Raketna tehnika je naredila v 20. stoletju izjemen napredek. A ta razmah stoji na tisočletju razvoja teoretičnega in empiričnega znanja. Že stari Grki so naredili napravo, ki se je poganjala ob žici z izpuščanjem vodne pare iz tlačnega rezervoarja. Ta preprosta naprava je bila prednik tako raket, kakor tudi parnih strojev. Poleg precejšnje neučinkovitosti je to tehnično demonstracijo zaznamovalo tudi zelo slabo razumevanje samega pojava. Podobno bi lahko trdili tudi za kasnejše poskuse na kitajskem, ki pa so bili vseeno že precej bolj sofisticirani, ker so za pogon uporabljali smodnik. Najverjetneje so že izdelovali primitivne rakete in jih uporabljali (podobno kot danes) tako v razvedrilne kot tudi vojaške namene.
Tudi sicer je zgodovina raket precej bolj povezana z vojaško kakor s civilno rabo. Še Turek Lagari Hasan Çelebi, ki je bil prvi človek, ki mu je uspel polet z raketo (bilo je leta 1633), je svoj vratolomni podvig izvedel zato, da bi prišel na visok položaj v otomanski vojski. In vse do danes je ostalo tako, da je razvoj raket potiskala naprej vojaška nuja bolj kakor karkoli drugega. Od vojske neodvisni poskusi v zadnjem času se vsi po vrsti srečujejo z velikimi težavami pri zagotavljanju sredstev. Fascinantnost raket pa ne temelji na tej temni plati njihove uporabe, temveč na dejstvu, da so prvo in zaenkrat edino prevozno sredstvo, ki je lahko doseglo vesolje. Raketni motor ostaja zaenkrat tudi edini praktičen način pogona v vesolju (do sončnih jader manjka še nekaj časa).
Poglejmo si torej osnove delovanja raketnega motorja. Raketni motor je podvrsta motorjev na reakcijsko silo. To se pravi, da pogon zagotavlja sila, ki jo na plovilo vrši curek snovi, ki ga plovilo odriva od sebe. Tretji Newtonov zakon pravi, da vedno, ko eno telo deluje na drugega s silo, deluje tudi drugo telo na prvega z enako veliko, a v nasprotno smer obrnjeno silo. To se pravi, da bo naše plovilo pri odrivanju snovi pospeševalo v nasprotno smer potovanja odrinjene materije. Raketni motor je zelo enostaven primer reakcijskega motorja, saj deluje tako, da ima vso zalogo snovi za potisk (gorivo) shranjeno plovilo samo. Tako lahko na sistem plovila in goriva gledamo celostno in si potisk predstavljamo tudi preko ohranitve gibalne količine. Taka slika je namreč precej težja pri reaktivnih motorjih letal, kjer je gorivo letala le del curka potisne materije, saj velik del mase curka zagotavlja okoliški zrak s kisikom, ki oksidira gorivo in tako zagotavlja tlak za potisk.
Raketni motor je sestavljen iz lonca, kjer zgoreva gorivo in kjer je zelo visok tlak in temperatura. Skozi luknjo v tem loncu (zgorevalni komori) tako zaradi visokega tlaka v notranjosti uhaja vroč plin. Izkoristek komore z luknjo je zelo slab, saj plin ven uhaja v razpršenem curku, veliko energije pa izgubimo tudi s tem, da pošiljamo ven vroče pline, ki vsebujejo veliko termične energije. Oba ta problema lahko rešimo, če na mesto luknje postavimo posebej oblikovan lijak - de lavalovo šobo. S tem dosežemo dva učinka - prvič, curek plina "kolimiramo", usmerimo ga v točno določeno smer, tako da se čim manj razširja z oddaljenostjo od šobe. In drugič, šoba plin močno razpne, pri tem plin odda delo in se ohladi. Tako smo izkoristili tudi termično energijo potisnega plina.
Ker raketni motor opišemo tako enostavno kot tlačni lonec in šobo, si zlahka predstavljamo, da se stvari morajo nekje zaplesti. Različnih tipov raketnih motorjev je namreč malo morje, med seboj pa se lahko razlikujejo bodisi v malenkostih ali pa bistvenih rečeh. Najprimitivnejša oblika raketnega motorja je balonček, kjej prožnostna energija gumene stene zagotavlja tlak, ki potiska zrak iz balona. A za kak pametnejši dosežek je nujno uporabiti zalogo energije, ki jo shranimo v kemijskih vezeh snovi. Uporabimo lahko trdno ali tekoče gorivo. Pri trdnih gorivih je nemogoče zagotoviti kakršen koli transport goriva, zato ostane osnovi princip enak kot pri balončku, le da imamo tokrat čvrsto steno "balona", notri pa gori trdno gorivo. Tak raketni motor je nemogoče po želji prižigati in ugašati ali mu med delovanjem poljubno spreminjati moč. Različen profil moči delovanja lahko dosežemo le s skrbnim načrtovanjem motorja, kasnejše spremembe pa niso več mogoče. Ko enkrat tak motor prižgemo, bo deloval do iztrošenja goriva.
