موتورهاي سوخت مايع

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: اكسيدكننده و احياشونده مايع، انجام مي.پذيرد. مجموعه اين احياشونده (سوخت) و اكسيدكننده، در اصطلاح پيشران ناميده مي.شوند. اين پيشران به صورت تفكيك.شده، در مخازني در موشك پرتابگر ذخيره و نگهداري مي.شود و هنگام روشن شدن راكت، به محفظه احتراق تزريق شده و باعث ايجاد احتراق و توليد نيروي رانش مي.شود [1]. كنستانتين تسيلكوفسكي روسي، پدر علوم راكتي، اولين كسي بود كه اصول راكت.هاي پيشران مايع را در كتاب خود تحت عنوان تحقيق و بررسي پيرامون فضاي بين.سياره.اي با استفاده از وسايل عكس.العملي، در سال 1896، مطرح كرد.

سال.ها بعد و بر پايه همين تئوري.ها براي اولين بار رابرت گودارد آمريكايي در 16 مارس 1926، يك راكت سوخت مايع را آزمايش كرد كه توانست طي 5/2 ثانيه پرواز، حدود 40 پا از زمين بلند شود [2،3]. موشك وي2 ارتش آلمان (تصوير2) در جنگ جهاني دوم اولين نمونه عملياتي و كاربردي يك راكت پيشران مايع به عنوان موتور يك موشك بود. سوخت اين راكت ساده، الكل و ماده اكسيدكننده آن، اكسيژن مايع بود [4].

تصوير 1- اولين موتور راكتي پيشران مايع جهان كه در سال 1926 توسط رابرت گودارد ساخته شد.
آغاز عصر فضا را مي.توان ثمره پيشرفت بشر در طراحي و ساخت راكت.هاي سوخت مايع دانست. اولين پرتابگرهاي قدرتمند تاريخ مانند ساترن-5 آمريكايي و انرگياي روسي با سامانه راكتي پيشران مايع كار مي.كردند. در اين سامانه.ها معمولاً از كروسين يا هيدروژن به عنوان سوخت و از اكسيژن مايع به عنوان اكسيدكننده استفاده مي.شد. موتور.هاي سوخت مايع در دهه.هاي 60، 70 و 80 پيشرفت بسيار زيادي كردند و نوع پيشران آنها دچار تغيير و تحولات عمده.اي شد. اما امروزه با پيشرفت فناوري، موتورهاي پيشران جامد توانسته.اند به دليل مزاياي نسبتاً زيادي كه دارند، تا حد زيادي جاي موتورهاي پيشران مايع را در صنايع فضايي بگيرند.

تصوير 2- برشي از بدنه موشك وي2 كه موتور راكتي پيشران مايع آن را نشان مي.دهد.

اجزا و نحوه عملكرد

موتورهاي پيشران مايع از 5 بخش اصلي تشكيل شده.اند كه عبارتند از:

مخازن سوخت و اكسيدكننده

مخازني هستند تعبيه شده در خارج از موتور كه پيشران.هاي مايع در داخل آنها نگهداري مي.شوند. در واقع اين مخازن را بيشتر مي.توان جزئي از موشك پرتابگر به حساب آورد تا خود موتور پيشران مايع. از آنجايي كه معمولاً پيشران.ها فشار بسيار بالا و دماي خيلي پاييني دارند، و از طرفي وزن اين مخازن لازم است تا حتي.الامكان كمتر باشد، طراحي آنها بسيار مشكل و با ملاحظات فراواني همراه است. معمولاً يك نوع گاز كه با مايع سوخت يا اكسيدكننده به هيچ.وجه واكنش نمي.دهد، با فشار بالا به داخل اين مخازن تزريق مي.شود تا نوعي فشار پشت.دستي را براي هدايت هرچه بيشتر پيشران.ها پديد آورد.

