Pohon systmy pro vesmrn lety ubo Bednrik Tom

Pohoné systémy pro vesmírné lety Ľuboš Bednárik, Tomáš Bílý, Vítek Dolejší, Michal Svoboda

Co uvidíte • historie – historie raket, schéma a druhy raket, druhy paliv, . . . • současnost – Ariane 5, STS, Deep Space 1, . . . • blízka budoucnost – EZ, solar sail, jaderné pohony (štěpný, fúzní), . . . • vzdálená budoucnost – antihmotový, gravitační, WARP a další sci-fi pohony

Historie raket • kol. r. 1130 n. l. Wu Cling Yeo: vynález rakety, pohon: černý prach (směs ledku draselného (KNO 3), dřevného uhlí a síry) • 1232 Číňané u města Pien Kingu rozprášili mongolskou jízdu raketami • Indové, Peršané a Arabové (vojenské i oslavné účely) • 1397 Padovští (obléhání města Mestre) • 18. století námořní piráti ( zapalování napadených lodí)

Historie raket • 1766 první raketový útvar na světě; 1200 mužů, založen v Indii Hajderem Alim • 1806 součást výzbroje britské armády • 2. sv. v. : sovětská kaťuše, německé V-1, V-2 • 1942 Bachvadži (SSSR) první let na stíhačce poháněné raketovým motorem

Schéma pohybu rakety

Druhy raket • chemické – výkonné, lehké a jednoduché (až čtyřstupňové) • jaderné – při reakcích uvolňuje 10 až 100 milionkrát více energie než při chemickém spalování • elektrické – pracovní látka se zrychluje elektrickou energií ze zdroje, který si raketa nese s sebou

Chemické rakety - paliva • pevná – axiální hoření (ve směru osy rakety) – radiální hoření (kolmo k ose) – bezdýmný prach na bázi dusičnanu celulózy, nitroglycerín, diglykol aj. • kapalná – jednokapalinové: hydrazín N 2 H 4, ethylnitrát C 2 H 5 NO 3, etylénoxid (C 2 H 4 O) – dvoukapalinové

Schéma jednokapalinové rakety

Teoretické největší výtokové rychlosti u některých paliv Palivo Okysličovadlo černý prach Výtoková rychlost [m/s] 2360 benzín tekutý kyslík 4377 benzín tekutý ozon 4888 benzín peroxid vodíku 3640 benzín kyselina dusičná 3450 etylalkohol kyslík 4164 benzol kyslík 4450 pentan kyslík 4455 vodík kyslík 5180

Současnost • Ariane 5 – konstrukce, parametry, vlastnosti, . . . • STS (Challenger, Columbia, Atlantis, Discovery, . . . ) – důležitá data, vlastnosti jednotlivých částí, srovnání s Ariane 5, . . . • Deep Space 1 – důležitá data, iontový pohon, stavba trysky, . . .

*(kgf/(kg/sec)) = sec) **HTPB - Hydroxyl Terminated Polybutadiene

pohon Aestus Germany

Raketoplán

Srovnání

108 mil vzdálenost planet od Země v km 78, 4 mil 628, 4 mil

Blízká budoucnost • EZ-rocket – pokročilý klasický chemický raketový motor • solar sail – založený na síle a energii fotonů • štěpný nukleární pohon – založený na štěpení atomových jader • fúzní nukleární pohon – založený na syntéze atomových jader

Trocha teorie ; ) • specifický impuls ISP – definovaný jako poměr tahu motoru k množství pracovní látky, která vytéká tryskou motoru za jednu vteřinu – lze však interpretovat, že je to doba, po kterou nám 1 kg pohonných látek dává tah 1 N. s. kg-1 • poměr tahu rakety a její hmotnosti – udává zrychlení rakety, které jsou motory schopny vyprodukovat v jednotkách normálního tíhového zrychlení (tedy g)

Lety vesmírem • impulsní Hohmannova trajektorie • kontinuální zrychlení a zpomalení

EZ-rocket • zástupce klasických chemických raketových motorů • nízká hmotnost a vysoký tah velká akcelerace vhodné v letectví

