Lynkursus i raketteknik for amatører...
Copenhagen Suborbitals planlægger at skyde levende mennesker ud i rummet, om få år – og vi planlægger at bruge ”hybrid”-raketter til det – hvad er det for noget og hvorfor en hybridraket?
Her på ing.dk forstiller jeg mig at læserne er vant med teknisk stof, så selvom i måske ikke lige er ”rocket sceintists” så skulle nedestående gennemgang ikke slå nogen af bordet, men give et basalt kendskab til rumfartens arbejdshest – raketmotoren.
Her er et par svar...som jeg desværre må erkende er produktet af en næsten 30 år lang personlig iterationsprocess. Jeg har haft fornøjelsen af med stor iver at arbejde med alle de gængse typer af kemiske raketter – og de erfaringer det har genereret vil jeg meget gerne dele.
Nedenstående er raketmekaniker stof. Raketligningen, hvorfor man bruger flertrinsraketter – og alt det andet principielle, kan man hente på Wikipedia. Jeg antager frejdigt at læseren ved at raketter handler om at smide gas bagud med stor fart, fra et fartøj hvor drivmidlet der bliver til udstødsgas i motoren helst skal udgøre 90 – 95% af startvægten. Raketter handler om fart – eller fartændringer.
Et godt råd her i livet. Lyt ikke til bolværksmatroser, din mor eller svigermor, gå i lærebøgerne og laboratoriet og værkstedet. Der findes ingen dummere undskyldning for fejl eller uheld end at ”det vidste jeg ikke” - hvis ”det” bare vare et sprøgsmål om lidt resarch...
Enhver bolværksmatros vil anbefale ”do it yourself”-astronauten at bruge en raket med fast brændstof, fordi han ikke aner hvad han snakker om.
Fyrværkere har i århundereder lavet små fastbrændstofraketter med en trækølle, en bronze dorn, et paprør og en smule sort krudt. De virker i princippet som de 500 tons store Solid Rocket Boostere (SRB), som yder langt det meste af effekten, når en rumfærge opsendes. En fastbrændstofraket er verdens ubetingede enkleste varmekraftmaskine. Den består af et hylster, der kan være lavet af alt fra pap til kulfiber, en dyse der kan være lavet i alt fra presset ler til carbon carbon – og et ”fast brændstof” som kan være alt fra sortkrudt til nutidens avancerede compositdrivmidler. Det er såmænd det.
Fyrværker metoden – at presse sortkrudt med slag fra en kølle, så det danner en fast sats som kun brænder fra overfladen og derfor ikke bare eksploderer, virker kun i helt lille skala. Forsøger
man at køre efter den model, som jo er så dejligt enkel, får man det hele i hovedet når man passerer ikke ret meget over et halvt kilo drivmiddel. Det får ingen DIY astronaut ud af stolen. Problemet er at satsen revner når den når over en vis størelse. Der er ingen enkel løsning. Myg kan klare sig med tynde ben, elefanter må have tykke ben – af de samme fundamentale grunde.
Jamen – hvordan gør de så hos Morton Thiocol når de laver fastbrændstof i 500 tons skala?
Her er vi ved pointen – fastbrændstofraketter er stadig meget enkle, også i stor skala, men fabrikkerne der bygger dem er fuldkommen højteknologiske. Selve brændstoffet er ikke sortkrudt – men en blanding af et meget kraftigt oxydationsmiddel, syntestisk gummi og aluminiumspulver.
Den synstetiske gummi virker som et bindemiddel som gør at det hele ikke falder fra hinanden – og er den ene nøgle til den modene fastbrændstofraket. Derfor kom faststofraketterne historisk også samtidig med med plastik og ikke før. Morton Thiocol var faktisk oprindeligt en producent af syntetiske gummi – som bare lige opdagede at syntetisk gummi kan bruges til meget andet end bildæk.
Den anden nøgle er det kraftige oxydationsmiddel. Det hedder amoniumperchlorat, og jeg kan roligt skrive det her for det er omtrent lige så umuligt at skaffe som plutionum – men uden amoniumperchlorat, ingen store faststofmotorer.
Alle aktører bruger i praksis samme hovedopskrift og prøver man den efter, får man klø. For at fungere skal brændstoffet ende som et elastisk materiale, som ikke kan revne. Det sørger det syntetiske gummi for. Desværre er der ikke plads i opskriften til mere end 12 -15 % af dette bindemiddel – som jo egentligt er fyldstof – resten er pulverformige komponenter. Man står altså ret hurtigt med en kop lim og en trillebør med pulver – og dette skal man mixe til noget der kan hældes i en form. Skulle jeg lige nævne at trillebøren – ved den mindste gnist eksploderer og forvandler værkstedet til et krater – og at du ophører tilværelsen i et lysglimt.
