تبلیغات
دانش روز فیزیک - موتور پیشران مایع

ابزار هدایت به بالای صفحه

صفحه اول تماس با ما RSS                     قالب وبلاگ
  
دانش روز فیزیک
بچّه های ایران در اوج علم فیزیك

ثبت

fizik-ansary

fizik-ansary

www.fizik-ansary.ir

رضا فروتن پنجشنبه 12 آبان 1390 نظرات ()

موتور پیشران مایع

ادامه مطالب را ببینید

موتور پیشران مایع


موتور پیشران مایع، موتوری است كه عمل احتراق شیمیایی در آن با استفاده از یك یا چند ماده اكسیدكننده و احیاشونده مایع، انجام می‌پذیرد. مجموعه این احیاشونده (سوخت) و اكسیدكننده، در اصطلاح پیشران نامیده می‌شوند. این پیشران به صورت تفكیك‌شده، در مخازنی در موشك پرتابگر ذخیره و نگهداری می‌شود و هنگام روشن شدن راكت، به محفظه احتراق تزریق شده و باعث ایجاد احتراق و تولید نیروی رانش می‌شود [1]. كنستانتین تسیلكوفسكی روسی، پدر علوم راكتی، اولین كسی بود كه اصول راكت‌های پیشران مایع را در كتاب خود تحت عنوان تحقیق و بررسی پیرامون فضای بین‌سیاره‌ای با استفاده از وسایل عكس‌العملی، در سال 1896، مطرح كرد.


سال‌ها بعد و بر پایه همین تئوری‌ها برای اولین بار رابرت گودارد آمریكایی در 16 مارس 1926، یك راكت سوخت مایع را آزمایش كرد كه توانست طی 5/2 ثانیه پرواز، حدود 40 پا از زمین بلند شود [2،3]. موشك وی2 ارتش آلمان (تصویر2) در جنگ جهانی دوم اولین نمونه عملیاتی و كاربردی یك راكت پیشران مایع به عنوان موتور یك موشك بود. سوخت این راكت ساده، الكل و ماده اكسیدكننده آن، اكسیژن مایع بود [4].
تصویر 1- اولین موتور راكتی پیشران مایع جهان كه در سال 1926 توسط رابرت گودارد ساخته شد.
آغاز عصر فضا را می‌توان ثمره پیشرفت بشر در طراحی و ساخت راكت‌های سوخت مایع دانست. اولین پرتابگرهای قدرتمند تاریخ مانند ساترن-5 آمریكایی و انرگیای روسی با سامانه راكتی پیشران مایع كار می‌كردند. در این سامانه‌ها معمولاً از كروسین یا هیدروژن به عنوان سوخت و از اكسیژن مایع به عنوان اكسیدكننده استفاده می‌شد. موتور‌های سوخت مایع در دهه‌های 60، 70 و 80 پیشرفت بسیار زیادی كردند و نوع پیشران آنها دچار تغییر و تحولات عمده‌ای شد. اما امروزه با پیشرفت فناوری، موتورهای پیشران جامد توانسته‌اند به دلیل مزایای نسبتاً زیادی كه دارند، تا حد زیادی جای موتورهای پیشران مایع را در صنایع فضایی بگیرند.
تصویر 2- برشی از بدنه موشك وی2 كه موتور راكتی پیشران مایع آن را نشان می‌دهد.
 

اجزا و نحوه عملكرد

موتورهای پیشران مایع از 5 بخش اصلی تشكیل شده‌اند كه عبارتند از:

مخازن سوخت و اكسیدكننده

مخازنی هستند تعبیه شده در خارج از موتور كه پیشران‌های مایع در داخل آنها نگهداری می‌شوند. در واقع این مخازن را بیشتر می‌توان جزئی از موشك پرتابگر به حساب آورد تا خود موتور پیشران مایع. از آنجایی كه معمولاً پیشران‌ها فشار بسیار بالا و دمای خیلی پایینی دارند، و از طرفی وزن این مخازن لازم است تا حتی‌الامكان كمتر باشد، طراحی آنها بسیار مشكل و با ملاحظات فراوانی همراه است. معمولاً یك نوع گاز كه با مایع سوخت یا اكسیدكننده به هیچ‌وجه واكنش نمی‌دهد، با فشار بالا به داخل این مخازن تزریق می‌شود تا نوعی فشار پشت‌دستی را برای هدایت هرچه بیشتر پیشران‌ها پدید آورد.

