Vedelkütusrakett

Vedelkütusrakett on rakett, mis kasutab vedelat kütust erinevalt palju varem leiutatud tahkekütusrakettidest. Kütuse intensiivsel 
põlemisel tekkivad heitgaasid paiskuvad raketi sabast välja ja vastavalt impulsi jäävuse seadusele liigub rakett edasi. Vedelkütusrakettide peamiseks eeliseks tahkekütusrakettide ees on põlemisreaktsiooni juhitavus. Gaasilise kütusega võrreldes on vedelkütuse jaoks vaja tunduvalt väiksemaid mahuteid. Kuna põlemine on kiire, ei piisa välisest õhust ja raketile on vaja kaasa panna ka aine, millega reageerimisel kütus põleb. Seda ainet nimetatakse kas hapendajaks või oksüdeerijaks, tuntuim hapendaja on vedel hapnik. Levinumad on vedelkütusraketid, kus on eraldi paagid nii kütusele kui ka hapendajale. Esinevad ka raketid, kus kütus ja hapendaja, või kütus, milles on juba piisavalt oksüdeerijat, on ühes paagis. On ka rakette, kus lennu ajal vahetatakse üks kütus teise vastu.

Ehitus
Vedelkütusraketi üldine tööpõhimõte on suhteliselt lihtne, kuid tehniline teostus on keeruline ja nõuab täpsust. Rakett sisaldab enamasti kahte paaki kütuse ja hapendaja jaoks ning põlemiskambrit, kuhu ained pumbatakse ja toimub nende põlemine. Põlemise käigus eralduv gaas on suure rõhu all, kuna gaaside ruumala on tavalisel rõhul tunduvalt suurem kui vedelike oma. Samuti on gaasimolekulidel suur kineetiline energia, kuna põlemine on eksotermiline ja selle käigus eraldub energiat. Rõhu all olev gaas liigub düüsi (kooniline avaus raketi sabas) ja väljub raketist suurel kiirusel. Vastavalt Newtoni III seadusele liigub rakett vastassuunas.

Mõningad nüansid raketi ehitamisel
Põlemiskambris on väga kõrge temperatuur. Mõnede rakettide puhul juhitakse kütus ja/või hapendi alguses ümber põlemiskambri, et takistada põlemiskambri sulamist.
Kütus ja hapendi peavad enne süttimist võimalikult hästi segunema. Kõige lihtsam ehitusvariant koosneb kahest torust, mille kaudu kütus ja oksüdeerija põlemiskambrisse pumbatakse. See on üks vähemefektiivsemaid meetodeid.
Raketti on tihti vaja juhtida, mistõttu tuleb ta varustada juhtimissüsteemiga. Enamasti põhineb see raketist väljuvate gaaside ja ümbritseva õhu juhtimisel.

Ajalugu

Esimesena pakkus vedelkütusega töötava raketi välja Konstantin Tsiolkovski oma töös "Maailmaruumi uurimine reaktiivaparaatide abil". Tsiolkovski tööd olid teoreetilist laadi. Esimese vedelkütusraketi, mida kutsuti Nelliks, lasi õhku Ameerika teadlane Robert H. Goddard 1926. aastal 16. märtsil Auburnis Massachusettsis. Aastal 1937 lendas tema tehtud rakett 2,5 km kõrgusele. Goddard oli maailma juhtivaid teadlasi, kuid tal ei olnud piisavalt raha, et ületada 1930. aastate Saksa teadlaste edusamme. 1929. aastal laskis Saksa füüsik Hermann Oberth lendu oma esimese vedelkütusraketi. Kui Saksamaal tuli võimule natsionaalsotsialistlik partei, pööras Saksa sõjavägi oma tähelepanu rakettidele. Järgnevatel aastatel tegi Saksamaa raketiteadlane Wernher von Braun mitmeid katseid ja laskis 1934. aastal raketi juba 3,4 km kõrgusele. Teise maailmasõja lõpuni olid maailmas juhtival positsioonil saksa teadlased, Saksa riik pühendas suure osa oma ressurssidest raketiteaduse edasiviimiseks. Sakslaste väljatöötatud raketiga A4 (rohkem tuntud kui V-2) pommitati Londonit, Antwerpeni ja teisi liitlaste linnu. Pärast Teist maailmasõda läksid von Braun ja suur osa tema kaastöötajaid USA-sse, kus nad jätkasid oma tööd ja viisid lõpuks inimese Kuule. V-2 tehnoloogia said oma käsutusse ka NSV Liit ja Suurbritannia. Nõukogude liidus pandi suurt rõhku rakettide arendamisele ja sealsed teadlased viisid esimesena orbiidile satelliidi ja inimese. NSV Liidu ja USA vahelises külmas sõjas oli kosmoseteadus üks peamistest arendusvaldkondadest ja ühes sellega ka vedelkütusraketid.

Vedelkütuse eelised
Vedelkütused on enamasti veega sarnase tihedusega (välja arvatud vedel vesinik). Sama koguse gaasilise kütuse hoidmiseks peaks paak olema sadu kordi suurem ja/või tohutu rõhu all.
Vedelkütuse põlemise kiirust on võimalik lennu ajal kontrollida ja muuta, erinevalt tahkest kütusest, mis põleb alati lõpuni. Soovi korral saab raketimootori isegi peatada ja hiljem taaskäivitada.
Vedelkütusmootorit on võimalik eelnevalt testida ehk teha proovipõletamine.
Vedelkütusmootoreid on võimalik korduvalt kasutada, näiteks kosmoselennukites.

Vedelkütuse puudused
Kütuse põlemise ajal muutub raketi massikese ja juhitavus võib halveneda.
Kui rakett lendab atmosfääris, peab paagis olema alati positiivne rõhk, vastasel korral võib paak välise rõhu all kokku vajuda.
Vedeliku loksumine võib tekitada probleeme.
Kütuse või hapendaja lekke korral on võimalik plahvatuse toimumine.
Kütuse põlemiskambrisse juhtimiseks on soovitatav kasutada keerukaid pumpasid.
Vedelad kütused on enamasti madalatel temperatuuridel. Seetõttu on nende pikaajaline säilitamine raketis keeruline ja tihti täidetakse paagid viimasel hetkel.
Madala temperatuuriga kütuse tõttu jahtuvad ka ümbritsevad seadmed ning võivad kattuda vee- või jääkihiga, mis võib põhjustada rikkeid.

Levinumad kütused ja hapendid
Vedel hapnik + vedel vesinik. Kasutusel kosmosesüstikutes ja paljudes kosmoserakettides. See on üks parimaid variante, kuid vajab väga madalaid temperatuure.
Vedel hapnik + petrooleum.
Vedel hapnik + bensiin. Goddardi esimene rakett kasutas seda kombinatsiooni.
Vedel hapnik + alkohol. V-2 ja teised esimesed raketid kasutasid sellist kütust.
Hüdrasiin. Ei vaja eraldi hapendit ja on toatemperatuuril. Kuna see on kergesti säilitatav, siis kasutatakse seda sõjalistes rakettides.
Hüdrasiin ja lämmastikhape. Ei vaja jahutust.
Palju teisi keerulisemate ühendite kombinatsioone.

Välislingid
Raketiehituse õpetus
Tallinna Ülikooli õppematerjal

Kosmoseaparaadi täitursüsteemid