بخشی از مقاله
چکیده
در میان پیشرانهای فضایی متداول، تراسترهای شیمیایی مایع از جایگاه ویژهای برخوردار میباشند. تراسترهای تک پیشرانه هیدرازینی، شاخهای از تراسترهای شیمیایی مایع میباشند کهغالباً بیشترین کاربری را در حوزه پیشرانش مأموریتهای فضایی دارا میباشند. با توجه به سطح نیروی تراست، ضربه ویژه و همچنین رژیم عملکردی منحصر به فرد تراسترهای تک پیشرانه هیدرازینی،معمولاً این نوع از پیشرانهای فضایی در عملیات انتقال به مدارهای بالاتر از جمله انتقال به مدار زمین آهنگ و یا کنترل وضعیت و موقعیت مداری فضاپیماها و ماهوارهها مورد استفاده قرار می-گیرند.
در این مقاله پژوهشی، با ایجاد و توسعه یک کد مبتنی بر روابط ترمودینامیکی، تغییرات دمای آدیاباتیک و ظرفیت گرمایی ویژه بر حسب نرخ تجزیه هیدرازین و آمونیاک در محفظه واکنش تراسترهای تک پیشرانه هیدرازینی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است.
میتوان نتیجه گرفت که افزایش نرخ تجزیه هیدرازین توأم با کاهش نرخ تجزیه آمونیاک در تراسترهای تک پیشرانه موجب افزایش دمای آدیاباتیک محفظه واکنش از حدود 870 کلوین - تجزیه کامل آمونیاک - تا حدود 1650 کلوین - عدم تجزیه آمونیاک - میگردد. با افزایش دمای آدیاباتیک محفظه واکنش، ظرفیت گرمایی ویژه محصولات گازی ناشی از تجزیه هیدرازین نیز افزایش مییابد. همچنین، نشان داده شده است که افزایش فشار محفظه واکنش سبب کاهش تدریجی نرخ تجزیه آمونیاک و به تبع آن افزایش جزئی دمای آدیاباتیک میگردد.
مقدمه
یکی از نیازها و چالشهای اصلی پیش رو در مسیر تسخیر فضا و استفاده از ظرفیتهای بالقوه این حوزه، پیشرانش فضایی1 میباشد. پیشرانش فضایی، هر روشی است که به منظور شتاب دادن فضاپیماها و ماهوارهها مورد استفاده قرار میگیرد و به طور کلی، حوزه فعال بسیاری از تحقیقات فضایی حال حاضر مراکز پژوهشی مهم دنیا را به خود اختصاص داده است که نتیجه این تحقیقات، بهبود روشهای پیشرانش موجود و توسعه روشهای جدید پیشرانش فضایی میباشد.
میتوان نتیجه گرفت که هیچ ماهواره و یا وسیله نقلیه فضایی بدون وجود سامانهای برای به حرکت درآوردن یا تغییر جهت و راستای خود قادر به انجام مأموریتهای فضایی محوله برای مدت زمان طولانی نخواهد بود؛ بنابراین تأمین سامانه پیشرانش به منظور انجام مأموریتهای فضایی اجتناب ناپذیر میباشد. از سوی دیگر، با توجه به حیاتی بودن سامانههای پیشرانش فضایی و عدم تمایل صاحبان این فناوری به در اختیار قرار دادن آنها، تأمین این سامانهها به طور حتم با دشواریها و هزینههای بسیار زیاد و گزاف همراه خواهد بود
تراسترهای تک پیشرانه
در میان پیشرانهای فضایی متعارف و متداول، تراسترهای شیمیایی مایع از جایگاه ویژه ای برخوردار میباشند. این نوع از پیشرانهای فضایی در عملیات انتقال به مدارهای بالاتر از جمله انتقال به مدار زمین آهنگ و یا کنترل وضعیت و موقعیت مداری فضاپیماها و ماهوارهها مورد استفاده قرار میگیرند. تراسترهای شیمیایی مایع در دامنه گستردهای از نیروی تراست - جلوبرندگی - و ضربه ویژه مورد استفاده قرار میگیرند.
تراسترهای تک پیشرانه2، شاخهای از تراسترهای شیمیایی مایع میباشند که با توجه به سطح نیروی تراست، ضربه ویژه و همچنین رژیم عملکردی منحصر به فردشانغالباً بیشترین کاربری را در مأموریتهای فضایی دارا میباشند. اگرچه تراسترهای تک پیشرانه از مقدار ضربه ویژه نسبتاً پایینی برخوردار میباشند؛ اما سادگی، ایمنی، عدم نیاز به توانهای الکتریکی بالا و قابلیت اطمینان بالای این نوع از تراسترهای شیمیایی مایع موجب مقبولیت استفاده گسترده از آنها گردیده است.
