Engineer Airospace
7th September 2014, 04:57 PM
پیشرانه های شیمیایی روشی ساده و موثر برای پیشرانش موشک ایجاد می کنند. دو نوع مجزا از پیشرانه های موشک مورد نظرند: پیشرانه های جامد و پیشرانه های مایع. انتخاب مابین این دو پیشرانه به نیاز سیستم بستگی دارد. پیشران چیست؟
اساس کار موشکها قانون سوم نیوتن است: هر کنشی ، واکنشی برابر و در جهت مخالف دارد. برای اینکه موشکها به سمت جلو خیز بردارند، باید چیزی به سمت عقب خیز بردارد. آن چیز، پیشران است. پیشران ماده است که از عقب راکت فضاپیما با فشار خارج می‌شود و باعث رانش به سمت جلو یا نیروی پرتاب می‌شود. غالبا ، پیشران نوعی سوخت است که با یک اکسید کننده می‌سوزد تا حجم زیادی از گازهای بسیار داغ تولید کند. این گازها منبسط می‌شوند؛ تا جایی که با شدت از عقب موشک خارج شوند و نیروی پرتاب یا پیشرانش تولید کنند.
مشخصات یک پیشرانه ایده آل:
هر چند پیشرانه ایده آل وجود خارجی ندارد ولیکن موارد زیر به عنوان مشخصات یک پیشرانه ایده آل شناخته شده اند.
الف – آزاد کردن انرژی شیمیایی به میزان زیاد
ب – وزن مولکولی کم محصولات احتراق
ج – پایداری کافی
و – مقاومت در برابر اشتعال ناگهانی یا ضربه
ز – داشتن حداکثر استحکام فیزیکی
ح – تغییر بسیار کم در حجم با تغییر دما
ط – خنثی بودن شیمیایی
ی – سهولت ذخیره
ک – حساسیت کم به وجود ناخالصی ها
ل – عدم تغییر ویژگی های فیزیکی و احتراقی با تغییر در دما
م – تولید گازهای خروجی غیر قابل رویت
چگالی گرین سوخت جامد به حدی بالاست که امکان کوچک شدن ابعاد موشک را فراهم میسازد.
س – تولید گازهای خروجی غیرسمی، غیرخورنده و غیر روشن
ع – سهولت کارکرد
ف – ارزانی، ایمنی و سهولت در حمل و کار کردن
ض – قابلیت سوختن با سرعت پایدار و قابل پیش بینی در شرایط عملیاتی موتور
ق – سازگاری اجزای پیشرانه با همدیگر
جمع بندی:
در عمل به ندرت اتفاق می افتد که یک پیشرانه تمام ویژگی های مذکور را (به طور همزمان) داشته باشد. بنابراین، لازم است که موازنه ای مابین خواص مورد نیاز در پیشرانه ایجاد کرد. به عنوان مثال، تهیه پیشرانه ای که هم انرژی بسیار بالاتولید کند و هم آسیب رسانی کمتری به محیط زیست داشته باشد بسیار مشکل است. چنانکه می دانیم پرکلرات آمونیوم اکسید کننده ای است که علاوه بر تولید اکسیژن کافی ، انرژی احتراقی زیادی نیز تولید می کند ولی گازهای حاصل از احتراق پیشرانه های حاوی پرکلرات آمونیوم و فلز آلومینیوم به محیط زیست آسیب می رسانند و علاوه بر این گازهای خروجی از شیپوره (در این پیشرانه ها) قابل رویت هستند.
همچنین تهیه یک پیشرانه ای که پایداری کافی داشته باشد و ضمناً انرژی زیادی نیز تولید کند در عمل بسیار مشکل است برای اینکه پیشرانه هایی که انرژی زیادی از احتراق آنها ایجاد می شود معمولاً ناپایدارند تولید بسیاری از پیشرانه های با انرژی زایی بالا و غیر مضر به محیط زیست بسیار هزینه بر می باشد بنابراین، نمی توان در عمل همه این ویژگی ها را در یک پیشرانه جمع کرد.
در انتخاب یک پیشرانه برای یک کاربرد خاص باید مشخص شود که کدام ویژگی ها اهمیت بیشتری دارند. با این همه، در سالهای اخیر محققان زیادی تلاش کرده اند که پیشرانه هایی را تهیه کنند که تا حدی ویژگی های یک پیشرانه ایده آل را (به طور همزمان) داشته باشند ولی هنوز در این راه قدم های اولیه برداشته شده و تا
اصول اساسی موشک های سوخت جامد:
در موشک های سوخت جامد، سوخت به طور مستقیم درون محفظۀ احتراق ذخیره می شود و گاهی اوقات به طور سربسته و محکم برای ذخیره سازی طولانی مدت (5 تا 20 سال) درون محفظه آب بندی می شود. موتورهای سوخت جامد در شکل ها و اندازه های مختلف می باشند، که نیروی تراست آن ها از 2 نیوتن تا 4 میلیون نیوتن متفاوت می باشد. معمولا موتورهای سوخت جامد فاقد هرگونه اجزای متحرکی می باشند البته امروزه بعضی موتورهایی طراحی شده اند که شامل اجزای متحرک می باشند.
