysky, ...

Významná dataPřípravyzahájení vývojeprvní letposlední vylepšení

19841988

4.6.19962000

Užitečný náklad:LEO 16000 KgGTO 6800 Kg

vzletová hmotnost 746 tcelkový vzletový tah 13,2 MNcena jednoho letu $180 mil

Ariane 5-0 EAP - solid bosters

vzletová hmotnost 277,5 tbez paliva 39,8 ttah 6474,6 kNčas hoření 129 s (2,2min)specifický impuls* 2,697 kNs/kgprůměr 3,1 mvýška 31,6 m

palivo solid (HTPB**)tlak v komoře 61.3 bartyp motoru P230designer SNPE (France)

*(kgf/(kg/sec)) = sec) **HTPB - Hydroxyl Terminated Polybutadiene

Ariane 5-1 EPC - main cryogenic stagevzletová hmotnost 170,8 tbez paliva 12,7 ttah 1075 kNčas hoření 589 s (9,8min)specifický impuls 4,218 kNs/kgprůměr 5,5 mvýška 30,5 m

palivo LOX/LH2tlak v komoře 102 barpoměr expanze 45poměr LOX/ LH2 6,2poměr tah/hmotnost 84.32typ motoru Vulcaindesigner SEP (France)

LOX/LH2 - parametry směsi

optimál. poměr 4t. spalování 2985 Khustota 0,28 g/cm3

rychlost částic. 2435 m/sLOX liquid oxygenokysličovadlo

hustota 1,14 g/cm3

bod tání -219 Cbod varu -183 C

LH2 liquid hydrogenpalivo

hustota 70 g/cm3

bod tání -259 Cbod varu -253 C

Ariane 5-2EPS - storable propellant stage

vzletová hmotnost 12,5 tbez paliva 2,7 ttah 27,47 kNdoba hoření 1100 s(18,3min)specifický impuls 3,178 kNs/kgprůměr 4mvýška 3,4mpalivo N2O4/MMHtlak v komoře 10barpoměr expanze 83poměr směsi 2,05typ motoru Aestusdesigner Astrium (Germany)

N2O4/MMH - parametry směsi

opt. poměr LOX/ LH2 2,16teplota spalování 3,39 Khustota 1,2 g/cm3

N2O4 nitrogen tetroxideokysličovadlo

hustota 1,45 g/cm3

bod tání -11 Cbod varu 21 CMMH Monomethylhydrazinepalivo CH3NHNH2

hustota 0,88 g/cm3

bod tání -52 Cbod varu 87 C

pohon AestusGermany

RaketoplánDůležitá data

vytvořen vědecký tým 1969Rockwell zahajuje vývoj 1974zahájena montáž Enterprise duben 1969zahájena montáž Columbie září 1969první testy pohonu říjen 1975první let Enterprise červen 1977první testovací let Columbie duben 1979zahájena výroba Discovery srpen 1979STS-1 Columbie 12. dubna 1981

číslování 1. let

Challenger OV-99 1983Enterprise OV-101 1977Columbia OV-102 1981Discovery OV-103 1984Atlantis OV-104 1985Endeavour OV-105 1992

LEO (204km) 24,4 tunISS (407km) 12,5 tunvzletový tah 25,8 MNvzletová hmotnost 2029 tuncelková cena vývoje $10,1 mldcena jednoho letu $245 mil

SRB

vzletová hmotnost 590 tunbez paliva 86 tuntah 11,5 MNspecifický impuls 2,6 kNs/kgdoba hoření 124 sprůměr 3,7 mvýška 46,9 mpalivo LOX/LH2

TANK

vzletová hmotnost 751 tunbez paliva 30 tundoba hoření 480 s (8min)průměr 8,7 mvýška 46,9 m

Shuttle Orbiter

vzletová hmotnost 99,3 tunbez paliva 99,1 tuntah 6,8 MNspecifický impuls 4,5 kNs/kgdoba hoření 480 sprůměr 4,9 mrozpětí 23,8 mvýška 37,2 mpalivo SSME

ARIANE 5 STS

první let 4.6.1996 12.4.1981celková hmotnost 746 2029 tunvzletový tah 13,2 25,8 MNvýška 54,1 56 mnáklad (405km orbit) 16 12,5 tuncena vývoje $8 $10,1 mldcena za let $180 $245 mil

Srovnání

důležitá data

prototyp červen 1996start 24.října 1998asteroid 1992 KD 1999kometa Borrelly 22.září 2001konec mise 18.říjen 2001

celková počáteční hmotnost 486,3 Kghydrazine 31,1 Kgxenon 81,5 Kgdélka 2,5 mmax průměr 2,1 mrozpětí panelů 11,75 mšířka panelů 1,13 m