توربوپمپ

اين زيرسامانه پيشران.هاي مايع را از مخازن مكيده و با فشار و دبي مناسب به سمت محفظه احتراق هدايت مي.كند. به تعبيري مي.توان توربوپمپ را قلب يك موتور پيشران مايع دانست. براي هر يك از اكسيدكننده و سوخت، توربوپمپ.هاي جداگانه.اي به كار مي.رود. انرژي توربوپمپ.ها معمولاً از يك مولد گاز و توربين تامين مي.شود. بخشي از سوخت و اكسيدكننده درمسير محفظه احتراق وارد اين مولد گاز مي.شوند و با پس از واكنش گازهايي را حاصل مي.كنند كه باعث كار توربين و به تبع آن توربوپمپ.ها مي.شود. البته لازم به ذكر است در برخي از موتورهاي پيشران مايع كوچك.تر (كه البته در صنعت فضايي كاربرد ندارند)، پيشران.ها با همان فشار پشت.دستي مخازن به داخل محفظه احتراق تزريق مي.شوند و نيازي به توربوپمپ نيست [1]. در موتورهاي پيشران مايع كه در مراحل بالايي پرتابگرها استفاده مي.شوند و همچنين در موتورهاي پيشران مايع فضايي، كه در ماهواره.ها و فضاپيماها براي كنترل و تغيير مسير استفاده مي.شوند، نيز به دليل فشار كمتر محفظه احتراق، در بسياري موارد توربو.پمپ وجود نداشته و سامانه با فشار پشت.دستي محفظه.هاي پيشران كار مي.كند. به لحاظ مهندسي اگر فشار محفظه احتراق كمتر از 30 بار باشد، استفاده از توربوپمپ توجيهي ندارد.

تزريقگر (تصاوير 3 و 4)

تزريقگرها در ورودي محفظه احتراق قرار مي.گيرند و وظيفه دارند تا پيشران.هاي مايع (سوخت و اكسيدكننده). را به صورت ذراتي بسيار كوچك با زاويه، سرعت و قطر كاملاً معين به داخل محفظه احتراق بپاشند. تزريقگرها انواع مختلفي دارند و يكي از پيچيده.ترين و حساس.ترين قسمت.هاي يك موتور پيشران مايع هستند.

تصوير 3- صفحه تزريقگر راكت آجنا

تصوير 4- نقاط سبز و قرمز نمايي از تزريقگرها را نمايش مي.دهند. محفظه احتراق (تصوير 5)
محفظه احتراق محلي است كه در آن سوخت و اكسيدكننده پس از عبور از تزريقگر با يكديگر مخلوط شده و طي يك واكنش شيميايي مشتعل مي.شوند. محفظه.هاي احتراق موتورهاي پيشران مايع دما و فشارهاي بسيار بالايي را تحمل مي.كنند. محفظه.هاي احتراق پيشرفته امروزي تا فشار 400 بار را هم تحمل مي.كنند [1]. در حالي كه در دهه 50 و 60 حداكثر اين مقدار حدود 110 بار بود [4]. فشار محفظه احتراق، پايه.اي.ترين عامل در طراحي و تعيين ويژگي.هاي ساير قسمت.هاي يك موتور پيشران مايع است.
نازل (تصوير5)
بخش انتهايي موتور پيشران مايع است كه گازهاي بسيار داغ و پر سرعتي كه از محفظه احتراق خارج مي.شوند را به فضاي بيرون هدايت مي.كند. انتقال مومنتوم اين گازهاي داغ خروجي بخشي از نيروي رانش راكت را ايجاد مي.كند. نازل نيز به لحاظ طراحي و فناوري ساخت يكي از قسمت.هاي بسيار پيچيده موتور پيشران مايع محسوب مي.شود.
تصوير شماره 6، نمايي از نحوه ارتباط اين پنج بخش را نشان مي.دهد. بايد توجه داشت كه ده.ها زيرسامانه ديگر در كنار اين پنج بخش وجود دارند كه ارتباط بين بخش.ها و همچنين كنترل كل سامانه را بر عهده دارند. برخي از اين زيرسامانه.ها عبارتند از: لوله.كشي.ها، تامين.كننده فشار پشت.دستي مخازن، تخليه.كننده پسماند پيشران، آتشزنه، روغن.كاري.كننده (براي توربو پمپ)، تامين.كننده توان براي توربوپمپ، خنك.كننده.ها، پايداركننده.ها، تثبيت.گرها، كنترل.كننده سرعت و جهت بردار رانش، كنترل سامانه و غيره [5].