Pri motorju na tekoče gorivo pa lahko ločimo izgorevalno komoro od rezervoarja za gorivo, saj lahko tekočino črpamo v komoro. To ima prednosti v lažji konstrukciji, saj je rezervoar lahko grajen manj čvrsto in s tem lažje od bistveno manjše zgorevalne komore. Z uravnavanjem dotoka goriva pa lahko tudi reguliramo moč motorja. Pri dotoku goriva v motor pa se stvari lahko tudi znatno zapletejo. Imamo na voljo več načinov, kako zagotoviti dotok goriva, s tem pa tudi radikalno različne motorje s svojimi prednostmi in slabostmi. Najenostavneje dotok zagotovimo s potisnim plinom, tako kot pri razpršilih. Tak motor je zelo enostaven, potrebujemo le rezervoar potisnega plina in sistem ventilov za regulacijo. Enostavna zgradba motorja je zelo zanesljiva, a na ta način težko na učinkovit način zagotovimo veliko moč motorja. Zato je tak tip motorjev v uporabi predvsem za pogon vozil po vesolju, ko je majhna masa motorja bistvena prednost.
Naslednji logični korak so črpalke. Pogon za črpalko nam ponavadi zagotavlja kar raketno gorivo - del goriva speljemo ne skozi glavno tlačno komoro, temveč skozi pomožno, ki poganja črpalko. Klasična oblika takega motorja del potisnih plinov izgubi skozi stranski izpust pri črpalki, kar seveda zmanjša učinkovitost motorja. A z izboljšanim dotokom goriva lahko bistveno povečamo moč motorja in zagotovimo večji tlak v komori, kar močno zveča učinkovitost motorja - skupni učinek je v prid večjega izkoristka motorja, saj so izgube manjše od pridobljene učinkovitosti. Izgube pa lahko še zmanjšamo tako, da tudi pline, ki poganjajo črpalko, pripeljemo v zgorevalno komoro. Takemu motorju se reče zaprt motor ali pa motor z večstopenjskim izgorevanjem. Taki motorji so zelo zapleteni, zato je precej malo delujočih modelov takega motorja. Pri načrtovanju takih motorjev so se zelo proslavili ruski strokovnjaki, ki so do sedaj tudi edini, ki so zagotovili pogon črpalke z mešanico plinov, v kateri je več oksidantov kot primarnega goriva. To je svojevrsten dosežek, saj je vroč oksidant zelo koroziven in je težko zagotoviti zanesljivost materialov. Ameriški motorji z večstopenjskim izgorevanjem črpalko vedno poganjajo z zmesjo, v kateri oksidantov primanjkuje.
V tej razlagi smo predpostavili, da za pogon uporabljamo dve komponenti, gorivo in oksidant. Uporabljamo pa lahko tudi samo eno gorivo, tako, ki pri določeni temperaturi samo eksplozivno razpade. Tak motor je lahko enostavnejši, je pa zaradi nestabilnega goriva inherentno manj varen. Sodoben napredek raketnih motorjev se je osredotočil na motorje z majhno potisno silo, a velikim izkoristkom. Kot pogonsko sredstvo se uporabi plazma, ki jo lahko z elektromagnetnimi polji pospešimo do velikih hitrosti, kar neposredno poveča izkoristek raketnega motorja. Taki ionski motorji so odlični za pogon sond na daljših razdaljah po vesolju, kjer upora atmosfere ni, na razpolago pa je tudi veliko časa, tako da nizka potisna sila ni velik problem - prihranek na masi goriva je pri ionskih motorjih lahko zelo velik.
Svojevrstna težava je tudi zagotavljanje hlajenja motorja. Vročina v tlačnem loncu je namreč peklenska. Plini morajo biti za spodobne izstopne hitrosti segreti do več kot 3500 kelvinov pri tlaku kakih 100 barov, kar je bistveno več, kot lahko zdržijo materiali v steni komore. Komoro zato ponavadi hladijo s tem, da gorivo pred vbrizgom v komoro speljejo po ceveh po obodu lonca, da se gorivo segreje in stena lonca ohladi. Tak način hlajenja imenujemo regenerativno hlajenje, saj izgubljeno toploto pripeljemo s segretim gorivom nazaj v komoro. En način hlajenja je tudi, da ob rob de lavalove šobe vbrizgamo relativno hladnejše pline iz črpalke za gorivo. Tako se je hladil tudi motor v raketi Saturn V.
Pomemben element zagotavljanja stabilnosti delovanja motorja je skrb za to, da je tlak v komori konstanten, brez nihanj. Nihanja v tlaku se namreč kažejo v nihanju moči motorja, kar povzroči hude vibracije cele rakete. To lahko povzroči škodo že samo po sebi, poleg tega pa take vibracije lahko v pozitivni povratni zanki povzročijo še močnejše nihanje tlaka v komori. To ima katastrofalne posledice, zato je dušenje vibracij ključnega pomena za varnost in zanesljivost delovanja motorja.
O raketnih šobah
Tovarna raket NPO Energomash “V. P. Glushko”
Video: test motorja na metan
oblika rezervoarjev za gorivo v breztežnostnem stanju
Zgodovina raket
Test "aerospike" motorja
Gorenje alkohola v kanistru
Vir slik je Wikipedija.