Προωθητικό

Ένα προωθητικό (propellant ή propellent) είναι μια μάζα που εκτοξεύεται ή διαστέλλεται με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργεί μια ώθηση ή άλλη κινητήρια δύναμη σύμφωνα με τον τρίτο νόμο κίνησης του Νεύτωνα, και να "προωθήσει" ένα όχημα, βλήμα ή ρευστό ωφέλιμο φορτίο. Στα οχήματα, ο κινητήρας που εκτοξεύει το προωθητικό ονομάζεται κινητήρας αντίδρασης (reaction engine). Αν και τεχνικά ένα προωθητικό είναι η μάζα αντίδρασης που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ώθησης, ο όρος "προωθητικό" χρησιμοποιείται συχνά για να περιγράψει μια ουσία που περιέχει τόσο τη μάζα αντίδρασης όσο και το καύσιμο που συγκρατεί την ενέργεια που χρησιμοποιείται για την επιτάχυνση της μάζας αντίδρασης. Παραδείγματος χάρη, ο όρος "προωθητικό" χρησιμοποιείται συχνά στον σχεδιασμό χημικού πυραύλου για να περιγράψει έναν συνδυασμό καυσίμου/προωθητικού, αν και τα προωθητικά δεν πρέπει να συγχέονται με το καύσιμο που χρησιμοποιείται από έναν κινητήρα για την παραγωγή της ενέργειας που αποβάλλει το προωθητικό. Παρόλο που τα υποπροϊόντα των ουσιών που χρησιμοποιούνται ως καύσιμο χρησιμοποιούνται συχνά και ως μάζα αντίδρασης για τη δημιουργία της ώθησης, όπως συμβαίνει με έναν χημικό πυραυλοκινητήρα, το προωθητικό και το καύσιμο είναι δύο ξεχωριστές έννοιες.

Τα οχήματα μπορούν να χρησιμοποιούν προωθητικά για να κινούνται εκτοξεύοντας ένα προωθητικό προς τα πίσω, γεγονός που δημιουργεί μια αντίθετη δύναμη που κινεί το όχημα προς τα εμπρός. Τα βλήματα μπορούν να χρησιμοποιούν προωθητικά που είναι διαστελλόμενα αέρια, τα οποία παρέχουν την κινητήρια δύναμη για να θέσουν το βλήμα σε κίνηση. Τα δοχεία αερολυμάτων (αεροζόλ) χρησιμοποιούν προωθητικά, τα οποία είναι υγρά που συμπιέζονται, έτσι ώστε όταν το προωθητικό διαφύγει απελευθερώνοντας μια βαλβίδα, η ενέργεια που αποθηκεύεται από τη συμπίεση μετακινεί το προωθητικό έξω από το δοχείο και αυτό το προωθητικό ωθεί το ωφέλιμο φορτίο του αερολύματος έξω μαζί με το προωθητικό. Το συμπιεσμένο ρευστό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως απλό προωθητικό οχήματος, με την δυναμική ενέργεια που αποθηκεύεται στο συμπιεσμένο ρευστό να χρησιμοποιείται για την χρήση του ρευστού ως προωθητικό. Η ενέργεια που αποθηκεύεται στο ρευστό προστέθηκε στο σύστημα όταν το ρευστό συμπιέστηκε, όπως ο πεπιεσμένος αέρας. Η ενέργεια που εφαρμόζεται στην αντλία ή το θερμικό σύστημα που χρησιμοποιείται για τη συμπίεση του αέρα αποθηκεύεται μέχρι να απελευθερωθεί επιτρέποντας στο προωθητικό να διαφύγει. Το συμπιεσμένο ρευστό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί μόνο ως αποθήκευση ενέργειας μαζί με κάποια άλλη ουσία ως προωθητικό, όπως με έναν πύραυλο νερού, όπου η ενέργεια που αποθηκεύεται στον πεπιεσμένο αέρα είναι το καύσιμο και το νερό είναι το προωθητικό.

Στα ηλεκτροκίνητα διαστημόπλοια, χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια για την επιτάχυνση του προωθητικού. Μια ηλεκτροστατική δύναμη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτόξευση θετικών ιόντων ή η Δύναμη Λόρεντζ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτόξευση αρνητικών ιόντων και ηλεκτρονίων ως προωθητικό. Οι ηλεκτροθερμικοί κινητήρες χρησιμοποιούν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη για να θερμάνουν αέρια χαμηλού μοριακού βάρους (π.χ. υδρογόνο, ήλιο, αμμωνία) σε πλάσμα και να εκτοξεύσουν το πλάσμα ως προωθητικό. Στην περίπτωση ενός κινητήρα πυραύλου με αντίσταση, το συμπιεσμένο προωθητικό απλώς θερμαίνεται χρησιμοποιώντας θέρμανση αντίστασης καθώς εκτοξεύεται για να δημιουργήσει περισσότερη ώθηση.