تصوير 5- محفظه احتراق (بخش كروي.) و نازل (بخش كشيده) يك راكت پيشران مايع عملكرد هر يك از اجزاي يك موتور پيشران مايع، تاثيرات بسيار زياد و پيش.بيني.نشده.اي بر ساير قسمت.ها دارد و همچنين عملكرد كلي سامانه، تاثيرات ويژه.اي را بر هر يك زيرسامانه.ها دارد. لذا طراحي و ساخت يك راكت سوخت مايع جديد نيازمند تعداد بسيار زيادي آزمايش و داده.برداري است كه موتور پيشران مايع را به يكي از پيچيده.ترين مصنوعات ساخت بشر تبديل كرده است.

تصوير 6- نحوه ارتباط بخش.هاي يك موتور راكتي پيشران مايع
انواع موتور.هاي پيشران مايع

موتورهاي پيشران مايع را مانند هر سامانه مهندسي ديگر، مي.توان بر اساس معيارهاي مختلفي دسته.بندي كرد. معيارهاي از قبيل: نوع پيشران، نسل، مرحله مورد استفاده در پرتابگر، مقدار نيروي رانش و غيره. اما پايه.اي.ترين و دقيق.ترين دسته.بندي به لحاظ طراحي- مهندسي، تقسيم اين موتور.ها به دو دسته سيكل باز و سيكل بسته است. همان.گونه كه پيشتر ذكر شد، توربوپمپ.ها انرژي خود را از يك مجموعه مولد گاز و توربين دريافت مي.كنند. اساس اين نوع تقسيم.بندي، نحوه استقرار اين مولد گاز و توربين در سامانه است:
موتور.هاي پيشران مايع سيكل باز در اين نوع موتور.ها مولد گاز بخش كوچكي از سوخت و اكسيدكننده را دريافت كرده، توربين را به گردش واداشته و در نهايت محصولات احتراق آن از يك نازل كوچك فرعي خارج مي.شوند.موتور.هاي پيشران مايع سيكل بسته در اين نوع موتور، بخش بزرگي از سوخت يا اكسيدكننده وارد مولد گاز شده و توربين را به حركت در مي.آورند. سپس گازهاي خروجي از توربين كه هنوز داراي مقدار زيادي سوخت يا اكسيدكننده هستند، از يك مسير خاص وارد محفظه احتراق اصلي راكت مي.شوند.
اصولاً سامانه.هاي سيكل بسته بازده بيشتري دارند و موتور.هاي پيشران مايع پيشرفته.تر از اين نوع استفاده مي.كنند.

