Motorer

Motorerna är utan tvekan de mest avancerade av raketernas alla system. De konstrueras för att arbeta med extrema tryck- och temperaturförhållanden, där temperaturen kan gå från -200 grader upp till över 3000 grader i de olika delarna. Genom åren har hundratals koncept för motorer tagits fram, vissa har konstruerats och testats och några har flugit. Även dessa kan delas in i olika kategorier baserat på vilken princip som de är konstruerade utifrån. 

Det alla raketmotorer gör i grunden är att accelerera gas för att generera kraft. Raketen får sedan acceleration från den resulterande reaktionskraften som uppstår enligt Newtons tredje lag. 

---

Är det precision man behöver så kräver det att man har en anordning där man konsekvent kan reglera kraften och som går att snabbt stänga av och sätta på.

Det enklaste sättet man kan göra detta på är att ha en trycksatt behållare med gas där trycket är högre än det omgivande trycket. Förser man anordningen med någon typ av ventil så kan man reglera flödet och därmed anpassa den genererade kraften. På så vis när man öppnar ventilen flödar den förvarade gasen ut och dess acceleration genererar en kraft.

Denna princip är mycket vanlig för mindre styrraketer som används för att styra rotationen på en raket eller rymdfarkost. Oftast använder man kväve som förvaras vid högt tryck, dessa kallas för cold gas thrusters.

Under senare år har man dock börjat använda den avdunstade gasen från bränsletankarna för att driva dessa små motorer. Man sparar ju då vikt eftersom man inte behöver ta med sig ytterligare gastankar och ett system som använder sig av denna typ av thruster är Starship och dess bärraket Super Heavy. De kallas då för hot gas-thrusters.

Denna typ av motor är dessvärre varken effektiv eller kraftfull och har ingen praktisk roll i att lyfta en nyttolast från jordytan. Vill man öka dragkraften behöver man öka trycket i motorn och en bränsletank kan bara hålla så mycket tryck innan den blir för massiv för att flyga över huvud taget. Hur löste man det då?

---

Detta problem för oss till kemiska flytbränsleraketer som till skillnad från SRM:er använder två separata drivmedel, ett bränsle och en oxidant, som förbränns i en långdragen, oftast kontrollerad, explosion vilket genererar varm gas vid högt tryck. Trycket i brännkammaren för en sådan motor kan uppgå till flera hundra gånger jordens atmosfärstryck (1 bar). Trycket i en bränsletank på en raket brukar ligga runt 4 bar, så för att den här explosionen inte ska flöda “bakåt” i motorn så använder man sig av så kallade turbopumpar. Hur motorn driver dessa pumpar är vad som bestämmer vilken typ av motor det är och de olika alternativen brukar benämnas som ”förbrännings cykler”.

Dessa pumpar behöver vara otroligt starka så en vanlig elmotor duger oftast inte för att driva dem. Det ni ser på bilden är den europeiska raketmotorn Vulcain som sitter på raketen Ariane 6. 

I Vulcain använder man sig av en gas generator för att driva pumparna. Drivmedlen i Vulcain är flytande väte och syre och det gas generatorn gör är att den tar en liten del av det som går igenom pumparna och förbränner det separat. Som namnet antyder genererar detta gas som man sedan låter passera över turbiner som driver pumparna och dessa turbiner snurrar extremt fort. På Vulcain snurrar till exempel väte turbinerna i en hastighet på över 30 000 rpm. När gaserna har gjort sitt dumpas de sedan ut genom dessa rör och bidrar därmed inte till att producera dragkraft. Detta gör gasgenerator cykeln till den minst effektiva typen av flytbränslemotor. 

Om man kan ta till vara på gas generatorns avgaser istället för att bara dumpa dem så skulle motorn bli mer effektiv. Det är vad man har gjort med Staged combustion!

Staged combustion heter så för att förbränningen just sker i steg. Det finns två typer av sådana motorer: bränsle rika och oxidant rika. På bilden syns ett schema över en bränslerik staged combustion-motor

Här leder man hela flödet av bränsle direkt in i en så kallad för-brännare (preburner på engelska), men flödet av oxidant är fortsatt begränsat. Detta gör att blandningen blir bränslerik och förbränns då vid en något lägre temperatur, vilket gör kylning av systemet lättare. Den bränslerika gasen leds sedan in i brännkammaren där den blandas med den resterande mängden oxidant och den “riktiga” förbränningen sker. Staged combustion låter motorn ta vara på allt drivmedel för att generera kraft samt att ena reaktanten i brännkammaren är i gasform, vilket gör det till ett mycket mer effektivt alternativ, med avvägningen att motorn på många sätt blir mer komplicerad.

En vidareutveckling av staged combustion kom i form av full-flow staged combustion-motorer. En motor av den typen är inte antingen bränslerik eller syrerik, utan den är båda på samma gång!

Här har man lagt in en för-brännare och turbin per pump och därmed leds allt drivmedel genom för-brännarna innan det kommer in i brännkammaren. I bränslepumpen kör man för-brännaren bränsle rik och i oxidantpumpen kör man den oxidant rik. Utöver en förbättrad kylning kommer även fördelar med att turbinerna körs på lägre tryck, vilket ökar motorns livslängd och gör den optimal för återanvändning. Att både bränsle och oxidant sedan är i gasform gör att brännkammaren kan göras mindre och därmed blir det möjligt att öka kammartrycket ytterligare och med det motorns effektivitet. 

Eftersom denna typ av motor är särskilt komplicerad, speciellt när det kommer till material och hållfasthet, så hade ingen hittills lyckats flyga en fram tills 2019 när SpaceX testflög deras Starhopper. Därmed är deras Raptor-motor den första full-flow staged combustion-motorn som någonsin flugits. 

1. Vill du få tillgång till mer information om motorer och munstycken som inte fick plats i artikeln? Kontakta Noa Lungström för att få tillgång till hela föreläsningen! ↩︎