Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Joó Árpád
MH 43. Nagysándor József Híradó és
Vezetéstámogató Ezred, Székesfehérvár
A középiskolai fizikaoktatásban vagy a tanárképzésben nem jellemző, hogy a szifonpatronon vagy a pille palackból készült rakétán kívül más eszközzel demonstrálnák a sugárhajtást. Mindezek hiába készíthetők el egyszerűen, nem alkalmasak mérési feladatok elvégzésére, hiszen pusztán a reaktív hajtás elméletét igazolják a gyakorlatban.
Minden fontosabb, gazdaságilag prosperáló térségben a válság ellenére is zajlik az űrkutatás és ahhoz kapcsolódóan a rakétatechnika fejlődése. A világűr meghódításában pedig a reaktív hajtásnak nincsen alternatívája: "Minden nehézség nélkül felismerhető (…), hogy a légüres térben mint hajtóeszköznek páratlan jelentősége van." [1]
A sugárhajtás, rakétahajtás és az ezekhez szükséges alapvető technikai megoldások a fizikaórákon és előadásokon fontosságukhoz mérten több megbeszélést és minőségében más kísérleteket érdemelnének.
Demonstrációs célokra, sőt kooperatív oktatási módszer központi eszközeként komplex mérési feladatok végrehajtására egy olyan eszköz fogadható el, ahol az üzemidő percekben mérhető és nincsenek a mérést nehezítő, forró füstgázok; ahol nem zajlik kémiai reakció, amely nyomásnövekedés során ellenőrizhetetlenül felgyorsulhat. A hajtóművet inert gázzal célszerű megtáplálnunk, vagy például – a látványos üzem és a mérhető paraméterek biztosítása érdekében – megfelelően nagy kamranyomást és térfogatáramot nyújtó (inert gázt tartalmazó) sűrített levegővel.
Munkacsoportunk a sugárhajtást kívánta bemutatni, működését mérésekkel kicsit közelebbről is megvizsgálni. Berendezésünket tágabban értelmezve autogén sugárhajtóműnek is tekinthetjük, hiszen ez a berendezés is egységes rendszerként foglal magába mindent, ami a hajtósugár előállításához szükséges. Az égéskamramodellben viszont kémiai átalakulás nem történik. Ami a kísérletekkel megvalósult: tiszta fizika.
A közepes nyomású rakétahajtóművek jellemző üzemi nyomástartománya H. Mielke szerint "20–50 atmoszféra" [2] közé esik. Biztonsági okokból mi is ezt a tartományt céloztuk meg.
A munkavégző gáz sűrített levegő, amelyet egy 46 l-es, 6,9 m3 gáztérfogatú levegőpalack biztosít, reduktor nélkül. A palack mint hajtóanyagtartály fogható fel, tehát a tolóerővel egyenesen arányos dm/dt kiáramlási sebességű tömegsugár is tisztán hideg levegőből áll, így az fulladás veszélye nélkül teszi lehetővé a zárt térben való alkalmazást. A palackot hidraulikacső köti össze a kamra bevezetésével.
Az égéstér modell egy hidraulikus munkahenger, amelynek anyagminősége, falvastagsága kizárják a fizikai robbanás lehetőségét; rendeltetéséből adódóan több száz bar nyomásig használható (1. ábra). A henger lezárásának furatába helyeztük be a bronzból készült, cserélhető, pontosan illeszkedő fúvócsövet, amelynek peremét a kamranyomás préseli a lezáráshoz. A két gyári, nyomásálló csatlakozó közül az egyiken vezettük be a munkavégző gázt, a másikhoz pedig nyomásmérő órát csatlakoztattunk, amely egy csőrugós manométer 2 bar-os osztásokkal.
Kettő fúvócsövet készíttettünk úgy, hogy azok a katonai célú kisrakétákra jellemzően a "kettős kúpos alakú fúvóka" [3] kialakításához állnak a legközelebb; a szűkülő részt viszont elhagytuk, így vált lehetővé a táguló rész megfelelőbb kialakítása. Ezzel meg tudtuk oldani, hogy a táguló rész 21°-os fél nyílásszöge közelítsen az ideális értékhez, amely a hivatkozott szakirodalom szerint "12° és 18° közt van" [4]. A másik kettő fúvócsövet pedig táguló rész nélkül alakíttattuk ki. Két fajta keresztmetszetet választottunk: 6 mm és 11 mm átmérővel. A fúvókák kialakítása felelős a zajártalomért, ami azonban hallásvédő eszközzel kivédhető.