Στους χημικούς πυραύλους και τα αεροσκάφη, τα καύσιμα χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενός ενεργητικού αερίου που μπορεί να διοχετευθεί μέσω ενός ακροφυσίου, παράγοντας έτσι ώθηση. Στους πυραύλους, η καύση του καυσίμου του πυραύλου παράγει καυσαέρια και το εξερχόμενο υλικό συνήθως αποβάλλεται ως προωθητικό υπό πίεση μέσω ενός ακροφυσίου. Το υλικό της εξάτμισης μπορεί να είναι αέριο, υγρό, πλάσμα ή στερεό. Σε μηχανοκίνητα αεροσκάφη χωρίς έλικες, όπως τα τζετ, το προωθητικό είναι συνήθως το προϊόν της καύσης καυσίμου με ατμοσφαιρικό οξυγόνο, έτσι ώστε το προκύπτον προωθητικό προϊόν να έχει μεγαλύτερη μάζα από το καύσιμο που μεταφέρεται στο όχημα.

Οι προτεινόμενοι πύραυλοι φωτονίων θα χρησιμοποιούσαν τη σχετιστική ορμή των φωτονίων για να δημιουργήσουν ώθηση. Παρόλο που τα φωτόνια δεν έχουν μάζα, μπορούν να λειτουργήσουν ως προωθητικό αέριο επειδή κινούνται με σχετικιστική ταχύτητα, δηλαδή την ταχύτητα του φωτός. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ο τρίτος νόμος κίνησης του Νεύτωνα είναι ανεπαρκείς για να μοντελοποιήσουν τη φυσική που εμπλέκεται και πρέπει να χρησιμοποιηθεί η σχετιστική φυσική.

Στους χημικούς πυραύλους, οι χημικές αντιδράσεις χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας η οποία δημιουργεί η κίνηση ενός ρευστού η οποία χρησιμοποιείται για την αποβολή των προϊόντων αυτής της χημικής αντίδρασης (και μερικές φορές άλλων ουσιών) ως προωθητικών. Παραδείγματος χάρη, σε έναν απλό κινητήρα υδρογόνου/οξυγόνου, το υδρογόνο καίγεται (οξειδώνεται) για να δημιουργηθεί H2O και η ενέργεια από τη χημική αντίδραση χρησιμοποιείται για την αποβολή του νερού (ατμού) για την παροχή ώθησης. Συχνά στους χημικούς πυραυλοκινητήρες, μια ουσία υψηλότερης μοριακής μάζας περιλαμβάνεται στο καύσιμο για να παρέχει μεγαλύτερη μάζα αντίδρασης.

Το προωθητικό πυραύλων μπορεί να εκτοξευθεί μέσω ενός ακροφυσίου εκτόνωσης ως ψυχρό αέριο, δηλαδή, χωρίς ενεργητική ανάμειξη και καύση, για να παρέχει μικρές μεταβολές της ταχύτητας στο διαστημόπλοιο με τη χρήση προωθητήρων ψυχρού αερίου, συνήθως ως προωθητήρων ελιγμών.

Για να επιτευχθεί μια χρήσιμη πυκνότητα για αποθήκευση, τα περισσότερα προωθητικά αέρια αποθηκεύονται είτε ως στερεά είτε ως υγρά.

 Προωθητικά οχημάτων 
Ένα προωθητικό πυραύλου είναι μια μάζα που εκτοξεύεται από ένα όχημα, όπως ένας πύραυλος, με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργεί μια ώθηση σύμφωνα με τον τρίτο νόμο κίνησης του Νεύτωνα, και να προωθεί το όχημα προς τα εμπρός. Ο κινητήρας που εκτοξεύει το προωθητικό ονομάζεται κινητήρας αντίδρασης. Αν και ο όρος προωθητικό χρησιμοποιείται συχνά στον σχεδιασμό χημικού πυραύλου για να περιγράψει έναν συνδυασμό καυσίμου/προωθητικού, τα προωθητικά δεν πρέπει να συγχέονται με το καύσιμο που χρησιμοποιείται από έναν κινητήρα για την παραγωγή της ενέργειας που εκτοξεύει το προωθητικό. Παρόλο που τα υποπροϊόντα των ουσιών που χρησιμοποιούνται ως καύσιμο χρησιμοποιούνται επίσης συχνά ως μάζα αντίδρασης για τη δημιουργία της ώσης, όπως με έναν χημικό πυραυλοκινητήρα, το προωθητικό και το καύσιμο είναι δύο ξεχωριστές έννοιες.

Στα ηλεκτροκίνητα διαστημόπλοια, χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια για την επιτάχυνση του προωθητικού. Μια ηλεκτροστατική δύναμη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτόξευση θετικών ιόντων ή η δύναμη Λόρεντζ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτόξευση αρνητικών ιόντων και ηλεκτρονίων ως προωθητικό. Οι ηλεκτροθερμικοί κινητήρες χρησιμοποιούν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη για να θερμάνουν αέρια χαμηλού μοριακού βάρους (π.χ. υδρογόνο, ήλιο, αμμωνία) σε πλάσμα και να εκτόξευσαν το πλάσμα ως προωθητικό. Στην περίπτωση ενός κινητήρα πυραύλου με αντιστάτη, το συμπιεσμένο προωθητικό απλώς θερμαίνεται χρησιμοποιώντας τη θέρμανση της αντίστασης καθώς εκτοξεύεται για να δημιουργήσει περισσότερη ώθηση.

