Rakettmotorer, motorer som utvikler en fremoverrettet skyvkraft ved en bakoverrettet akselerasjon av masse lagret i motorene eller i beholdere forbundet med disse. For å akselerere masse bakover kreves en kraft, som i henhold til Newtons 3. lov har en like stor, foroverrettet motkraft. Rakettmotorer «skyver fra mot» massen som akselereres bakover, og virker bedre oppe i rommet enn nede i atmosfæren, fordi denne ved sitt mottrykk hemmer masseakselerasjonen.

Rakettmotorene er typiske reaksjonsdrivkilder og skiller seg fra vanlige reaksjonsmotorer, som f.eks. turbojetmotorer (brukes i jetfly), der det omliggende medium, luften, brukes til å frembringe den bakoverrettede massestrøm. Rakettmotorene er således de eneste reaksjonsdrivkilder som kan anvendes i rommet. For en vanlig rakettmotor er statisk skyvekraft F = mvu + (pupa)Au, der m er massestrøm per tidsenhet ut av motoren, vu er massestrømmens hastighet, pu er det statiske trykket i massestrømmen, pa er atmosfæretrykket og Au utstrømningsåpningens areal. Som regel er siste ledd i ligningen lite, og man kan dermed si at skyvekraften øker tilnærmet proporsjonalt med produktet av massestrøm og utstrømningshastighet.

Et enkelt drivstoffs eller drivmediums ytelse er gitt ved den såkalte spesifikke impuls, Isp = F/m, som har dimensjon og hastighet meter per sekund, m/s (i eng. litteratur ofte bare s). Vanligvis tilstrebes en så høy spesifikk impuls som mulig. En rakettmotors ytelse uttrykkes i N (newton).

Rakettmotorer inndeles i grupper avhengig av hvilken energiform som danner utgangspunktet for den akselererende kraft. Hovedgruppene er de kjemiske motorene, de nukleære motorene og de elektriske motorene.

I disse benytter man seg av kjemisk energi som, frigjort ved en forbrenningsreaksjon, skaper en temperatur- og dermed en trykkøkning i et forbrenningskammer med en de Laval-dyse i den ene enden. Trykkøkningen skaffer til veie kraften, og den akselererte masse er forbrenningsproduktene. De Laval-dysen sørger for at massestrømmens hastighet kommer langt høyere enn lydhastigheten i gassen, men i 1997 ble det eksperimentert med motorer der samme effekt oppnås uten de vanlige dysene (f.eks. de såkalte lineære pluggdysemotorer). Gassene vil ekspandere langs begge sider av en slags krum lineær plugg, mens et variabelt atmosfæretrykk på utsiden hele tiden sørger for nær optimale forhold. Et romfartøy med lineære pluggdysemotorer kan styres ved regulering av drivstofftilførselen til rennkamrene på over-/undersiden eller høyre/venstre del av den lineære pluggen.

Avhengig av om drivstoffet er fast eller flytende, skjelner man mellom faststoffmotorer og væskemotorer. Det er også utviklet en slags mellomtype, de såkalte hybride motorer, der som regel brenselkomponenten er i fast form og oksidasjonskomponenten flytende. De kjemiske motorene kjennetegnes ved høye skyvkraftnivåer, men forholdsvis lave verdier av spesifikk impuls.

De fleste drivstoffer er ganske kompliserte kjemiske forbindelser som ofte inndeles i to hovedgrupper: De som består av en heterogen blanding av fine oksidasjonsmiddel-krystaller i en organisk plastlignende masse av brensel, og de som utgjør en homogen blanding av ustabile kjemiske forbindelser, hver for seg i stand til å underholde en forbrenning. Uansett skjer forbrenningen parallelt med drivstoffets overflate slik at gassutviklingen blir proporsjonal med brennflate, brennhastighet og drivstoffets densitet. De faste drivstoffenes spesifikke impuls ligger under de flytendes, men motorene er forholdsvis enkle og driftssikre, noe som sammen med drivstoffets lagringsdyktighet har ført til at de i stor utstrekning blir benyttet i missiler. Det finnes faststoffmotorer som kan skyvkraftreguleres og retningsdirigeres. Den amerikanske romfergen får i starten hjelp av to faststoffmotorer med en lengde på 45,5 m, en diameter på 3,7 m, en enkeltvis drivstoffmasse på 502 tonn og en skyvkraft på 11 790 kN.

