Alapfogalmak és összefüggések

Itt van néhány rakétákkal kapcsolatos alapfogalom és összefüggés amit nem árt tudni, először is vegyük át, hogy miből áll egy rakéta motor és az hogyan működik.

A kiáramlott égéstermékek tömege és sebessége, tehát a tolóerő nagysága, attól függ hogy a rakéta égéskamrájában mennyi üzemanyag ég el egységnyi idő alatt, és hogy az mekkora fúvókán távozik. Ugyanis a fúvóka mérete befolyásolja az égéskamrában keletkező nyomást, a nyomás pedig döntő szerepet játszik a gázok kiáramlási sebességében! A nyomás továbbá hatással van még az égés sebességére is!

A nyomás emelkedésével nő az egységnyi idő alatt elégett üzemanyag mennyisége. PL: Amíg 1 atmoszféra nyomáson 4mm/s al ég az üzemanyag addig 60 atmoszféra nyomáson akár 3X is gyorsabban éghet ugyanaz az összetételű üzemanyag.

A fúvóka és működése.

Az égéstérben a nyomás növekedésével egyre több gázrészecskének kell elhagynia az égésteret a fúvókán keresztül. Az összenyomható gázok ekkor a nyomás hatására veszítenek térfogatukból és így képesek kiáramlani a változatlan keresztmetszetű fúvókán. Minél jobban összepréselődnek a gázrészecskék annál jobban kezdenek hasonlítani az összenyomhatatlan folyadékokra. Ez viselkedésükre is igaz, az adott keresztmetszeten csak akkor képesek átjutni ha áramlásuk felgyorsul. Ha az égésfelület nagysága és a fúvóka keresztmetszete megfelelő arányú, akkor elegendő gáz áramlik ki a fúvókán ahhoz hogy a létrejövő nyomást a motor fala elviselje. Ekkor beáll az optimális üzemi nyomás.

A helyzet a következő: a nyomás emelkedése és a kiáramlási sebesség egyenesen arányosak. (hangsebességig) Vagyis a keresztmetszet csökken az áramlás gyorsul. Itt a gázok áramlási sebessége a fúvóka legszűkebb pontján szubszonikus (hangsebesség alatti)

Ha növekszik a kiáramlási sebesség egészen hangsebességig, akkor a fúvókán kilépő gázok lassulása miatt kialakul egy lökéshullám. Ez azért történik mert a lassuló gázok feltartják a mögöttük ékező gázokat, az ekkor kialakult torlódás nyomásemelkedéssel jár. Ez a nyomásemelkedés hullám formájában a kiáramló gázokkal szemben próbál terjedni. De a fúvókán nem képes végighaladni mivel a kiáramló gázok sebessége egyenlő a helyi hangsebességgel, vagyis a hullám terjedési sebességével és kialakul a fúvókatorok legszűkebb pontján egy állóhullám.

Ezután hiába növeljük a nyomást a motorban a kiáramlás nem lesz gyorsabb mivel a lökéshullám fékezi azt. A keresztmetszet csökkenésével az áramlás már nem gyorsul hanem lassul. Ahhoz hogy tovább gyorsulhasson a kiáramlás az útban lévő torlódási hullámot "arrébb kell vinni". Ha a fúvóka összeszűkülő része után egy kiszélesedő szakasz következik, akkor az áramló gázok követik annak vonalát, hasonlóan a szárny körüláramlásához. (Laval fúvóka)

Ez azzal jár hogy a gázok térfogata nő és ettől hőmérsékletük, nyomásuk, és áramlási sebességük is csökken. A nyomáscsökkenésük miatt a fúvókából a lökéshullám kijjebb tolódik egészen a fúvóka kiszélesedő részének pereméig. Vagyis a fúvókatorokból kiáramló gázok sebessége nőhet hangsebesség fölé, mert a lökéshullám már nem a torokban van és nem fékezi az ott áthaladó áramló gázt. Az ilyen kiáramlást szuperszonikus áramlásnak hívjuk.

A fúvókát ekkor ferde lökéshullámok sorozata követi, mivel a környezet statikus nyomása miatt a hullámok képesek újra és újra visszaverődve a gázsugár keresztmetszetét csökkenteni! Ilyenkor a lökéshullám úgy működik mint valami lencse és a fényhez hasonlóan a gázsugár útját téríti el. Ez a folyamat addig ismétlődik míg a levegővel való súrlódás következtében a gáz lelassul és már nem képes nyomáshullámot kialakítani. A fúvóka kiáramlási sebessége vákumban érné el a maximumot. Mivel ekkor a környezeti nyomás 0 és nem alakul ki a torlódás. Tehát a rakétára szerelt Laval fúvóka növeli a maximális kiáramlási sebességet amitől nő a tolóerő.

Ezt most próbáltam érthetően elmagyarázni, de lehet hogy nem sikerült, aki jobban ért a képletekből, grafikonokból és szakzsargonokból mint én, az informálódhat INNEN is.