De færreste er nok kjent med at Nammo Raufoss jobber med rakettmotorteknologi som om noen år vil gjøre oss i stand til å lansere satellitter i bane fra norsk jord, gi atmosfære- og nordlysforskere unik tilgang til rommet. Som ikke dette er nok så jobber vi også med fremdriftsteknologi som kan nyttes til posisjonering og myklanding av romfartøy på Mars eller andre steder.

Hva er så en hybrid rakettmotor? Ordet hybrid nyttes oftest når man omtaler et dyr eller en plante som er resultatet av en krysning mellom to ulike arter.

I klassiske rakettmotorer, som drives frem gjennom en termokjemisk reaksjon mellom minst to utgangsstoffer, så har man tradisjonelt nyttet drivstoff som i utgangspunktet enten er i fast- eller væsketilstand. Vi snakker altså om aggregattilstanden til drivstoffkomponentene før bruk.

Rakettmotorer med fast drivstoff (“kruttraketten”), er den eldste og mest utbredt. Fordelen med denne type motor er at alt drivstoff er ferdig mikset og lagret i en enkelt drivstofftank (brennkammer), noe som gjør dens konstruksjon relativt enkel og kompakt. Motoren kan også utvikle en stor kraft i forhold til sin egen vekt, noe som er en stor fordel når tyngre raketter skal akselereres opp like etter start. Ulempene er dog flere. “Krutt” er en eksplosiv vare og må håndteres der etter. Når man først har tent en kruttrakettmotor, så kan man ikke enkelt kontrollere dens kraft ei heller stanse den.

Rakettmotorer som nytter drivstoff i væsketilstand er også mye brukt, spesielt i større bæreraketter og romfartøy. Væskeraketten har sine drivstoffkomponenter adskilt i hver sin tank. Dette kan være flytende oksygen og hydrogen. Under drift må væskene pumpes eller presses med drivgass inn i et brennkammer hvor så stoffene mikses sammen i rett forhold før antenning. Akkurat som i forbrenningsmotoren til en hver bil som benytter bensin (eller diesel) i kombinasjon med oksygenet i lufta.

Til forskjell til faststoffraketten, så er væskerakettmotoren ofte betydelig mer komplisert grunnet de rør, ventiler og sensorer med mere som må være på plass for å sikre en god og effektiv funksjon. Dette gir i sin tur en ofte betydelig mer kostbar rakettmotor.

Fordelen er likevel at væskeraketter ikke er en eksplosiv vare, da drivstoffkomponentene er separert i hver sin tank. Normalt fylles heller ikke en væskerakett med sitt drivstoff før den er plassert på rampen. Dette letter da dens transport og håndtering betraktelig. En annen viktig fordel er at motoren de kan slåes av eller på flere ganger gjennom å stenge for eller åpne noen ventiler. Enda en fordel er at dens kraft relativt enkelt kan endres gjennom å endre strupingen i en ventil. Motortypens kanskje viktigeste fordel er at dens tilgjengelige energiinnhold langt overgår kruttrakettens.

Så tilbake til spørsmålet om hva en hybrid rakettmotor er for noe? Noen av dere lesere har helt sikkert allerede listet dette ut. Vi snakker om en type rakettmotor hvor utgangstilstanden til drivstoffene er i både fast- og væsketilstand. Dette er riktig.

Ved å kombinere det beste fra to “arter”, faststoff- og væskeraketten, så får vi hybridraketten.

Hva er så lurt med dette?

Jo i prinsippet kan man da hente ut fordelene til en væskerakettmotor: ingen pyroteknisk vare, kraft kan reguleres, motor kan slåes av og på flere ganger. Prinsipielt kan man da starte byggingen av en hybrid rakettmotor ved at man først forkaster drivstofftanken som inneholder brennstoffet (eksempelvis hydrogen) samt brennkammeret. Da står man igjen med drivstofftanken til oksygengiver (eksempelvis oksygen) og de ventilene som er knyttet til dette systemet.

Dermed har man allerede halve kompleksiteten i forhold til væskeraketten. Fra kruttrakettmotoren beholder man først og fremst brennkammer og dyse. Det faste “kruttet”, blir gjort “tamt” med å fjerne oksidasjonsmiddelet (ofte et oksygenrikt salt basert på ammonium perklorat). Man står da igjen med et rent brennstoff som ikke kan brenne av seg selv.Et praktisk eksempel til dette brennstoffet vil være en vedkubbe! En vedkubbe brenner som kjent dårlig om luft (oksygen) tilgangen er dårlig. Det samme vil gjelde for en hybrid rakettmotor!

Vi står nå igjen med en motor som er betydelig mindre kompleks enn en væskerakettmotor men som samtidig har de samme fordeler. I forhold til kruttrakettmotoren har vi nå også en motor som vi kan kontrollere og som ikke lenger er en pyroteknisk vare! Som en ekstra bonus er avgassene ofte betydelig renere enn de som utsondres fra faststoffraketten.

