Upotreba kriogenike u aeronautici i raketnoj nauci

Dr. Goddard raketa1925.

Dr. Goddard raketa 1925.

Postavljanje hidrogenske bombe na ostrvu Elugelab u Tihom okeanu

Primer detonacije Car bombe iznad Pariza

Upoređivanje veličine vatrenih kugli

    Prva upotreba tečnog kiseonika za raketni pogon počela je sa Goddard.ovim eksperimentima. 16. marta 1926. godine izveden je prvi uspešni let njegove rakete pogonjen benzinom i tečnim kiseonikom. Let rakete nije bio impresivan, dostigla je visinu od samo 12,5 metara, ali je doveo do razvoja raketne nauke, daljim razvojem Goddard je uspeo da dostigne visine od 2,6km i brzine od 885 km/h.

U razvoju raketnog programa moramo spomenuti i Konstantin Ciolkovski (Rusija) on je prvi objavio jednačinu koja je po njemu kasnije nazvana Ciolkovski raketna jednačina koja nam govori o kretanju vozila koji prati osnovne principe rakete: vozilo koje može primeniti ubrzanje na sebe koristeći potisak izbacivanjem dela svoje mase velikom brzinom može se tako kretati zbog očuvanja impulsa kretanja. Njegovo najvažnije delo, objavljeno u maju 1903. godine, bilo je Istraživanje svemira pomoću raketnih uređaja (ruski: Issledovanie mirovyh prostranstv reaktivnymi priborami). Ciolkovski je izračunao, koristeći jednačinu Ciolkovskog:  da je horizontalna brzina potrebna za minimalnu orbitu oko Zemlje 8000 m/s i da se to može postići pomoću višestepene rakete uz pogon tečnog kiseonika i tečnog vodonika. U članku "Istraživanje svemira pomoću raketnih uređaja" prvi put je sugerisano da bi raketa mogla izvršiti let u svemir. U ovom članku i njegovim nastavcima (1911. i 1914.) razvio je neke ideje o projektilima i razmatrao upotrebu raketnih motora pokretanih tečnošću. Spoljašnji izgled dizajna svemirskog broda Ciolkovskog, objavljenog 1903. godine, bio je osnova za dizajn modernog svemirskog broda. Dizajn je imao trup podeljen u tri glavna dela. Pilot i kopilot su bili u prvoj sekciji, a druga i treća sekcija su sadržavale tečni kiseonik i tečni vodonik potrebni za gorivo svemirske letelice.

Raketa V-2 (u Nemačkoj označena kao A-4) koju je razvio Walter Dornberger i Wernher von Braun (Nemačka) tokom Drugog svetskog rata koristila je alkohol "mešavina 75% etil alkohola i 25% vode" (3800 kg) i tečni kiseonik (4967 kg) za svoj pogon. Iako mala za današnje standarde (14 metara dužine, 1,7 metara širine, 249 kN potiska), sagoreva 1 tonu mešavine goriva i kiseonika svakih 7 sekundi. Nakon rata dalji razvoj rakete preuzele su Sjedinjene Američke Države, što je dovelo do druge generacije rakete V-2, rakete Redstone (21 metar dužine, 1,8 metara širine, 333 kN potiska, raketa je koristila tečni kiseonik i kerozin). Prvi put je lansirana 20. avgusta 1953. sa Kejp Kanaverala na Floridi. Orbitalni let februara 1962. godine pokretala je raketa Atlas (1,6MN potiska, 80 tona tečnog kiseonika). Kasnije rakete Saturn I i Saturn V koristile su do tada neviđene količine kriogenog goriva, Prvi deo rakete Saturn I (koja je bila visoka 110m) koja je proizvela 33MN potiska koristeći tečni kiseonik i kerozin trošila je gorivo tempom od 14tona/s. Gornji deo rakete Saturn V koristio je tečni vodonik (umesto kerozina) da bi iskoristila veći specifični impuls koje vodonik daje. Modul Apola koji se nalazio na vrhu rakete Saturn V koristio je tečni kiseonik za održavanje života, a tečni vodonik i kiseonik za ćelije koje su se koristile za proizvodnju električne struje. Lunarni modul je isto koristio tečni kiseonik za održavanje života jula 1969. godine.

