W modelach rakiet wykorzystujących silniki na paliwo stałe jego masa wynosi kilka gramów. Prawdziwe rakiety wykorzystują ten nośnik energii z reguły w silnikach pomocniczych, zwanych boosterami. Mogą zawierać nawet  kilkaset ton paliwa stałego. Choć różnica w skali jest olbrzymia, zasada działania silniczka na paliwo stałe do modelarskich rakiet, które każdy może nabyć za niewielkie pieniądze, obowiązuje również w skali makro, gdzie koszty są astronomiczne.

Najbardziej znane i zarazem największe były boostery stosowane w, wycofanych już z użytku, amerykańskich wahadłowcach kosmicznych. Mieszanka używanego w nich paliwa stałego nie była bardziej skomplikowana niż skład dowolnego słodkiego napoju gazowanego. Jej składniki to: sproszkowane aluminium, które podlega spalaniu, utleniacz w postaci nadchloranu amonu oraz kopolimer butadienu, kwasu akrylowego i akrylonitrylu jako spoiwo, które też podlega spalaniu. Wszystko razem po wymieszaniu i uformowaniu miało konsystencję twardej gumki do ścierania.

To nie logo tajnej organizacji, tylko przekrój poprzeczny poprzez segment boostera na paliwo stałe, który był używany w lotach amerykańskich wahadłowców

Boostery są odpalane pirotechnicznie od góry. W wyniku rozpoczętej reakcji chemicznej wydziela się bardzo dużo ciepła, tlenki oraz chlorki aluminium, a także wylatujące z dołu gazy – azot cząsteczkowy oraz przede wszystkim para wodna. To gwałtownie rozszerzające się gazy są źródłem olbrzymiej siły ciągu boosterów, które działają jak nowoczesna maszyna parowa. Bardzo szybka i mocna maszyna parowa.

Paliwo stałe ma wiele zalet. Główna to łatwość i bezpieczeństwo jego magazynowania. Nie jest tak toksyczne jak hydrazyna. Nie trzeba przechowywać go w ultraniskich temperaturach jak ciekły tlen. Nie jest tak wybuchowy jak ciekły wodór. Nie trzeba w związku z tym ładować paliwa do rakiety tuż przed startem. Booster napełniony paliwem stałym można odłożyć do magazynu i od razu użyć, kiedy będzie potrzebny. Druga zaleta paliwa stałego to prostota spalającego go konstrukcji silnika, która przekłada się wprost na niższe koszty takiego rozwiązania w porównaniu z silnikami na paliwo płynne. W uproszczeniu jest to rura z zatkanym jednym końcem i otwartym drugim. Do rury napychamy paliwo stałe, w środku zostawiając dziurę na całej długości, która będzie funkcjonowała jako komora spalania. Inicjujemy spalanie i lecimy.

Puste boostery osiadają na spadochronach w wodzie, pionowo dyszą w dół. Potem są poziomowane do holowania

Tu płynnie dochodzimy do wad takich konstrukcji. Kiedy już boostery zostaną uruchomione, to nie ma jak ich zatrzymać. Działają nieprzerwanie, aż wypalą całe swoje paliwo. Nie można też na bieżąco regulować tempa spalania, a więc przyspieszenia. Trudno sobie wyobrazić, jak przy takich ograniczeniach zacumować do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej lub precyzyjnie umieścić satelitę na wybranej orbicie. Z tej przyczyny silniki na paliwo stałe zostały zepchnięte do funkcji silników pomocniczych, dopalaczy dla rakiety nośnej w pierwszej fazie lotu, kiedy zależy nam tylko na tym, żeby jak najszybciej uwolnić się z objęć ziemskiej grawitacji.

Uciążliwości te można częściowo niwelować. W teorii efekt zatrzymania silnika na paliwo stałe byłby możliwy poprzez otwarcie drugiego końca rury. Gazy uchodziłyby wtedy z obu stron, niwelując się wzajemnie. Inżynierowie mogą też w pewien sposób zaprogramować profil lotu za pomocą perforacji wewnątrz walca z paliwem. W boosterach wahadłowców dziura miała przekrój gwiazdki z koncentrycznie rozchodzącymi się jedenastoma promieniami. Duża początkowa powierzchnia spalania skutkowała większym przyspieszeniem na starcie. Potem im bardziej wypalanie obejmowało wierzchołki gwiazdki, tym bardziej malało przyspieszenie.

Wbrew pozorom istnieją rakiety wynoszące satelity na orbitę, które wyposażone są tylko w silniki na paliwo stałe. W czasach kiedy Indie miały jeszcze raczkujący program kosmiczny, to właśnie napędzane paliwem stałym rakiety SLV (Satellite Launch Vehicle) oraz ASLV (Advanced SLV) były ich pierwszymi orbitalnymi wehikułami. Podobnie Izrael pierwsze własne wyniesienie satelity wykonał rakietą na paliwo stałe o nazwie Shavit. W USA firma Orbital ATK do dzisiaj oferuje loty napędzaną paliwem stałym rakietą Pegasus XL. Z ciekawostek – Pegasus nie startuje z ziemi, tylko jest wynoszony samolotem na 12 kilometrów i dopiero na tym pułapie odpala silnik.

Tak ma wyglądać Space Launch System, którego pierwszy lot NASA planuje w tymroku. Po bokach charakterystyczne
boostery na paliwo stałe

Stare dobre boostery wkrótce triumfalnie powrócą wraz z nowym amerykańskim programem SLS (Space Launch System). Będą jeszcze większe – pięciosegmentowe w porównaniu z czterema segmentami z paliwem używanymi w wahadłowcach. Podobnie jak w przypadku starych wahadłowców, boostery SLS będzie można po wypaleniu wyłowić z oceanu i ponownie wykorzystać do kolejnych lotów.

Artykuł ukazał się w Pixelu #49, którego nakład został już wyczerpany. Zapraszamy jednak do sklepu Pixela po inne wydania drukowanego magazynu oraz po wersje cyfrowe Pixela.