Så hvorfor florerer det da ikke en mengde med hybride rakettmotorer i bruk i dag?

Først og fremst vil jeg nevne at ideen slett ikke er ny! Den første hybride rakett ble skutt opp for 79 år siden, nærmere bestemt den 17 august  1933! “GIRD-09” het den russiske raketten som benyttet flytende oksygen og bensin i gelatinsk tilstand som drivstoff. Den lille raketten (diameter: 180 mm og lengde: 2400 mm) var ikke helt vellykket, men fløy likevel 1.5 km og utviklet en kraft på om lag 500 N. En viktig start var det i alle fall. Men det skulle likevel ikke bli noen god start for hybridrakettmotoren! ! Etter dette forsket de russiske raketteksperter videre på rene væske rakettmotorer i all hovedsak. Og slik skulle det egentlig vare til godt innpå 2000-tallet.

Det må påpekes at det er to viktige ulemper med de klassiske hybridrakettmotorer. Den første er at det faste brennstoffets forbrenningshastighet ofte er meget lav, den kan gjerne være 1 mm/s eller mindre. Hva betyr så dette i praksis? I forhold til kruttrakettmotoren så brenner disse sitt drivstoff gjerne med hastigheter på alt fra 1 – 45 mm/s, avhengig av sammensetning og trykk. Effektivt sett så betyr dette at ladningsgeometrien til en kruttrakett blir mindre komplisert enn ladningsgeometrien til en tregt brennende brennstoffladning som alltid vil kreve et betydelig større forgassingsareal.

En annen viktig hovedårsak er forbrenningseffektiviteten. Man kan kanskje selv tenke seg problemstillingen:

Du har et kammer hvor det er en hul vedkubbe. Den vedkubben skal du få til å forgasse på en god måte slik at dens faste molekyler omdannes til en brennbar gass. Du skal så injisere et oksidasjonsmiddel som i utgangspunktet er i væskefase, hvor den så må gå over i gass tilstand før videre strømning gjennom den hule vedkubben. Samtidig som oksygenrik gass strømmer gjennom vedkubben, skal gassene blandes under rett forhold. Dersom dette skjer rett, vil en termokjemisk reaksjon skje like over vedkubbens eksponerte forgassingsareal. Temperaturen til den eksoterme reaksjon vil avhenge av blandingsforhold og utgangsstoffenes sammensetning.

Den termiske energien fra reaksjonssonen vil delvis stråle ned i vedkubben og forgasse ytterligere brensel. Slik kan prosessen holdes ved like så lenge det er utgangsstoffer å ta av. For å starte prosessen? Akkurat som ved tenning av bål, så må prosessen startes med å benytte en tenner.

Utfordringen er altså at det er svært krevende å få denne forbrenningsprosessen til å gå effektivt. Klassiske faststoff- eller væskerakettmotorer har typisk en forbrenningseffektivitet på 97%. Oftest for hybride rakettmotorer så har denne effektivitet ligget i området 70-90%.

Nammo har nylig løst disse to klassiske problemene. Det har nesten nå blitt rutine for oss å fyre hybride rakettmotorer som har stabile effektiviteter på over 97%. Brennhastighet eller riktigere, regresjonsrate er nå i beste fall på hele 20 mm/s, og det ikke avhengig av trykk!

Jeg vil i etterfølgende blogger gi litt status og innsikt i fra de prosjekter vi jobber med på Nammo i dag. Jeg vil også ta for meg enkelte av de prosjekter vi allerede har gjennomført. Pr. i dag kan jeg nevne at vi er aktive i følgende prosjekter:

1. “Large-Scale Maturation Program” finansiert av European Space Agency (ESA) ved Future Launcher Preparation Program (FLPP) delen til ESA. Målsetning er å oppskalere vår rakettmotorteknologi til stor skala. Vi snakker om rakettmotorer med skyvekraftnivåer på over 100 kN som til slutt skal bygges og testes på Raufoss.
    
2. “SPARTAN” programmet finansiert av EU. Målsetning med programmet er å lage en “marslander” som har hybride rakettmotorer som kan kraftreguleres over et bredt område. I 2014 skal denne landeren droppes fra et helikopter nede i Tsjekkia. Landeren må autonomt tenne fire Nammo rakettmotorer og myklande på egen hånd.
    
3. “North Star”. Et norsk ledet rakettprogram i samarbeid med Norsk Romsenter og Andøya Rakettskytefelt, med mål om å utvikle en rakettfamilie bestående av tre raketter som kan revolusjonere tilgangen til rommet for rakettforskere og for oppskytning av satellitter.
    
4. “Student hybridrakett”. Prosjekt i samarbeid med Norsk Romsenter, NAROM og Andøya Rakettskytefelt. Målsetning er å utvikle en liten forskningsrakett for studenter som kan nyttes til å skyte opp studenteksperimenter fra Andøya.

Jan-Erik Rønningen
12. September 2012