Rakettmotorene som benytter flytende drivstoff, er av langt nyere dato enn faststoffmotorene. Den russiske rompioner Konstantin E. Tsiolkovskij var allerede i 1890-årene inne på bruken av væskemotorer. Æren for prøving av den første væskemotor har amerikaneren Robert H. Goddard, som foretok en oppskytning 16. mars 1926 fra Auburn i Massachusetts. På tross av Goddards innsats var interessen for væskemotorer større i Sovjetunionen og Tyskland enn i USA, og i Tyskland kan man følge utviklingen fra de første famlende forsøk i slutten av 1920-årene til V-2 motoren. Drivstoffet var en kombinasjon av etylalkohol/vann og flytende oksygen, som det gikk med nesten 127 kg/s av. En langt mer effektiv drivstofftype (høyere spesifikk impuls) er flytende hydrogen og flytende oksygen, der spesielt hydrogenet er vanskelig å behandle idet kokepunktet ligger på –253 °C. Flytende hydrogen og flytende oksygen brukes bl.a. av den amerikanske romfergens tre hovedmotorer, som hver yter en skyvkraft på 1754 kN ved havflatenivået. Drivstofforbruket ligger på 508 kg/s. Den kraftigste væskemotor til 2006 var USAs F-1, som utviklet en skyvkraft på 6749 kN ved havflatenivået og 7779 kN i rommet.

I en nukleær rakettmotor erstatter varme fra en kjernereaktor den varmen man i en kjemisk rakettmotor utvikler ved en forbrenning. Drivmediet behøver således ikke bestå av mer enn én komponent, og oppvarming skjer ved passering gjennom reaktoren. Deretter følger ekspansjon og akselerasjon gjennom en de Laval-dyse. Ved å bruke en gass med lav relativ molekylmasse (hydrogen) som drivmedium, oppnår man teoretisk en tre ganger høyere spesifikk impuls enn drivstoffkombinasjonen hydrogen/oksygen i en væskemotor. Nukleære rakettmotorer har vært under utvikling i USA, trolig også i Sovjetunionen/Russland. I et forsøk på å løse noen av de strukturelle og materialtekniske problemer som hindrer høyere gasstemperaturer og dermed høyere verdier av spesifikk impuls, har man arbeidet med muligheten av å konstruere en nukleær rakettmotor, der kjernen er i gassform eller i flytende form. I fremtiden vil kanskje termonukleære prosesser kunne benyttes i fremdriftssystemer. Bruk av små, nukleære sprenglegemer i fremdriftsøyemed har vært studert, men videre arbeid ble stoppet av prøvestansavtalen.

Av elektriske rakettmotorer finnes tre hovedtyper: de elektrotermiske, de elektrostatiske og de elektromagnetiske. I de elektrotermiske motorene varmes drivmediet (hydrogen, ammoniakk el.l.) opp av et elektrisk motstandselement eller en lysbue og strømmer deretter ut gjennom en dyse.

I de elektrostatiske motorene akselereres elektrisk ladede partikler i form av atomære, positive ioner, molekylære ioner eller ladede kolloidpartikler, støvpartikler eller væskedråper ved hjelp av et elektrostatisk felt. Atomære ioner er mest anvendt, og de elektrostatiske motorene omtales derfor oftest som ionmotorer. Ioniseringen foregår særlig etter to metoder: elektronbombardement, eller gassutladningsmetoden, og kontaktmetoden. Drivmediet kan være cesium eller kvikksølvdamp. Etter akselerasjonen må ionene tilføres elektroner slik at motor og romfartøy forblir elektrisk nøytrale.

I de elektromagnetiske motorene utvikles skyvkraft ved at magnetiske krefter virker på elektriske strømmer i en ionisert drivmedium-gass. Ioniseringen og delvis strømmene frembringes ved en elektrisk lysbue. Andre strømmer induseres av særskilte felter. Fordi det ioniserte drivmediet opptrer som et plasma, omtales motorene ofte som plasmamotorer. De er imidlertid også kjent som magnetoplasmadynamiske (MPD) motorer. Elektriske rakettmotorer, som kjennetegnes ved lave skyvkraftnivåer, men høye verdier for spesifikk impuls, har vært benyttet bl.a. til stillings- og posisjonskontroll av satellitter.

Den soldrevne rakettmotoren anvender fokuserte solstråler til oppvarming av et drivmedium, men den er ikke utviklet over eksperimentstadiet. Det er heller ikke den laserdrevne motoren, som benytter konsentrert energi i en laserståle sendt fra bakken til oppvarming av et drivmedium.Fotonmotoren er foreløpig av teoretisk interesse.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.