Az erőmérőhöz megfelelő rugók felkutatása, összehasonlítása során egy 150 mm-es nyomórugót választottunk. Mérlegsúlyok segítségével az elért összenyomódások és mérések ismételgetésével meghatároztuk az átlagos direkciós erőt (D = 13,26 N/cm), ezt az átlagot tekintjük rugóállandónak. Ennek ismerete lehetővé teszi, hogy a modell által összenyomott rugó hosszából számítsuk a tolóerőt.
A sugárhajtás elvét, a működés mechanikai alapjait a gyakorlatban, közvetlen közelről kívántuk bemutatni, akár egy pedagógiai projekt részeként. A legfontosabb mutatószámokat (tolóerő, nyomás és üzemidő) szinte "kézzelfoghatóvá" akartuk tenni oly módon, hogy egy igazi sugárhajtómű és a gyakorló modell közötti határok elmosódjanak. Az üzemeltetéssel mód nyílhat újszerű tevékenységek elsajátítására, hiszen az említett mutatószámok mindenki által mérhetőek. Különböző típusú és legszűkebb keresztmetszetű fúvócsöveket alkalmazva képesek vagyunk megvizsgálni, hogy miként változik a kamranyomás, a tolóerő és a közepes tömegáram.
Az elvégzett indítások, megfigyelések és a beszámolók során bebizonyosodott, hogy a demonstrációs hajtóművel való munka és a videofelvétel is motiváló hatású. Ez igaz mind a kísérletek előtti (tervezési), mind pedig az azt követő (elemzési) időszakra. Egy olyan hajtómű, ami rögzített pályán el tud mozdulni, működését pedig erős hanghatás és a környező levegő hőmérsékletének zuhanása kíséri, sőt aminek a hajtósugarát a diákok akár meg is "érinthetik" egyértelműen felkelti és fenntartja az érdeklődést. Izgalmas projektoktatás valósítható meg, hiszen a működtetést megelőzően a csoport tagjainak külön mérési feladatok adhatók ki, felelősöket jelölhetünk ki, a közösen elvégzett indítást pedig előre meghatározott szempontok szerint, közösen értékeljük.
A hajtóműmodellel végzett nyolc kísérleti indítás során született mérési adatok képezik az írás alapját.
Az esetlegesen leváló szilárd szennyeződések ellen arcvédő sisakkal védekeztünk. A palack szelepét teljesen kinyitva a dolgozó hajtómű az első 14 s alatt elérte a maximális kamranyomást – közben tolóerejének megfelelő mértékben összenyomta a rugós erőmérő (ismert direkciós erejű) nyomórugóját –, valamint a legnagyobb gázkiáramlási sebességet és tömegáramot (hajtóanyagáramot) is. A manométert és a stoppert figyelve kiderült, hogy melyik pillanatban érte el a kamra a legnagyobb nyomást. Természetesen ugyanakkor mértük a rugó maximális összenyomódását is. A hajtóműmodell működése regresszív – visszafejlődő – jellegű, vagyis a fontosabb mutatószámok értékei hamar elérik a maximumot, majd csökkenést mutatnak. A palackot addig ürítettük és az időmérést is addig végeztük, amíg a szelepen át érzékelhető volt az áramlás.
Próbapadra helyezett rakétahajtómű esetén a szakirodalomhoz
hűen elsősorban a 
-tal jelölt hajtóanyagáramot,
és a P-vel jelölt tolóerőt kell meghatározni.
Esetünkben a tolóerőt abban a rövid időszakban vizsgáltuk,
amikor elérte maximális értékét.
Drága ipari mérőberendezés híján a palacknyi töltet tömegének ismeretében, a kamra pillanatnyi nyomása és a teljes üzemidő mérése után a közepes hajtóanyagáram értéke mellett, a 8. indítást vizsgálva a tömegáram, továbbá a kiáramlási sebesség értékét is meghatároztuk.
Az égéskamrát egy néhai páncéltörőrakéta-rendszer indítósínjén, vízszintesen helyeztük el (2. ábra). Modellünk a sínen csúszva röviden elmozdult. Ezt az xmax utat, vagyis a rugós erőmérő rugójának összenyomódását mértük. Ideális esetben ebből és a már meghatározott D direkciós erő segítségével kiszámíthattuk a hajtómű Peff tolóerejét:
Gyakorlatban azonban figyelembe kell venni az elmozduláskor fellépő Fs súrlódási erőt is, így a Peffm módosított tolóerő:
Fs csúszási súrlódási erőt lemérve értékére 6,75 N-t kaptunk. Az 1. táblázat tartalmazza xmax, Peff és Peffm értékeit. A manométerről leolvastuk a maximális kamranyomást.
Az üzem utolsó perceiben a tömegsugár hőmérsékletét mértük megfelelő üveghőmérővel.
