Raķešu dzinējs ir ierīce, kas rada spēku, ar lielu ātrumu izspiežot gāzes no sprauslas. Raķešu dzinēji sadedzina ķīmiskās vielas, piemēram, naftu un šķidro skābekli, ļoti augstā spiedienā un temperatūrā, lai ķīmisko enerģiju pārvērstu kustībā. Dažos gadījumos (piemēram, NASA raķetēs) radītais spēks var pārsniegt 1 000 000 mārciņu spēka (4 400 000 ņūtonu).

Dārza šļūtene parāda, kā kustīgs šķidrums var radīt spēku. Kad šļūtene ir pagriezta uz augšu, šļūtene plīst apkārt, ja vien tā netiek turēta nekustīgi. Izplūstošais ūdens rada spēku uz šļūteni, gluži tāpat kā raķetes dzinēja gāzes iedarbojas uz raķetes dzinēju.

Darbības princips

Raķešu dzinēja darbību visvienkāršāk var izskaidrot ar Ņūtona trešo likumu: katrai darbībai ir pretēja un vienāda reakcija. Kad dzinējs izmet masu (karstas gāzes) ar lielu ātrumu uz vienu pusi, dzinējs (un pievienotā raķete) saņem spēku pretējā virzienā. Šī iedarbība ir neatkarīga no tā, vai izmešana notiek atmosfērā vai kosmosā.

Galvenās sastāvdaļas

  • Degošā kamera — vieta, kur notiek degviela un oksidētāja reakcija un radās augsta temperatūra un spiediens.
  • Degviela un oksidētājs — šķidrās vai cietās vielas, kas reaģē, lai radītu izplūdes gāzes.
  • Inžektors — nodrošina pareizu degvielas/oksidētāja sajaukšanu un padevi degošajā kamerā.
  • Turbopumpis — (šķidrā kurināmā sistēmās) paaugstina degvielas un oksidētāja spiedienu, lai tie iespiestu kamerā.
  • Sprausla — koniska vai plauktveida ierīce, kas paātrina gāzes izplūdi, pārvēršot spiediena enerģiju kinētiskajā enerģijā.
  • Rezervuāri un vadības sistēmas — glabā un vada propulsiju, kā arī kontrolē dzinēja darbību.

Raķešu dzinēju veidi

  • Šķidrie dzinēji — izmanto šķidru degvielu un šķidru oksidētāju. Tie ļauj regulēt vilci (thrust) un bieži izmanto turbopumpjus. Piemēri: SpaceX Merlin, RS-25 (Space Shuttle).
  • Cietie dzinēji — degvielas un oksidētāja maisījums ir homogēns cietā veidā. Tie ir vienkāršāki un uzticamāki, bet mazāk regulējami. Izmanto palaišanas palīdzības posmos un raķetēs–baterijās.
  • Hibrīddzinēji — kombinē cietu degvielu ar šķidru oksidētāju (vai otrādi), cenšoties apvienot abu priekšrocības.
  • Elektriskie un jonizētie dzinēji — izmanto elektrisko enerģiju, lai paātrinātu jonizētus plūsmus. Tie nodrošina lielu specifisko impulsu, bet zemu vilci — piemēroti ilgstošiem kosmiskajiem manevriem (piemēram, satelītu staciju korekcijām).

Raksturojošie lielumi

Divi svarīgākie parametri, kas apraksta dzinēju veiktspēju, ir:

  • Vilce (thrust) — spēks, ko dzinējs rada (izteikts ņūtonos, N).
  • Specifiskais impulss (Isp) — efektivitātes mērs, ko parasti izsaka sekundēs; norāda, cik labi dzinējs pārvērš degvielas masu gāzu kustībā.

Pielietojumi

  • Palaišanas raķetes, lai ievietotu nesaņus orbītā.
  • Satelītu korekcijas un kustības kosmosā, izmantojot mazākus šķidrā vai elektriskā dzinēja posmus.
  • Kuģu un konteineru pārvietošana, militārie pielietojumi (piemēram, raķetes un bumbvedēji).
  • Attīstīta kosmiskā izpēte — cilvēku misijas uz Mēnesi vai Marsu, kur nepieciešama liela vilce un precīza manevrēšana.

Inženierijas izaicinājumi un drošība

Raķešu dzinējiem jāstrādā ekstremālos apstākļos: ļoti augstā temperatūrā, lielā spiedienā un vibrācijas režīmos. Daži galvenie izaicinājumi:

  • Termiskā aizsardzība un materiālu izturība pret karstumu.
  • Vadība un stabilitāte starta brīdī, kad parādās lieli spēki un momenti.
  • Degvielas uzglabāšana un drošība, it īpaši, ja tiek lietotas kodīgas vai kriogēnas vielas.
  • Sarežģītas turbopumpju un inžektoru sistēmas uzturēšana un testēšana.

Īsa vēsture

Raķešu tehnoloģijas attīstība ilga gadsimtus, sākot ar primitīvām pirotehnikas ierīcēm līdz mūsdienu precīzi kontrolētajiem dzinējiem. No 20. gadsimta sākuma pamatuzdevumus veica pionieri kā Konstantīns Ciolkovskis un Roberts Godedards; vēlāk 20. gadsimtā attīstību paātrināja vācu un padomju inženieri, kā arī kosmosa programmas ASV un citur pasaulē.

Raķešu dzinēji joprojām ir intensīvas izpētes un attīstības objekts: tiek meklēti efektīvāki degvielas risinājumi, augstāka Isp, atkārtoti lietojami posmi un drošāki materiāli, kas samazinātu izmaksas un palielinātu pieejamību kosmosa lidojumiem.