بخشی از مقاله
چکیده
افزایش برد موشکها از جمله اولین اهدافی میباشد که در طراحی به دنبال آن میباشیم. هر چه شکل بدنه و سازه موشک آیرودینامیکتر باشد، به تبع آن نیروي درگ کاهش یافته و برد افزایش مییابد. در موشکهاي بالستیک تا زمانی که سوخت محترقه از انتهاي آن جهت پیشرانش خارج میگردد به حالت بهینه آیرودینامیک نزدیک می-باشد. ولی پس از اتمام سوخت، به دلیل ایجاد یک تغییر مقطع ناگهانی، نیروي درگی مازاد بر حالت قبل ایجاد خواهد شد. در این مقاله مکانیزمی جهت دمقایقی کردن موشک پس از اتمام کار موتور طراحی شده است. این مکانیزم پس از اتمام کار موتور، با خروج صفحاتی از انتهاي محفظه نازل موتور با استفاده از مکانیزم بال اسکرو، بخشی را به شکل مخروط ناقص در انتهاي پرتابه ایجاد می-کند. عملکرد این بخش از لحاظ آیرودینامیکی، نیرویی و ارتعاشی مورد تحلیل و بررسی سه بعدي قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که این مکانیزم عملکرد مناسبی را در کاهش درگ دارد. همچنین تحلیل ارتعاشی سیستم با استفاده از آنالیز مودال نشان میدهد که جابجایی صفحات اثري محدود بر روي پایداري کل سیستم دارد. از این رو میتوان از این سیستم در موشکهاي بالستیک جهت افزایش برد استفاده نمود که تا کنون چنین مکانیزمی ارائه و تحلیل نشده است.
واژه هاي کلیدي:پرتابه، مافوق صوت، مکانیزم دمقایقی، آیرودینامیک
مقدمه
هنگامی که جسمی در هوا حرکت میکند، نیروهاي آیرودینامیک و مومنتم را تحمل میکند. این نیروها شامل نیروي درگ و لیفت می-شوند. در دسته اول به علت ویسکوزیته هوا و برش آن توسط موشک، درگ ایجاد میشود و در دسته دوم به علت اختلاف صفحههاي فشار، درگ و لیفت داریم. درطراحی موشکهاي مافوق صوت رایجتر است که از نیروهاي لیفت استفاده شود.[1]یک موشک به سه بخش اصلی تقسیم می شود که عبارتند از: قسمت جلو یا دماغه1، قسمت میانی2و دم یا دم قایقی.3 قسمت مخروطیشونده بخش انتهایی بدنه را دم قایقی مینامند. هدف از دم قایقی، کاهش درگ بدنه بر پایه Squared-Off میباشد.
به علت فشارپایه4 بزرگ در قسمت انتهایی موشک، مقادیر زیاد درگ به علت سطح مقطع زیاد ایجاد می شود که باید بر آن غلبه شود. با دم قایقی کردن، سطح مقطع پایه کاهش پیدا کرده و از این رو نیروي اصطکاك کاهش مییابد .[1] تعیین دقیق درگ دم قایقی به دلیل وابسته بودن آن به هندسه بدنه در نوك و انتهاي بدنه و همچنین نیاز داشتن به اثر سیال واقعی، بسیار دشوار است. براي طراحی مقدماتی دم قایقی باید هم از نتایج تئوري و هم نتایج تستهاي آزمایشگاهی استفاده شود . در صورت نداشتن نتایج آزمایشگاهی باید درگ دم قایقی را با روابط تئوري تخمین زده شود .[1]در موشکهاي بالستیک تا زمانی که سوخت محترقه از انتهاي آن جهت پیشرانش خارج میگردد به حالت بهینه آیرودینامیک نزدیک میباشیم .
