Szilvássy László mk . őrgy. Békési Bertold mk . őrgy.
REPÜLŐFEDÉLZETI RAKÉTÁK HAJTÓMŰVEI BEVEZETÉS A napj ainkban alkalmazott modern vadászrepülőgépek leggyakoribb fegyvere a fedélzeti rakéta, melyeket különböző speciális haj tóművek j uttatnak célba, legyen a cél akár a levegőben, akár a felszínen. Ezeken a rakétákon alkalmazott haj tóművek — kevés kivételtől eltekintve szilárd haj tóanyagú rakétahaj tóművek (SzHRH), melyekben valamilyen robbanóanyagot — nagyon gyakran lőport — alkalmaznak haj tóanyagként. A mai követelményeknek megfelelően a haj tóanyag kémiai öszszetételét úgy választj ák meg, hogy égése során 5000 kJ/kg nagyságrendű faj lagos hőmennyiséget szabadítson fel, 2000 és 4000 K közötti hőmérsékleten, amelyet a ma rendelkezésre álló hőszigetelő anyagok még kibírnak. A haj tóanyagoknak több más fontos kritériumot is ki kell elég íteniük. Ezek a következők: a haj tóanyag sűrűsége, faj lagos energiáj a lehetőleg nagy l egyen; az égési folyamatnak még a lehető legkisebb nyomá snál sem szabad megszakadnia; mechanikai szi lárdsága nagy legyen, vagy az anyag legyen r ugalmas; a haj tóanyagban hosszú tárolás után sem szabad vegyi változásnak fellépnie; ne legyen nedvszívó és égése ne függj ön j elentősen a külső környezeti hőmérséklettől, előállítása legyen olcsó és veszél ytelen.
HAJTÓANYAG TÍPUSOK Homogén hajtóanyagok
Tüzelőanyag és oxidálószer egy molekulát alkotó kémiai vegy ülete. Egyik alapvető típusa az úgynevezett füstnélküli lőpor, am elyet tüzérségi lövedékekben is felhasználnak. A kolloid haj tóanyagok fő összetevőj e a nitr ocellulóz (cell ulóznitrát) vagy más néven a lőgyapot, melyet alkohollal, ac etonnal, vagy leggyakrabban nitroglicerinnel mint oldószerrel keverve a lkalmaznak. Általában a különböző homogén haj t óanyagoknak a nitrocellulóz tartalma 40 -60 % között változik. E zenkívül a haj t óanyagok különböző adalékokat is tartalmaznak, melyekkel a haj t óanyag fizikai -kémiai tulaj donságait lehet befolyásolni. Ilyenek lehetnek: katalizátorok (égésgyorsítók), esetleg flegmatizátorok (égésla ssítók), melyek az égési sebességet szabá lyozzák olymódon, hogy az gyakorlatilag független legyen a ny omástól; stabilizátorok, melyek a haj tóanyag tárolása során biztosí tj ák annak kémiai állandóságát; plasztifikálók, amelyek az előállítás folyamán elősegítik a zs elatinná válást és j avítj ák a haj tóanyag mechanikai saj átoss ágait. Százalékarányuk a 10 % -ot is elérheti.