همچنین، امکان روشن و خاموش کردن به دفعات، کنترل پذیری مناسب و سابقه طولانی مدت استفاده موفقیت آمیز از تراسترهای تک پیشرانه سبب گشته است که این تراسترها به عنوان مهمترین و پرکاربردترین پیشرانهای مورد استفاده در حوزه پیشرانش فضایی شناخته شوند.
پیشرانه
هیدرازین مایعی بی رنگ، روغنی و قابل اشتعال با بویی شبیه به آمونیاک است که بسیار سمی، خطرناک و ناپایدار میباشد. به طور کلی، خواص فیزیکی هیدرازین بسته به میزان غلظت آن در محلول آبی تغییر میکند. به عنوان مثال، چگالی هیدرازین خالصتقریباً 1020 کیلوگرم بر مترمکعب و چگالی محلول آبی آن بسته به میزان غلظت از 1008 کیلوگرم بر مترمکعب 15 - درصد هیدرازین - تا 1032 کیلوگرم بر مترمکعب 64 - درصد هیدرازین - تغییر میکند. نقطه ذوب هیدرازین خالص در فشار اتمسفرتقریباً 2 درجه سانتیگراد میباشد که برای محلول آبی 35/2 درصد هیدرازین آنتقریباً به مقدار -64/6 درجه سانتیگراد کاهش مییابد.
همچنین، نقطه جوش هیدرازین خالص در حدود 114 درجه سانتیگراد میباشد که در محلول 15/4 درصد هیدرازین آن، این مقدار به 103 درجه سانتیگراد کاهش می-یابد. به طور کلی، محدوده دمایی نقطه جوش محلولهای آبی هیدرازین بسیار نزدیک به آب میباشد .[2] برخی از خواص فیزیکی و ترموشیمیایی هیدرازین خالص در جدول 1 نشان داده شده است.
جدول :1 برخی از خواص فیزیکی و ترموشیمیایی هیدرازین خالص
استاندارد استفاده از هیدرازین در تراسترهای تک پیشرانه شامل هیدرازین - حداقل 98/5 درصد - ، آب - حداکثر 1 درصد - ، ذرات ریز - حداکثر 1 میلی گرم بر لیتر - ، کلرید - حداکثر 0/0005 درصد - ، آنیلین - حداکثر 0/5 درصد - ، آهن - حداکثر 0/002 درصد - ، دیاکسید کربن - حداکثر 0/003 درصد - و دیگر مواد کربن دار - حداکثر 0/02 درصد - می باشد.
اگرچه تاکنون هیدرازین به دلیل برخورداری از انرژی فعال سازی کم و همچنین واکنش تجزیه خود به خودی به شدت گرمازا به عنوان پرکاربردترین پیشرانه مایع در تراسترهای تک پیشرانه فضایی مورد استفاده قرار گرفته است؛ اما سمی بودن هیدرازین و محصولات گازی ناشی از تجزیه آن، توجه بسیاری از شرکتهای فضایی را به سمت استفاده از پیشرانههای سبز نظیر هیدروژن پر اکسید1 معطوف نموده است. پیشرانه دیگری تحت عنوان هیدروکسیل آمونیوم نیترات2 علاوه بر آلودگی زیست محیطی کم، از مقدار ضربه ویژه بیشتری نسبت به هیدرازین برخوردار میباشد؛ اما کاربری آن در تراسترهای تک پیشرانه فضاییصرفاً در مرحله آزمایشگاهی گزارش گردیده است.
تراسترهای تک پیشرانه هیدرازینی
در شکل 1، نمونهای از یک تراستر تک پیشرانه هیدرازینی به همراه اجزای اصلی آن شامل فیلتر، شیر سلونوئیدی، انژکتور، بسترهای کاتالیست و نازل همگرا - واگرا به صورت شماتیک نشان داده شده است
شکل :1 شماتیک یک تراستر تک پیشرانه هیدرازینی
همان طور که در شکل 1 ملاحظه میگردد، جریان پیشرانه مایع - هیدرازین - پس از عبور از فیلتر به وسیله یک شیر سلونوئیدی که جزء جدایی ناپذیر یک تراستر تک پیشرانه میباشد، کنترل میگردد. به منظور آزاد سازی انرژی شیمیایی پیشرانه، از مکانیسم تجزیه استفاده میشود.
