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 فشار 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 - زم استیک - 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 می کنند. 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 می پذیرد.این پیشران به صورت تفکیک شده، در مخازن موتور ذخیره و نگهداری میشود و هنگام روشن شدن، به محفظه احتراق تزریق شده و باعث ایجاد احتراق و تولید نیروی رانش می شود. با توجه به پیشرفتهای فراوان نرم افزاری و ساخت افزاری در ساالهای اخیر، استفاده از روشهای عددی بسیارآسانتر و کم هزینه تر از روشهای تجربی است. در میان روشهای 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 طراحی ها در مراحل نهایی کار از روش های تجربی استفاده می شود.
-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. شکل1 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 توربوپمپ نیست . در موتورهای پیشران مایع که در مراحل بالایی پرتابگرها استفاده می شوند و همچنین درموتورهای پیشران مایع فضایی، که در ماهوارهها و فضاپیماها برای کنترل و تغییر مسیر استفاده می شوند، نیزبه دلیل فشار کمتر محفظه احتراق، در بسیاری موارد توربوپمپ وجود نداشته و سامانه با فشار پشت دستی محفظه های پیشران کار می کند. به لحاظ مهندسی اگر فشار محفظه احتراق کمتر از 30 بار باشد، استفاده ازتوربوپمپ توجیهی ندارد . شکل 2 نمایی از یک توربوپمپ در مقیاس آزمایشگاهی را نشان می دهد.[5]
شکل -2 توربوپمپ در مقیاس آزمایشگاهی و اجزای تشکیل دهنده [5]
-3-2انژکتور یا تزریق کننده
انژکتورها در ورودی محفظه احتراق قرار می گیرند و وظیفه دارند تا پیشرانهای مایع - سوخت واکسیدکننده - را به صورت ذراتی بسیار کوچک با زاویه، سرعت وطرق کاملاً معین به داخل محفظه احتراق بپاشند. انژکتورها انواع مختلفی دارند و یکی از پیچیده ترین و حساس ترین قسمت های یک موتور پیشران مایع هستند . یک انژکتور معمولا در ابتدای محفظه احتراق قرار می گیرد و عملی شبیه به عمل کاربراتور درموتورهای احتراق داخلی انجام می دهد. انژکتور، جریان مواد سوختی را به داخل محفظه احتراق برقرارمی کند و مواد سوختی را برای احتراق اتمیزه و مخلوط می نماید .
-3 محفظه احتراق
محفظه احتراق محلی است که در آن سوخت و اکسیدکننده پس از عبور از تزریق کننده - انژکتور - بایکدیگر مخلوط و طی یک واکنش شیمیایی مشتعل می شوند. محفظه های احتراق موتورهای پیشران مایع دما و فشارهای بسیار بالایی را تحمل می کنند. محفظه های احتراق پیشرفته امروزی تا فشار 400 بار را هم تحمل میکنند. در حالی که در دهه 50 و 60 حداکثر این