Kompozit hajtóanyagok Ezt a típusú haj tóanyagot oxidáló és redukáló molekulák keveréke alkotj a. Tulaj donképpen ebbe a csoportba sorolhatj uk a fekete lőport is, amely salétrom (oxidáló szer), kén és szén (redukálószer, tüzelőanyag) keveréke. Nyilvánvaló azonban, hogy a fekete lőpor nem elégíti ki a megfelelő szilárdsági követelményeket, ezért haj t óanyagként nem alkalmazható. O xidá l ó szer Ammó nium p erklo rát NH4 ClO4 Káliump er klo rát KClO4 Ammó niumni trát NH4 NO3 Káliumnitr át KNO3
kg /m3
Sza ba d o xig én t ö meg %
Bo mlá si hő fo k K
1 ,9 5
3 4 ,0
540
2 ,5 3
4 6 ,2
770
1 ,7 2
2 0 ,0
igen stab il
2 ,1 1
4 0 ,0
-
1 . sz. táb lázat
M eg je g y zés Kü lö nb ö ző sze mcse nagyságb an fo rd ul elő , o lcsó Az égéste r mékek KCl -t tartalma znak Kö zep es telj esítményű, fü stmentes Gyenge telj esítményű, o lcsó
A ko mp o zit haj tó anyago kb an alkalmazo tt o xid ál ó szerek
A keverék haj tóanyagok tüzelőanyagaként rendszerint ka ucsukés gyantaszerű anyagok (természetes és mesterséges kaucsuk, ka rbamid és fenolgyanták, szurok, polimer -butadének, poliuretánok, stb.) szolgálnak. A robbanóanyag tömegének 10 -15 %-át teszik ki. Ö sszet ét el KClO4 NH4 CLO4 NH4 NO3 Aszfalt Kő o laj Szerves kö tő anyag Fémp o r tü zel ő anyag Egyéb
1 76 %
H a jtó a ny a g v erzió 2 3 80 %
4 68 %
80% 17 % 7 % 20 %
18 % 2 %
14 % 16 % 2 %
2 . sz. táb lázat Néhány haj tó anyag ö sszetétele
Oxidátorként felhasználhatók, nagy oxigén tartalmú szerve tlen vegyületek (ammónia -, nátrium-, kálium-, lítiumperklorátok és nitrátok). A tömeg 65-70 %-át teszik ki. A különböző komponenseket összekötő (ragasztó) elem maga a haj tóanyag, vagy speciális adalék lehet. A haj tóanyag energetikai j ellemzői fémporok (alumínium, ma gnézium, stb.) bevitelével j avíthatók , ami elérheti a tömeg 15-20 %-át is. A táblázatokból a kompozit haj tóanyagokban alkalmazott old ószereket, illetve néhány kompozit haj tóanyag összetételét ismerhetj ük meg.
A REAKTÍV HAJTÓMŰVEK OSZTÁLYOZÁSA A rakétahaj tómű a reaktív haj tóművek csoportj ába sorolha tó és két nagy csoportra o sztható: levegőnyelő levegőt nem nyelő
Levegőnyelő hajtóművek
A levegőnyelő haj tóművek közzé sorolj ák a légcsavaros haj t óművet, a gázturbinát és a torlósugárhaj tóművet. A gázturbinás haj tóművet a közepes és nagy sebességű repül őgépeknél, robotrepülőgépekné l lehet alkalmazni (körülbelül 2-2,5 M tartományig) . Az ennél nagyobb sebességeknél már feleslegessé válik a turbókompresszor, mivel a szívócsat ornában létesített torlónyomás elegendő az égési reakció j ó hatásfokú lefolyás ához. Az ilyen típusú haj tóműveket hívj ák a torlósugár haj tóműnek. Ez a propulziós rendszer csupán a levegő beömlőcsatornából, az égőtérből és a fúvócsőből áll. Mivel nincsenek benne nagy sebességgel forgó alkatrészek, mint a kompresszor, vagy a turbina, felépítése sokkal egyszerűbb, mint a gázturbinás sugá rhaj tóműveké. Ezzel szemben viszont nagy hátránya, hogy csak nagy sebességeknél (kb. kétszeres Mach szám elérése után) l ehet beindítani. Emiatt a torlósugárhaj tóművet mindig gázturb inás sugárhaj tóművel vagy rakétahaj tóművel kell társítani .