VAB – den gigantiske samlehal hvor hvor først Saturn V og siden rumfærgerne bliver samlet – er blevet et meget farligere og et høj reguleret sted efter NASA fik SRB´ere på programmet. SRBérne bliver samlet af segmenter her, og det er – meget farligt. En tændstik kan i princippet tænde et segment og starte en ufatteligt varm og uslukkelig brand. Som i Seest ved Kolding bare meget værre.
Morten Thiocol løser det reoligiske (trillebørren og limkoppen) problem ved at bruge AP med en særlig poleret krystalform, og med en nøje beregnet fordeling af kornstørelser. Det samme gælder for aluminiumspulveret, som også er en speciel ”rocket grade” - gummiet – hydroxytermineret polybutadien – HTPB er heller ikke noget de har hos Silvan. Det kommer også i en speciel rocketgrade, som ikke er til at skaffe. Det gør at blandingen med over 85% tørstofindhold er flydende (dejagtig) og kan udstøbes. Alt foregår under vacum, for at undgå luftindeslutninger.
Man skal altså være knivskarp polymerkemiker, plus have en ”soyakagafabrik” og kunne sortere pulver i kornstørelser og form for at kunne lave de ”enkle” fastbrændstofraketter. Så skal man også have et meget kraftigt røngten apparat oveni....
Den færdige motor er nemlig slet ikke færdig. Bobler eller revner i satsen kan forårsage at motoren eksploderer når man tænder den, så fabrikken skal også en afdeling for kvalitetetskontrol der skal være ekstremt grundig. Ud over det nævnte anlæg skal vi altså også have et Forceinstitut, for at lave vores åh så enkle og anbefalelsesværdige fastbrændstofraketter.
Endelig – rent logisk kan man ikke stoppe en fastbrændstofraket når den er startet – den skal brænde ud eller sprænges i luften. Lidt ala en bil man ikke kan stoppe før tanken er tom, og som heller ikke kan reguleres undervejs men bare kører med sømmet i bund. Det er populært sagt sådan en bil, NASA kører astronauter ud i rummet med.
Vi kommer ikke ud i rummet med en simpel fastbrændstof raket, fordi det kræver en meget avanceret fabrik at bygge den, og fordi den er for farlig i brug.
Fastbrændstof er basalt fyrværkeri i gigantformat og er derfor også et område der er lovreguleret.
Man kan ikke lovligt producere fastbrændstofraketter, uden en eller anden form for licens ala den fyrværkerifabrikkker har – eller i alle fald må man gøre i samarbejde med en fyrværker, som så har licensen.
Hvad så med vædske raketter?
Mht. lovregulering er de som udgangspunkt uden for lands lov og ret. Der kan dog være nogle ting omkring arbejdsmiljø og trykbeholdere man skal overveje – men det er meget enklere med vædskeraketter end med faststof.
Så det tekniske...
Det er sjovt nok samme historie som faststof, bare omvendt. Vædskeraketter er ret komplekse, men de kan bygges på en tredierangs traktorfabrik i Nørre Snede. Det mest almindelige drivmiddel er RP-1 som er et jordolieprodukt med egenskaber mellem petroleum og dieselolie – men jeg kan love at en F-1 motor fra en Saturn V raket, ville kunne lappe ganske almindelig dieselolie i sig og have det godt. Oxydationsmiddlet – det laver de nede i hos AGA i Holmbladsgade – det er flydende oxygen. Det bruges utallige steder i industrien og sundhedssektoren – og er ikke væsentligt vanskeligere at skaffe eller betale end dieselolie, når blot man kan acceptere at få leveret i ret store mængder. LOX, som det hedder i fagsproget, er kort sagt et langt mere gængs produkt end amoniumperchlorat, der var bl.a. var betingelsen for at bygge store raketter med fastbrændstof.
Problemet med vædskeraketter består i kompleksiteten af raketten. Nu skal man ikke gøre det værre end det er – den første store væske raket – V2 /A4 med alle de samme grundlæggende features som Saturn V blev bygget på Peenemunde-raketbasen i 1942, i materialer og komponeneter som er fuldkommen dagligdags i Danmark i 2009 – og på værkstøjsmaskiner man skal på museum for at finde.