Pohon Xenon Ion Engine

průměr 30 cmvstup 1280 Vrychlost částic 31,5 km/smax tah 2300W 0,09 Nmin tah 500W 0,02 Nmax doba "hoření" 20 měsícůmax zrychlení 1,8*10-4 m/s2

celková udělená rychlost 4,5 km/s

čas rychlost V0=0 čas dráha S0=0

1h 0,66 m/s 1h 1200 m1den 16 m/s 1den 690 km1měsíc 490 m/s 1měsíc 605000 km1rok 5,9 km/s 1rok 100 mil. km

vzdálenostplanet od

Země v km108mil 78,4mil 628,4mil

Blízká budoucnostBlízká budoucnost

• EZ-rocket EZ-rocket

– pokročilý klasický chemický raketový motorpokročilý klasický chemický raketový motor

• solar sailsolar sail

– založený na síle a energii fotonůzaložený na síle a energii fotonů

• štěpný nukleární pohonštěpný nukleární pohon

– založený na štěpení atomových jaderzaložený na štěpení atomových jader

• fúzní nukleární pohonfúzní nukleární pohon

– založený na syntéze atomových jaderzaložený na syntéze atomových jader

Trocha teorie ;)Trocha teorie ;)

• specifický impuls Ispecifický impuls ISPSP

– definovaný jako poměr tahu motoru k množství pracovní látky, definovaný jako poměr tahu motoru k množství pracovní látky,

která vytéká tryskou motoru za jednu vteřinukterá vytéká tryskou motoru za jednu vteřinu

– lze však interpretovat, že je to doba, po kterou nám 1 kg lze však interpretovat, že je to doba, po kterou nám 1 kg

pohonných látek dává tah 1 N.s.kgpohonných látek dává tah 1 N.s.kg-1-1

• poměr tahu rakety a její hmotnostipoměr tahu rakety a její hmotnosti

– udává zrychlení rakety, které jsou motory schopny vyprodukovat v udává zrychlení rakety, které jsou motory schopny vyprodukovat v

jednotkách normálního tíhového zrychlení (tedy g)jednotkách normálního tíhového zrychlení (tedy g)

Lety vesmíremLety vesmírem

• impulsní Hohmannova trajektorieimpulsní Hohmannova trajektorie

• kontinuální zrychlení a zpomaleníkontinuální zrychlení a zpomalení

EZ-rocketEZ-rocket

• zástupce klasických chemických raketových motorůzástupce klasických chemických raketových motorů

• nízká hmotnost a vysoký tah nízká hmotnost a vysoký tah vvelkelká akceleraceá akcelerace vhodné v letectvívhodné v letectví

Štěpný nukleární pohonŠtěpný nukleární pohon

• tepelné nukleární motorytepelné nukleární motory

– s pevným jádrem ... Is pevným jádrem ... ISPSP=9000 N.s.kg=9000 N.s.kg-1-1

– s kapalnou aktivní zónou (suspenzí) ... Is kapalnou aktivní zónou (suspenzí) ... ISPSP=11000 N.s.kg=11000 N.s.kg-1-1

– s plynnou aktivní zónou ... Is plynnou aktivní zónou ... ISPSP=30000 N.s.kg=30000 N.s.kg-1-1

• impulsní nukleární pohonimpulsní nukleární pohon

– využití exploze za lodí ... Ivyužití exploze za lodí ... ISPSP=25500 N.s.kg=25500 N.s.kg-1-1

Fúzní pohon – jaderná Fúzní pohon – jaderná syntézasyntéza

• První jednoduchá jaderná syntéza v roku 1934 (E.Rutheford a První jednoduchá jaderná syntéza v roku 1934 (E.Rutheford a J.Douglas), z jader deuteria a trícia vzniká jádro hélia, neutrony a J.Douglas), z jader deuteria a trícia vzniká jádro hélia, neutrony a uvolněná energieuvolněná energie

Fúzní pohon – jaderná Fúzní pohon – jaderná syntézasyntéza

• jádra se k sobě musí přiblížit natolik, aby jaderné jádra se k sobě musí přiblížit natolik, aby jaderné síly překonali odpudivé síly kladných nábojůsíly překonali odpudivé síly kladných nábojů

ReakceReakce Min. potřebné ohřátíMin. potřebné ohřátí Energetický výtěžekEnergetický výtěžek

D+D D+D 33He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV)He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 35 keV35 keV 27 000 kWh*g27 000 kWh*g-1-1

D+D T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV)D+D T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 35 keV35 keV 22 000 kWh*g22 000 kWh*g-1-1

D+D+33He He 44He (3.5 MeV) + p (14.67 MeV)He (3.5 MeV) + p (14.67 MeV) 30 keV30 keV 94 000 kWh*g94 000 kWh*g-1-1

D+T D+T 44He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) 4 keV4 keV 98 000 kWh*g98 000 kWh*g-1-1

