Introducere
Ideea gasirii unor procedee practice de folosire a principiului miscarii prin reactie pentru realizarea unor mijloace de locomotie puternice a framantat mintea multor oameni in decursul timpului. Contributii valoroase la dezvoltarea acestei ideei au adus cercetatorii si inventatorii romani, ale caror lucrari indraznete in domeniul tehnicii reactive au fost remarcate si dincolo de hotarele tarii. De exemplu, spre sfarsitul secolului trecut a devenit cunoscut in multe tari numele inventatorului roman Alexandru Ciurcu (1854-1922), care a efectuat numeroase cercetari originale de folosire practica a motoarelor cu reactie. Alexandru Ciurcu a proiectat si construit un interesant motor-racheta, alcatuit dintr-o butelie metalica rezistenta in care se formau gaze. Butelia era prevazuta cu un orificiu prin care gazele puteu tasni, provocand aparitia fortei de reactie. Inventatorul a inzestrat motorul cu un dispozitiv simplu pentru schimbarea marimii fortei de reactie prin marirea sau micsorarea cantitatii de gaze lasate sa scape din butelie. De asemenea a mai fost prevazut cu un dispozitiv de siguranta, pentru reducerea presiunii din butelie cand aceasta depasea o anumita valoare, prevenindu-se astfel explozia motorului in caz de crestere brusca a presiunii.
Prima demonstratie
practica a acestei ingenioase instalatii a
avut loc la 13 august 1886. In acea zi, la
Este important de
cunoscut cum a fost apreciata in diferite tari inventia lui
Ciurcu. Despre aceasta spune indeajuns faptul ca motorul cu
reactie Ciurcu-Buisson a fost brevetat in urmatoarele tari:
Germania (1886),
In legatura cu activitatea desfasurata de inventatorul Al. Ciurcu este proiectarea unuia dintre primele motoare cu pulbere destinat mijloacelor rutiere de locomotie. Este vorba de cunoscutul “propulsor Ciurcu” – o butelie metalica speciala (prevazuta cu un mecanism de comanda) in care se formau gaze prin arderea unei pulberi preparata dupa o reteta elaborata de inventator, motorul a fost instalat pe un vagon de cale ferata.
Inportante cercetari asupra miscarii cu reactie au fost facute la inceputul acestui secol si de un alt pasionat inventator roman, Ion Stroescu. Ocupandu-se in mod deosebit de posibilitatea folosirii motoarelor-racheta ca mijloace de propulsie in aviatie, Ion Stroescu a conceput si construit in anul 1907-1908 un aeromodel experimental prevazut cu doua motoare –racheta. Rachetele erau fixate sub fuselaj in asa fel, incat in tot timpul zborului era asigurata stabilitatea planorului. Aeromodelele-racheta construite si experimentate la Bucuresti de inventatorul roman zburau la inatimea de 15-30m, parcurgand in zbor o distanta de peste 500m si atingand o viteza de 100km/h.
Un alt
inventator roman care s-a impus pe plan mondial ca o autoritate stiintifica
in domeniul tehnicii reactive a fost Henri Coanda, autorul primului
proiect de avion cu reactie din lume. Avionul proiectat
de al a fost expus in octombrie 1910 la cel de-al doilea salon aeronautic de la
2) Explicatii din punct de vedere fizic
Toate vehiculele cu combustibil (tren, avion, automobil) au o masa care se micsoreaza pe masura ce se consuma combustibilul (deci este variabila). Chiar si masa Pamantului este variabila, ea crescand mereu din cauza prafului cosmic si a meteoritilor care cad pe el. In aceste cazuri, si in multe altele, variatia masei este foarte mica in raport cu masa totala a corpului si ea poate fi neglijata. Cu totul alta este situatia miscarii vehiculelor cu reactie. Astfel de aparate consuma o cantitate mare de combustibil intr-un timp scurt, ceea ce duce la o importanta variatie a masei, de care va trebui sa tinem seama. Variatia masei poate fi, fie pozitiva, fie negativa. In acest caz ne intereseaza cazul in care masa scade, adica din corp se desprind particule de o anumita masa.
Consideram ca in timpul 
masa punctului 
scade de la 
la
, viteza sa modificandu-se de la 
la + . Impulsul inainte de desprindere este:
,
iar dupa desprindere:
deoarece particula desprinsa are masa 
si viteza 
. Obtinem de aici, neglijand termenul 
care este mult prea mic in functie de ceilalti,
variatia impulsului:
,
unde 
este forta
totala care actioneaza asupra punctului M de masa variabila.
Prin inpartirea cu , si trecand la
limita pentru 
obtinem
ecuatia:
(1)
unde 
este viteza relativa a particulei de masa care se desprinde de corp.
Aceasta ecuatie se
numeste ecuatia fundamentala a miscarii punctului de
masa variabila si a fost obtinuta pentru prima
oara de
Din
ecuatia (1) se observa ca am putea considera valabila
ecuatia 
si pentru
miscarea punctului de masa variabila daca, la rezultanta
fortelor exterioare, am adauga o forta suplimentara
, numita forta de
reactie, definita prin:
(2)
Deoarece 
sensul fortei de
tractiune este invers sensului vitezei relative a
particulelor (gazelor) care se desprind de corpul M.