Levegőt nem nyelő hajtóművek A levegőt nem nyelő haj tóműveket leggyakrabban rakétahaj t óműként szokt ák emlegetni. "Olyan különleges sugárhaj tómű, amely a működéshez nem a környező levegőt használj a fel, hanem az üzemeltetéshez szü kséges anyagot a fedélzet en viszi magával. Ebből eredően a rak étahaj tómű bárhol, még légüres térben is elő tud állítani tolóerőt. A rakétahaj tómű lehet: kémiai, atom- és elektromos rendszerű. A kémiai rakétahaj tómű munkaközege nagy hőmérsékletű gáz, a rakéta-haj tóanyag égésének v. nagyon gyors bomlásának a terméke. Ma még az atom-rakétahaj tómű fej lesztési stádiumban van; az elektromos rakétahaj tóművek pedig gyakorlatilag csak az irányító rendszerek orientációs egységeiben fordulnak elő." 14 A fenti definíciót megvizsgálva a rakét ahaj tóművek két csoportra oszthatók: a kémiai rakétahaj tóművekben — az energiaforrás és a kiáramló tömeg szoros összefüggésben van egymá ssal a haj tómű energia forrása és a kiáramló tömeg ni ncsen olyan szoros összefüggésben egymással. Az első csoport a lényeges, mert a repülőfedélzeti rakétá kban ezen az elven működő haj tóműveket alkalmazzák, mivel gyakorlati
megvalósítása az ilyen típusú haj tóműveknek lehe tséges viszonylag olcsón és egyszerűen. Ezek a haj tóművek azért is alkalmasak repülőfedélzeti rakétákban való alkalmazásra, mert rövid idő alatt képesek igen nagy sebess égeket (akár 3-3,5 M) elérni, így igen nagy távolságokat rövid idő alatt me gtenni. A repülőfedélzeti rakétákban alkalmazott rakétahaj tóműveket a következőképpen csoportosítj ák: folyékony haj tóanyagú: – egyfokozat ú – két fokozatú szilárd haj tóanyagú: – egyfokozat ú – két fokozatú kombinált haj tómű: – két fokozatú A repülőfedélzeti rakéták csoportosít ását megvizsgálva, a következő következtetés vonható le. A nem irányítható rakéták esetében csak szilárd haj tóanyagú rakétahaj tómű vet alkalmaznak. Ez a rakéták viszonylag gyakori kis méretével és a haj tómű gyártási hibáiból adódó viszonylag kis szórásból és a ha j tómű megbízható működéséből, olcsó előalíthatóságából adódik. Az irányítható rakéták között különbséget kell tenni a légiharc és a felszín elleni rakéták között. A légiharc rakéták között sem talál ható csak szilárd haj tóanyagú rakétahaj tómű, míg a fe lszínelleni rakéták között igen nagy a választék. A rakéta harcászati j ellegétől, vagy a ha tótávolságtól illetve a rakéta méretétől függően ebben a csoportban megtalálható valamennyi korábban felsorolt típus. A felsorolt reaktív haj tóművek szinte bármilyen kombináci ój a előfordulhat a rakétákon és ennek függvényében beszélünk egyf okozatú, vagy kétfokozatú haj tóműről. A hagyományos értelemben vett rakéták között talál ható olyan, amelyik egyfokozatú, szilárd haj tóanyagú rakétahaj tóművel rendelkezik. Talál ható viszont olyan is, amely kétfokozatú haj tóművel rendelkezik, ezek közül az első fokozat — a gyorsító fokozat — szilárd haj tóanyagú rakétahaj tómű. Ezen rakéták második fokozata lehet levegőt nem nyelő, tehát a hagyományos értelemben vett rakétahaj tómű, lehet viszont levegőt nyelő torlósugárhaj tómű. Ezek között a haj tóművek között is megkülönböztet hetünk folyékony és szilárd haj tóanyagú haj tóműv eket.