توربوپمپ

این زیرسامانه پیشران‌های مایع را از مخازن مكیده و با فشار و دبی مناسب به سمت محفظه احتراق هدایت می‌كند. به تعبیری می‌توان توربوپمپ را قلب یك موتور پیشران مایع دانست. برای هر یك از اكسیدكننده و سوخت، توربوپمپ‌های جداگانه‌ای به كار می‌رود. انرژی توربوپمپ‌ها معمولاً از یك مولد گاز و توربین تامین می‌شود. بخشی از سوخت و اكسیدكننده درمسیر محفظه احتراق وارد این مولد گاز می‌شوند و با پس از واكنش گازهایی را حاصل می‌كنند كه باعث كار توربین و به تبع آن توربوپمپ‌ها می‌شود. البته لازم به ذكر است در برخی از موتورهای پیشران مایع كوچك‌تر (كه البته در صنعت فضایی كاربرد ندارند)، پیشران‌ها با همان فشار پشت‌دستی مخازن به داخل محفظه احتراق تزریق می‌شوند و نیازی به توربوپمپ نیست [1]. در موتورهای پیشران مایع كه در مراحل بالایی پرتابگرها استفاده می‌شوند و همچنین در موتورهای پیشران مایع فضایی، كه در ماهواره‌ها و فضاپیماها برای كنترل و تغییر مسیر استفاده می‌شوند، نیز به دلیل فشار كمتر محفظه احتراق، در بسیاری موارد توربو‌پمپ وجود نداشته و سامانه با فشار پشت‌دستی محفظه‌های پیشران كار می‌كند. به لحاظ مهندسی اگر فشار محفظه احتراق كمتر از 30 بار باشد، استفاده از توربوپمپ توجیهی ندارد.

تزریقگر (تصاویر 3 و 4)

تزریقگرها در ورودی محفظه احتراق قرار می‌گیرند و وظیفه دارند تا پیشران‌های مایع (سوخت و اكسیدكننده)‌ را به صورت ذراتی بسیار كوچك با زاویه، سرعت و قطر كاملاً معین به داخل محفظه احتراق بپاشند. تزریقگرها انواع مختلفی دارند و یكی از پیچیده‌ترین و حساس‌ترین قسمت‌های یك موتور پیشران مایع هستند.
تصویر 3- صفحه تزریقگر راكت آجنا
تصویر 4- نقاط سبز و قرمز نمایی از تزریقگرها را نمایش می‌دهند.

محفظه احتراق (تصویر 5)

محفظه احتراق محلی است كه در آن سوخت و اكسیدكننده پس از عبور از تزریقگر با یكدیگر مخلوط شده و طی یك واكنش شیمیایی مشتعل می‌شوند. محفظه‌های احتراق موتورهای پیشران مایع دما و فشارهای بسیار بالایی را تحمل می‌كنند. محفظه‌های احتراق پیشرفته امروزی تا فشار 400 بار را هم تحمل می‌كنند [1]. در حالی كه در دهه 50 و 60 حداكثر این مقدار حدود 110 بار بود [4]. فشار محفظه احتراق، پایه‌ای‌ترین عامل در طراحی و تعیین ویژگی‌های سایر قسمت‌های یك موتور پیشران مایع است.

