Co to jest silnik kriogeniczny?
Silnik kriogeniczny jest zwykle silnikiem rakietowym zaprojektowanym do ucieczki od grawitacji ziemskiej w celu wysłania sond w przestrzeń lub do podniesienia satelitów na orbitę. Używają paliw ciekłych, które są schładzane do bardzo niskich temperatur i które w innym przypadku byłyby w stanie gazowym przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze, takie jak wodór i tlen. Paliwa te są wykorzystywane w jednej z dwóch głównych konstrukcji do wytwarzania siły napędowej. Albo wodór jest odparowywany jako paliwo i zapalany przez utleniacz tlenu, aby wytworzyć standardowy ciąg gorącej rakiety, lub są one mieszane w celu wytworzenia bardzo gorącej pary, która opuszcza dyszę silnika i wytwarza ciąg.
Pięć narodów posiada obecnie z powodzeniem przetestowane układy napędowe silników kriogenicznych od 2011 roku. Należą do nich Stany Zjednoczone, Rosja i Chiny, a także Francja i Japonia. Prace w niemieckim centrum lotniczym w Lampoldshausen w Niemczech trwają w celu opracowania napędu kriogenicznego. Indie przetestowały również w terenie projekt rakiety kriogenicznej jeszcze w 2009 roku, wyprodukowany przez Indian Space Research Organisation (ISRO), co spowodowało katastrofalną awarię testowanego pojazdu.
Inżynieria kriogeniczna paliw rakietowych istnieje już od co najmniej konstrukcji rakiety Saturn V z ery lat 60., stosowanej przez amerykańskie misje Apollo Moon. Główne silniki amerykańskiego promu kosmicznego również wykorzystują paliwa przechowywane kriogenicznie, podobnie jak kilka wczesnych modeli międzykontynentalnych pocisków balistycznych (ICBM) wykorzystywanych przez Rosję i Chiny jako odstraszacze nuklearne. Rakiety zasilane cieczą mają większy ciąg, a tym samym prędkość niż ich odpowiedniki na paliwo stałe, ale są przechowywane z pustymi zbiornikami paliwa, ponieważ paliwa mogą być trudne w utrzymaniu i z czasem psują się zawory silnika i armatura. Wykorzystanie paliwa kriogenicznego jako paliwa wymagało możliwości przechowywania paliwa, aby w razie potrzeby można było je pompować do zbiorników utrzymujących silnik rakietowy. Ponieważ czas wystrzelenia pocisków napędzanych silnikiem kriogenicznym może być opóźniony do kilku godzin, a przechowywanie paliwa jest ryzykowne, w latach 80. USA przekształciły się we wszystkie jądrowe ICBM na paliwo stałe.
Ciekły wodór i ciekły tlen są przechowywane na poziomach odpowiednio -423 ° Fahrenheita (-253 ° Celsjusza) i -297 ° Fahrenheita (-183 ° Celsjusza). Elementy te można łatwo uzyskać i oferują one jeden z najwyższych współczynników konwersji paliw płynnych do napędu rakietowego, dzięki czemu stały się paliwami z wyboru dla każdego kraju pracującego nad konstrukcjami silników kriogenicznych. Wytwarzają również jeden z najwyższych znanych prędkości impulsu specyficznego dla chemicznego napędu rakiety do 450 sekund. Impuls właściwy jest miarą zmiany pędu na jednostkę zużytego paliwa. Rakieta wytwarzająca 440 impulsów właściwych, na przykład silnik kriogeniczny promu kosmicznego w próżni, osiągałaby prędkość około 9 900 mil na godzinę (15 840 kilometrów na godzinę), co wystarczy, aby utrzymać ją na rozkładającej się orbicie wokół Ziemi przez około wydłużony okres czasu.
Nową odmianą silników kriogenicznych jest Common Extensible Cryogenic Engine (CECE) opracowywany przez National Aeronautics and Space Administration (NASA) w USA. Wykorzystuje typowy ciekły tlen i paliwo wodorowe, ale cały silnik również jest przechłodzony. Paliwo miesza się, aby wytworzyć przegrzaną parę o temperaturze 5000 ° Fahrenheita (2760 ° C) jako formę ciągu rakiety, który może być dławiony w górę i w dół od nieco ponad 100% do 10% poziomów ciągu, do manewrowania w środowiskach lądowania, takich jak na powierzchni Księżyc. Silnik przeszedł pomyślnie testy już w 2006 roku i może być używany zarówno w przyszłych misjach załogowych Marsa, jak i Księżyca.