ولی پس از اتمام سوخت، به دلیل ایجاد یک تغییر مقطع ناگهانی، نیروي درگی مازاد بر حالت قبل ایجاد خواهد شد. چنانچه بتوان پس از پایان کار موتور موشک، این تغییر ناگهانی مقطع را آرام و به شکل جریان عبوري درآورد، کمک شایانی به کاهش درگ و افزایش برد خواهد شد. در شبیهسازي رفتار این موشکها و عملکرد دمقایقی کارهاي بسیاري صورت گرفته است .[1-5]هدف از انجام این پروژه، طراحی سیستمی جهت دم قایقی کردن موشک پس از اتمام کار موتور در موشک میباشد . در انتهاي موشک مورد نظر، محفظه نازل قرار دارد - شکل - 1 که به وسیله تعدادي پیچ به بدنه اصلی موشک متصل میگردد.
میخواهیم در داخل این محفظه که حجم کمی نیز دارد سیستمی را تعبیه نماییم که پس از پایان کار موتور انتهاي آن را به صورت دوکی شکل درآورد تا از ایجاد یک تغییر ناگهانی در مقطع ممانعت به عمل آورد و در نتیجه آن نیروي درگ کاهش و برد افزایش یابد. نکته قابل توجه در طراحی این موضوع میباشد که نباید تغییر قابل توجهی در ساختار موشک ایجاد نمود. همچنین ملاحظات دیگري همچون دماي بالاي موتور، عدم عملکرد سیستم در حین شتابگیري و داشتن عملکرد پس از پایان کار موتور وجود دارد. پس از آن عملکرد سیستم به صورت سه بعدي تحلیل آیرودینامیکی و ارتعاشی خواهد شد.شکل 2 عملکرد دم قایقی بر روي یک موشک را نشان میدهد. بدنه مورد بررسی در این شکل داراي نسبت ظرافت5 کلی 10.5، نسبت ظرافت نوك 3، نسبت ظرافت بدنه 6 و نسبت ظرافت دم قایقی 1.5 میباشد .[2] باید توجه داشت که براي اعداد ماخ مادون صوت، دم قایقی درگ را تا 50 درصد کاهش میدهد.
محاسبه طول صفحه دمقایقی
قطر خارجی موشک مورد نظر 587.92 میلیمتر میباشد. از این رو با استفاده از شکل 2 و بررسی حالات بهینه براي کاهش درگ داریم:
زاویه دم قایقی در بسیاري از مراجع 8 درجه در نظر گرفته میشود .[2] از این رو، طول صفحه - هایی - که پس از اتمام کار موتور باید از محفظه نازل بیرون بیایند بین 422 میلیمتر تا 840 میلیمتر می-باشد.
مکانیزمهاي پیشنهادي براي دم قایقی شدن
براي دم قایقی کردن موشک، با توجه به اینکه تمام مکانیزم باید در داخل محفظه نازل قرار بگیرد، باید صفحاتی از داخل محفظه نازل خارج گردند و پس از اتصال به یکدیگر یک مخروط ناقص را تولید کنند. خروج این صفحات به دو صورت ممکن است.
-1 صفحاتی به صورت حلقوي بیرون آمده بطوریکه در پایان شکل یک مخروط ایجاد شود - مکانیزم تلسکوپی -
-2 چند صفحه به صورت طولی بیرون آمده بطوریکه در پایان شکل یک مخروط ایجاد شود
براي هر طرح پیشنهادي مواردي چون: حالت قفل اولیه مکانیزم، نحوهي تحریک مکانیزم، مصرف انرژي، نوع حرکت مکانیزم، پایداري و یکنواختی حرکت، قفل شدن مکانیزم پس از شکل گرفتن دم قایقی، اثر دما بر مکانیزم پیشنهادي و بررسی ارتعاشات دم قایقی باید بررسی شود و با در نظر گرفتن مزایا و معایب هر طرح، یک مکانیزم را انتخاب می نماییم.محاسبات نشان میدهند که با توجه به فضاي محدود بین محفظه نازل و پوسته که محل خروج صفحات است 25 - میلیمتر - ، چنانچه از صفحاتی با ضخامت 3 میلیمتر هم استفاده گردد، حداکثر طول دم قایقی قابل دسترس با استفاده از مکانیزم تلسکوپی 200 میلیمتر است که قابل قبول نمیباشد. همچنین، ارتعاشات چنین آرایشی بسیار زیاد بوده و بر روي پایداري موشک اثر نامطلوبی دارد.