نازل (تصویر5)

بخش انتهایی موتور پیشران مایع است كه گازهای بسیار داغ و پر سرعتی كه از محفظه احتراق خارج می‌شوند را به فضای بیرون هدایت می‌كند. انتقال مومنتوم این گازهای داغ خروجی بخشی از نیروی رانش راكت را ایجاد می‌كند. نازل نیز به لحاظ طراحی و فناوری ساخت یكی از قسمت‌های بسیار پیچیده موتور پیشران مایع محسوب می‌شود.

تصویر شماره 6، نمایی از نحوه ارتباط این پنج بخش را نشان می‌دهد. باید توجه داشت كه ده‌ها زیرسامانه دیگر در كنار این پنج بخش وجود دارند كه ارتباط بین بخش‌ها و همچنین كنترل كل سامانه را بر عهده دارند. برخی از این زیرسامانه‌ها عبارتند از: لوله‌كشی‌ها، تامین‌كننده فشار پشت‌دستی مخازن، تخلیه‌كننده پسماند پیشران، آتشزنه، روغن‌كاری‌كننده (برای توربو پمپ)، تامین‌كننده توان برای توربوپمپ، خنك‌كننده‌ها، پایداركننده‌ها، تثبیت‌گرها، كنترل‌كننده سرعت و جهت بردار رانش، كنترل سامانه و غیره [5].
تصویر 5- محفظه احتراق (بخش كروی‌) و نازل (بخش كشیده) یك راكت پیشران مایع
عملكرد هر یك از اجزای یك موتور پیشران مایع، تاثیرات بسیار زیاد و پیش‌بینی‌نشده‌ای بر سایر قسمت‌ها دارد و همچنین عملكرد كلی سامانه، تاثیرات ویژه‌ای را بر هر یك زیرسامانه‌ها دارد. لذا طراحی و ساخت یك راكت سوخت مایع جدید نیازمند تعداد بسیار زیادی آزمایش و داده‌برداری است كه موتور پیشران مایع را به یكی از پیچیده‌ترین مصنوعات ساخت بشر تبدیل كرده است.
تصویر 6- نحوه ارتباط بخش‌های یك موتور راكتی پیشران
 

انواع موتور‌های پیشران مایع

موتورهای پیشران مایع را مانند هر سامانه مهندسی دیگر، می‌توان بر اساس معیارهای مختلفی دسته‌بندی كرد. معیارهای از قبیل: نوع پیشران، نسل، مرحله مورد استفاده در پرتابگر، مقدار نیروی رانش و غیره. اما پایه‌ای‌ترین و دقیق‌ترین دسته‌بندی به لحاظ طراحی- مهندسی، تقسیم این موتور‌ها به دو دسته سیكل باز و سیكل بسته است. همان‌گونه كه پیشتر ذكر شد، توربوپمپ‌ها انرژی خود را از یك مجموعه مولد گاز و توربین دریافت می‌كنند. اساس این نوع تقسیم‌بندی، نحوه استقرار این مولد گاز و توربین در سامانه است:

  • موتور‌های پیشران مایع سیكل باز

در این نوع موتور‌ها مولد گاز بخش كوچكی از سوخت و اكسیدكننده را دریافت كرده، توربین را به گردش واداشته و در نهایت محصولات احتراق آن از یك نازل كوچك فرعی خارج می‌شوند.

  • موتور‌های پیشران مایع سیكل بسته

در این نوع موتور، بخش بزرگی از سوخت یا اكسیدكننده وارد مولد گاز شده و توربین را به حركت در می‌آورند. سپس گازهای خروجی از توربین كه هنوز دارای مقدار زیادی سوخت یا اكسیدكننده هستند، از یك مسیر خاص وارد محفظه احتراق اصلی راكت می‌شوند.

اصولاً سامانه‌های سیكل بسته بازده بیشتری دارند و موتور‌های پیشران مایع پیشرفته‌تر از این نوع استفاده می‌كنند.
 

