Raketový motor

Rozbalit box

Obsah boxu

Raketový motor je typ reaktivního motoru, který vytváří tah vyvrhováním vysokorychlostních spalin. Na rozdíl od většiny jiných reaktivních motorů (např. proudových) si raketový motor nese veškerou pracovní látku (palivo i okysličovadlo) s sebou a je tedy nezávislý na okolním prostředí, zejména na atmosférickém kyslíku. Díky tomu může pracovat ve vesmírném vakuu, což je klíčové pro jeho využití v kosmonautice.

Princip raketového motoru je založen na třetím Newtonově pohybovém zákoně – zákonu akce a reakce. Motor vyvrhuje hmotu (spaliny) vysokou rychlostí jedním směrem, což vytváří stejně velkou sílu (tah) působící opačným směrem na těleso motoru a k němu připojenou raketu či kosmickou loď.

📜 Historie

Myšlenka reaktivního pohonu je stará tisíce let. První známé zařízení využívající tento princip byla Aeolipila, parou poháněná koule popsaná Hérónem z Alexandrie v 1. století našeho letopočtu.

🇨🇳 Rané rakety

První skutečné rakety, poháněné střelným prachem, se objevily ve středověké Číně přibližně ve 13. století. Byly používány jako ohňostroje a později i jako zbraň v podobě zápalných šípů. Tato technologie se postupně rozšířila přes mongolské výboje do Evropy a na Blízký východ.

🧪 Teoretické základy

Moderní éra raketové techniky začala na přelomu 19. a 20. století prací několika vizionářů. Ruský vědec Konstantin Ciolkovskij položil teoretické základy kosmonautiky a v roce 1903 publikoval tzv. Ciolkovského rovnici, která popisuje vztah mezi změnou rychlosti rakety, specifickým impulsem motoru a poměrem hmotností.

Američan Robert Goddard je považován za otce moderní raketové techniky. Experimentoval s raketami na kapalné pohonné látky a 16. března 1926 úspěšně vypustil první takovou raketu. Jeho práce zahrnovala klíčové inovace jako gyroskopickou stabilizaci a turbočerpadla.

Německý fyzik Hermann Oberth nezávisle na Goddardovi také rozpracoval teorii raketových motorů a inspiroval vznik německých raketových spolků, jako byl Verein für Raumschiffahrt (VfR).

🇩🇪 Druhá světová válka

Největší pokrok během tohoto období nastal v nacistickém Německu pod vedením Wernhera von Brauna. Jeho tým v Peenemünde vyvinul raketu V-2 (Aggregat 4), první balistickou raketu dlouhého doletu. Motor rakety V-2 spaloval alkohol a kapalný kyslík a stal se předlohou pro mnoho poválečných raketových motorů v USA i Sovětském svazu.

🛰️ Vesmírný závod

Po druhé světové válce se němečtí vědci stali klíčovou součástí amerického i sovětského raketového programu. Během studené války probíhal tzv. vesmírný závod, který vedl k rapidnímu vývoji stále výkonnějších motorů.

**Sovětský svaz:** Tým pod vedením Sergeje Koroljova vyvinul motory jako RD-107 a RD-108, které poháněly raketu R-7, jež vynesla na oběžnou dráhu první umělou družici Sputnik 1 a prvního kosmonauta Jurije Gagarina.
**Spojené státy:** Tým Wernhera von Brauna vyvinul pro NASA motory pro rakety Redstone, Jupiter a nakonec gigantickou raketu Saturn V. Její první stupeň pohánělo pět motorů Rocketdyne F-1, dodnes nejvýkonnějších jednokomorových motorů na kapalné palivo v historii. Tyto motory umožnily přistání člověka na Měsíci v rámci programu Apollo.