Szilárd és folyékony hajtóanyagú rakétahajtóm űvek rövid összehasonlítása
A szilárd haj tóanyagú rakétahaj tómű szerkezetét tekintve igen egyszerű. A szilárd haj tó anyagot — általában különféle lőporokat — haj tótöltet formáj ában, 1 a tüzelőtérben helyezik el, így tulaj donképpen a tüzelőtér egyben a haj tóanyagtartály, és egyben a rakéta törzse is. Igen fontos előnye: szerkezet, így a gyártása is egyszerű és viszonylag olcsó; a haj tótöltet állandóan a rakétában tárolható; az indításhoz való előkészítés nem időigényes; Hátrányai: mivel a haj tótöltet tárolótartálya a haj tómű működése során tüzelőtérré változik, és egyben a rakéta törzse is, így a fell épő nagy nyomást és hő mérsékletet a tervezé skor figyelembe kell venni, ami megnövelheti a z égőtér méretét; viszonylag kis faj lagos tolóerő; az égési folyamatot j elentősen befolyásolj a a töltet kezdeti h őmérséklete; nagyon nehezen, vagy egyáltalán nem oldható meg a ha j tómű leállítása. Figyelembe véve a felsorolt előnyeit — hátrányai ellenére — páncéltörő, tüzérségi, légvédelmi, repülőgép -, helikopter-, haj óés tengeralattj áró -fedélzeti rakétákban is széleskörű alka lmazást nyert. A korszerű szilárd haj tóanyagú rakétahaj tóművek le gnagyobb faj lagos tolóerej e 3000 N s/kg, a legnagyobb tüzelőtér nyomás pedig mintegy 20 MPa. A folyékony haj tóanyagú rakétahaj tóművet gyakran alka lmazzák közepes ill. nagy hatótávolságú rakétafegyverekben. Az ilyen típusú haj tóművek szerkezete bonyolultabb, mint a korábban tárgyalt szilárd haj tóanyagú rakétahaj tóműveké. Általában haj tóanyag tartályból (vagy tartályokból ), haj tóanyag-táprendszerből, haj tóházból (tüzelőtér a fúvókával) és a haj tómű automatik ából áll. A haj t óanyagtartályokban tárolt összet evőket (általában oxidálóanyagot és tüzelőanyagot) a táprendszer szállítj a a tüzelőtérbe, ahol a me ggyulladás után folyamatos égés j átszódik le. A haj tómű-automatika irányítj a a haj tómű működését: a megindítását; lásd 16 Szilvássy László: Repülőgép-fedélzeti rakéták hajtóműveiben alkalmazott hajtóanyagok, Zrinyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem Repülőtiszti Intézet Repüléstudományi Közlemények, X. évfolyam 25. szám 1998/2. 1
az összetevők begyúj t ását; a tüzelőtérbe betáplá landó haj tóanyag mennyiségének szabályozását; az összetevők egymáshoz viszonyított mennyiségének megvá ltoztatását; a haj tómű leállítását. A folyékony haj tóanyagú rakétahaj tóművek előnyös 1. sz. ábra A torlósugárhajtómű felépítése tulaj donságai: a szabályozás egyszer űsége és pontossága; a gyors és pontos leáll ítás lehetősége; viszonylag magas faj l agos tolóerő. Hátrányai: bizonyos típusú haj tóanyag -összetevőket saj átos tulaj donságuk miatt nem lehet a rakéta fedélzeti tartályaiban tárolni huzam osabb ideig; az előbbiből következően viszonylag nagy előké szítési idő; szerkezete meglehet ősen bonyolult;
Szilárd haj t ó anyago k Fo lyéko ny haj t ó anyago k
Faj lago s to l ó er ő Ns/kg
Kiáramlási seb esség m/s
Tü zelő térnyo más MP a
2 5 0 0 -3 0 0 0
1 0 0 0 -2 5 0 0
1 5 -2 0
3 5 0 0 -4 0 0 0
2 5 0 0 -4 0 0 0
6 -8
3. sz. táblázat Haj tóanyagok összeh asonlítása