Az indítások közül a nyolcadik viszonylag magas mért értékeket adott. Az 1. táblázat-ból láthatjuk, hogy a tolóerő megközelítette a 120 N-t, a kamranyomás pedig elérte a 35 bart, a működési idő a legrövidebb volt: a rendszer elérte teljesítőképessége határát. A működés jellegzetes lefutása miatt célszerűnek tűnt annak nyomásvizsgálata. Videofelvétel segítségével, a szelep teljes kinyitásától, manométeren követtük nyomon az üzemi nyomás exponenciális csökkenését. Az értékeket szabályos időközönként lejegyezve, azokat táblázatba foglalva és a nyomáscsökkenést az idő függvényében ábrázolva, kijelenthetjük, hogy a működés jellege besorolható a regresszív kategóriába (3. ábra).
A rugós erőmérő nyomórugójának összenyomódása, a direkciós erő, az égéskamra manométerről leolvasható maximális nyomásértéke és a teljes üzemidő, vagyis a palackban foglalt "hajtóanyag" elfogyasztásának (a palack kiürítésének) időtartama képezték a számítások alapját. Továbbá felhasználtuk a gáztöltet kezdeti hőmérsékletét, tömegét (vagyis a hajtótöltet tömegét), a palack térfogatát, a gáz standard állapotra megadott térfogatát és a környezeti levegő hőmérsékletét.
A hivatkozott szakirodalomhoz hűen P-vel jelölt tolóerő
egyenesen arányos az időegység alatt kidobott
gázmennyiséggel (tehát a -tal jelölt hajtóanyag-fogyasztással)
és a kiáramlás sebességével a nagyon
általános P = c összefüggés
értelmében. A kamrát, a
fúvócső legszűkebb keresztmetszetét és a torkolat
kialakítását, végül pedig a környezetet kellene a jelenség
tárgyalásakor figyelembe venni. Egyszerűsítsünk
úgy, hogy a külső nyomásból eredő külső erő
hatásától eltekintünk – a tolóerő értékéhez úgy is eljuthatunk,
hogy a kamra nyílásának (vagyis itt a fúvócső
legszűkebb) Amin keresztmetszetét megszorozzuk
a kamra rá nehezedő 
maximális nyomásával. A
tömegsugarat létrehozó gázközeg nyomását alapul
véve a kamrában ez az Ft erő:
vagyis nyomóerő – mint a kamra Amin nyílására, a
fúvócső legszűkebb keresztmetszetére irányuló erő –
annál nagyobb, minél nagyobb a kamranyomás
és a minimális keresztmetszet szorzata.
A 6. számú próbánál alkalmazott fúvócső legszűkebb
keresztmetszete
Amin = 2,83 · 10-5 m2,
a maximális
kamranyomás = 33 bar, így az akcióerő értékére
Ft = 93,4 N-t kaptunk. Ezt összevetve (az ellentétes irányú)
P = 96,95 N tolóerőadattal, láthatjuk, hogy a számítás
csupán 3,5 N-nal adott kisebb értéket, azaz a
rugós erőmérőnk összenyomódásából számított reakcióerő
jó közelítéssel elfogadható érték.
A kamra pillanatnyi pkamra nyomása, annak változása
sok információt hordoz a működés jellegéről, és minden
mással, így például a hajtóanyagáram pillanatnyi
értékével is kapcsolatban van. A 8. indítás nyomásadataiból
kiindulva, a palack töltettömegének ismeretében
ez utóbbi csökkenése is felírható (3. ábra).
A szelepnyitástól számított 14. és 16. másodperc között
eltelt intervallumot vizsgálva a kamra nyomása
pkamra (14 s) = 19 bar értékről
pkamra (16 s) = 18 barra,
míg a palack töltet tömege az m(14 s) = 4,77 kg-ról
m(16 s) = 4,52 kg-ra csökkent. Ezekből a valós értékhez
közelítő = 0,125 kg/s hajtóanyagáramot kapunk.
A 8. próba során mért és pontosan meghatározott
Peffm = 118,2 N tolóerejét felhasználva a nagyságrendileg
érvényes c = Pm/
kiáramlási sebesség legfeljebb 94,56 m/s.
A palackban 150 bar nyomáson és 15 °C hőmérsékleten tárolt sűrített levegőt a csővezetéken, a kamrán és a fúvócsövön keresztül a környezetbe juttattuk, így nyomása néhány perc alatt lényegében a légköri nyomásig csökkent.