🚀 Moderní éra

Po skončení vesmírného závodu vývoj pokračoval. Vznikly motory pro americký raketoplán – hlavní motory SSME (Space Shuttle Main Engine) na kapalný vodík a kyslík s vysokou účinností a pomocné startovací motory na tuhé palivo (SRB). V posledních letech je hlavním inovátorem soukromá společnost SpaceX, která vyvinula motory Merlin (pro rakety Falcon 9 a Falcon Heavy) a Raptor (pro systém Starship), které jsou navrženy pro plnou znovupoužitelnost. Motor Raptor je prvním sériově vyráběným motorem s uzavřeným cyklem spalujícím metan.

⚙️ Princip fungování

Základním principem je přeměna chemické nebo jiné formy energie na kinetickou energii výtokových plynů.

🔥 Spalovací komora

Srdcem chemického raketového motoru je spalovací komora. Zde dochází k hoření pohonných látek (paliva a okysličovadla) za vysokého tlaku a teploty (až 3500 °C). Vzniká obrovské množství horkých plynů.

💨 Expanzní tryska

Horké plyny ze spalovací komory proudí do expanzní trysky, která má specifický tvar, známý jako Lavalova tryska.

Konvergentní (zužující se) část: Plyny jsou acelerovány na rychlost zvuku (Mach 1).
Kritický průřez (hrdlo): Nejužší místo trysky.
Divergentní (rozšiřující se) část: Plyny zde expandují a jsou urychlovány na nadzvukové, často až hypersonické rychlosti (Mach 3–10).

Přeměnou tepelné energie plynů na kinetickou energii v trysce vzniká výsledný tah. Účinnost trysky závisí na expanzním poměru (poměr plochy ústí a hrdla) a na okolním tlaku. Proto mají motory pro start v atmosféře kratší trysky než motory určené pro provoz ve vakuu.

📈 Klíčové parametry

Tah (Thrust): Síla, kterou motor působí na raketu. Udává se v newtonech (N) nebo kilonewtonech (kN). Je přímo úměrný hmotnostnímu toku spalin a jejich výtokové rychlosti.
Specifický impuls (Isp): Míra účinnosti motoru. Udává, jak dlouho dokáže motor generovat tah jedné libry (nebo newtonu) z jedné libry (nebo kilogramu) paliva. Vyšší specifický impuls znamená vyšší účinnost. Udává se v sekundách. Motory na kapalný vodík dosahují nejvyššího specifického impulsu.

🚀 Typy raketových motorů

Raketové motory se dělí podle zdroje energie a skupenství pohonných látek.

🔥 Motory na chemické palivo

Nejběžnější typ, který získává energii z exotermické chemické reakce.

Motory na tuhé pohonné látky (TPH)

Palivo i okysličovadlo jsou smíchány v pevné, stabilní směsi (tzv. zrno) s otvorem uprostřed. Po zapálení hoří zrno od středu k okrajům a nelze jej již regulovat ani zastavit.

Výhody: Jednoduchá konstrukce, vysoká spolehlivost, dlouhodobá skladovatelnost, okamžitá připravenost ke startu, vysoký tah.
Nevýhody: Nižší specifický impuls, nemožnost regulace nebo vypnutí tahu po zážehu.
Využití: Pomocné startovací motory (SRB u raketoplánu, Ariane 5), vojenské rakety, mezikontinentální balistické rakety.

Motory na kapalné pohonné látky (KPH)

Palivo a okysličovadlo jsou skladovány v oddělených nádržích v kapalném stavu a do spalovací komory jsou dopravovány pomocí čerpadel (nejčastěji turbočerpadel).

Výhody: Vyšší specifický impuls, možnost regulace tahu, možnost opakovaného zážehu a vypnutí motoru.
Nevýhody: Velmi složitá konstrukce (turbočerpadla, ventily, potrubí), náročnější příprava ke startu (zejména u kryogenních paliv jako kapalný vodík).
Využití: Hlavní motory nosných raket (Saturn V, Falcon 9, Sojuz), manévrovací motory kosmických lodí a družic.