Στους χημικούς πυραύλους και τα αεροσκάφη, τα καύσιμα χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενός ενεργητικού αερίου που μπορεί να διοχετευθεί μέσω ενός ακροφυσίου, παράγοντας έτσι ώθηση. Στους πυραύλους, η καύση του καυσίμου του πυραύλου παράγει καυσαέρια και το εξερχόμενο υλικό συνήθως αποβάλλεται ως προωθητικό υπό πίεση μέσω ενός ακροφυσίου. Το υλικό της εξάτμισης μπορεί να είναι αέριο, υγρό, πλάσμα ή στερεό. Σε μηχανοκίνητα αεροσκάφη χωρίς έλικες, όπως τα αεριωθούμενα αεροσκάφη, το προωθητικό είναι συνήθως το προϊόν της καύσης καυσίμου με ατμοσφαιρικό οξυγόνο, έτσι ώστε το προκύπτον προωθητικό προϊόν να έχει μεγαλύτερη μάζα από το καύσιμο που μεταφέρεται στο όχημα.

Το προωθητικό ή καύσιμο μπορεί επίσης να είναι απλώς ένα συμπιεσμένο ρευστό, με την δυναμική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο συμπιεσμένο ρευστό να χρησιμοποιείται για την αποβολή του ρευστού ως προωθητικού. Η ενέργεια που αποθηκεύεται στο ρευστό προστέθηκε στο σύστημα όταν το ρευστό συμπιέστηκε, όπως πεπιεσμένος αέρας. Η ενέργεια που εφαρμόζεται στην αντλία ή το θερμικό σύστημα που χρησιμοποιείται για τη συμπίεση του αέρα αποθηκεύεται μέχρι να απελευθερωθεί επιτρέποντας στο προωθητικό να διαφύγει. Το συμπιεσμένο ρευστό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί μόνο ως αποθήκευση ενέργειας μαζί με κάποια άλλη ουσία ως προωθητικό, όπως με έναν πύραυλο νερού, όπου η ενέργεια που αποθηκεύεται στον πεπιεσμένο αέρα είναι το καύσιμο και το νερό είναι το προωθητικό.

Οι προτεινόμενοι πύραυλοι φωτονίων θα χρησιμοποιούσαν την σχετιστική ορμή των φωτονίων για να δημιουργήσουν ώθηση. Παρόλο που τα φωτόνια δεν έχουν μάζα, μπορούν να λειτουργήσουν ως προωθητικό αέριο επειδή κινούνται με σχετικιστική ταχύτητα, δηλαδή την ταχύτητα του φωτός. Σε αυτήν την περίπτωση, ο τρίτος νόμος κίνησης του Νεύτωνα είναι ανεπαρκής για να μοντελοποιήσει τη φυσική που εμπλέκεται και πρέπει να χρησιμοποιηθεί η σχετιστική φυσική.

Στους χημικούς πυραύλους, οι χημικές αντιδράσεις χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας η οποία δημιουργεί κίνηση ενός ρευστού η οποία χρησιμοποιείται για την αποβολή των προϊόντων αυτής της χημικής αντίδρασης (και μερικές φορές άλλων ουσιών) ως προωθητικά. Για παράδειγμα, σε έναν απλό κινητήρα υδρογόνου/οξυγόνου, το υδρογόνο καίγεται (οξειδώνεται) για να δημιουργηθεί νερό και η ενέργεια από τη χημική αντίδραση χρησιμοποιείται για την αποβολή του νερού (ατμού) για την παροχή ώθησης. Συχνά στους χημικούς πυραυλοκινητήρες, μια ουσία υψηλότερης μοριακής μάζας περιλαμβάνεται στο καύσιμο για να παρέχει μεγαλύτερη μάζα αντίδρασης.

Το προωθητικό πυραύλων μπορεί να εκτοξευθεί μέσω ενός ακροφυσίου εκτόνωσης ως ψυχρό αέριο, δηλαδή, χωρίς ενεργητική ανάμειξη και καύση, για να παρέχει μικρές μεταβολές ταχύτητας στο διαστημόπλοιο με τη χρήση προωθητήρων ψυχρού αερίου, συνήθως ως προωθητήρων ελιγμών.

Για να επιτευχθεί μια χρήσιμη πυκνότητα για αποθήκευση, τα περισσότερα προωθητικά αέρια αποθηκεύονται είτε ως στερεά είτε ως υγρά.

Τα προωθητικά μπορούν να ενεργοποιηθούν μέσω χημικών αντιδράσεων για την εκτόξευση στερεών, υγρών ή αερίων. Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτόξευση αερίων, πλάσματος, ιόντων, στερεών ή υγρών. Τα φωτόνια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παροχή ώθησης μέσω σχετικιστικής ορμής.