A fúvócső torkolatából kiáramló levegő hőmérséklete a torkolattól néhány cm-re (mérés szerint): T = -25 °C volt. A Joule–Thomson-hatás egyenletével számolva a hőmérséklet-csökkenés ΔT = -37 °C kell legyen. Az eredmény reális, hiszen közel van a mért -40 °C-os értékhez.
Ezzel egyrészt megállapítottuk hőmérséklet-mérésünk pontosságát, másrészt rávilágítottunk arra, hogy a nevezett hatás leírásával egyezően a torkolatból kilépő gázkeverék nyomása 1 bar-hoz közelít.
A szerkezet le tudja győzni a mintegy 9 N tapadási súrlódási erőt és önállóan képes elmozdulni a sínen. Működési ideje elegendő hosszú ahhoz, hogy különböző méréseket végezzünk rajta.
Olyan fúvócsöveket terveztünk és alkalmaztunk sikerrel, hogy jól észlelhető különbségeket mutassanak a mérési eredmények, így például az átengedett levegő (tömegáram) mennyiségei is.
Az 1. táblázat mérési és számított adatai szerint a teljes üzemidők változtatásával – a szelep állásának és a behelyezett fúvóka típusának megfelelően – különböző lefutású működéseket tudtunk megvalósítani. Mindegyik regresszív jellegű volt, ám különböző hosszúságú üzemidővel. A szelep állásától függően az eltérő üzemidők egyben különböző nagyságú közepes hajtóanyagáramot jelentettek (a legnagyobb számított érték a 0,053 kg/s volt).
Amikor a szelepet teljesen kinyitjuk, a 8. számú próbánál az a lehető legnagyobb tömegű levegőt tudta átengedni, így 165 s alatt adta le azt a levegőmennyiséget, amelyre a 4. számú próbánál kétszer ennyi időre volt szükség. A közepes tömegáram elérte 0,053 kg/s-ot, a kamranyomás a 35 bart és jelentősen, 8,4 cm-rel nyomódott össze az erőmérő rugója.
A fúvókacserékkel jól kimutathatóan változott a nyomás
és a tolóerő, velük pedig a számított értékek. A legszűkebb
keresztmetszetek különbségeit számba véve jól
látszik, hogy a 7. számú próbánál alkalmazott 11 mm-es
kettős kúp alakú fúvócsővel nem tudtuk azokat az értékeket
elérni, mint a 8. próba 6 mm-esével. Az előbbi
próbánál a kamranyomást nem lehetett 10 bar fölé
emelni, ezért hiába jelentene a nagyobb (legszűkebb )
keresztmetszet nagyobb tolóerőt (az Ft = Amin
összefüggés miatt), ha közben a fúvóka nincs "kihasználva"
(a nyomás a torkolatban nem csökken a kritikus értékig
sem). Ezáltal a 7. indítás tolóereje meg sem közelíthette
a 8. mintegy 120 N-os értékét.
A 6. és 8. próba során a kamranyomás közel ugyanakkora volt, viszont a rugó összenyomódása, így a tényleges tolóerő jelentősen eltért egymástól (a 8. során elérte a 118 N-t). A mérés körülményei megegyeztek, a fúvókák viszont kialakításukban különböztek.
35 bar kamranyomásig az eszköz – bizonyítottan – megbízhatóan alkalmas többféle – dinamikai, hőtani stb. – mérési feladat elvégzésére, ezáltal számos összefüggés gyakorlatban történő igazolására. A rugós erőmérő és a manométer segítségével alapvető mérések, következtetések is elvégezhetők. Kiindulásképpen bemutatható a paraméterek függése a manométer által mutatott nyomásértékektől. Magasabb szintű képzéseken a mérési adatokból akár olyan számítások is elvégezhetők, mint kiáramlási sebesség, fajlagos impulzus, hajtósugár energiája, hajtóanyagáram, a hőmérséklet csökkenése révén belsőenergia-változás számítása stb.
Egyéni hallásvédő eszközök biztosítása esetén a berendezés alkalmas kisebb csoportok előtt bemutató mérések megvalósítására, sőt egy komplex téma, a sugárhajtás elmélete és gyakorlata teljes körű feldolgozására és további vizsgálatok elvégzésére. Munkahelyemen mindezért rakétatechnikai szakképzések ez évi képzési programja keretében a rakétahajtóművek általános működésének demonstrálására hajtóművünket már több alkalommal beüzemeltük.
Láthattuk, hogy megfelelő nyomáson betáplált gázközeggel képesek vagyunk nagy energiatartalmú, ám robbanásveszélyes, vagy mérgező hajtóanyagokat helyettesíteni, amennyiben a kamranyomást és a fúvókát helyesen megválasztva sikerül kialakítani a megfelelő üzemi viszonyokat.