NASA opublikowała ostatnio kilkadziesiąt patentów. Jeden z nich jest bardzo ciekawy jako że dotyczy innowacyjnego rozwiązania silnika nuklearnego (ale nie tylko nuklearnego, jako że rozwiązanie jest uniwersalne). Najpierw troszkę podstawowych zasad fizyki silników rakietowych dla wyjaśnienia dlaczego pomysł NASA jest taki ciekawy. Czytelnicy pewnie dobrze wiedzą jak działa silnik rakietowy – w wielkim uproszczeniu chodzi o to by wyrzucać z pojazdu coś z maksymalnie dużym pędem. Pęd można zwiększać przez albo wyrzucanie większej ilości masy albo większą prędkość tego co wylatuje. Zasada zachowania pędu powoduje że rakieta uzyskuje pęd o przeciwnie skierowanym kierunku.
Silniki rakietowe mają różne konstrukcje – na jednym końcu mamy silniki jonowe, które wyrzucają bardzo niewielkie ilości masy, ale z olbrzymimi prędkościami. Na drugim mamy rakiety chemiczne, w których prędkość gazów wylotowych jest niezbyt duża, ale za to ich masa jest spora. Jako że jak na razie nie znaleziono metody na zwiększenie ilości masy w silnikach jonowych, to musimy się skoncentrować na silnikach chemicznych. Te ostatnie zazwyczaj działają w dość prosty sposób – najpierw w jakiś sposób kompresują gaz do olbrzymich ciśnień a następnie pozwalają mu się rozprężyć w specyficznie ukształtowanej dyszy tak by gazy wylotowe miały możliwie dużą prędkość w jednym kierunku.
Problemem zawsze jest osiąganie tych dużych ciśnień – najprostszym sposobem jest zazwyczaj przemiana fazowa jakiejś cieczy w gaz. Zwykle następuje to w wyniku spalania (np. ciekły wodór z ciekłym tlenem, choć nawet w tym wypadku opłaca się używać znacznie więcej wodoru i po prostu go podgrzewać efektami spalania), ale równie dobrze może być to dokonane za pomocą zwykłego podgrzewania (np. za pomocą reaktora atomowego). I tu siedzi pies pogrzebany. Żeby daną ciecz dało się podgrzewać w komorze spalania, trzeba ją do niej dostarczyć. A to oznacza że musi ona być pompowana do komory spalania pod ciśnieniem większym niż ciśnienie w tejże komorze.
Im większe ciśnienie w komorze spalania, tym większa prędkość gazów wylotowych. A to oznacza że trzeba stosować olbrzymie ciśnienia cieczy żeby dało się ją wstrzyknąć do komory spalania/podgrzewania. Jak to osiągnąć? Duże silniki jak jeden mąż używają sprężarek – większość turbosprężarek, choć XCOR pracuje nad sprężarką tłokową. Mniejsze silniki mają po prostu zbiorniki paliwa i utleniacza pod olbrzymim ciśnieniem (które jest utrzymywane przez zabieranie części rozgrzanych gazów z komory spalania i wpuszczanie ich do zbiornika). Jedno i drugie rozwiązanie ma wady – turbosprężarki są skomplikowane i zawodne, zbiorniki z dużym ciśnieniem są ciężkie.
I tu właśnie na pomoc przychodzi rozwiązanie NASA – po co utrzymywać wysokie ciśnienie w całym zbiorniku cieczy skoro i tak nie zużyjemy ją całą od razu? Zamiast tego NASA wymyśliła system z trzema komorami. Tylko one mają odpowiednią grubość ścianek by wytrzymać ciśnienia wystarczające do wstrzyknięcia cieczy do komory podgrzewania. Działają one naprzemiennie – w danym momencie jedna z nich jest używana do wstrzykiwania cieczy, jedna jest napełniana a jedna używana jest do utrzymywania (znacznie niższego) ciśnienia w zbiorniku cieczy. W ten sposób można zbudować silnik, który ma lekkie zbiorniki cieczy i nie wymaga turbosprężarki.
Jednak jest jeden mały problem – w rozwiązaniu tym jest cały zestaw zaworów, które muszą pracować w warunkach olbrzymich ciśnień (i olbrzymich różnic ciśnień). Co więcej w czasie pracy silnika zawory te muszą dość często zamykać się i otwierać. Zachodzi pytanie co jest bardziej zawodne – turbosprężarka czy zestaw zaworów pracujących w takich warunkach? Biorąc pod uwagę to że NASA nigdy nie zbudowała silnika działającego w tym cyklu, należy podejrzewać że problem z zaworami może być trudniejszy niż problem z turbosprężarkami. Dodatkowo silnik taki będzie miał pulsujący ciąg (spadki ciągu w momencie zmiany komór) – to może spowodować że wymagania materiałowe na komorę spalania i dyszę mogą być trudniejsze niż w przypadku silnika napędzanego turbosprężarką.
To taka ciekawostka mająca na celu zmuszenie czytelników do pogłówkowania – może wymyślicie jakiś inny, ciekawy sposób zasilania silnika który zadziwi nawet NASA?