مزايا و معايب موتور.هاي پيشران مايع در مقايسه با موتور.هاي پيشران جامد

پايه.اي.ترين تفاوت به لحاظ طراحي- مهندسي بين موتورهاي پيشران مايع و جامد در اين است كه در موتور.هاي پيشران مايع، نيروي رانش كمتر اما در مدت زمان بيشتر توليد مي.شود. اما در موتورهاي پيشران جامد، نيروي پيشران بيشتري در مدت زمان كمتري توليد مي.شود. به همين دليل است كه در بسياري از پرتابگرهاي معروف (به.ويژه در غرب)، معمولاً موتور.هاي پيشران جامد به صورت بوسترهايي هستند كه در مرحله اول پرتاب به كمك پرواز پرتابگر مي.آيند. در اين پرتابگرها موتور اصلي در واقع موتور پيشران مايعي است كه بعد از بوسترها به صورت كامل و با تمام توان روشن مي.شود و پرتابگر را در طول مسير خود مي.راند. سامانه پرتاب شاتل فضايي نمونه.اي از اين مورد است.
يكي از مزاياي اصلي موتورهاي پيشران مايع نسبت به پيشران جامد، قابليت كنترل به نسبت راحت نيروي رانش در آنهاست. به بيان ديگر، در موتور.هاي پيشران مايع، نيروي رانش را مي.توان با تغيير نسبت اختلاط اجزاي پيشران، تقريباً مشابه تغيير سرعت با استفاده از پدال گاز در اتومبيل، كنترل كرد؛ امري كه در موتور.هاي اوليه پيشران جامد امكان.پذير نبود. البته در سال.هاي اخير با پيشرفت فناوري كنترل نيروي رانش در موتور.هاي پيشران جامد، اين ويژگي موتور.هاي پيشران مايع قدري كم.رنگ شده است.
يكي ديگر از مزاياي موتور.هاي پيشران مايع، فناوري به نسبت قابل اعتماد آنهاست. اين بدين معنا نيست كه سامانه آنها از پيچيدگي و حساسيت كمتري نسبت به موتور.هاي پيشران جامد برخوردار است. اين مزيت را فقط به دليل قديمي.تر بودن و آزمايش پس.داده.تر بودن انواع شناخته.شده آنها مي.توان به موتور.هاي پيشران مايع نسبت داد. همان.گونه كه اشاره شد، موتور.هاي پيشران مايع با آغاز عصر فضا به كار گرفته شدند و تا سال.هاي متمادي، بيشتر پرتابگرها از اين نوع پيشران استفاده مي.كردند. امروزه، اين ويژگي موتور.هاي پيشران مايع نيز ديگر منحصر به.فرد محسوب نمي.شود.
عيب بزرگ موتور.هاي پيشران مايع، بازرسي، نگهداري و عمليات آماده.سازي بسيار مشكل آنهاست كه هزينه.هاي آنها را بالا مي.برد. همچنين پيچيده.تر بودن زيرسامانه.هاي اين نوع موتور باعث افزايش هزينه و قيمت آنها مي.شود. از اين رو، دنياي صنعت فضايي در طي چند دهه اخير بيشتر به سمت موتور.هاي پيشران جامد روي آورده است كه عموماً كم.هزينه.تر و داراي عملياتي بسيار ساده..تر هستند.

مثالي از نحوه عملكرد يك موتور پيشران مايع

موتور سوخت مايع آردي- 107، يكي از اولين موتورهاي موشكي اتحاد جماهير شوروي است كه كار طراحي آن از سال.هاي اوليه دهه 50 ميلادي شروع شد و در سال 1957، به صورت كاملاً عملياتي درآمد [2]. اين شاهكار مهندسان صنعت هوافضاي شوروي از نوع سيكل باز و داراي قابليت .اطمينان و كارآيي بسيار بالايي بود، به طوري كه انواعي از آن تا اوايل دهه 90 نيز در پرتابگرهاي مختلف مورد استفاده قرار مي.گرفت. اين موتور پيشران مايع، داراي چهار مجموعه مستقل محفظه احتراق و نازل اصلي و همچنين دو مجموعه محفظه و نازل فرعي (جهت كنترل وضعيت موشك) بود كه هر شش مورد از يك توربوپمپ تغذيه مي.شدند.
نوع بهينه.سازي شده اين موتور، آردي- 108 نام داشت. اين موتور دو مجموعه نازل و محفظه احتراق فرعي از نوع اوليه خود بيشتر داشت كه البته آنها هم از يك توربوپمپ واحد تغذيه مي.شدند. اين نوع بهينه.سازي شده معمولاً در مرحله دوم پرتابگرها استفاده مي.شد، لذا نازل.هاي آن به لحاظ ابعاد و اندازه قدري از آردي- 107 بزرگ.تر بود. به واقع مي.توان گفت عصر فضا با ساخت اين خانواده موتور آغاز شد. نقشه ساده. شده اين موتور در تصوير شماره 7 آمده است.