Este posibil acum sa discutam unele probleme legate de miscarea rachetei. In interiorul rachetei (figura 1) se gaseste o camera de ardere (A) in care, prin arderea combustidilului, se formeaza un jet de gaze care este expulzat printr-un orificiu (ajutaj) B.
Sa
consideram acum cazul particular in care o racheta este aruncata
pe vertical din punctul O de la
suprafata Pamantului, cu viteza initiala 
. La un moment 
(figura 2) ea se afla la distanta 
si va avea viteza 
si masa (mai mic decat masa initiala 
, deoarece prin expulzarea jetului de gaze masa rachetei
scade).
Ecuatia de miscare a rachetei noastre va fi ecuatia proiectata pe axa Oz:
(3)
unde 
este viteza cu care
este expulzat jetul de gaze (viteza relativa a particulelor desprinse) ,
pe care o presupunem
3) Cum este construit un motor-racheta de dimensiuni mari ?
Racheta despre care vom discuta este un proiectil intercontinental, calculat sa parcurga o distanta de peste 10 mii de kilometri. Ceea ce este important in problema pusa in discutie este faptul ca acest proiectil are 3 motoare-racheta, toate cu incarcatura solida de propulsie. Primul care dezvolta o tractiune de 77 tone, este si cel mai mare: are lungimea de 7,5 m. si diametru de 1,5 m; incarcat motorul cantareste 13,5 t. Combustibilul folosit este format dintr-o substanta care arde (carburant) si o substanta care contine oxigenul necesar arderii (oxidant). Astfel, ca substanta care arde se foloseste aicid acrilic polibutadien - un lichid laptos care se aprinde si arde repede - iar ca oxidant o substanta cunoscuta sub numele de perhidrat de amoniu. La acestea se mai adauga o rasina pentru itarirea ulterioara a combustibilului si pulbere de aluminiu in scopul mariri impulsului specific si stabilizarii arderi. Intreaga cantitate de combstubil din motor arde in numai 60 de secunde. Pentru incarcare cilindrul metalic de dimensiunile mentionate se acopera mai intii cu un strat subtire de substanta din acelasi material care formeaza incarcatura de combustibil. Este posibil acest lucru intrucit combustibilul proaspat preparat nu este solid ci, lichid, el urmind sa se solidifice dupa un timp de la turnarea sa in camera de ardere.Se asterne un strat de combustibil pe peretii camerei pentru ca propulsantul sa arda complet fara sa ramina combustibil nears pe corpul cilindrului. Din motive de siguranta combustibilul se prepara in portii mici (1136 l.), care se transporta in cinsterne speciale si se introduc in cilindrul metalic prin injectare sub presiune. Dupa turnarea in cilindru, combustibilul este lasat sa se intareasca (sa “polimerizeze”). Gelatinizarea lui si apoi intarirea se fac in citeva zile, dupa care cilindrul se inchide cu un capac pe care sunt montate cele 4 ajutaje mobile.
Treapta a 2 a rachetei are un motor
cu constructia asemanatoare (tot cu 4 ajutaje mobile), dar mai
mic: lungimea 3,2 m; diametrul 1,1 m. In cilindrul metalic care constituie de
fapt camera de ardere, se introduce prin procedeul aratat mai inainte, o
incarcatura lichida formata din poliureantan
(carburant), perclorat de amoniu (oxidant) si adaos de aluminiu in
greutate totala de 5 t. Si de asta data combustibilul se
prepara si se toarna in racheta in portii mici (de
cate o tona fiecare ), lasandu-se sa se intareasca timp de
4-6 zile. Acest motor dezvolta o tractiune de 25 t.; durata sa de
functionare este tot de 60 de secunde.
Metalul din care este fabricat corpul motorului este un aliaj de titan, aceasta pentru reducerea greutatii motorului si pentru imbunatatirea procesului de fabricatie a corpului, asta deoarece aliajul de titan se prelucreaza mai usor.
Cel de-al treilea motor se deosebeste de cele ale treptelor 1 si 2 din mai multe puncte de vedere: constructia corpului, combustibilul folosit si structura generala a motorului. Corpul motorului (lungime de 2,3m si diametrul de 94cm) se construieste intrun mod interesant: pe o forma speciala se infasoara un fir de sticla (asa cum se infasoara ata pe mosor).
Pentru fixarea acestei “tesaturi” se utilizeaza o rasina (un fel de smoala), rezistenta la actiunea temperaturilor inalte (in camera de ardere se dezvolta o temperatura de 33000C). Grosimea peretilor cilindrului este de 12,5 mm. Este important de stiut ca un motor cu corpul din sticla, realizat pe aceasta cale, costa de 10 ori mai putin decat un motor cu corpul din titan. Mai nou, corpul celei de-a treia treapta,ea fiind expusa la cele mai mari temperaturi, este realizat dintr-un material ceramic (foarte rezistent la temperaturi inalte).