به دلیل قابل استفاده نبودن مکانیزم تلسکوپی، از صفحات طولی براي این منظور استفاده خواهد شد. البته از صفحات طولی در جاهاي دیگري همچون تنظیم نازل خروجی جت جنگنده ها براي جهتدهی نیروي تراست استفاده میشود .[7] در این مکانیزم، مخروط دم قایقی را در راستاي طولی آن به چند قسمت تقسیم می نماییم. هر چه تعداد این صفحات بیشتر باشد، حرکت مکانیزم یکنواخت تر بوده ولی تحریک آن از نظر تعداد محرکه ها و مکانیزم، دشوارتر شده و نیاز به انرژي بیشتري دارد . با توجه به فضاي محدود داخل محفظه نازل و مشکلاتی مانند تداخل صفحات در داخل محفظه، استفاده از 6 صفحه به طول 700 میلیمتر براي صفحات مناسب میباشد - شکل . - 3 حالت نهایی این مکانیزم در شکل 3 نشان داده شده است.
سیستم تحریک مکانیزم
براي تحریک و حرکات دادن صفحات در مسیر مشخص میتوان از مکانیزمهاي متفاوتی مانند تحریک هیدرولیکی، تحریک پنوماتیک، تحریک با قرقره و کابل، موتور و شانه دنده، پیچ اسکرو و ... استفاده نمود. با توجه به فضاي محدود و همچنین ضروري بودن حرکت یکنواخت و همزمان صفحات از سیستم پیچ اسکرو استفاده شده است. هر یک از سیستمهاي تحریک بیان شده یا داراي ادوات جانبی حجیم و یا داراي حرکتی غیریکنواخت میباشند. همچنین براي حرکت همزمان صفحات از یک موتور و چرخدنده استفاده شده است که حرکت را به تمامی پیچهاي بال اسکروها منتقل میکند - شکل . - 4
سیستم قفل کننده و تثبیت کننده نهایی
پس از انتخاب مکانیزم تحریک، صفحات مخروطی باید در انتها قفل شده و ارتعاشی نداشته باشند. براي این منظور باید زائدهي 8 درجه-ي انتهایی دم قایقی را مقید نماییم. این زائدهها نسبت به صفحات دم قایقی زاویهاي 8 درجهاي دارند که پس از مقید شدن، صفحات دم قایقی را در زاویه 8 درجه مورد نظر قرار میدهند. براي این منظور از سیستم دو گوه اي استفاده شده است. در شکل 5 مکانیزم قفل کنندهي گوهاي را مشاهده مینماییم؛ که در آن گوهي آبی رنگ توسط موتور تحریک شده و مقداري به سمت جلو حرکت میکند و سبب بالا رفتن گوهي دیگر روي آن شده و زائدهي انتهایی صفحات را مقید می نماید.
تحلیل آیرودینامیکی
در این بخش عملکرد آیرودینامیکی مکانیزم دم قایقی با استفاده از تحلیل عددي مورد بررسی قرار میگیرد. براي این منظور، ضرایب درگ موشک در دو حالت با دم قایقی و بدون دو قایقی براي ماخهاي 2 و 6 و زوایاي حمله صفر و پنج درجه به صورت سه بعدي در نرم-افزار ANSYS/Fluent 14.5 شبیهسازي و مقایسه شده است. ابعاد کلی موشک در شکل 6 نشان داده شده است.شبکه گرفته شده در اطراف موشک در شکل 7 نشان داده شده است.
الف - حالت بدون دم قایقی
به عنوان نمونه، پروفیل فشار کل بر روي بدنه موشک در ماخ 6 و زاویه حمله 5 درجه و ماخ 2 و زاویه حمله صفر در شکل 8 نشان داده شده است.