Rakétákon alkalmazott torlósugárhajtómű felép ítése Torlósugárhaj tóművel felszerelt rakéták különös ismertetőj e, hogy rendelkeznek valamilyen levegőbeömlő csatornával, vagy csatornákkal. Ismer t olyan rakét a, melynek a levegő beömlő csatornáj a külső megj elenésében a MiG -21 repülőgép beömlő csatornáj ára hasonlít. J obban megvizsgál va a rakéta haj tóművének fel-
építését a hasonlóság fokozódik, ugyanis a rakéta más odik fokozata nem más, mint az egyik korábbi, MiG repülőgép utánégető fokozata folyékony, kerozin üzemanyaggal. Természetesen mire ez a haj tómű működésbe kezd a rakéta már k özel 2 Mach sebességgel repül. Ezt a sebességet négy darab sz ilárd haj tóanyagú , leváló rakétahaj tómű bizt osítj a. EGYFOKOZATÚ
KÉTFOKOZATÚ I. FOKOZAT
SZ
AA-1, -2, -3, -4 AA-5, -6, -7, -8 AA-6, -7, -8 AS-4, -5, -6 AS-15 SA-4, Ganef S A - 6 , G a i n fu l AS.11 ASMP K o r mo r a n ANS Martel Gabriel III A/S P e n gu i n RB 05A ACM AGM-86B AGM-84A AIM-120 ASAT AIM-54 AIM-9 AIM-7
F
SZ
F
II. FOKOZAT SZ
F
X X X X X*** X**
X X X X X X X X X
X* X X** X* X* X X X X
X
X*** X*** X*** X X
X
X X X
S Z - s z i l á r d ; F - fo l yé ko n y * t o r l ó s u gá r r a ké t a h a j t ó mű * * ke r o z i n h a j t ó a n ya gú , t o r l ó s u gá r h a j t ó mű * * * gá z t u r b i n á s s u gá r h a j t ó mű
4. sz. táblázat Néhány rakéta és haj tóműve A másik igen gyakran alkalmazott torlósugárhaj tómű felép ítését tekintve eltér az előbb említettől. A k ülönbség az, hogy a levegő beömlő csatorna a rakéta testen kív ül, az oldalán helyezkedik el.
A leggyakrabban alkalmazott beömlőcsatorna szám a négy. Éppen ez az, ami nagyon sok félreérté sre ad okot ugyanis felületes szemlélő számára ez a négy beömlőcsatorna úgy néz ki, mintha négy gyorsító fokozat lenne . Az ilyen típusú rakétahaj tómű általában közös hengeres testben nyer elhelyezést a gyorsító haj tóművel egymás mögötti elrendezésben. A rakéta indulásakor csak a gyorsító fokozat indul és viszonylag rövid idő alatt nagymennyiségű szilárd haj t óanyagot éget el, progresszí v égéssel a rakéta gyorsításához. A gyorsító f okozat kiégésével egy időben indul a második, menet vagy utazó fokozat, ami a kiéget indító -haj tóműteret használj a égőtérként, ahol megtörténik haj tóanyag elégetése a környező levegő segítségével. A levegő beöm lő csatornák addig, míg a gyorsító f okozat működik lezárásra kerülnek egy speciális dugó segítségével. (1. sz. ábra felső raj z) . A dugókat a start haj tóműben uralkodó nagy nyomás tartj a a helyükön mindaddig amíg a haj tómű nyomása magasabb mint a torlónyomá s. Ez pedig a haj tómű kiégésekor következhet csak be. Ekkor a dugók a torlónyomás hat ására beesnek az égőtérbe és rendszerint elégnek vagy távoznak a fúvókán keres ztül. Az indító haj tómű kiégésével egy időben szükség van a fúvóka keresztmetszetének megnöve lésére a menet haj tómű igényeinek megfelelően (1. sz. ábra alsó raj z). Ezt a leggyakrabban egy lero bbantható fúvóka egységgel oldj ák meg. A menet haj tómű a haj t óanyag tekintetében lehet akár folyékony akár szilárd. Bármelyikről is legyen szó olyan összet ételű, hogy az égés hez szükséges oxigént nem, vagy csak hiányos mértékben tartalmazza, így elengedhetetlen a külső levegő betáplálása a tökéletes égé shez.