مزایا و معایب موتور‌های پیشران مایع در مقایسه با موتور‌های پیشران جامد

پایه‌ای‌ترین تفاوت به لحاظ طراحی- مهندسی بین موتورهای پیشران مایع و جامد در این است كه در موتور‌های پیشران مایع، نیروی رانش كمتر اما در مدت زمان بیشتر تولید می‌شود. اما در موتورهای پیشران جامد، نیروی پیشران بیشتری در مدت زمان كمتری تولید می‌شود. به همین دلیل است كه در بسیاری از پرتابگرهای معروف (به‌ویژه در غرب)، معمولاً موتور‌های پیشران جامد به صورت بوسترهایی هستند كه در مرحله اول پرتاب به كمك پرواز پرتابگر می‌آیند. در این پرتابگرها موتور اصلی در واقع موتور پیشران مایعی است كه بعد از بوسترها به صورت كامل و با تمام توان روشن می‌شود و پرتابگر را در طول مسیر خود می‌راند. سامانه پرتاب شاتل فضایی نمونه‌ای از این مورد است.

یكی از مزایای اصلی موتورهای پیشران مایع نسبت به پیشران جامد، قابلیت كنترل به نسبت راحت نیروی رانش در آنهاست. به بیان دیگر، در موتور‌های پیشران مایع، نیروی رانش را می‌توان با تغییر نسبت اختلاط اجزای پیشران، تقریباً مشابه تغییر سرعت با استفاده از پدال گاز در اتومبیل، كنترل كرد؛ امری كه در موتور‌های اولیه پیشران جامد امكان‌پذیر نبود. البته در سال‌های اخیر با پیشرفت فناوری كنترل نیروی رانش در موتور‌های پیشران جامد، این ویژگی موتور‌های پیشران مایع قدری كم‌رنگ شده است.

یكی دیگر از مزایای موتور‌های پیشران مایع، فناوری به نسبت قابل اعتماد آنهاست. این بدین معنا نیست كه سامانه آنها از پیچیدگی و حساسیت كمتری نسبت به موتور‌های پیشران جامد برخوردار است. این مزیت را فقط به دلیل قدیمی‌تر بودن و آزمایش پس‌داده‌تر بودن انواع شناخته‌شده آنها می‌توان به موتور‌های پیشران مایع نسبت داد. همان‌گونه كه اشاره شد، موتور‌های پیشران مایع با آغاز عصر فضا به كار گرفته شدند و تا سال‌های متمادی، بیشتر پرتابگرها از این نوع پیشران استفاده می‌كردند. امروزه، این ویژگی موتور‌های پیشران مایع نیز دیگر منحصر به‌فرد محسوب نمی‌شود.

عیب بزرگ موتور‌های پیشران مایع، بازرسی، نگهداری و عملیات آماده‌سازی بسیار مشكل آنهاست كه هزینه‌های آنها را بالا می‌برد. همچنین پیچیده‌تر بودن زیرسامانه‌های این نوع موتور باعث افزایش هزینه و قیمت آنها می‌شود. از این رو، دنیای صنعت فضایی در طی چند دهه اخیر بیشتر به سمت موتور‌های پیشران جامد روی آورده است كه عموماً كم‌هزینه‌تر و دارای عملیاتی بسیار ساده‌‌تر هستند.
 

مثالی از نحوه عملكرد یك موتور پیشران مایع

موتور سوخت مایع آردی- 107، یكی از اولین موتورهای موشكی اتحاد جماهیر شوروی است كه كار طراحی آن از سال‌های اولیه دهه 50 میلادی شروع شد و در سال 1957، به صورت كاملاً عملیاتی درآمد [2]. این شاهكار مهندسان صنعت هوافضای شوروی از نوع سیكل باز و دارای قابلیت ‌اطمینان و كارآیی بسیار بالایی بود، به طوری كه انواعی از آن تا اوایل دهه 90 نیز در پرتابگرهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گرفت. این موتور پیشران مایع، دارای چهار مجموعه مستقل محفظه احتراق و نازل اصلی و همچنین دو مجموعه محفظه و نازل فرعی (جهت كنترل وضعیت موشك) بود كه هر شش مورد از یك توربوپمپ تغذیه می‌شدند.