Combustibilul este format dintr-un amestec de nitroceluloza, nitroglicerina, pulbere de aluminiu, perclorat de amoniu, un plastifiant (o substanta care leaga intre ele elementele si intareste amestecul) si stabilizator al arderii. Pentru ferirea peretilor de actiunea directa a temperaturilor inalte, se asterne pe cilindru un strat izolator format dintr-o substanta care cuprinde cauciuc, oxid de siliciu si alte adaosuri.
4) Cum este construit un motor-racheta cu combustibil lichid ?
Principalele
deosebiri dintre motorul-racheta cu combustibil lichid si
motorul-racheta cu pulbere (combustibil solid) se datoreaza
propulsantului utilizat. Faptul ca acesta se gaseste in
faza lichida determina crearea unor rezervoare speciale pentru
tinerea substantelor, precum si a unor sisteme potrivite pentru
aducerea lor in camera de ardere.
Sa urmarim in schema din fig. 4 principalele elemente ale motorului-racheta cu combustibil lichid.
In shema sunt aratate: camera de ardere cu ajutajul de reactie, injectoarele, conductele, un rezervor de oxidant, un rezervor de caburant, un reductor de presiune, si o butelie cu aer comprimat. Este schema cea mai obisnuita de constructie a motoarelor-racheta cu combustibil lichid. Iata cum functioneaza acest motor:
Substantele care formeaza combustibilul, denumite “componente” ale combustibilului, sunt continute in rezervoare separate – un rezervor de oxidant si un rezervor de carburant. Ele sunt impinse din rezervoare, pe conducte, spre camera de ardere. Pentru aceasta in spatiul liber din fiecare rezervor se introduce un gaz sub presiune (gazul este “inert”, adica nu schimba proprietatile componenetei). Gazul (azot, de exemplu) este imbuteliat la o presiune foarte mare (aproximativ 200 de atmosfere), pentru a “incapea” in cantitate cat mai mare in butelia respectiva. Butelia este special construita pentru a rezista la o presiune atat de mare; dar daca gazul ar patrunde cu aceeasi presiune si in rezervoare, s-ar produce spargerea acestora, intrucat peretii lor sunt mai subtiri decat peretii buteliei. Nu este avantajos sa se faca rezervoare cu peretii grosi, intrucat prin aceasta s-ar mari greutatea constructiei. (In motoarele-racheta se urmareste micsorarea cat mai mult a greutatii “neproductive”, adica a partilor de constructie si a tot ce intra in incarcatura utila a rachetei.)
Pentru ca gazul sa intre in rezervoare cu o presiune mai mica decat presiunea din butelie, este obligat sa treaca mai intai printr-un reductor de presiune. Desigur, presiunea cu care apasa gazul pe suprafata libera a lihidului din fiecare rezervor, silindu-l sa porneasca pe conducra de alimentare spre camera de ardere, trebuie sa fie mai mare deat presiunea din camera de ardere. Or, pe timpul functonarii motorului, presiunea produselor de ardere din motor este destul de mare (30-50 de atmosfere); in acest caz este necesar ca substanta sa fie impinsa in motor cu o presiune cu 10-15 atmosfere mai mare decat presiunea gazelor din camera de ardere. Gazul va intra deci in reductor cu presiunea inalta pe care o are in butelie (200-300 kg/cm2) si va iesi cu o presiune de 4-8 ori mai mica.
Substantele care ajung astfel in camera de ardere intrand prin capatul inchis al motorului. Acum este nacesar sa se obtina un amestec cat mai bine realizat al substantelor componente. Numai asa arderea va fi corespunzatoare. Pentru aceasta, substantele sunt pulverizate in camera prin niste tubulete inguste – injectoarele de combustibil. Modul cum se pot dispune aceste injectoare in capul motorului este aratat in figura 5. Distunerea injectoarelor intr-o varianta sau alta depinde de proportia componentelor in amestec, adica de cantitatea de oxideant si de carburant stabilita sa fie arsa in motor intr-o secunda.
= injectoare pentru
carburant;
= injectoare penrtu oxidant.
Figura 5
5) Aplicatii ale motoarelor-racheta
a) Alicatii militare
Motoarele-racheta sunt folosite pe toate rachetele de lupta, de la lansatoarele de rachete antitanc purtate de infanteristi pana la uriasele rachete intercontinentale cu raza de actiune de mii de kilometrii capabile de a purta focoase nucleare.
b) Aplicatii civile
Cu ajutorul rachetelor este explorat spatiul cosmic si alte corpuri ceresti sau se lanseaza sateliti pe orbita planetelor.
6) Bibliografie
Mihai Nita, “Cum functioneaza motoarele-racheta”, Editura Militara
I. Bunget, si altii, “Compendiu de fizica pentru admiterea in invatamantul superior”, Editura stiintifica, 1971
|