 Χημικά τροφοδοτούμενα 
Στερεό προωθητικό
 Σύνθετα προωθητικά κατασκευασμένα από ένα στερεό οξειδωτικό όπως υπερχλωρικό αμμώνιο ή νιτρικό αμμώνιο, συνθετικό καουτσούκ όπως HTPB, πολυβουταδιένιο ακρυλονιτρίλιο (Polybutadiene acrylonitrile, PBAN) ή πολυουρεθάνη (ή ενεργειακά πολυμερή όπως νιτρικό πολυγλυκιδύλιο (polyglycidyl nitrate) ή νιτρικό πολυβινύλιο (polyvinyl nitrate) για επιπλέον ενέργεια), προαιρετικά καύσιμα υψηλής εκρηκτικότητας (και πάλι, για επιπλέον ενέργεια) όπως RDX ή νιτρογλυκερίνη, και συνήθως ένα κονιοποιημένο καύσιμο μέταλλο όπως αργίλιο.
 Ορισμένα ερασιτεχνικά προωθητικά χρησιμοποιούν νιτρικό κάλιο, σε συνδυασμό με ζάχαρη, εποξική ρητίνη ή άλλα καύσιμα και συνδετικές ενώσεις.
 Το υπερχλωρικό κάλιο έχει χρησιμοποιηθεί ως οξειδωτικό, σε συνδυασμό με άσφαλτο, εποξική ρητίνη και άλλα συνδετικά υλικά.

Τα προωθητικά που εκρήγνυνται εν λειτουργία έχουν μικρή πρακτική χρήση προς το παρόν, αν και έχουν γίνει πειράματα με κινητήρες παλμικής έκρηξης (Pulse Detonation Engines). Επίσης, οι πρόσφατα συντιθέμενες ενώσεις με βάση το διςομοκουβάνιο (bishomocubane) εξετάζονται στο στάδιο της έρευνας ως στερεά και υγρά προωθητικά του μέλλοντος.

Κόκκος
Τα στερεά καύσιμα/προωθητικά χρησιμοποιούνται σε μορφές που ονομάζονται κόκκοι (grains). Ένας κόκκος είναι οποιοδήποτε μεμονωμένο σωματίδιο καυσίμου/προωθητικού ανεξάρτητα από το μέγεθος ή το σχήμα. Το σχήμα και το μέγεθος ενός κόκκου καθορίζουν τον χρόνο καύσης, την ποσότητα αερίου και τον ρυθμό παραγόμενης ενέργειας από την καύση του καυσίμου και, κατά συνέπεια, την κατατομή ώθησης έναντι του χρόνου.

Υπάρχουν τρεις τύποι καύσεων που μπορούν να επιτευχθούν με διαφορετικούς κόκκους.
Προοδευτική καύση: Συνήθως ένας κόκκος με πολλαπλές διατρήσεις ή μια αστεροειδής τομή στο κέντρο που παρέχει μεγάλη επιφάνεια.
Φθίνουσα καύση: Συνήθως ένας συμπαγής κόκκος σε σχήμα κυλίνδρου ή σφαίρας.
Ουδέτερη καύση: Συνήθως μια μονή διάτρηση, καθώς η εξωτερική επιφάνεια μειώνεται, η εσωτερική επιφάνεια αυξάνεται με τον ίδιο ρυθμό.

