TEMA BROJA

Dragan Lazarević

Vodonik / Raketno gorivo

Uz tečni vodonik, pravac svemir

Intenzivan razvoj raketa tokom 20. veka odvijao se u naglim skokovima zahvaljujući primenama novih vrsta goriva koje je pratio tehničko-tehnološki razvoj zasnovan na primeni novih materijala i konstruktivnih rešenja raketnih motora i korpusa raketa. Prve rakete su koristile goriva slabije energetske vrednosti (npr.alkohol) ili oksidatore koji sadrže vodu (vodonik-peroksid, azotna kiselina) jer tadašnji raketni motori nisu mogli da izdrže veća termička i mehanička opterećenja. Veliki prodor u kosmos ostvaren je korišćenjem motora koji su koristili tečni kiseonik i ugljovodonična goriva (kerozin) sa kojima je postignuta relativna masa tereta lansiranog u Zemljinu orbitu od 2-2,5%  startne mase rakete nosača.

Primenu vodonika kao raketnog goriva prvi je predložio „otac kosmonautike“ Konstantin E. Ciolkovski, 1903. Ali, ta ideja je realizovana tek šest decenija kasnije. Veliki i ambiciozan cilj - slanje ljudi na Mesec i njihov bezbedan povratak na Zemlju, koje su SAD postavile 1962. zahtevao je nova tehničko-tehnološka rešenja; trebalo je stvoriti veliku i efikasniju raketu nosač. Glavna inovacija je bila primena novog goriva - tečnog vodonika i tečnog kiseonika - čime bi se masa tereta podignutog u Zemljinu orbitu gotovo udvostručila i time omogućilo da se misija obavi jednim lansiranjem.
Veličina koja iskazuje efikasnost nekog raketnog goriva (u nekoj meri i konstrukcije raketnog motora) je tzv. „specifični impuls“ - Isp, koji predstavlja odnos sile potiska motora i masenog protoka izlazne materije (mase goriva i oksidatora u jedinici vremena). U SI sistemu mernih jedinica, Isp je jednak prosečnoj brzini isticanja gasova iz mlaznika raketnog motora. Pri korišćenju kerozina i tečnog kiseonika, iznosi maksimalno (pri radu motora u vakuumu i sa visokim stepenom ekspanzije) Isp=3475 m/sek, a pri korišćenju tečnog vodonika i kiseonika do Isp=4600m/sek. Osim ove prednosti, fizičke osobine tečnog vodonika su stvorile i dodatne probleme: prvi je njegova vrlo niska temperatura - mora da se održava ispod -254ºC (ključa na -252,7ºC, na pritisku 1bar, a to zahteva poseban toplotno izolovan rezervoar). Drugi problem je  njegova veoma mala gustina - svega 70 kg/m3, što zahteva rezervoar više od deset puta veće zapremine u odnosu na rezervoar sa istom masom kerozina.
Vodonik ima veću cenu u odnosu na kerozin ali je ona mali deo ukupne cene rakete nosača. Odnos masa H2 prema O2 koji se ubaciju u komoru raketnog motora je 1:6, a temperatura sagorevanja u njoj je oko 3200ºC (produkt je pregrejana vodena para).
Svi ovi problemi su rešeni i rakete nosači sa vodonikom kao gorivom su uspešno lansirane u kosmos, na više orbite i međuplanetarne putanje.

