سوخت مایع در صنعت هوا فضا(1)

چكیده

آغاز عصر فضا به نوعی مرهون پیشرفت بشر در طراحی و تولید موتورهای سوخت مایع است. اولین پرتابگرهای شوروی و آمریكا همه از موتورهای سوخت مایع استفاده می كردند. این نوع موتورها فناوری طراحی و ساخت بسیار بالایی داشتند. دو جزء تفكیك شده اكسیدكننده و احیاشونده مایع، معمولا عمل پیشرانش را در این موتورها انجام می دادند. امروزه موتورهای سوخت جامد تا حد زیادی جای موتورهای سوخت مایع را گرفتها ند.

مقدمه

موتور سوخت مایع، موتوری است كه عمل احتراق شیمیایی در آن با استفاده از یك یا چند ماده اكسیدكننده و احیاشونده مایع، انجام میپذیرد. مجموعة این مواد، به اصطلاح پیشران 1 نامیده می شود.

این پیشران به صورت مجزا، در مخازنی در موشك پرتابگر ذخیره و نگهداری می شود و هنگام روشن شدن راكت، به محفظه احتراق تزریق شده و باعث ایجاد احتراق و تولید نیروی رانش می شود كنستانتین تسیلكوفسكی روسی، پدر علوم راكتی، اولین كسی بود كه اصول راكت هاى پیشران مایع را در كتاب خود تحت عنوان "تحقیق و بررسی پیرامون فضای بین سیارها ی با استفاده از وسایل عكس العملی در سال 1896 ، مطرح كرد. سال ها بعد و بر پایه همین تئوری ها برای اولین بار رابرت گودارد 4 آمریكایی در 16 مارس 1926 ، راكت سوخت 2 ثانیه پرواز، حدود / مایعی را آزمایش كرد.

آغاز عصر فضا را میتوان ثمره پیشرفت بشر در طراحی و ساخت راكت های سوخت مایع دانست. اولین پرتابگرهای قدرتمند تاریخ مانندساترن 5 آمریكایی و انرگیای روسی با سامانه پیشرانه سوخت مایع كار می كردند. معمولاً كروسین 6 یا هیدروژن سوخت این سامانه ها و اكسیژن، مایع اكسید كننده آنهاست. راكت های سوخت مایع در دهه های 60، 70 و 80 پیشرفت بسیار زیادی كردند و پیشران آنها تغییر و تحولات عمده ا ی كرد. اما امروزه با پیشرفت فناوری، موتور هاى سوخت جامدتوانسته ا ند به دلیل مزایای نسبی زیاد، تقریبا جای راكت های سوخت مایع را در صنایع فضایی بگیرند.

اجزا و نحو? عملكرد

راكت های سوخت مایع از 5 بخش اصلی تشكیل شدها ند:

1- مخازن سوخت و اكسیدكننده

مخازنی در خارج از راكت اند كه پیشران های مایع در داخل آنها نگهداری می شوند. در واقع این مخازن را بیشتر میتوان جزئی از موشك پرتابگر به حساب آورد تا خود موتور پیشران مایع. از آنجایی كه معمولاً پیشران ها فشار بسیار بالا و دمای خیلی پایینی دارند، و از طرفی لازم است تا وزن این مخازن تا حد امكان كم باشد، طراحی آنها بسیار مشكل و با ملاحظات فراوانی همراه است. معمولاً یك نوع گاز كه با مایع سوخت یا اكسیدكننده به هیچ وجه واكنش نمی دهد، با فشار بالابه داخل این مخازن تزریق می شود تا نوعی فشار پشت دستی را برای هدایت هرچه بیشتر پیشران ها پدید آورد.

