Napędy Rakietowe

ASTRONAUTYKA

Politechnika Warszawska

Kazimierz Siemienowicz

(born c.

1600

- c.

1651

)

Page from his
book:
"Artis Magnae
Artilleriae pars
prima" ("Great Art
of Artillery, the
First Part"),
first printed in
Amsterdam
in 1650,
was translated to
French in 1651,
German in 1676
and Dutch in 1729
and finally Polish
in 1963.

First multistage
rockets proposed
by
Kazimierz
Siemienowicz
in 1650

First rockets
clusters
proposed by
Kazimierz
Siemienowicz
in 1650

Robert Goddard

Ciąg silnika rakietowego

2

v

m

F







gdzie:

- wydatek masowy

-

prędkość wypływu czynnika z dyszy

m



2

v

Impuls właściwy

• I

w

= F/dm/dt [N/kg/s] ; [m/s]

tzn.

ciąg osiągalny z jednostkowego

wydatku

materiału pędnego w ciągu

jednej sekundy pracy silnika

Gdy ciśnienie na wylocie z dyszy

jest inne niż atmosferyczne





2

2

2

A

p

p

v

m

F

o











gdzie:

p

2

– ciśnienie na wylocie z dyszy

p

o

– ciśnienie atmosferyczne

A

2

– powierzchnia przekroju wylotowego dyszy

Silnik rakietowy

Komora

spalania

Atmosfera

Wylot
dyszy

Rozbieżna cześć dyszy

Zbieżna cześć dyszy

Gardziel

dyszy

Prędkość na wylocie z dyszy









































k

k

p

p

RT

k

k

v

1

1

2

1

2

1

1

2











































k

k

p

p

B

k

k

T

v

1

1

2

1

2

1

1

2



lub

Prędkość na wylocie z dyszy

Jeżeli









































k

k

p

p

B

k

k

K

1

1

2

1

1

2



1

2

T

K

v





To:

Efektywność napędu

rakietowego

• Sprawności wewnętrznej silnika
• Sprawności napędowej
• Sprawność ogólna

Sprawność wewnętrzna

Stosunek energii wykorzystanej na

wytworzenie ciągu do energii

całkowitej dostarczonej do silnika

Bilans energetyczny dla rakiety

na chemiczny materiał pędny

Wartość opałowa materiału pędnego

Energia użyteczna

Straty ciepła do

ścianek

Energia dostępna w komorze spalania

Całkowita energia w dyszy wylotowej

Tracona energia

cieplna gazów

wylotowych

Energia kinetyczna gazów wylotowych

Straty spalania

Tracona energia

kinetyczna gazów

wylotowych

do

do

Sprawność napędowa

Stosunek pracy napędu do energii

zużytej na wytworzenie ciągu

Sprawność ogólna

Stosunek pracy napędu do

energii dostarczonej do silnika

Sprawność napędy chemicznego

• Sprawność wewnętrzna



i

= 0.35

– 0.80

• Sprawność napędowa



p

= 0.00

– 1.00

• Sprawność ogólna



o

= 0.00

– 0.70

Napędy chemiczne

• Na stały materiał pędny
• Na ciekły materiał pędny
• Hybrydowe (jeden ze składników

stały a drugi ciekły)

Napęd Chemiczny

KONWENCJONALNE RAKIETOWE

ŚRODKI NAPĘDOWE

Paliwo

Utleniacz

I

w

[m/s]

H

2

O

2

3900÷4600

Nafta

O

2

2700÷3600

N

2

H

4

N

2

O

4

2500÷3400

Lepiszcze+Al

NH

4

ClO

4

2400÷3000

Rakieta Soyuz

Współczesne rakiety kosmiczne

Współczesne rakiety kosmiczne

Zależność impulsu właściwego

od rodzaju silnika

Napędy Elektryczne

SILNIKI JONOWE

CIĄG: 30 N IMPULS: 30 km/s

Sonda z silnikiem jonowym

Silniki elektryczne

SILNIKI HALLA

CIĄG: 30 N IMPULS: 15 km/s

SILNIKI
INDUKCYJNE

CIĄG: 20 N IMPULS: 50 km/s

SILNIKI MAGNETODYNAMICZNE

CIĄG: 100 N IMPULS: 20-100 km/s

Dostępna energia

• Reakcje chemiczne

∼ 10 – 13 MJ/kg

• Reakcje jądrowe

∼ 10

5

- 10

7

MJ/kg

• Słoneczna

∼ 1.3 kW/m

2

Napędy Jądrowe

i

Termojądrowe

CIĄG: 67 KN IMPULS: 9.5 km/s

SILNIKI JĄDROWE

Silnik jądrowy z gazowym reaktorem

CIĄG: 40 N IMPULS: 300 km/s

Jądrowy napęd plazmowy

Możliwe do osiągnięcia

impulsy właściwe

• Chemiczne – do około 5000 m/s
• Zespolone (chemiczno-termiczne) –

do około 6000 m/s

• Jądrowe – do około 10 000 m/s
• Elektryczne – do około 50 000 m/s
• Termojądrowe – 1 000 000 m/s
• Fotonowe – 300 000 000 m/s

Zależność pomiędzy impulsem właściwym

a możliwym do osiągnięcie przyspieszeniem

rakiety czy statku kosmicznego

Silnik Jonowy

INNE NAPĘDY

• Hybrydowe (elektryczno-chemiczne;

chemiczno termiczne, itp..)

• Grawitacyjne (Asysta grawitacyjna)
• Laserowe
• Mini napędy
• RAMAC
• Inne

Napęd laserowy

Żagiel słoneczny

Napęd linowy

Słoneczny napęd Termiczny

Możliwości realizacji misji kosmicznych w funkcji

gęstości energii źródła

Lot na orbitę rakietą

jednostopniową

Udział masy ładunku do masy

początkowej w funkcji impulsu

właściwego

Jednostopniowa rakieta

orbitalna

X-33, Venture Star, Space Shuttle

X-34

X-34

Kombinowany napęd

powietrzno-rakietowy

Kombinowany napęd

powietrzno-rakietowy

Magnetyczny przyspieszacz statku

napędzanego silnikami powietrzno-

rakietowymi

Zależność impulsu właściwego i

współczynnika ciągu od gęstości mocy

wiązki laserowej

Próby napędu laserowego