Program „Saturn-Apolo“

Prva razmatranja projekata rakete za let na Mesec od strane NASA-e su ukazala da bi njena startna masa trebalo da bude oko 3000t a sposobnost dizanja u Zemljinu orbitu oko120t, što je moguće ostvariti samo sa tečnim vodonikom kao gorivom na 2. i 3. stepenu rakete. Primenom kerozina kao goriva na svim stepenima rakete (projekt rakete nova) moglo bi da se digne u orbitu samo polovinu od potrebne mase, a to znači ili dvostruko veću raketu ili komplikovaniji postupak sa dva lansiranja i spajanjem viših stepena u Zemljinoj orbiti.
Započet je razvoj raketa serije saturn 1 koje su imale drugi stepen SIV sa tečnim vodonikom i kiseonikom. Taj stepen je pokretalo 6 motora RL-10A koji je proizvodila kompanija „Pratt and Whitney“. Oni su od 1962. ispitivani na manjem stepenu centaur. Potisak po jednom motoru je iznosio 66,7 kN, Isp je bio oko 4360 m/s a masa samo 131 kg.
U okviru programa Saturn 1 obavljena su uspešno tri lansiranja u Zemljinu orbitu modela apolo i tri satelita serije pegasus 1964-65.
Motori RL10 se od 1967. koriste na nosaču centaur kao 2. ili 3. stepen  na raketama atlas-centaur, titan 3E, titan 4, atlas 5, delta 3 i 4. Lansirane su brojne kosmičke sonde i komercijalni telekomunikacioni sateliti. Neprekidno su usavršavani motori RL10A i stepen centaur, potisak je povećan na 109kN, Isp na 4560m/s a masa centaura sa gorivom je povećana na 23t. Do sada je obavljeno oko 250 lansiranja a očekuje se i primena ovih dokazano pouzdanih motora na 2. stepenu budućeg velikog nosača SLS.
U okviru razvoja rakete saturn, usledilo je lansiranje varijante saturn 1B sa znatno većim drugim stepenom SIVB koji pokreće znatno jači motor J2 kompanije „Rocketdyne“ na tečni vodonik i kiseonik. Potisak motora J2 je iznosio 1000kN, masa oko 2t a Isp je bio 4130m/sek. Obavljeno je ukupno devet lansiranja rakete saturn1B a posle petog, lansiranja apola 7 sa posadom, počinje ispitivanje džinovske rakete saturn 5, startne mase 2940t. Njen treći stepen, mase 121t, je u stvari SIVB, već ispitani drugi stepen saturna 1B. Drugi stepen saturna 5, mase 490 t, pokreću 5 motora J2 dok prvi stepen pokreću 5 motora F1 na kerozin i tečni kiseonik. Obavljeno je ukupno 13 lansiranja rakete saturn 5 u periodu 1967-73 (dva  probna bez posade, apola 9, u Zemljinu orbitu, devet misija apola 8-17 ka Mesecu i lansiranje orbitalne stanice skajlab u Zemljinu orbitu). Sva su  uspešno obavljena zahvaljujući pogonu motora J2 na tečni vodonik i kiseonik drugog i trećeg stepena.

SSSR i tzv.“zatvoreni ciklus“

SSSR je razvijao sopstvenu raketu nosač za let na Mesec, N1 koja je koristila motore NK 15 na kerozin i tečni kiseonik konstrucije tzv. „zatvorenog ciklusa“ koji su bili bolji od motora F1. Raketa je imala 95% mase u odnosu na „saturn 5“ ali je u orbitu oko Zemlje mogla da ponese oko 90t, tj. oko 0,75 od nosivosti saturna 5. Prednosti tečnog vodonika kao goriva su bile očigledne pa je u SSSR 1965-1972. razvijan takav motor za četvrti stepen N1. Kostruktor Isajev biroa je, na osnovu prototipa motora 11D56, razvio motor KVD-1 na tečni vodonik potiska 69,6 kN i Isp=4530m/sek. Iako je motor prošao sve testove, projekat je obustavljen zbog neuspeha rakete N1. Prošle su decenije i taj motor i tehnologija proizvodnje su prodati Indiji koja ga je koristila kao treći stepen svoje rakete GSLV i koristila za lansiranje satelita u periodu 2001-2010.

Pripreme za povratak na Mesec

NASA priprema dugo očekivani povratak astronauta na Mesec, projekt nazvan „Artemis“, koji će se obaviti raketom SLS (Space Launch System) sa pogonom na tečni vodonik na osnovu tehnologije primenjene u programu „Spejs šatl“. Centralni stepen bi pokretala 4 motora na tečni vodonik RS-25, drugi stepen u varijanti block 1 jedan RL10C a u varijanti SLS block 2 četiri RL10C sa mogućnošću da ka Mesecu pošalje terete od 28-46t kao što su kosmički brod CEV orion, moduli Mesečeve orbitalne stanice DSG i modul za sletanje na Mesečevu površinu.

Tečni vodonik pokreće „Spejs Šatl“     

Lansiranje kosmičke letelice višekratnog korišćenja koja bi imala oblik i letne sposobnosti aviona-hipersoničnog planera koji bi, po povratku, sletao na pistu takođe zahteva primenu tečnog vodonka kao pogonskog goriva. Delta krila koja svojom velikom površinom omogućavaju ulazak u atmosferu sa znatno manjim opterećenjem, zahtevaju masivniju toplotnu izolaciju što je, uz korpus letelice, izolacija kabine, sistem upravljanja i sletni trap... masa koja se sa korisnim teretom mora uklopiti u 4,5% startne mase rakete, što se može dići u orbitu samo pogonom na tečni vodonik. Program kosmičkog aviona-planera koji je NASA uobličila 1973. i nazvala „space shuttle“ je trebalo da višekratnim korišćenjem letelice (planirano je čak sto letova jednog kosmoplana) omogući pojeftinjenje lansiranja i do deset puta.
Glavni tehnološki iskorak u ostvarenju tog projekta su bili motori SSME (Space Shuttle Main Engine) RS25 na tečni vodonik i kiseonik kompanije „Rocketdyne“ sa mogućnošću višekratnog korišćenja, do 50 puta. Tri motora RS 25 su postavljena na spejs šatl a gorivo - tečni vodonik i kiseonik su kroz cevovode-spojnice dopremani iz velikog spoljnog tanka. Masa pojedinačnog motora je bila oko 3 t, ostvarena sila potiska je iznosila od 1860kN na nivou mora a u vakuumu do 2110kN (kasnije 2280kN) sa mogućnošću promene potiska u granicama 67-109% u odnosu na nominalni a Isp=4436m/s u vakuumu. U toku programa Spejs šatl 2, 1981-2011. ostvareno je 135 letova. Mada je bilo 7 problema sa motorima SSME, uglavnom pred start, oni su svoju funkciju uspešno obavili. Katastrofa šatla „Čelendžer“,1986. kada je posle 73 sek od poletanja na visini od 17 km i pri brzini od oko 3 maha došlo do eksplozije tanka sa tečnim vodonikom i kiseonikom, nije dokaz nesigurnosti tog pogona jer je uzrok nesreće bila bočna raketa-buster na čvrsto gorivo: plamen iz njene unutrašnjosti se bočno probio između segmenata konstrukcije.