Vi ville vælge vædskeraketten, hvis det ikke var fordi vi havde noget der var lidt nemmere – men bare husk – smeden i Asses kan bygge dem – han skal bare have en tegning. Mere hightech er det i princippet ikke, at lave store vædskeraketter.
Princippet i en væske raket er at man har en tank med LOX og en tank med altså f.eks. dieselolie.
Disse tanke står i forbindelse med et brændkammer, via en pumpe. Pumpen minder på alle måder om en turbolader – den kan f.eks. drives af udstødsgas fra brændkammeret – eller have sin egen gasgenerator til at forsyne den med damp eller anden varm højtryksgas. I brændkammeret har man en forstøver – der mest minder om en bruser – bare med to sæt huller – et til LOX og et til dieselolien. Nogle vædskemotorer designes sådan at fuel komponenenten cirkuleres rundt om brændkammeret før indsprøjtning, dette for at køle motoren. Man forbrænder drivmidlet under det højst mulige tryk pumpen kan levere – fra godt 15 bar i en V2 raket til over 300 bar på en rumfærge hovedmotor – og opnår derved udstødshastigheder der er væsentligt større end overhovedet opnåeligt med noget andet. Aller mest dejligt er det, at man frit kan skalere opefter. Teknologisk var Saturn V´s første trin S-IVB ikke mange hestehoveder foran V2, det var kun den umådelige størelse der var den afgørende forskel.
Man kan godt udelade pumpen. Den er klart den mest teknologiske komponent, og selve det at pumpe LOX kræver at tanken det kommer fra sættes under et vidst overtryk (f.eks. 3 bar) for ikke at pumpen skal kavitere. Man kan så dimensionere tankene for 15 – 20 bar i stedet og fjerne pumpen helt ud af designet. Nu får man noget rimeligt enklet grej. Månelandingsmodulet i Apollo havde den type vædskemotorer – man turde simplethen ikke sidde på månen og bikse med en defekt brændstofpumpe – så man valgte ”spraydåse” princippet. Rumfærgens OMS motorer er af samme type, det er dem der får den ud af orbit og ned – og igen gider man ikke have vrøvl med defekte pumper...
Men selv tryktanksraketter er ikke særligt simple. Man skal have en masse helium med under højt tryk til at tryksætte med. LOX opløser f.eks. nitrogen så det er ikke så godt som trykgas. Man skal håndtere to vædsker, så man har to sæt ventiler for de vædsker som skal fjernstyres og åbne på nøjatigt timede tider. Der er også et par andre spøgelser i skabet...
LOX og dieselolie bliver sprøjtet ind i brændkammeret – og skal tændes. Hvis det ikke lige lykkes af få ild i det har man en højeksplosiv blandig med sprængkraft på et par gange nitroglyserins – og nogenlunde samme følsomhed. Det fører nu og da til en ”hard start” hvor raketmoteren eksploderer voldsomt og river resten af raketten med sig i en byge af sprængstykker. Jeg har set det et par gange – og der er ikke noget smukt ved det. Jeg tror alle der arbejder med vædskeraketter får det prøvet – og alle pakker naturligvis deres prøvestand ind i stål og beton, så der ikke er farligt for mennesker – og en veldesignet motor vil efter mange afprøvninger kunne siges at være beskyttet mod hardstarts...men alligevel...
Så er der vibrationer – vædskemotorer kan begynde at oscilere – og nogen gange stopper det bare ikke, amplityden vokser og vokser og motoren totalskader. Det skete for en del Saturn V F1 hovedmotorer – men blev løst i prøvestanden inden Frank Borman, Jim Lovel, og William Anders med Apollo 8 fløj rundt om månen efter den første bemandede Saturn V-opsendelse. Det er forresten netop 40 år siden nu. Når Saturn nævnes igen og igen her er det – fordi der groft sagt ikke er sket væsentlige teknologiske fremskridt inden for raketter siden - nærmere det modsatte.
Der er en ekstra krølle på historien. Til øvre trin – hvor udstødshastigheden er afgørende vælger nogle designs – som f.eks. Saturn V at bruge flydende hydrogen i stedet for dieselolie. Det er meget beskosteligt – og kræver uhyre avanceret pumpe og tankdesign. Nogle vil argumentere for det kan betale sig – over en større og dummere konventionel løsning. Jeg hører til den der mener vi skal overlade det til solen at brænde hydrogen – i alle fald mht. rumfart. Det er simplethen for dyrt i forhold til fordelene.