Σύσταση
Υπάρχουν τέσσερις διαφορετικοί τύποι συστάσεων στερεών καυσίμων/προωθητικών:
Καύσιμο/προωθητικό μονής βάσης: Ένα καύσιμο/προωθητικό μονής βάσης έχει τη νιτροκυτταρίνη ως το κύριο συστατικό των εκρηκτικών. Σταθεροποιητές και άλλα πρόσθετα χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της χημικής σταθερότητας και την ενίσχυση των ιδιοτήτων του. *Καύσιμο/προωθητικό διπλής βάσης: Το καύσιμο/προωθητικό διπλής βάσης αποτελείται από νιτροκυτταρίνη με προσθήκη νιτρογλυκερίνης ή άλλων υγρών οργανικών νιτρικών εκρηκτικών. Χρησιμοποιούνται επίσης σταθεροποιητές και άλλα πρόσθετα. Η νιτρογλυκερίνη μειώνει τον καπνό και αυξάνει την ενεργειακή απόδοση. Τα καύσιμα/προωθητικά διπλής βάσης χρησιμοποιούνται σε φορητά όπλα, κανόνια, όλμους και πυραύλους.
 Τριπλής βάσης καύσιμο/προωθητικό: Τα τριπλής βάσης καύσιμα/προωθητικά αποτελούνται από νιτροκυτταρίνη, νιτρογουανιδίνη, νιτρογλυκερίνη ή άλλα υγρά οργανικά νιτρικά εκρηκτικά. Τριπλής βάσης καύσιμα/προωθητικά χρησιμοποιούνται σε κανόνια.
 Σύνθετα: Τα σύνθετα δεν χρησιμοποιούν νιτροκυτταρίνη, νιτρογλυκερίνη, νιτρογουανιδίνη ή οποιοδήποτε άλλο οργανικό νιτρικό άλας ως κύριο συστατικό. Τα σύνθετα συνήθως αποτελούνται από ένα καύσιμο όπως μεταλλικό αργίλιο, ένα εύφλεκτο συνδετικό υλικό όπως συνθετικό καουτσούκ ή HTPB, και ένα οξειδωτικό όπως υπερχλωρικό αμμώνιο. Τα σύνθετα καύσιμα/προωθητικά χρησιμοποιούνται σε μεγάλους πυραυλοκινητήρες. Σε ορισμένες εφαρμογές, όπως ο πύραυλος SLBM Trident II των ΗΠΑ, προστίθεται νιτρογλυκερίνη στη σύσταση αργιλίου και υπερχλωρικού αμμωνίου ως ενεργητικός πλαστικοποιητής.
Υγρά προωθητικά
Στους πυραύλους, χρησιμοποιούνται τρεις κύριοι συνδυασμοί υγρών διπροωθητικών καυσίμων: κρυογονικό οξυγόνο και υδρογόνο, κρυογονικό οξυγόνο και ένας υδρογονάνθρακας και αποθηκεύσιμα προωθητικά.
 Σύστημα συνδυασμού κρυογενούς οξυγόνου-υδρογόνου: Χρησιμοποιείται σε ανώτερα στάδια και μερικές φορές σε στάδια ενίσχυσης συστημάτων εκτόξευσης στο διάστημα. Αυτός είναι ένας μη τοξικός συνδυασμός. Αυτό δίνει υψηλή ειδική ώθηση και είναι ιδανικός για αποστολές υψηλής ταχύτητας.
 Κρυογονικό σύστημα προωθητικού οξυγόνου-υδρογονάνθρακα: Χρησιμοποιείται για πολλά στάδια ενίσχυσης διαστημικών οχημάτων εκτόξευσης καθώς και για μικρότερο αριθμό δεύτερων σταδίων. Αυτός ο συνδυασμός καυσίμου/οξειδωτικού έχει υψηλή πυκνότητα και ως εκ τούτου επιτρέπει έναν πιο συμπαγή σχεδιασμό ενίσχυσης.
 Συνδυασμοί αποθηκεύσιμων προωθητικών: Χρησιμοποιούνται σχεδόν σε όλους τους πυραυλοκινητήρες χαμηλής ώσης, βοηθητικούς ή ελέγχου αντίδρασης, καθώς και σε ορισμένους μεγάλους πυραυλοκινητήρες για το πρώτο και το δεύτερο στάδιο βαλλιστικών πυραύλων. Είναι άμεσης εκκίνησης και κατάλληλοι για μακροχρόνια αποθήκευση.

Οι συνδυασμοί προωθητικών που χρησιμοποιούνται για πυραύλους υγρού προωθητικού περιλαμβάνουν:
 Υγρό οξυγόνο και υγρό υδρογόνο
 Υγρό οξυγόνο και κηροζίνη ή προωθητικό πυραύλων (Rocket Propellant-1, RP-1)
 Υγρό οξυγόνο και αιθανόλη
 Υγρό οξυγόνο και μεθάνιο
 Πυκνό υπεροξείδιο του υδρογόνου και αιθανόλη ή RP-1
 Ερυθρό ατμίζον νιτρικό οξύ (RFNA) και κηροζίνη ή RP-1
 RFNA και ασύμμετρη διμεθυλυδραζίνη (Unsymmetrical dimethylhydrazine, UDMH)
 Τετροξείδιο του διαζώτου και UDMH, MMH, και/ή υδραζίνη
Τα συνηθισμένα μονοπροωθητικά που χρησιμοποιούνται για πυραυλοκινητήρες υγρού καυσίμου περιλαμβάνουν:
 Υπεροξείδιο του υδρογόνου
 Υδραζίνη
 Ερυθρό ατμίζον νιτρικό οξύ (RFNA)
Ηλεκτρική τροφοδότηση

Οι ηλεκτρικά τροφοδοτούμενοι αντιδραστικοί κινητήρες χρησιμοποιούν μια ποικιλία συνήθως ιονισμένων προωθητικών, συμπεριλαμβανομένων ατομικών ιόντων, πλάσματος, ηλεκτρονίων ή μικρών σταγονιδίων ή στερεών σωματιδίων ως προωθητικά.