2-توربوپمپ

این زیرسامانه، پیشران های مایع را از مخازن مكیده و با فشار و دبی مناسب به سمت محفظه احتراق هدایت می كند. به عبارتی میتوان توربوپمپ را قلب یك موتور پیشران مایع دانست. برای اكسیدكننده و سوخت، توربوپمپ های جداگانه ا ی به كار می رود. انرژی توربوپمپ ها معمولاً از یك مولد گاز و توربین تامین می شود. بخشی از سوخت و اكسیدكننده درمسیر محفظه احتراق وارد این مولد گاز می شوند و پس از واكنش گازهایی تولید می كنند كه باعث كار توربین و به تبع

آن توربوپمپ ها می شود. البته در برخی از موتور هاى پیشران مایع كوچك تر (كه البته در صنعت فضایی كاربرد ندارند) پیشران ها با همان فشار پشت دستی مخازن به داخل محفظه احتراق تزریق می شوند و نیازی به توربوپمپ نیست . در موتورهاى پیشران مایع كه در مراحل بالایی پرتابگرها استفاده می شوند و همچنین در راكت های سوخت مایع فضایی، كه در ماهواره ها و فضاپیماها جهت كنترل و تغییر مسیر استفاده می شوند نیز، به دلیل فشار كمتر محفظة احتراق، در بسیاری موارد توربوپمپ وجود نداشته و سامانه با فشار پشت دستی محفظه های پیشران كار می كند. به لحاظ مهندسی اگر فشار محفظة احتراق كمتر از 30 بار باشد، استفاده از توربوپمپ توجیهی ندارد.

3-تزریقگر

تزریقگرها در ورودی محفظه احتراق قرار می گیرند و وظیفة پاشیدن پیشران های مایع (سوخت و اكسیدكننده) را به صورت ذراتی بسیار كوچك با زاویه، سرعت و قطر كاملاً معین به داخل محفظه احتراق بر عهده دارند. تزریقگرها انواع مختلفی دارند و یكی از پیچیده ترین و حساس ترین قسمت های یك موتور پیشران مایع هستند.

4- محفظه احتراق

محفظه احتراق محلی است كه در آن سوخت و اكسیدكننده پس از عبور از تزریقگر با یكدیگر مخلوط شده و طی یك واكنش شیمیایی مشتعل می شوند. محفظه های احتراق موتور هاى پیشران مایع دما و فشارهای بسیار بالایی را تحمل می كنند. محفظه های احتراق پیشرفته امروزی تا فشار 400 بار را نیز تحمل می كنند . در حالی كه در دهه 50 و 60 بیشینة این مقدار حدود 110 بار بود . فشار محفظة احتراق، اولین و مهمت رین عامل در طراحی و تعیین ویژگی های سایر قسمت های

یك موتور پیشران مایع است.

5-نازل

بخش انتهایی موتور سوخت مایع است و گازهای بسیار داغ و پر سرعتی را كه از محفظه احتراق خارج می شوند، به فضای بیرون هدایت می كند. انتقال مومنتوم این گازهای داغ خروجی بخشی از نیروی رانش راكت را ایجاد می كند. نازل نیز به لحاظ طراحی و فناوری ساخت، یكی از قسمت های بسیار پیچیده موتور سوخت مایع محسوب می شود.

باید توجه داشت كه ده ها زیرسامانه دیگر در كنار این پنج بخش وجود دارند كه ارتباط بین بخش ها را برقرار و همچنین كل سامانه را كنترل می كنند. برخی از این زیرسامانه ها عبارتند از:

لوله كشی ها، تامین كننده فشار پشت دستی مخازن، تخلیه كننده پسماند پیشران، آتشزنه 9، روغن كاری كننده (برای توربو پمپ)، تامین كننده توان توربوپمپ، خنك كننده ها، پایداركننده ها 10 ، تثبیت گرها 11 ، كنترل كننده سرعت و جهت بردار رانش، كنترل سامانه و غیره عملكرد هر یك از اجزای یك موتور سوخت مایع، تاثیرات بسیار زیاد و پیشبینین شدها ی بر سایر قسمت ها دارد و عملكرد كلی سامانه نیز، بر هر یك از زیرسامانه ها تاثیرات ویژها ی می گذارد. لذا طراحی و ساختیك راكت سوخت مایع جدید، نیازمند آزمایش ها و داده برداری های زیاد است. همین دلیل، موتور سوخت مایع را به یكی از پیچیده ترین مصنوعات ساخت بشر تبدیل كرده است.

ادامه دارد...

تهیه کننده : محسن مرادی