Odgovor „buran“

SSSR je razvio raketu nosač „energija“ (smatra se da je to do sada najefikasnija raketa nosač) koja je imala centralni deo, ili drugi stepen po ruskom označavanju, sa pogonom na tečni vodonik i kiseonik. Četiri motora RD-0120 su pokretala centralni deo a raketa je imala i 4 bočna bustera sa pogonom na kerozin. Ti motori su delo instituta „HimMaš“ koji je osnovao Semjon Kosberg. Potisak pojedinačnog motora RD-0120 je iznosio  1517kN (na nivou mora) do 1951 kN u vakuumu, Isp=4460ms (u vakuumu) a masa motora 3450kg. Mogao je da menja silu potiska.
Obavljena su dva lansiranja,1987. kada je raketa uspešno obavila svoju funkciju ali orbitalni aparat poljus zbog greške nije ušao u Zemljinu orbitu, i 1988. kada je uspešno lansiran kosmoplan buran bez posade, sovjetski odgovor na spejs šatl. Raspadom SSSR-a projekt je prekinut a stručnjaci NASA-e su dobili priliku da se upoznaju sa tehnologijom tih motora koji su znatno manje složeni i jeftiniji od motora spejs šatla. Brojna tehološka rešenja primenjena na RD-0120 su čak superiornija od onih primenjnih na SSME pa je razmatrana i njihova primena u cilju poboljšanja američkih motora.

Raketno gorivo za sve kosmičke sile

Prva redovna primena tečnog vodonika van SAD je bila na evropskoj raketi ariane 1, na njenom trećem stepenu koji je satelite dizao u geostacioniranu orbitu. Pokretao ga je jedan motor HM-7 potiska 61,7 kN, sa Isp-4346 ms. Uspešna lansiranja su obavljana od 1981. i drugih varijanti rakete arijane - 2,3 i 4.
Potpuno nova raketa arijane 5 je uspešno korišćena od 1998.
Centralni stepen pokreće motor na vodonik vulcaine, potiska 1015 kN u vakuumu a u kasnijim varijantama vulcaine 2 potiska 1390 kN (takođe u vakuumu). Treći stepen koristi motore HM7B. Do sada je lansirano preko 120 arijane 5 svih varijanti.
Sličnim pravcem razvoja raketa nosača je krenula japanska kosmička agencija JAXA, razvijajući rakete serije H sa prvim lansiranjem 1994. Nosač H1 se sastoji od centralnog stepena sa pogonom na tečni vodonik i sa bočnim busterima na čvrsto gorivo. Centralni stepen pokreće motor LE-7, potiska 1077kN, a raketu H2 dva motora LE-7. Drugi stepen koji podiže satelite na više orbite i sonde na međuplanetarne putanje pokreće motor na vodonik LE-5B, potiska 137kN.
Japan planira da ove godine u redovno korišćenje uvede raketu H3 koja ima centralni blok sa 2-3 motora LE-9, svaki potiska po 1471 kN, dok drugi stepen pokreće motor LE-5B-3. Planira se da ova raketa u budućnosti, pored komercijalnih lansiranja, snabdeva i Mesečevu orbitalnu stanicu DSG.

