Ajoaine (raketti)

Ajoaine on raketin polttoaineen ja hapettimen yhdistelmä. Ajoaineen englanninkielinen nimi propellant (propel = työntää) kuvaa hyvin sitä, että ajoaine on raketin työntövoiman lähde. Ajoaine voi olla kiinteää tai nestemäistä.

Kiinteä ajoaine

Yksinkertaistettu kiinteän ajoaineen rakettimoottori koostuu kuoresta (casing), suuttimesta (nozzle), polttoainerakeista jotka ovat ajoainetta (grain) ja sytyttimestä (ignition charge).

Kiinteä ajoaine on joko jokin ruuti, esimerkiksi nitroselluloosa, tai muovi-alumiinikomposiitti. Kiinteä ajoaine sisältää hapettimen ja polttoaineen samassa materiaalissa. Tällainen rakettimoottori on hyvin yksinkertainen eikä tarvitse liikkuvia osia. Se sytytetään sytytyspanoksella eikä yleensä ole uudelleensytytettävissä.

Vanhimmat ruutiraketit ovat vähintään 800 vuotta sitten käytettyjä. Ne olivat silloinkin kiinalaisten suunnittelemia ja valmistamia.

Ajoaineet

• ruudit kuten
  • mustaruuti (esim; tykeissä, muttei raketeissa)
  • nitroselluloosa
  • kordiitti
  • savuton ruuti ja muut kaksikantaiset ruudit (double-base), joissa on nitroglyseriiniä ja nitroselluloosaa
• komposiittiajoaineet, joissa on kidemainen hapetin – kuten ammoniumperkloraatti tai -nitraatti – ja polttoaineena metallijauhe (esimerkiksi alumiini) sekä sideaineena kumi tai muovi (HTPB tai PBAN). Kaliumperkloraattia on käytetty hapettimena, jolloin ajoaineessa on ollut mukana sideaineena muun muassa asfalttia ja epoksia.

Nestemäinen ajoaine

Nestemäisillä aineilla toimivan rakettimoottorin karkea toimintaperiaate. Hapetin (sinisellä) ja polttoaine (punaisella), pumput (Pumps) työntävät hapettimen ja polttoaineen polttokammioon (Combustion chamber) josta se menee kuristuksen (Throat) kautta suuttimeen (Nozzle).

Nestemäinen ajoaine vaatii monimutkaisemman rakettimoottorin. Polttoaine ja hapetin ovat yleensä eri nesteet. Ne on pumpattava suurella paineella ajoainetankeista moottorin polttokammioon. Tämä vaatii tankkien paineistusta ja hyvin tehokkaita pumppuja (turbopumppu). Nesteajoaineen etu on sen antama suurempi ominaisimpulssi ja se, että nesteajoainetta voi käyttää polttokammion ja suuttimen jäähdytysnesteenä. Koska nestemäiset ajoaineet koostuvat usein hyvin mataliin lämpötiloihin jäähdytetyistä kaasuista kuten vedystä ja hapesta, käytetään näistä nimitystä kryogeeninen ajoaine.

Avaruussukkulan rakettimoottorien kaaviokuva. Happi on hapettimena (punaisella) ja vety toimii ajoaineena (sinisellä).

Monopropellantti on ajoaine joka sisältää sekä hapettimen että polttoaneen. Kuuluisin on hydratsiini. Tunnetuin Hydratsiinia ajoaineena käyttäneistä raketeista oli Toisen maailmansodan aikaisen Saksan ilmavoimien (Luftwaffe) kehittämä Messerschmitt Me 163 Komet-rakettihävittäjälentokone, joka jäi ainoaksi laatuaan. Myös typpihappo-seoksesta (RFNA-versio) voidaan tehdä monopropellantti. Myös RFNA kehitettiin Saksassa toisen maailmansodan aikana.

Yleisin hapetin on nestehappi. Sitä tehokkaampi olisi fluori, mutta sitä ei voi maapallolla käyttää sen myrkyllisyyden vuoksi.

Yleisimmät polttoaineet ovat kerosiini, alkoholi ja vety.

Muita ajoaineita

Myös hybridiajoaineita, ts. nestemäisen (hapetin) ja kiinteän ajoaineen (polttoaine) polttamista keskenään, on kokeiltu.

Satelliiteissa käytetään myös typpikaasua ilman palamista purkavia raketteja, trustereita.

Ionipropulsio eli sähköinen propulsio tarvitsee sekin ajoaineen, joka on tyypillisesti ksenonkaasua. Kokeiluasteella 1950-luvulta asti pysynyt ydinpropulsio kiihdyttäisi sekin jonkin materiaalin suihkuksi, joka tuottaisi työntövoiman. 2000-luvulla Suomessa on ollut kehitteillä sähköpurje.

Lähteet

• Clark, John D.: Ignition! : an informal history of liquid rocket propellants. New Brunswick, New Jersey: Rutgers University Press, 1972. ISBN 978-0-8135-9583-2 (englanniksi)
• Hemmi, Juhani: Nestemäiset rakettien ajoaineet, Historia, nykypäivä ja tulevaisuus. Avaruusluotain, 2009, nro 3. Suomen Avaruustutkimusseura. Artikkelin verkkoversio. Viitattu 30.8.2018. (Arkistoitu – Internet Archive)

Aiheesta muualla

• Braeunig, Robert A.: Basics of Space Flight: Rocket Propellants Rocket and Space Technology. 1996, 2005, 2006, 2008.. Viitattu 30.8.2018 (englanniksi).
• Braeunig, Robert A.: Propellant Combustion Charts Rocket and Space Technology. 2005. Viitattu 30.8.2018 (englanniksi).
• Braeunig, Robert A.: Rocket Propulsion Rocket and Space Technology. 1997, 2005, 2007, 2009, 2012. Viitattu 30.8.2018 (englanniksi).
• Raketti (pdf) Peda.net. Arkistoitu 30.8.2018. Viitattu 30.8.2018.
• Raketin nopeus, työntövoima ja teho (pdf) Kotiposti.net. Arkistoitu 18.9.2017. Viitattu 30.8.2018.
• Zona, Kathleen & Dunbar, Brian: Liquid Hydrogen--the Fuel of Choice for Space Exploration NASA. 29.7.2010. Arkistoitu 22.11.2019. Viitattu 30.8.2018 (englanniksi).
• Hsu, Jeremy: New Rocket Fuel Mixes Ice and Metal Space.com. 21.10.2009. Viitattu 30.8.2018 (englanniksi).
• Silantyev, A. I.: Foreign Technology Division, Solid Rocket Propellants (pdf) (Edited machine translation) Raportti. 2.2.1967. Arkistoitu 18.11.2017. Viitattu 30.8.2018 (englanniksi).