Štepení UŠtepení U235235 24 000 kWh*g24 000 kWh*g-1-1

Hoření vodíku HHoření vodíku H2 2 + O -> H+ O -> H

2200 0.0044 kWh*g0.0044 kWh*g-1-1

• energetické bilance některých reakcíenergetické bilance některých reakcí

to se dá dosáhnout například to se dá dosáhnout například ohřívánímohříváním

Solar SailSolar Sail

• využíva kinetickou energii fotonůvyužíva kinetickou energii fotonů

• nepotřebuje žádný aktivní pohonný systémnepotřebuje žádný aktivní pohonný systém

• závislý na přítomnosti a vzdálenosti zdroje fotonů (nejčastěji hvězdy)závislý na přítomnosti a vzdálenosti zdroje fotonů (nejčastěji hvězdy)

Vzdálená budoucnostVzdálená budoucnost

• antihmotový pohonantihmotový pohon

– založený na reakci hmoty a antihmotyzaložený na reakci hmoty a antihmoty

• gravitační pohongravitační pohon

– založený na gravitačních deformacích prostoruzaložený na gravitačních deformacích prostoru

• warpwarp

– založený na časoprostorových deformacíchzaložený na časoprostorových deformacích

• červí díry, hyperprostor, ...červí díry, hyperprostor, ...

Antihmotový pohon - Antihmotový pohon - anihilaceanihilace

• animace na animace na http://www-hep2.fzu.cz/adventure/ani_eedd_slow.html

elektron a pozitronelektron a pozitron

virtuální částice Z nebo virtuální částice Z nebo

foton (nosič interakce)foton (nosič interakce)

kvark c a kvark anti-ckvark c a kvark anti-c

vzdalující se kvarky vzdalující se kvarky

natahují gluonové polenatahují gluonové pole

kvark d a anti-dkvark d a anti-d

mezon Dmezon D++ a D a D--

Antihmotový pohon - Antihmotový pohon - anihilaceanihilace

Anihilace v CERNu – projekt ATHENAAnihilace v CERNu – projekt ATHENA

Animace naAnimace na

http://info.web.cern.ch/info/Announcements/CERN/2002/0918-CoolAntiH/Animations/Animations-en.

html

• antiprotony a pozitrony jsou zachycené v magnetických pastíchantiprotony a pozitrony jsou zachycené v magnetických pastích

• jejich spojením vzniká atom antivodíkujejich spojením vzniká atom antivodíku

• antivodík anihiluje s normální hmotou na aparatuřeantivodík anihiluje s normální hmotou na aparatuře

Porovnání využitelné energiePorovnání využitelné energie

Z 1 kg hmoty se může maximálně uvolnit:Z 1 kg hmoty se může maximálně uvolnit:

ReakceReakce Využitelná energieVyužitelná energie

chemickéchemické 10107 7 JJ

termojaderné štěpnétermojaderné štěpné 8x108x101313 J J

termojaderné fúznítermojaderné fúzní 3x103x1014 14 JJ

anihilačníanihilační 9x109x101616 J J

WARP a gravitační pohonWARP a gravitační pohon

• založený na časoprostorových deformacíchzaložený na časoprostorových deformacích

• před lodí je vesmír komprimovaný a za před lodí je vesmír komprimovaný a za

lodí dekomprimovanýlodí dekomprimovaný

• čas na lodi zůstává stejný jako na Zemičas na lodi zůstává stejný jako na Zemi

Červí díryČerví díry

• základním principem je zakřivení prostoruzákladním principem je zakřivení prostoru

• červí díra jako tunel červí díra jako tunel

spojující dva body spojující dva body

normálního vesmírunormálního vesmíru

• vytvoření červí díry vytvoření červí díry

pomocí negativní pomocí negativní

energieenergie

• záporné gravitační záporné gravitační

účinky negativní účinky negativní

energieenergie

HyperprostorHyperprostor

• existence dalšího prostoru, tzv. existence dalšího prostoru, tzv.

hyperprostoruhyperprostoru

• vesmír jako koule, reálny prostor vně, vesmír jako koule, reálny prostor vně,

hyperprostor uvnitřhyperprostor uvnitř

Červí díra na Zemi ?!Červí díra na Zemi ?!

ZávěremZávěrem Dozvěděli jsme se tedy něco o historii, současnosti a Dozvěděli jsme se tedy něco o historii, současnosti a

budoucnosti pohonných systémů.budoucnosti pohonných systémů.

Hrozba i přínos nových technologií pohonu jsou velké, ale i tak Hrozba i přínos nových technologií pohonu jsou velké, ale i tak

se máme v budoucnu na co těšit.se máme v budoucnu na co těšit.

Použitá literatúraPoužitá literatúra http://server.ipp.cas.cz/%7Evwei/fusion/fusion_c.htm

http://www.futurespace.de/

http://www.xcor.com/suborbital.html

http://members.lycos.co.uk/spaceprojects/propulsion.html

http://fas.org/nuke/space