FELHASZNÁLT IRODALOM [1] [2] [3] [4] [5]
Bill G U N S TO N : Korszerű harci repülőgépek fegyverzet, Zr ínyi Kiadó, Budapest, 1995. Haditechnika folyóirat 1996/3. szám Haditechnika folyóirat 1997/4. szám Hadtudományi lexikon CD -ROM, MHTT 1995, Scriptum Rt. 1998. Idegen hedseregek katonai repülőerőiben rendszeresített főbb fedélzeti pusztítóeszközök, Magyar Honvédség kiadványa 1993, (Id/16 Szabályzat)
[6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]
[13] [14] [15] [16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
K A K U LA János mk. őrnagy: Rakéták szerkezettana, Fői skolai j egyzet, KGyRMF, Szolnok 1989. K A K U LA János mk. őrnagy: Robbanóanyagok és a robb anás hatásai, Főiskolai j egyzet, KGyRMF, Szolnok 1990. D R . L U K Á C S László: Katonai robbantástechnika é s a környezetvédelem, ZMNE HTK, 1997. MiG-29 publication by 4 + Publishing Co., Praha, 1995. Militair folyóirat I. évf./ 1. szám, Triak gmk, 1996. m áj us Militair folyóirat I. évf./ 2. szám, Triak gmk, 1996. j ún ius N A G Y István György-S Z E N TE S I György: Rakétaf agyverek űrhaj ózási hordozórakéták, Típuskönyv, Zrínyi Katonai K iadó, Budapest, 1983. P A P P Bálint-N A G Y István György-D R . T A M Á S I Zoltán: Rakétafegyver, Zrínyi Katonai Kiadó, Budapest, 1962. S Á R H I D A I Gyula: Robotrepülőgépek, Haditechnika fiatalo knak Zrínyi K atonai Kiadó, Budapest, 1986. S Z E N TE S I György: Hadászati rakéták, Haditechnika fiataloknak Zrínyi Katonai Kiadó, Budapest, 1987. S Z I LV Á S S Y László: Repülőgép -fedélzeti rakéták haj tóműveiben alkalmazott haj tóanyagok, Repüléstudományi Közlemények, Szolnok, 19 98/2. (43-50) o. S Z I LV Á S S Y László - B É K É S I Bertold: Rakéta haj tóművek, („Kihívások a repüléstudományban a 3. Évezred küsz öbén” tudományos konferencián elhangzott előadás) ZMNE Rep üléstudományi Közlemények időszakos kia dvány XI. évfolyam 26., 1999/1. 263. o ldal S Z I LV Á S S Y László - B É K É S I Bertold: A katonai repül őgép fedélzeti rakéták haj tóművei, („The Challenge of Next Millenium on Hungarian Aeronautical Sciences” konferencián elhangzott el őadás) „The Challenge of Next Millenium on Hungarian Aeronautical Scie nces” című kiadvány 124. oldal О. А. И Л Ь И Н : Авиационное вооружуние , Воeнное Издательство Мин истерство Обороны СССР , Москва, 1977. Н. Е. К О Н О В А Л О В – Н. И. М Е Л И К -П А Ш А Е В : Теория авиационных двигатей Часть III. Прямоточные ВРД и ракетные двигатли , ВВИА им. Н. Е. Жуковского, Москва, 1974. Р. С. С А Р К И С Я Н : Авиационные боеприпасы , ВВИА им. Н.
[22]
Е. Жуковского , Москва, 1978. В. А. Ч У М А К О В : Авиационные ракеты , ВВИА им. Н. Е. Жуковского, Москва, 1974.