⚡ Elektrické pohonné systémy

Tyto motory využívají elektrickou energii (obvykle ze solárních panelů) k urychlení pracovní látky (obvykle inertní plyn jako xenon).

Iontový motor

Vytváří tah urychlováním iontů v elektrickém poli.

Výhody: Extrémně vysoký specifický impuls (až 10 000 s), velmi nízká spotřeba paliva.
Nevýhody: Velmi nízký tah (řádově milinewtony až newtony), vyžaduje velký zdroj elektrické energie.
Využití: Pohon meziplanetárních sond (Deep Space 1, Dawn, BepiColombo), udržování polohy satelitů na oběžné dráze.

⚛️ Jaderné a exotické pohony

Jedná se o koncepty, které jsou ve fázi výzkumu nebo raného vývoje.

Jaderný tepelný pohon (NTR): Využívá teplo z malého jaderného reaktoru k ohřátí pracovní látky (např. kapalného vodíku) na extrémně vysokou teplotu. Očekává se, že nabídne výrazně vyšší specifický impuls než chemické motory, což by mohlo zkrátit cesty na Mars na polovinu.
Jaderný pulzní pohon (Projekt Orion): Teoretický koncept pohonu pomocí série malých jaderných explozí za lodí. Nabízí obrovský tah i specifický impuls, ale je spojen s mnoha technickými a politickými problémy.

🧪 Pohonné látky

Volba pohonných látek je klíčová pro výkon a charakteristiku motoru.

Kapalný kyslík (LOX) a Kerosin (RP-1): Velmi běžná kombinace, používaná v motorech Merlin nebo RD-170. Dobrý kompromis mezi výkonem a hustotou paliva.
Kapalný kyslík (LOX) a Kapalný vodík (LH2): Kombinace s nejvyšším specifickým impulsem. Používá se v horních stupních raket a v motorech jako SSME nebo Vulcain. Nevýhodou je extrémně nízká teplota a nízká hustota vodíku, což vyžaduje velké a dobře izolované nádrže.
Kapalný kyslík (LOX) a Kapalný metan (LCH4): Moderní kombinace, kterou používá motor Raptor. Nabízí dobrý specifický impuls, je čistší než kerosin (nezanechává saze) a je vhodný pro výrobu na Marsu (tzv. In-Situ Resource Utilization).
Hypergolické pohonné látky: Látky, které po vzájemném kontaktu samovolně vzplanou (např. oxid dusičitý a hydrazin). Jsou vysoce toxické, ale velmi spolehlivé, protože nepotřebují zapalovací systém. Používají se v manévrovacích motorech (např. lunární modul Apollo) a ve vojenských raketách.

💡 Pro laiky

Představit si, jak funguje raketový motor, může být jednoduché.

Princip akce a reakce: Představte si, že stojíte na skateboardu a hodíte těžkou bowlingovou kouli dopředu. V okamžiku, kdy kouli odhodíte (akce), skateboard se i s vámi pohne dozadu (reakce). Raketový motor dělá totéž, ale místo jedné koule "hází" obrovské množství neviditelných, extrémně rychlých molekul plynu.
Proč funguje ve vakuu: Mnoho lidí si mylně myslí, že se raketa "odráží" od vzduchu. Není to pravda. Motor funguje lépe ve vakuu, protože tam není žádný odpor vzduchu, který by brzdil unikající plyny. Síla vzniká čistě z principu akce a reakce uvnitř motoru.
Tuhé vs. kapalné palivo: Motor na tuhé palivo je jako prskavka – jakmile ji zapálíte, hoří, dokud neshoří celá. Motor na kapalné palivo je jako plynový hořák na sporáku – můžete ho zapnout, vypnout, a dokonce regulovat sílu plamene. Proto jsou motory na kapalné palivo vhodnější pro přistávání nebo složité manévry ve vesmíru.

Šablona:Aktualizováno