Ηλεκτροστατικά
Εάν η επιτάχυνση προκαλείται κυρίως από τη δύναμη Κουλόμπ (δηλαδή, την εφαρμογή ενός στατικού ηλεκτρικού πεδίου προς την κατεύθυνση της επιτάχυνσης), η συσκευή θεωρείται ηλεκτροστατική. Οι τύποι ηλεκτροστατικών κινητήρων και τα προωθητικά τους μέσα:
 Προωθητήρας ιόντων με πλέγμα (Gridded ion thruster) – χρησιμοποιώντας θετικά ιόντα ως προωθητικό, επιταχυνόμενα από ένα ηλεκτρικά φορτισμένο πλέγμα
 Ετοιμότητα Εφαρμογών Ηλιακής Τεχνολογίας της NASA (NASA Solar Technology Application Readiness, NSTAR) – επιταχυνόμενα θετικά ιόντα χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια υψηλής τάσης
 Ηλεκτρική Πρόωση Υψηλής Ισχύος (High Power Electric Propulsion, HiPEP) – χρήση θετικών ιόντων ως προωθητικού, που δημιουργείται με τη χρήση μικροκυμάτων
 Προωθητήρας ιόντων ραδιοσυχνότητας – γενίκευση του HiPEP
 Προωθητήρας φαινομένου Hall (Hall-effect thruster), συμπεριλαμβανομένων των υποτύπων του Στατικός Προωθητήρας Πλάσματος (Stationary Plasma Thruster, SPT) και Προωθητήρας με Στρώμα Ανόδου (Thruster with Anode Layer, TAL) – χρήση του φαινομένου Hall για τον προσανατολισμό ηλεκτρονίων για τη δημιουργία θετικών ιόντων για προωθητικό
 Προωθητήρας κολλοειδών ιόντων (Colloid ion thruster) – ηλεκτροστατική επιτάχυνση σταγονιδίων υγρού άλατος ως προωθητικού
 Ηλεκτρική πρόωση εκπομπής πεδίου (Field-emission electric propulsion) – χρήση ηλεκτροδίων για την επιτάχυνση ιονισμένου υγρού μετάλλου ως προωθητικού
 Προωθητήρας εξαγωγής νανοσωματιδιακού πεδίου (Nano-particle field extraction thruster)– χρήση φορτισμένων κυλινδρικών νανοσωλήνων άνθρακα ως προωθητικού

 Ηλεκτροθερμικά 
Αυτές είναι μηχανές που χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικά πεδία για να παράγουν πλάσμα το οποίο χρησιμοποιείται ως προωθητικό. Χρησιμοποιούν ένα ακροφύσιο για να κατευθύνουν το ενεργοποιημένο προωθητικό. Το ίδιο το ακροφύσιο μπορεί να αποτελείται απλώς από ένα μαγνητικό πεδίο. Αέρια χαμηλού μοριακού βάρους (π.χ. υδρογόνο, ήλιο, αμμωνία) είναι τα προτιμώμενα προωθητικά για αυτό το είδος συστήματος.
 Με αντίσταση (restojet)– χρησιμοποιώντας ένα συνήθως αδρανές συμπιεσμένο προωθητικό που ενεργοποιείται με απλή θέρμανση αντίστασης
 Με ηλεκτρικό τόξο (Arcjet) – χρησιμοποιεί (συνήθως) υδραζίνη ή αμμωνία ως προωθητικό που ενεργοποιείται με ένα ηλεκτρικό τόξο
 Μικροκύματα – ένας τύπος ιοντικού προωθητή ραδιοσυχνοτήτων
 Πύραυλος μαγνητοπλάσματος μεταβλητής ειδικής ώθησης (Variable specific impulse magnetoplasma rocket, VASIMR) – χρησιμοποιώντας πλάσμα που παράγεται από μικροκύματα ως προωθητικό και μαγνητικό πεδίο για να κατευθύνει την εκτόξευσή του

 Ηλεκτρομαγνητικά 
Οι ηλεκτρομαγνητικοί προωθητές χρησιμοποιούν ιόντα ως προωθητικό, τα οποία επιταχύνονται από τη δύναμη Λόρεντζ ή από μαγνητικά πεδία, καθένα από τα οποία παράγεται από ηλεκτρισμό:
 Προωθητήρας πλάσματος χωρίς ηλεκτρόδια (Electrodeless plasma thruster) – ένα πολύπλοκο σύστημα που χρησιμοποιεί ψυχρό πλάσμα ως προωθητικό που επιταχύνεται από ponderomotive δύναμη
 Μαγνητοπλασματοδυναμικός προωθητήρας (Magnetoplasmadynamic thruster) – τα προωθητικά περιλαμβάνουν ξένον, νέον, αργό, υδρογόνο, υδραζίνη ή λίθιο•που εκτινάσσονται χρησιμοποιώντας τη δύναμη Λόρεντζ
 Παλμικός επαγωγικός προωθητήρας (Pulsed inductive thruster)– επειδή αυτός ο αντιδραστικός κινητήρας χρησιμοποιεί ακτινικό μαγνητικό πεδίο, δρα τόσο σε θετικά όσο και σε αρνητικά σωματίδια και έτσι μπορεί να χρησιμοποιήσει ένα ευρύ φάσμα αερίων ως προωθητικό, συμπεριλαμβανομένου νερού, υδραζίνης, αμμωνίας, αργού, ξένου και πολλών άλλων.
 Παλμικός προωθητήρας πλάσματος (Pulsed plasma thruster) – χρησιμοποιεί πλάσμα τεφλόν ως προωθητικό, το οποίο δημιουργείται από ένα ηλεκτρικό τόξο και εκπέμπεται χρησιμοποιώντας τη δύναμη Λόρεντζ.
 Προωθητήρας διπλής στρώσης ελικών (Helicon Double Layer Thruster) – ένα προωθητικό πλάσματος παράγεται και διεγείρεται από ένα αέριο χρησιμοποιώντας μια έλικα που επάγεται από ραδιοκύματα ζώνης υψηλής συχνότητας τα οποία σχηματίζουν ένα μαγνητικό ακροφύσιο σε έναν κύλινδρο.

