بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله مقدمهای از کاربرد موتورهای سوخت مایع به خصوص در صنایع هوا و فضا ارائه شد. سپس اجزا و طرز عملکرد موتور سوخت مایع به صورت جزئی درون پنج عضو محفظه احتراق، نازل، انژکتور، توربوپمپ و مخازن ذخیره پیشران به صورت مفصل توضیح داده شد. در قسمت بعد، معرفی انواع پیشرانهای مایع به کار گرفته شده درون موتورهای سوخت مایع و معیارهای انتخابشان اعم از فاکتورهای اقتصادی، عملکرد موتور، خطرات فیزیکی و سازگاری مواد با سیستم به طور مختصر و مفید بیان گردید. نیروهای پیشران و عوامل تأثیرگذار بر میزان این نیروها در شناخت مکانیسم عملکرد موتورهای سوخت مایع در نظر گرفته میشود. در نهایت از روش عددی سرعت محفظه احتراق بصورت کامل شبیهسازی شد و نتایج به دست آمده با کار مقاله یانگ و سانگ مقایسه گردید.
-1 مقدمه
آغاز عصر فضا را میتوان به نوعی محصول پیشرفت بشر در طراحی و تولید موتورهای سوخت مایع دانست. اولین پرتابگرهای شوروی و آمریکا همه از موتورهای سوخت مایع استفاده می کردند. این نوع موتورها از فناوری طراحی و ساخت بسیار بالایی برخوردارند. آنها معمولا از دو جزء تفکیک شده اکسید کننده و احیا شونده مایع، به عنوان پیشران استفاده میکنند. موتور پیشران مایع، موتوری است که عمل احتراق شیمیایی در آن با استفاده از یک یا چند ماده اکسید کننده و احیا شونده مایع انجام میپذیرد. این پیشران به صورت تفکیکشده، در مخازن موتور ذخیره و نگهداری میشود و هنگام روشن شدن، به محفظه احتراق تزریق شده و باعث ایجاد احتراق و تولید نیروی رانش میشود. پیشران برگردان واژه ی Propellant است که از فعل Propel به معنای به جلو بردن گرفته شده است. پیشران های اصلی، پیشرانهای کنترلی، پیشرانهای ترمز کننده و پیشرانهای تنظیم جهت به عنوان چهار گونه کاربردی پیشرانها در نظر گرفته می شوند. پیشرانهای اصلی یا Primary Engine برای ایجاد نیروی پیشرانش کاربرد دارند. پیشرانهای کنترلی یا Control Engine برای ایجاد نیروها و گشتاورهای کنترلی مورد استفاده قرار میگیرند. پیشرانهای ترمز کننده یا Bracking Engine برای کاهش سرعت
موشک یا فضاپیما به منظور فرود یا تغییر مدار و مواردی از این قبیل به کار گرفته میشوند. این پیشران ها در خلاف جهت پیشران اصلی بوده و نیروی پسرانش تولید میکنند. در نهایت، پیشرانهای تنظیم جهت یا Altitude Or Orientation Engine برای تنظیم جهت ماهوارهها و سایر فضاپیماها استفاده شده که این نوع پیشرانشهاصرفاً برای تنظیم جهت و نه برای حرکت و تولید پیشرانش به کار گرفته می شوند. از این رو، بیشترین کاربرد موتورهای پیشران مایع در صنایع هوایی، فضایی و نظامی است. شکل 1 شماتیک یک نوع موتور پیشران مایع با سیستم خوراک توربوپمپ را نشان میدهد. به طوریکه کنستانتین تسیلکوفسکی روسی، پدر علوم راکتی، اولین کسی بود که اصول راکتهای پیشران مایع را در کتاب خود تحت عنوان تحقیق و بررسی پیرامون فضای بینسیارهای با استفاده از وسایل عکسالعملی، در سال 1896، مطرح کرد. سالها بعد و بر پایه همین تئوریها برای اولین بار رابرت گودارد آمریکایی در 16مارس 1926، یک راکت سوخت مایع را آزمایش کرد که توانست طی 2/5 ثانیه پرواز، حدود 40 پا از زمین بلند شود. موشک V2 ارتش آلمان در جنگ جهانی دوم، اولین نمونه عملیاتی و کاربرد یک راکت پیشران مایع به عنوان یک موشک بود. سوخت این راکت ساده، الکل و ماده اکسید کننده آن، اکسیژن مایع بود 1@و .[2 روش های پژوهشی در این علم بیشتر بهصورت تجربی و عددی میباشد. با توجه به پیشرفتهای فراوان نرمافزاری و سخت افزاری در سالهای اخیر، استفاده از روشهای عددی بسیار آسانتر و کم هزینهتر از روشهای تجربی است. در میان روش های عددی، دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان ابزاری قدرتمند در زمینه مدلسازی پدیده های انتقال شناخته می شود. با این وجود باز هم برای اطمینان از صحت نتایج عددی و همچنین ارزیابی طراحیها در مراحل نهایی کار از روش های تجربی استفاده میشود.
-2 اجزا و نحوه عملکرد
نتیجه به صورت کلی، موتورهای پیشران مایع از چند قسمت اصلی ساخته شده اند. این اجزا عبارتند از: مخازن سوخت و اکسید کننده - پیشران - ، توربوپمپ، انژکتور یا تزریق کننده، محفظه احتراق و نازل.
-1-2 مخازن سوخت و اکسیدکننده
مخازنی که در خارج از موتور تعبیه و پیشران های مایع در داخل آنها نگهداری می شوند. در واقع این مخازن را بیشتر میتوان جزئی از موشک پرتابگر تا خود موتور پیشران مایع به حساب آورد. از آنجایی که معمولا پیشران ها فشار بسیار بالا و دمای خیلی پایینی دارند، و از طرفی وزن این مخازن لازم است تاحتی الامکان کمتر باشد، طراحی آنها بسیار مشکل و با ملاحظات فراوانی همراه است. معمولا یک نوع گازکه با مایع سوخت یا اکسیدکننده به هیچوجه واکنش نمی دهد، با فشار بالا به داخل این مخازن تزریق می شود تا نوعی فشار پشت دستی را برای هدایت هرچه بیشتر پیشران ها پدید آورد . دسته بندی مخازن محفظه های احتراق براساس طراحی، شکل و موقعیت صورت میگیرد. شکل2 انواع مخازن را نشان می دهد. شکل کروی به عنوان بهینه ترین شکل برای مخزن در نظر گرفته می شود زیرا در این حالت، وزن به حداقل مقدارمی رسد 5 ]و [ 6
-2-2 توربوپمپ
این زیرسامانه، پیشران های مایع را از مخازن مکیده و با فشار و دبی مناسی به سمت محفظه احتراق هدایت می کند. به تعبیری می توان توربوپمپ را قلب یک موتور پیشران مایع دانست. برای هر یک از اکسیدکننده و سوخت، توربوپمپ های جداگانه ای به کار می رود. انرژی توربوپمپ ها معمولا از یک مولدگاز و توربین تأمین می شود. بخشی از سوخت و اکسیدکننده درمسیر محفظه احتراق وارد این مولد گازمی شوند و پس از واکنش گازهایی را حاصل می کنند که باعث کار توربین و به تبع آن توربوپمپ ها می شود.البته لازم به ذکر است در برخی از موتورهای پیشران مایع کوچکتر - که البته در صنعت فضایی کاربردندارند - ، پیشران ها با همان فشار پشت دستی مخازن به داخل محفظه احتراق تزریق می شوند و نیازی به
