Główne silniki promu kosmicznego

0

Trzy główne silniki promu kosmicznego NASA (SSMEs – Space Shuttle main engines) w połączeniu z rakietami na paliwo stałe SRB, razem wytwarzają ciąg niezbędny do osiągnięcia przez wahadłowiec orbity. Artykuł zawiera podstawowe informacje dotyczące silników SSME.

1. Wprowadzenie

SSME jest silnikiem rakietowym na paliwo ciekłe (wodór jako paliwo i czynnik chłodzący i tlen jako utleniacz) o zmiennym ciągu w zakresie 67%-109%. Dzięki temu podczas startu ciąg silników jest obniżany aby zapewnić bezpieczny przelot podczas występowania maksymalnego ciśnienia dynamicznego oraz utrzymywania przeciążenia na poziomie mniejszym niż 3g. Ciąg silników jest regulowany jednocześnie na wszystkich trzech poprzez sygnały wysyłane automatycznie przez komputery wahadłowca tzw. General Purpose Computers (GPCs). W sytuacjach awaryjnych istnieje możliwość kontroli ciągu silników przez załogę promu. Wtedy odbywa się to za pomocą tej samej przepustnicy, która podczas lądowania służy do sterowania hamulcem aerodynamicznym. Silniki zaopatrzone są także w specjalne siłowniki hydrauliczne, które umożliwiają zmianę wektora ciągu. W połączeniu z wektorowanym ciągiem rakiet na paliwo stałe (SRB), uzyskuje się kontrolę nad trajektorią całego zespołu podczas staru. Silnik jest tak zaprojektowany aby mógł przepracować 15000 sekund podczas 30 startów.

Podstawowe dane techniczne

  • Paliwo: ciekły tlen i wodór (LO2/LH2)
  • Ciąg w próżni:
    1.400,0 kN (67%)
    2.090,0 kN (100%)
    2.173,5 kN (104%)
    2.184,0 kN (104,5%)
    2.278,0 kN (109%)
  • Ciąg na poziomie morza:
    1.118,0 kN (67%)
    1.668,0 kN (100%)
    1.735,0 kN (104%)
    1.743,0 kN (104,5%)
    1.818,0 kN (109%)
  • Impuls właściwy w próżni: 453 sek
  • Impuls właściwy na poziomie morza: 363 sek
  • Czas pracy: 480 sek
  • Masa: 3177 kg
  • Szerokość: 1.63 m
  • Długość: 4.24 m

2. Umiejscowienie silników w wahadłowcu

Wszystkie trzy silniki SSME znajdują się w tylnej części wahadłowca. Silnik centralny nr 1 jest zamontowany nad pozostałymi dwoma: nr 2 (lewy) i nr 3 (prawy). Silniki są zasilane ciekłym wodorem i ciekłym tlenem, które są transportowane ze zbiornika zewnętrznego (external tank) poprzez przewody biegnące przez specjalne otwory w spodniej części wahadłowca tuż obok punktów do których przyczepiony jest wahadłowiec do ET. Przez jeden przewód transportowany jest ciekły wodór (LH2), a przez drugi ciekły tlen (LO2). Ponieważ spód wahadłowca jest szczególnie narażony na aerodynamiczne nagrzewanie podczas wejścia w atmosferę więc oba otwory zasłaniane są za pomocą specjalnych pokryw (umbilical doors) zaraz po starcie.

3. Podstawowe elementy silnika

{japopup type=”iframe” content=”/images/airq/SSME/004.jpg” title=”Diagram pokazujący podstawowe elementy silnika (NASA)” }Diagram pokazujący podstawowe elementy silnika (NASA){/japopup}

Turbopompy ciekłego wodoru

  • turbopompa niskiego ciśnienia dla wodoru (low-pressure fuel turbopomp)
    Jej głównym zadaniem jest zwiększenie ciśnienia ciekłaego wodoru z 30psi do 276psi. Turbopompa niskiego ciśnienia jest bezpośrednio połączona z turbopompą wysokiego ciśnienia. Wstępne podwyższenie ciśnienia paliwa umożliwia wyeliminowanie niebezpiecznego zjawiska kawitacji mogącego doprowadzić do zniszczenia turbiny, a w kosnekwencji silnika. Turbopompa niskiego ciśnienia pracuje przy obrotach około 16185 obrotów na minutę. Jej rozmiary to 45x60cm.
  • turbopompa wysokiego ciśnienia dla wodoru (high-pressure fuel turbopomp)
    Powoduje podwyższenie ciśnienie wodoru z 276psi do 6515psi. Turbopompa ma rozmiary 55x110cm, a jej obroty osiągają 35360 obrotów na minutę. Paliwo z tej turbopompy poprzez główny zawór paliwa (main fuel valve) jest kierowany do trzech odrębnych elementów:
    i) Chłodzenie komory spalania, dalej do turbiny turbopompy niskiego ciśnienia, która napędza tą turbopompę.
    ii) Poprzez zawór (chamber coolant valve) do tzw. preburners (które z kolei napędzają turbiny turbopomp wysokiego ciśnienia dla wodoru i tlenu). Oraz chłodzenie tzw. Hot Gas manifold.
    iii) Chłodzenie dyszy silnika, łączy się także ze ścieżką ii).