NR Kina je od 2016. započela primenu tečnog vodonika kao goriva na centralnom bloku rakete nosača CZ-5. Njega pokreću dva motora YF-77, svaki potiska po 700kN u vakuumu. Drugi stepen CZ-5 takođe koristi vodonik na dva motora YF-75D
pojedinačnog potiska 88,3 kN, sa ciljem da satelite diže na GS  orbitu i sonde na međuplanetarne putanje.
Drugi kineski nosač, raketa CZ-7 ima treći stepen sa dva motora YF-75 sa ciljem postizanja GS orbite.
Kina planira i izgradnju džinovske rakete CZ-9 za let na Mesec sa snažnijim motorima na vodonik, potiska 5000 kN.
Na osnovu iskustva sa ruskim motorima na vodonik KVD-1, Indija ja razvila efikasniji sopstveni motor CE-7.5 za treći stepen rakete GSLV MarkII, sa ciljem postizanja geostacionirane orbite. Taj motor ostvaruje potisak od 75-93 kN i ima Isp=4450m/s.
Rusija je 1998. takođe razvila raketni  motor na tečni vodonik RD-0146 za treći stepen i postizanje GSO. Motor je projektovao institut „HimMaš“. Okvirno je inspirisan američkim RL-10A-4 ali ga je u nekim tehnološkim rešenjima prevazišao. RD-0146 ostvaruje potisak od 98,kN a Isp=4542m/s i treba da se primeni na nosačima angara i onega na njihovom trećem stepenu KVTK.
Rusija razmatra i projekt džinovske rakete angara 100 (slično nekadašnjoj raketi energija) sa centralnim blokom koji bi pokretali motori na vodonik RD-O122.

Predviđeno za let na Mars

U SAD su su tri kompanije - „Rocketdyne“, „Pratt and Whitney“ i „Aerojet“ - udruženim snagama na osnovu motora SSME spejs šatla ostvarile motor RS-68. Taj motor može da ostvari potisak od 3137 kN u vakuumu, a sa dozvoljenim prekoračenjem čak 3370 kN i ima mogućnost menjanja potiska u granici 58%-102% u odnosu na nominalni. To je do sada najjači motor na tečni vodonik i kiseonik. Planiran je da pokreće džinovsku raketu ares 5 projektovanu da odvede ljude i na Mars, ali se od tog projekta odustalo u korist nešto skromnije rakete SLS sa motorima RS-25. Motori RS-68 su primenjeni 2002. na raketama nosačima serije delta 4, koje u osnovnoj varijanti (bez bočnih bustera na čvrsto gorivo) kao i u najtežoj varijanti delta 4 heavy (gde je prvi stepen utrostručen, tj. dva su pridodata kao bočni busteri ) predstavljaju jedine kosmičke rakete koje imaju pogon isključivo na vodonik.
Kompanija „Blue Origin“ koristi raketu new shepard sa motorom na vodonik BE-3 potiska 490 kN, ali samo za suborbitalne letove.

Izuzetno agresivni fluor

Bolje karakteristike raketnog pogona sa vodonikom i kiseonikom bi se dobile kada bi kiseonik bio zamenjen fluorom. Specifični impuls bi iznosio 4883 m/s a dodatna prednost bi bila i dvostruko manja količina vodonika potrebna u reakciji H2+F2 u odnosu na oksidaciju kiseonikom, što znači i manji tank za vodonik i lakšu konstrukciju rakete. Problem je izuzetna hemijska agresivnost fluora, što bi zahtevalo posebnu tehnologiju materijala za zidove rezervora, cevovoda i pumpi za tečni fluor. Produkt hemijske reakcije je fluor-vodonik koji sa vodom gradi izuzetno toksičnu i agresivnu kiselinu koja bi opasno zatrovala atmosferu tako da bi ovaj pogon bio pogodan samo za treći stepen rakete i kosmičke letelice za dalja prostranstva.
U SSSR je bio razvijen motor RD-301 sa pogonom na amonijak i fluor. Mada nije došlo do primene tog motora za kosmički let, pomenuta tehnologija bi se mogla primeniti za razvoj H2+F2 pogona. Povećanje za 8% specifičnog impulsa bi se moglo postići primenom ozona kao oksidatora. Ali, s obzirom na brzo raspadanje ove modifikacije kiseonika, ova mogućnost nije do sada ozbiljnije razmatrana.
Vodonik kao radna materija se može primeniti i za nehemijske pogone kao što je nuklearno-termički gde se, kroz nuklearni reaktor usijan na 2000ºC, propušta i zagreva vodonik koji potom u mlaznici postiže brzinu isticanja od preko 8 km/sek. Isti efekat se može postići i korišćenjem električne energije npr. iz solarnih panela koja bi, pražnjenjem preko Voltinog luka, zagrejavala vodonik. Ako bi se postigla temperatura dovoljna da atomizuje molekularni vodonik, mogla bi se postići brzina isticanja od 20km/sek; ali, zbog problema materijala motora i hlađenja komore,  ova koncepcija ostaje za sada u okviru teorije.
Vodeće kompanije SAD za proizvodnju raketa - „SpaceX“, ULA, „Blue Origin“ -  pripremaju korišćenje tečnog metana kao goriva koje bi pre svega zamenilo kerozin od kojeg ima bolje karakteristike ali i nižu cenu pa se može očekivati da metan prevlada za prvi i drugi stepen raketa.

Dragan Lazarević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"