رایج ترین روش تجزیه پیشرانه، استفاده از بسترهای کاتالیستی میباشد. شل 405 - شامل 32 درصد فلز فعال ایریدیوم بر پایه گرانولهای گاما آلومینا - یکی از متداولترین کاتالیستهای مورد استفاده در تراسترهای تک پیشرانه هیدرازینی میباشد. هیدرازین با عبور از بستر کاتالیستی و طی یک واکنش به شدت گرمازا به محصولات داغ گازی شکل تجزیه میشود. در نهایت، گازهای داغ حاصل از تجزیه هیدرازین با عبور از یک نازل همگرا - واگرا تولید نیروی تراست میکنند.
نتایج تجزیه هیدرازین در تراستر تک پیشرانه
فرآیند تجزیه کاتالیستی هیدرازین در یک تراستر تک پیشرانه را میتوان به صورت ایده آل شامل دو مرحله اصلی در نظر گرفت و از واکنشهای میانی صرف نظر نمود. در مرحله اول، هیدرازین مایع طی یک واکنش به شدت گرماده3 مطابق رابطه - 1 - به گازهای آمونیاک و نیتروژن تجزیه میگردد.
در مرحله دوم، گاز آمونیاک حاصل از تجزیه هیدرازین مایع طی یک واکنش گرماگیر4 مطابق رابطه - 2 - به گازهای نیتروژن و هیدروژن تجزیه میگردد. سرعت واکنش مرحله دوم بسیار کمتر از سرعت واکنش مرحله اول میباشد.
فرآیند کلی تجزیه کاتالیستی هیدرازین در تراستر تک پیشرانه به صورت یک واکنش گرماده مطابق رابطه - 3 - میباشد که شامل محصولات گازی آمونیاک، نیتروژن، هیدروژن واحتمالاً مقدار کمی هیدرازین تجزیه نشده میباشد.
در رابطه - 3 - ، y به عنوان نرخ تجزیه هیدرازین بر حسب درصد و x به عنوان نرخ تجزیه آمونیاک بر حسب درصد شناخته میشوند. لازم به ذکر است، نرخ تجزیه آمونیاک به عوامل متعددی نظیر فشار محفظه واکنش، نوع کاتالیست، اندازه و هندسه محفظه واکنش و زمان ماند آمونیاک در بستر کاتالیست وابسته میباشد. حرارت حاصل از واکنش تجزیه هیدرازین مایع و گاز آمونیاک طبق رابطه - 4 - محاسبه میگردد.
کسر مولی محصولات گازی حاصل از تجزیه هیدرازین و آمونیاک با استفاده از روابط - 5 - الی - 8 - محاسبه میگردند.
کسر جرمی محصولات گازی حاصل از تجزیه هیدرازین و آمونیاک نیز با استفاده از روابط - 9 - الی - 12 - به دست میآیند.
جرم مولی مخلوط محصولات گازی حاصل از تجزیه هیدرازین و آمونیاک با استفاده از رابطه - 13 - محاسبه میگردد.
ثابت گاز مخلوط محصولات گازی حاصل از تجزیه هیدرازین و آمونیاک با استفاده از رابطه - 14 - محاسبه میگردد.
دمای آدیاباتیک در تراستر تک پیشرانه
با فرض آدیاباتیک بودن - عدم تولید و اتلاف حرارت - واکنش تجزیه هیدرازین و آمونیاک، معادله تعادل انرژی به صورت رابطه - 15 - بیان می-شود.
آنتالپیهای مولی به صورت روابط - 16 - الی - 20 - بیان میگردند.
در روابط - 16 - الی - 20 - ، نسبت دما به صورت رابطه - 21 - تعریف میگردد.
با فرض تجزیه کامل هیدرازین در تراستر تک پیشرانه، تغییرات کسر جرمی محصولات گازی حاصل از تجزیه هیدرازین شامل آمونیاک، نیتروژن و هیدروژن بر حسب نرخ تجزیه آمونیاک به صورت نمودار شکل 2 نشان داده میشود.
با جایگذاری روابط - 16 - الی - 20 - در معادله تعادل انرژی و حل معادله درجه دوم حاصل شده، تغییرات دمای آدیاباتیک محفظه واکنش بر حسب نرخ تجزیه هیدرازین و آمونیاک مطابق شکل 3 محاسبه میگردد.
شکل :2 تغییرات کسر جرمی محصولات گازی حاصل از تجزیه هیدرازین بر حسب نرخ تجزیه آمونیاک.
شکل :3 تغییرات دمای آدیاباتیک بر حسب نرخ تجزیه هیدرازین و آمونیاک.