Štěpný nukleární pohon • tepelné nukleární motory – s pevným jádrem. . . ISP=9000 N. s. kg-1 – s kapalnou aktivní zónou (suspenzí). . . ISP=11000 N. s. kg-1 – s plynnou aktivní zónou. . . ISP=30000 N. s. kg-1 • impulsní nukleární pohon – využití exploze za lodí. . . ISP=25500 N. s. kg-1

Fúzní pohon – jaderná syntéza • První jednoduchá jaderná syntéza v roku 1934 (E. Rutheford a J. Douglas), z jader deuteria a trícia vzniká jádro hélia, neutrony a uvolněná energie

Fúzní pohon – jaderná syntéza • jádra se k sobě musí přiblížit natolik, aby jaderné síly překonali odpudivé síly kladných nábojů to se dá dosáhnout například ohříváním • energetické bilance některých reakcí Reakce D+D (0. 82 Me. V) + n (2. 45 Me. V) Energetický výtěžek 35 ke. V 27 000 k. Wh*g-1 D+D T (1. 01 Me. V) + p (3. 02 Me. V) 35 ke. V 22 000 k. Wh*g-1 D+3 He 30 ke. V 94 000 k. Wh*g-1 4 ke. V 98 000 k. Wh*g-1 D+T 3 He Min. potřebné ohřátí 4 He (3. 5 Me. V) + p (14. 67 Me. V) (3. 5 Me. V) + n (14. 1 Me. V) Štepení U 235 24 000 k. Wh*g-1 Hoření vodíku H 2 + O -> H 20 0. 0044 k. Wh*g-1

Solar Sail • využíva kinetickou energii fotonů • nepotřebuje žádný aktivní pohonný systém • závislý na přítomnosti a vzdálenosti zdroje fotonů (nejčastěji hvězdy)

Vzdálená budoucnost • antihmotový pohon – založený na reakci hmoty a antihmoty • gravitační pohon – založený na gravitačních deformacích prostoru • warp – založený na časoprostorových deformacích • červí díry, hyperprostor, . . .

Antihmotový pohon - anihilace • animace na http: //www-hep 2. fzu. cz/adventure/ani_eedd_slow. html Ø elektron a pozitron Ø virtuální částice Z nebo foton (nosič interakce) Ø kvark c a kvark anti-c Ø vzdalující se kvarky natahují gluonové pole Ø kvark d a anti-d Ø mezon D+ a D-

Antihmotový pohon - anihilace Anihilace v CERNu – projekt ATHENA • antiprotony a pozitrony jsou zachycené v magnetických pastích • jejich spojením vzniká atom antivodíku • antivodík anihiluje s normální hmotou na aparatuře Animace na http: //info. web. cern. ch/info/Announcements/CERN/2002/0918 -Cool. Anti. H/Animations-en. html

Porovnání využitelné energie Z 1 kg hmoty se může maximálně uvolnit: Reakce chemické Využitelná energie 107 J termojaderné štěpné 8 x 1013 J termojaderné fúzní 3 x 1014 J anihilační 9 x 1016 J

WARP a gravitační pohon • založený na časoprostorových deformacích • před lodí je vesmír komprimovaný a za lodí dekomprimovaný • čas na lodi zůstává stejný jako na Zemi

Červí díry • základním principem je zakřivení prostoru • červí díra jako tunel spojující dva body normálního vesmíru • vytvoření červí díry pomocí negativní energie • záporné gravitační účinky negativní energie

Hyperprostor • existence dalšího prostoru, tzv. hyperprostoru • vesmír jako koule, reálny prostor vně, hyperprostor uvnitř

Červí díra na Zemi ? !

Závěrem Dozvěděli jsme se tedy něco o historii, současnosti a budoucnosti pohonných systémů. Hrozba i přínos nových technologií pohonu jsou velké, ale i tak se máme v budoucnu na co těšit. Použitá literatúra http: //server. ipp. cas. cz/%7 Evwei/fusion_c. htm http: //www. futurespace. de/ http: //www. xcor. com/suborbital. html http: //members. lycos. co. uk/spaceprojects/propulsion. html http: //fas. org/nuke/space