Turbopompy ciekłego tlenu

  • turbopompa niskiego ciśnienia dla tlenu (low-pressure oxidizer turbopomp)
    Podobnie jak w przypadku turbopompy dla wodoru, turbopompa niskiego ciśnienia dla tlenu zwiększa wstępnie ciśnienie ze 100psi do 422psi, dzięki temu turbopompa wysokiego ciśnienia otrzymuje tlen o zwiększonym ciśnieniu. Tutaj także chodziło o wyeliminowanie zjawiska kawitacji. Wymiary to 45×45 cm, osiągane obroty to 5150rpm.
  • turbopompa wysokiego ciśnienia (high-pressure oxidizer turbopomp)
    Podwyższa ciśnienie tlenu z 422psi do 4300psi. Ma rozmiary 60x90cm i osiąga 28120 obrotów na minutę. Tlen z turbopompy wysokiego ciśnienia kierowany jest do/w celu:
    i) napędzanie turbiny turbopompy niskiego ciśnienia dla tlenu.
    ii) poprzez główny zawór (main oxidizer valve) do komory spalania.
    iii) poprzez oxidizer heat exchanger, skąd pod postacią gazową jest kierowany do zbiornika zewnętrznego w celu utrzymywania odpowiedniego ciśnienia, oraz układu tłumienia oscylacji pogo (pogo suppression system).
    iv) pod zwiększonym ciśnieniem do 7420psi do tzw. oxidizer preburner.

Hot Gas Manifold
Ten element stanowi podstawę strukturalną silnika do tego elementu podłączone są:

  • tzw. preburners
  • turbopompy wysokiego ciśnienia dla wodoru i tlenu
  • komora spalania

Gorący gaz wyprodukowany przez preburners jest kierowany do turbin turbopomp wysokiego ciśnienia, a następnie właśnie poprzez hot gas manifold do komory spalania. {japopup type=”iframe” content=”/images/airq/SSME/005.jpg” title=”Element hot gas manifold (NASA)” }Bardzo ładnie ten element ilustruje następujący rysunek.{/japopup}

Preburners
Zwiększają efektywność silnika. W nich mieszany jest wodór i tlen i jako podgrzany gaz napędza obie turbiny turbopomp wysokiego ciśnienia.

Główna komora spalania (main combustion chamber)
Mieszanina wodoru i tlenu jest zapalana za pomocą specjalnych zapłonników znajdujących się w elementach wstrzykujących gazowy wodór i tlen do komory spalania. Zapłonniki wyłączane są po trzech sekundach od uruchomienia silników ze względu na samo podtrzymujący się proces spalania.

Dysza silnika (nozzle)
Do komory spalania przymocowana jest dysza silnika. Jej wymiary to 282.5cm długości i 235cm w najszerszym miejscu.

{japopup type=”iframe” content=”/images/airq/SSME/LH2.jpg” title=”Diagram ilustrujący obieg wodoru (NASA)” }Diagramy ilustrujące obieg wodoru (NASA){/japopup} {japopup type=”iframe” content=”/images/airq/SSME/LO2.jpg” title=”Diagram ilustrujący obieg tlenu (NASA)” }oraz tlenu w silniku SSME{/japopup}.

4. Kilka interesujących faktów związanych z uruchamianiem silników SSME

Na 3min 25sek przed startem testowane są siłowniki hydrauliczne odpowiedzialne za wychylenie silników i tym samym odpowiednie wektorowanie ciągu. Jeśli test nie wykazuje nieprawidłowości to na 2min 15sek przed startem silniki ustawiane są w pozycji przedstartowej, która zapewnia maksymalną przestrzeń między dyszami sąsiadujących silników. Jest to o tyle istotne, gdyż podczas zapłonu następują silne wibracje dyszy, które mogłyby spowodować uderzenie dysz sąsiednich silników ze sobą. Po uruchomieniu i osiągnięciu ciągu powyżej 90% ustawiają się w pozycji startowej. Widoczne iskry pod silnikami tuż przed ich uruchamianiem służą do spalenia mieszaniny wodoru i tlenu, która mogłaby się zgromadzić pod silnikami i eksplodując uszkodziłaby silniki lub/i płytki osłony termicznej. Iskry NIE SŁUŻĄ do uruchamiania silników.

5. Wykaz silników SSME i ich udział w misjach STS

Wykaz można znaleźć na forum astro4u.net pod tym LINKIEM lub na poniższych stronach:
http://www.b14643.de/Spacerockets_2/Diverse/SSME/
http://www.mainengine.de/ssme/ssme_updates.html

Źródło: NASA

Share.

Comments are closed.