Πυρηνικά
Οι πυρηνικές αντιδράσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας για την εκτόξευση των προωθητικών. Πολλοί τύποι πυρηνικών αντιδραστήρων έχουν χρησιμοποιηθεί/προταθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για ηλεκτρική πρόωση, όπως περιγράφεται παραπάνω. Η πυρηνική παλμική πρόωση χρησιμοποιεί μια σειρά πυρηνικών εκρήξεων για να δημιουργήσει μεγάλες ποσότητες ενέργειας για την εκτόξευση των προϊόντων της πυρηνικής αντίδρασης ως προωθητικά. Οι πυρηνικοί θερμικοί πύραυλοι χρησιμοποιούν τη θερμότητα μιας πυρηνικής αντίδρασης για τη θέρμανση ενός προωθητικού. Συνήθως το προωθητικό είναι υδρογόνο επειδή η δύναμη είναι συνάρτηση της ενέργειας ανεξάρτητα από τη μάζα του προωθητικού, επομένως το ελαφρύτερο προωθητικό (υδρογόνο) παράγει τη μεγαλύτερη ειδική ώθηση

 Φωτονικά 
Ένας φωτονικός αντιδραστικός κινητήρας χρησιμοποιεί φωτόνια ως προωθητικά και την διακριτή σχετικιστική τους ενέργεια για να παράγει ώθηση.

 Προωθητικά συμπιεσμένα ρευστά 
Τα προωθητικά συμπιεσμένα ρευστά ή συμπιεσμένα αέρια συμπιέζονται φυσικά, μέσω συμπιεστή, και όχι μέσω χημικής αντίδρασης. Οι πιέσεις και οι ενεργειακές πυκνότητες που μπορούν να επιτευχθούν, αν και ανεπαρκείς για πυραυλική βιομηχανία και πυροβόλα όπλα υψηλής απόδοσης, είναι επαρκείς για τις περισσότερες εφαρμογές, οπότε τα συμπιεσμένα ρευστά προσφέρουν μια απλούστερη, ασφαλέστερη και πιο πρακτική πηγή πίεσης προωθητικού.

Ένα συμπιεσμένο ρευστό προωθητικό μπορεί απλώς να είναι ένα αέριο υπό πίεση ή μια ουσία που είναι αέριο σε ατμοσφαιρική πίεση, αλλά αποθηκεύεται υπό πίεση ως υγρό.

 Προωθητικά συμπιεσμένου αερίου 
Σε εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιείται μεγάλη ποσότητα προωθητικού, όπως πλύσιμο με πίεση και ψεκασμός, ο αέρας μπορεί να συμπιεστεί από έναν αεροσυμπιεστή και να χρησιμοποιηθεί αμέσως. Επιπλέον, μια χειροκίνητη αντλία για τη συμπίεση αέρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί λόγω της απλότητάς της σε εφαρμογές χαμηλής τεχνολογίας, όπως ατομοποιητές, φυτικοί ψεκαστήρες και πύραυλοι νερού. Τα απλούστερα παραδείγματα ενός τέτοιου συστήματος είναι τα μπουκάλια συμπίεσης για υγρά όπως κέτσαπ και σαμπουάν.

Ωστόσο, τα συμπιεσμένα αέρια δεν είναι πρακτικά ως αποθηκευμένα προωθητικά εάν δεν υγροποιούνται μέσα στο δοχείο αποθήκευσης, επειδή απαιτούνται πολύ υψηλές πιέσεις για την αποθήκευση σημαντικής ποσότητας αερίου και οι κύλινδροι αερίου υψηλής πίεσης και οι ρυθμιστές πίεσης είναι ακριβοί και βαρείς.

 Προωθητικά υγροποιημένου αερίου 
Αρχή
Τα υγροποιημένα προωθητικά αέρια είναι αέρια σε ατμοσφαιρική πίεση, αλλά υγροποιούνται σε μέτρια πίεση. Αυτή η πίεση είναι αρκετά υψηλή ώστε να παρέχει χρήσιμη προώθηση του ωφέλιμου φορτίου (π.χ. αερόλυμα χρώματος, αποσμητικό, λιπαντικό), αλλά είναι αρκετά χαμηλή ώστε να αποθηκεύεται σε ένα φθηνό μεταλλικό δοχείο και να μην αποτελεί κίνδυνο για την ασφάλεια σε περίπτωση που το δοχείο σπάσει.

Το μείγμα υγρού και αερίου προωθητικού μέσα στο δοχείο διατηρεί μια σταθερή πίεση, που ονομάζεται τάση ατμών του υγρού. Καθώς το ωφέλιμο φορτίο εξαντλείται, το προωθητικό εξατμίζεται για να γεμίσει τον εσωτερικό όγκο του δοχείου. Τα υγρά είναι συνήθως 500-1000 φορές πυκνότερα από τα αντίστοιχα αέριά τους σε ατμοσφαιρική πίεση. Ακόμη και στην υψηλότερη πίεση μέσα στο δοχείο, μόνο ένα μικρό κλάσμα του όγκου του χρειάζεται να είναι προωθητικό για να εξαχθεί το ωφέλιμο φορτίο και να αντικατασταθεί με ατμούς.