Jeg har beskæftiget mig med de her teknologier siden jeg var 16, og være rundt om emnet på samme måde som en traktormekaniker kender en en John Deere 1958. Jeg har bygget klor alkali anlæg i pilot scale for at producere amomoniumperchlorat - jeg har haft fat i alt hvad der kan noget inden for syntetisk gummi – jeg har skaffet carbon carbon fra gamle flybremser til at dreje raketdyser i, og haft succes med både fastbrændstof på den ”avancerede måde” og vædskemotorer med LOX og dieselolie. Det er en sjov hobby hvor man kan lære meget, men faktum er at det er så svært, det er så krævende at få de her fantastiske maskiner til at fungere – at man ofte ender med et brag man ikke forstår makanismen bag – og derfor ikke bliver klogere af. Det mest frustrerende er, når man i princippet gør det hele rigtigt – og så aligevel ender med en fejl. Jeg deler denne følelse med alle der har arbejdet med raketmotorer – professionnele som amatører – at det er svært og så meget mere tilfredstillende, når det bare lykkes. Hvis de siger noget andet, så lyver de.
Alt dette bringer os selt ikke ud over prøvestanden – at få en raket motor til at fungere tilfredstilende i prøvstand er et – at bruge den i praksis er en anden opgave som forudsætter løsning af den første. F.eks. er det et problem at håndtere opladte faststofraketter fordi de må klassificeres
som (meget) farligt gods, men i felten er det bare at sætte den i rampen og sætte strøm til.
Det er også derfor krigskarlene i hæren, elsker fast brændstof. Vædskeraketter er modsat dette komplet sikre under transport, men skal optankes og klargøres i felten, hvad der godt kan være en udfordring, b.la. fordi ens drivmiddel jo fordamper i et ret højt tempo.
Alle disse forhold må tages i betragtning. Den bedste løsning vil altid være et ret kompliceret kompromis.
Jeg tror ikke på mirakkelløsninger – men når man har udvilket på fast og flydene drivmiddel med ca. samme iver er man altså ret godt klædt på til at afprøve kombinationen. Nogen gange så støder man bare på noget som er så enkelt og ligetil at man fatter at man ikke gik den vej før.
Hybridraketten er det smarte og sikre kompromis mellem de to konventionelle rakettyper.
Hvis man forestiller sig man tager tanken med LOX fra væskeraketten, og kobler den sammen med en faststofraket – hvor det faste brændstof er støbt uden trillebøren med AP og aluminumspulver har vi faktisk en hybridraket. Vi kan nu undvære de farlige komponenter i fastbrændstof og bare fyre med den syntetiske gummi. Den består som dieselolie, overvejende af kul og brint, som er udmærket at fyre med.
Den komplekse brændstofpumpe kan udelades, man kan jo bruge tryktanksløsningen – og da der kun er en og ikke to vædsker der skal pumpes kan man bruge fordampning af LOXén til sin tryksætning. Det kunne man vel også i en vædskeraket – men desværre nej - kun de dumme tryksætter dieselolie med ren oxygen.
Brændstofblokken kan ikke brænde med sig selv – og derfor er revner eller fejl ret ukritiske, der sker ikke noget hurtigere, end der kommer oxygen til – og selv da er festen begrænset af hvor hurtigt gummiblokken kan fordampes. Man kan også altid stoppe det hele ved at lukke for LOXen, og på samme måde regulere motoren. Størst virkninggrad opnås dog, som med de fleste varmekraftmaskiner, ved fuldlast.
Ingen pumpe, ingen farlig amoniumperchlorat, ingen avanceret kvalitetetskontrol, ikke noget med ikke at kunne stoppes eller reguleres, ingen hardstart, ingen eksplotioner, ingen turbopumpe. Tak, det var lige det vi manglede. Det tog mig desvære næsten et kvart århundrede at få den ind på lystavlen.
Alt dette kunne man have forudset ret teoretisk ved skrivebordet – men ude i prakis viser det sig i test after test at typen fungerer og er meget modstandsdygtig mod fejl. De test vi har lavet viser at det i praksis er det bedste kompromis vi har fundet.
Den vigtigste første betingelse for at kunne lave et DIY bemandet raketprojekt må være raketter der virker og er pålidelige og reproducerbare – og det er blevet opnået med hybridmotoren. Derefter må Kristian så designe et rumskib og et sæde som kan bringe astronauten sikkert ned igen. Det er jeg så sikker på han kan, at jeg gerne sætter mig op i det, når dagen kommer.
Peter Madsen
| 