تصوير 7- نماي موتور پيشران مايع و سيكل باز آردي- 107

با توجه به تصوير 7، مراحل و نحوه كار موتور، در ادامه ارائه مي.شود:
1- با صدور سيگنال روشن شدن، شير شماره 1 باز مي.شود و گاز هليوم تحت فشار پس از عبور از رگلاتورهايR2 و R3 به مخازن سوخت و اكسيدكننده وارد مي.شود و با ايجاد فشار پشت.دستي بالا، مايعات پيشران را به سمت توربوپمپ.ها روانه مي.كند.
2- شيرهاي ديافراگمي 3 و 4 باز شده و سوخت و اكسيدكننده به پمپ.ها وارد مي.شوند.
3- مولد گاز پيشران جامد، توربين را راه مي.اندازد و بدين.وسيله پمپ.ها شروع به كار مي.كنند.
4- شيرهاي 5، 6، 7 و 8 باز مي.شوند.
5- قسمتي از سوخت و اكسيدكننده به طرف محفظه احتراق رفته و آتش.زنه محفظه احتراق عمل مي.كند. همزمان قسمتي از آن پس از عبور از شيرهاي 7 و 8 و تثبيت.كنندهRf و پايداركننده Sgg وارد مولد گاز مي.شود.
6- پس از مدت بسيار اندكي و با تمام شدن خرج جامد مولد گاز سوخت جامد، محصولات احتراق مولد گاز كه حالا فعاليت خود را آغاز كرده است، توربين را به حركت در مي.آورند. در اين مرحله مولد گاز سوخت جامد از دور خارج شده است.
7- به طور همزمان، شيرهاي 13 و 14 باز شده و مولد گاز كوچكي (غير از مولد گاز اصلي كه توربين را پشتيباني مي.كند)، محصولات احتراق غني از سوخت پرفشار خود را جهت تامين فشار پشت.دستي و همچنين حرارت دادن به سوخت، به مخزن سوخت مي.فرستد. در محصولات احتراقي كه به پشت.دست مخزن اكسيدكننده وارد مي.شوند، بايد مقادير بسيار بسيار اندك و بي.اثري از اكسيدكننده وجود داشته باشد. از اين رو، در اصطلاح طراحي به آن غني از سوخت گفته مي.شود.
8- به منظور بالا بردن دماي اكسيدكننده، قبل از رسيدن به محفظه احتراق، اكسيدكننده از طريق شير 11 وارد يك مبدل حرارتي كه در مسير گازهاي خروجي توربين قرار دارد مي.شود، حرارت گرفته و مجدداً به مخزن باز مي.گردد. گازهاي خروجي توربين از طريق اگزوز خارج مي.شوند.
9- پايداركننده.هايScc وSgg براي پايدارسازي جريان.هاي سوخت و اكسيدكننده قبل از ورود به محفظه احتراق و مولد گاز به كار مي.روند. پايداركنند.ه.ها معمولاً فقط در مسيرهايي تعبيه مي.شوند كه دبي جرمي كمتري از آنها عبور مي.كند.
10- تثبيت.كننده جريان Rf كه قبل از مولد گاز توربين قرار دارد، با تنظيم مقدار سوخت وارد شده به مولد و به تبع آن، تنظيم توان توربوپمپ، عملاً نقش تنظيم.كننده نيروي پيشرانش (يا در اصطلاح عاميانه، دسته گاز) را در كل موتور ايفا مي.كند.
11- سوخت قبل از ورود به تزريقگر، با عبور از جداره نازل، حرارت گرفته و به خنك.كاري نازل نيز كمك مي.كند.
12- پس از اتمام كار موتور و افت مشخص فشار محفظه احتراق، شير شماره 2 باز مي.شود و نيتروژن مايع به داخل لوله.هاي سوخت و اكسيدكننده جاري مي.شود و باقي.مانده آنها را از طريق شير شماره 12 خالي مي.كند. خاموش شدن موتور، عملياتي كاملاً كنترل شده است و تصور اينكه موتور با تمام شدن سوخت و اكسيدكننده به طور خودبه.خود خاموش شود، كاملاً اشتباه است. هر قدر خاموش شدن موتور (به.ويژه در موتورهاي چندمرحله.اي) كنترل.شده.تر باشد، كنترل و دقت مراحل بعدي موشك پرتابگر بهتر صورت خواهد گرفت.
13- برخي مشخصات اين موتور عبارتند از:
فشار كاري محفظه احتراق: 5/58 اتمسفر، زمان كاركرد: 140 ثانيه، ايمپالس ويژه در سطح دريا/خلاء: 255 ثانيه/310 ثانيه، ايمپالس ويژه نازل خروجي مولد گاز: 45 ثانيه، دبي جرمي مولد گاز: 8/8 كيلوگرم بر ثانيه، نيروي پيشرانش در سطح دريا/خلاء: 1/82 تن/100 تن، سوخت: كروسين، اكسيدكننده: اكسيژن مايع