نوع بهینه‌سازی شده این موتور، آردی- 108 نام داشت. این موتور دو مجموعه نازل و محفظه احتراق فرعی از نوع اولیه خود بیشتر داشت كه البته آنها هم از یك توربوپمپ واحد تغذیه می‌شدند. این نوع بهینه‌سازی شده معمولاً در مرحله دوم پرتابگرها استفاده می‌شد، لذا نازل‌های آن به لحاظ ابعاد و اندازه قدری از آردی- 107 بزرگ‌تر بود. به واقع می‌توان گفت عصر فضا با ساخت این خانواده موتور آغاز شد. نقشه ساده‌ شده این موتور در تصویر شماره 7 آمده است.
تصویر 7- نمای موتور پیشران مایع و سیكل باز آردی- 107
با توجه به تصویر 7، مراحل و نحوه كار موتور، در ادامه ارائه می‌شود:

1- با صدور سیگنال روشن شدن، شیر شماره 1 باز می‌شود و گاز هلیوم تحت فشار پس از عبور از رگلاتورهایR2 و R3 به مخازن سوخت و اكسیدكننده وارد می‌شود و با ایجاد فشار پشت‌دستی بالا، مایعات پیشران را به سمت توربوپمپ‌ها روانه می‌كند.

2- شیرهای دیافراگمی 3 و 4 باز شده و سوخت و اكسیدكننده به پمپ‌ها وارد می‌شوند.

3- مولد گاز پیشران جامد، توربین را راه می‌اندازد و بدین‌وسیله پمپ‌ها شروع به كار می‌كنند.

4- شیرهای 5، 6، 7 و 8 باز می‌شوند.

5- قسمتی از سوخت و اكسیدكننده به طرف محفظه احتراق رفته و آتش‌زنه محفظه احتراق عمل می‌كند. همزمان قسمتی از آن پس از عبور از شیرهای 7 و 8 و تثبیت‌كنندهRf و پایداركننده Sgg وارد مولد گاز می‌شود.

6- پس از مدت بسیار اندكی و با تمام شدن خرج جامد مولد گاز سوخت جامد، محصولات احتراق مولد گاز كه حالا فعالیت خود را آغاز كرده است، توربین را به حركت در می‌آورند. در این مرحله مولد گاز سوخت جامد از دور خارج شده است.

7- به طور همزمان، شیرهای 13 و 14 باز شده و مولد گاز كوچكی (غیر از مولد گاز اصلی كه توربین را پشتیبانی می‌كند)، محصولات احتراق غنی از سوخت پرفشار خود را جهت تامین فشار پشت‌دستی و همچنین حرارت دادن به سوخت، به مخزن سوخت می‌فرستد. در محصولات احتراقی كه به پشت‌دست مخزن اكسیدكننده وارد می‌شوند، باید مقادیر بسیار بسیار اندك و بی‌اثری از اكسیدكننده وجود داشته باشد. از این رو، در اصطلاح طراحی به آن غنی از سوخت گفته می‌شود.

8- به منظور بالا بردن دمای اكسیدكننده، قبل از رسیدن به محفظه احتراق، اكسیدكننده از طریق شیر 11 وارد یك مبدل حرارتی كه در مسیر گازهای خروجی توربین قرار دارد می‌شود، حرارت گرفته و مجدداً به مخزن باز می‌گردد. گازهای خروجی توربین از طریق اگزوز خارج می‌شوند.

9- پایداركننده‌هایScc وSgg برای پایدارسازی جریان‌های سوخت و اكسیدكننده قبل از ورود به محفظه احتراق و مولد گاز به كار می‌روند. پایداركنند‌ه‌ها معمولاً فقط در مسیرهایی تعبیه می‌شوند كه دبی جرمی كمتری از آنها عبور می‌كند.