Η εξάτμιση του υγρού προωθητικού σε αέριο απαιτεί κάποια ενέργεια, την ενθαλπία εξάτμισης, η οποία ψύχει το σύστημα. Αυτό είναι συνήθως ασήμαντο, αν και μερικές φορές μπορεί να είναι ανεπιθύμητο αποτέλεσμα της έντονης χρήσης (καθώς το σύστημα ψύχεται, η τάση ατμών του προωθητικού μειώνεται). Ωστόσο, στην περίπτωση ενός ψυκτικού ψεκασμού, αυτή η ψύξη συμβάλλει στο επιθυμητό αποτέλεσμα (αν και οι ψεκαστικοί ψεκασμοί μπορεί επίσης να περιέχουν άλλα συστατικά, όπως χλωραιθάνιο, με χαμηλότερη τάση ατμών αλλά υψηλότερη ενθαλπία εξάτμισης από το προωθητικό).

 Ενώσεις προωθητικών 
Οι χλωροφθοράνθρακες (CFC) κάποτε χρησιμοποιούνταν συχνά ως προωθητικά, αλλά από τότε που τέθηκε σε ισχύ το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ το 1989, έχουν αντικατασταθεί σχεδόν σε κάθε χώρα λόγω των αρνητικών επιπτώσεων που έχουν οι CFC στη στρώμα του όζοντος της Γης. Τα πιο συνηθισμένα υποκατάστατα των CFC είναι μείγματα πτητικών υδρογονανθράκων, συνήθως προπάνιο, n-βουτάνιο και ισοβουτάνιο.. Χρησιμοποιούνται επίσης ο διμεθυλαιθέρας (DME) και ο μεθυλαιθυλαιθέρας. Όλα αυτά έχουν το μειονέκτημα ότι είναι εύφλεκτα. Το υποξείδιο του αζώτου και το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιούνται επίσης ως προωθητικά για τη χορήγηση τροφίμων (για παράδειγμα, κρέμα σαντιγί και ψεκαστήρας μαγειρέματος). Τα φαρμακευτικά αερολύματα, όπως οι αναπνευστήρες άσθματος, χρησιμοποιούν υδροφθοροαλκάνια (hydrofluoroalkanes, HFA): είτε HFA 134a (1,1,1,2,-τετραφθοροαιθάνιο), είτε HFA 227 (1,1,1,2,3,3,3-επταφθοροπροπάνιο) ή συνδυασμούς τους. Πιο πρόσφατα, τα υγρά προωθητικά υδροφθοροολεφινών (HFO) έχουν υιοθετηθεί ευρύτερα σε συστήματα αερολυμάτων λόγω της σχετικά χαμηλής τάσης ατμών, του χαμηλού δυναμικού υπερθέρμανσης του πλανήτη (GWP) και της μη αναφλεξιμότητάς τους.

 Ωφέλιμα φορτία 
Η πρακτικότητα των υγροποιημένων προωθητικών αερίων επιτρέπει μια ευρεία ποικιλία ωφέλιμων φορτίων. Οι ψεκαστήρες αερολυμάτων, στους οποίους εκτοξεύεται ένα υγρό ως ψεκαστήρας, περιλαμβάνουν χρώματα, λιπαντικά, απολιπαντικά και προστατευτικές επιστρώσεις,•αποσμητικά και άλλα προϊόντα προσωπικής φροντίδας, μαγειρικά έλαια. Ορισμένα υγρά ωφέλιμα φορτία δεν ψεκάζονται λόγω χαμηλότερης πίεσης προωθητικού ή/και του ιξώδους του ωφέλιμου φορτίου, όπως με τη κρέμα σαντιγί και την κρέμα ξυρίσματος ή η γέλη ξυρίσματος. Τα πιστόλια χαμηλής ισχύος, όπως τα πιστόλια BB, τα πιστόλια χρωμοσφαίρισης και τα αεροσφαίρισης, έχουν ωφέλιμα φορτία στερεών βλημάτων. Μοναδικά, στην περίπτωση ενός ξεσκονόπανου αερίου (gas duster) ("αέρα σε κονσέρβα"), το μόνο ωφέλιμο φορτίο είναι η ταχύτητα των ίδιων των ατμών προωθητικού.

Παραπομπές

Βιβλιογραφία


Εξωτερικοί σύνδεσμοι

 Rocket Propellants
 Rocket propulsion elements, Sutton, George.P, Biblarz, Oscar 7th Ed
 Understanding and Predicting Gun Barrel Erosion – Weapons Systems Division Defence Science and Technology Organisation by Ian A. Johnston 
 ARMAMENT RESEARCH DEVELOPMENT AND ENGINEERING CENTER - Enhanced Propellant and Cartridge Case Designs

Κατηγορία:Πυρομαχικά
Κατηγορία:Βλητική

Κατηγορία:Πυροτεχνική
Κατηγορία:Βιομηχανικά αέρια