Trenutno, Spejs Shatl koristi tečni vodonik i tečni kiseonik kao gorivo, dok se tečni kiseonik koristi za održavanje života. U spoljnim rezervoarima Shutl drži 530m3 tečnog kiseonika i 1438m3 tečnog vodonika.

Atlas-Centaur je bila prva raketa koja je koristila tečni vodonik kao gorivo.

Let u svemir sa ljudskom posadom počinje sa Air Force X-1 avionom, koji je kao i V-2 bio pokretan alkoholom i tečnim kiseonikom, to je bio i prvi avion koji je probio zvučnu barijeru.

Kasnije napravljen X-15, koji je imao 254kN raketnog potiska, postigao je brzinu od 2km/s i dostigao visinu od 108km iznad Zemlje, što je za 27km više od poznate granice gde počinje svemir.

Mnogi uređaji i oprema koji se koriste u aeronautici i raketnoj nauci koriste instrumente koji u sebi koriste kriogene supstance. Na primer helijumski kriostat lansiran balističkom raketom je izmerio temperatu dubokog svemira od 3,5K.

Možda jedan od prvih primena kriogenika u aeronautici bavio se održavanjem života i obezbeđivanjem kiseonika na velikim visinama, dok je gasoviti azot služio za punjenje guma. Kriogenika se koristi i u vazdušnim tunelima za aeronautička testiranja. Čak su i braća Rajt napravila mali tunel koji je ispitivao potencijal dizanja raznih aeroprofila u svojoj biciklističkoj radionici. Današnji tuneli se ne mogu ni zamisliti bez kriogenike u postizanju što boljeg Rejnoldsovog broja (bezdimenziona veličina i ključni parametar strujanja viskoznog fluida, definiše granicu između laminarnog i turbulentnog strujanja). Primera radi National Transonics Facility u Langley Research Center koristi u tunelu hladni azot pod pritiskom od 900kPa da bi dobio Rejnoldsov broj od preko 120 miliona, što je desetostruko više nego bez upotrebe kriogenike. Model postavljen u ovaj objekat će leteti u kontinuitetu kriogene struje vazduha pri maksimalnoj brzini cirkulacije od 1,2 Maha, to se postiže ventilatorom od 135 MW (135.000 KS). Tečni azot u ovom objektu teče u aerotunelu brzinom do 454 kg/s.

Januara 1950. godine predsednik Sjedinjenih Američkih Država Truman izdaje direktivu za pravljenje termonuklearne (hidrogenske) bombe, kao i za izvođenje neophodnih testova. Laboratorija Los Alamos je zaključila da im je za dalje istraživanje potreban deuterijum. Likvifajeri vodonika su bili potrebni. Jedan od proizvedenih likvifajera vodonika prebačen je u Eniwetok Atoll, Pacifik za likvifikaciju deuterijuma za prvi test hidrogenske bombe na ostrvu Elugelab. Prva hidrogenska bomba je praktično bila veliki dewar tečnog deuterijuma, visok 6 metara i širok 2 metra sa fizionom nuklearnom bombom na vrhu kao upaljačem fuzije. 1. novembra 1952. godine bomba je bila detonirana jačinom od 10,4 megatona TNT (450 puta više od bombe bačene na Nagasaki), ostavljajući na ostrvu krater 1,6 kilometara širine. Naredne hidrogenske bombe koriste čvrsti litijum deuterij umesto tečnog deuterijuma, što je značilo gašenje "tečnog" programa pravljenja bombe.

Saharov i Kuratov su konstruisali sovjetsku "Car bombu" od 50 megatona (teška 27tona, dugačka 8 metara, širina 2 metra).Na slici je pokazan primer ako bi se detonirala iznad Pariza (35 kilometara je radijus totalnog uništenja) kao i odnos vatrenih kugli bombi koje su proizvedene i upotrebljene.