10- تثبیت‌كننده جریان Rf كه قبل از مولد گاز توربین قرار دارد، با تنظیم مقدار سوخت وارد شده به مولد و به تبع آن، تنظیم توان توربوپمپ، عملاً نقش تنظیم‌كننده نیروی پیشرانش (یا در اصطلاح عامیانه، دسته گاز) را در كل موتور ایفا می‌كند.

11- سوخت قبل از ورود به تزریقگر، با عبور از جداره نازل، حرارت گرفته و به خنك‌كاری نازل نیز كمك می‌كند.

12- پس از اتمام كار موتور و افت مشخص فشار محفظه احتراق، شیر شماره 2 باز می‌شود و نیتروژن مایع به داخل لوله‌های سوخت و اكسیدكننده جاری می‌شود و باقی‌مانده آنها را از طریق شیر شماره 12 خالی می‌كند. خاموش شدن موتور، عملیاتی كاملاً كنترل شده است و تصور اینكه موتور با تمام شدن سوخت و اكسیدكننده به طور خودبه‌خود خاموش شود، كاملاً اشتباه است. هر قدر خاموش شدن موتور (به‌ویژه در موتورهای چندمرحله‌ای) كنترل‌شده‌تر باشد، كنترل و دقت مراحل بعدی موشك پرتابگر بهتر صورت خواهد گرفت.

13- برخی مشخصات این موتور عبارتند از:

فشار كاری محفظه احتراق: 5/58 اتمسفر، زمان كاركرد: 140 ثانیه، ایمپالس ویژه در سطح دریا/خلاء: 255 ثانیه/310 ثانیه، ایمپالس ویژه نازل خروجی مولد گاز: 45 ثانیه، دبی جرمی مولد گاز: 8/8 كیلوگرم بر ثانیه، نیروی پیشرانش در سطح دریا/خلاء: 1/82 تن/100 تن، سوخت: كروسین، اكسیدكننده: اكسیژن مایع
تصویر 8- مدلی از موتور پیشران مایع و سیكل باز آردی- 107



برچسب ها: موتور ها، موتور پیشران مایع، انواع موتور های پیشران، موتور های مایع، موتور هایی که با آب کار می کنند، پیشران مایع،
تبلیغات

کسب درآمد

درباره سایت
سلام بر شما دوستان و بازدیدكنندگان عزیز

با سلام لطفامطلب مورد نطرخود را ابتدا در وبلاگبا استفاده از جستجوگرجستجو کنیدو یا در صفحات جانبی به دنبال آن بگردید.اینجانب از شما دوستان عزیزخواهشمند است که درصورت امکان برای مطالب نظر بگذارند تا نقاط ضعف و قوت خود را پیدا و در جهت بهتر کردن این وبلاگ علمی بکوشیم.

انتقادات و پیشنهاداتتان را با ما در میان بگذارید

ساعت سایت


موزیک سایت
عضویت در خبرنامه





Powered by WebGozar

خبرنامه

جستجو گر گوگل
Google

در این سایت
در كل اینترنت
دانش روز فیزیک
گالری کلیپ های فیزیکی
گالری فلش های فیزیکی
گالری تصاویر فیزیکی

گالری تصاویر

ارتباط با ما
تماس با ما
موضوعات
آخرین مطالب
نظر سنجی
به نظر شما موفق ترین فیزیکدان دنیا کیست؟











نویسندگان
صفحات جانبی
آرشیو مطالب
پیوند ها
پیوندهای روزانه
وضعیت کاربران در یاهو
مشخصات کامپیوتر شما
آمار سایت
بازدیدهای امروز : نفر
بازدیدهای دیروز : نفر
كل بازدیدها : نفر
بازدید این ماه : نفر
كل مطالب : عدد
آخرین بازدید :
آخرین بروز رسانی :

Seo Monitor

تبلیغات