در بعضی حالتها برای دستیابی به عملکرد بالاتر، از گرد فلزاتی همچون آلومینیوم همراه با اکسنده اضافی استفاده می شود.
گردهای فلزی:
با افزودن گردهای فلزی به پیشرانهای جامد، ضربۀ ویژه(سرعت تقریبی خروج گازها) و چگالی آنها را می توان افزایش داد. فلزاتی که تاکنون به کار رفته یا بررسی شده اند، شامل آلومینیوم، منیزیم، تیتانیوم، بور اند. معمولاً این فلزات به صورت ذراتی با گسترۀ اندازۀ 10 تا 40 µm به طور اتفاقی با اجزای دیگر آمیخته می شوند. در خلال سوختن،سطوح درونی پوسته که به طور مستقیم در معرض گازهای داغ می باشند، توسط لایه هایی از عایق محافظت می شوند. پوسته معمولا از فلزاتی از قبیل فولاد، آلومینیوم یا تیتانیوم و یا از مواد کامپوزیتی ساخته می شود.
سوخت جامد، برخلاف سوخت مايع به محفظه تزريق نمي‌شود. كل سوخت در خود محفظه قرار داده مي‌شود و پس ازاحتراق كاملا در معرض آتش قرار دارد و اگر احتراق شروع شده باشد، ديگر به سختي مي‌توان در فرآيند سوختن آن دست‌برد.
تلاش در حل مشكل كنترل موتور سوخت‌هاي جامد، هنوز به نتيجه قطعي نرسيده است.. به داشت، خبري نيست.
موتور سوخت جامد كاملا از ديگر المان‌ها مستقل است، به طوري كه مي‌توان آن را ماننديك مجموعه جدا طراحي كرد.
Grain (حبه هاي سوخت)
گرين ها معمولا به شكل سوخت واكسيد آمونيوم يكي از رايج ترين اكسيد كننده هاست.APCP
(Ammonium Perchlorate Composite Propellant)
HTPB هیدروکسیل ترمینیتد پلی بوتادین (Hydroxyl-Terminated Poly Butadiene)، از معروف ترین سوخت های جامد می باشد. سوخت و اکسیدایزر با درصدهای مختلف با یکدیگر ترکیب می شوند.
گاز خروجي محتوي اسيد هيدروكلريك و سولفات آلومينيوم است. اينها بر محيط زيست تاثير منفي دارد. بعلاوه از لحاظ استفاده‌ي نظامي دود دنباله‌ي آن وذرات داغ آن تشعشع مادون قرمزدارد واين شناسايي آن را ممكن مي سازد. اين مشكلات منجر به تحقيق درباره گرين‌هايي بي دود از جنس نيتروژن و مولكول هاي آلي گشت.
گرين براساس هدف هاي موشك شكل هاي متفاوتي دارد.در موشك هايي كه آرام و زمان زيادي مي سوزد از گرين استوانه اي استفاده مي شود .
شكل گرين ها بر شكل نيروها تاثير دارد. مثلا شكل ستاره اي باعث افزايش ضربه اصلي مي‌شود زيرا سطح تماس آن ها در لحظه‌ي اول زياد است ولي پس از مدتي دوباره سطح تماس عادي مي شود.
مزایا و معایب موشک های سوخت جامد:
1) مزایا:
سازه ساده ای دارد.
معمولا ارزان تر از موشک های سوخت مایع هستند.
محفظه موتور دو عملکرد دارد که علاوه بر مخزن، محفظه احتراق نیز می باشد.
هیچ سیستم جانبی ندارد.
زمان سرویسهای قبل از پرتاب آن بسیار کم است.
چگالی گرین سوخت جامد به حدی بالاست که امکان کوچک شدن ابعاد موشک را فراهم می سازد.
برای حالت سکوی پرتاب موبایل (قابل حمل) بسیار مناسب می باشد.
برای مثال: موشک Polarisبا طول 8.53 متر) از یک زیر دریایی در زیر آب قابل پرتاب می باشد. )
2) معایب:
ضربه ویژه آنها پایین می باشد.
در حال حاضر ضربه ویژه در خلاء آنها حدود 270-300 sec می باشد. ولی ضربه ویژه مخصوص پیشرانهای مایع خیلی بیشتر است،ضربه ویژه تقریبا برابر 450 sec می باشد.
موشکهای سوخت جامد برد بلند حتما به صورت چند مرحله ای هستند، و گرین سوخت جامد از چندین بخش تشکیل شده است. تولید و مونتاژ چنین موشکهایی دارای مشکلات بسیاری می باشد.
انواع شکل های هندسی مختلف گرین های سوخت جامد
شکل هندسی سوخت درون موتور موشک سوخت جامد نقش اساسی در عملکرد موشک ایفا می کند. سطح مقطع گرین های سوخت جامد به شکل های مختلفی می باشد که با توجه به شکل هندسی گرین، تراست موشک ممکن است فزاینده (progressive)، کاهنده (regressive) و یا خنثی (ثابت) (neutral) باشد. یا اینکه ممکن است که تراست در بازه ای از زمان فزاینده و در بازه زمانی دیگر کاهنده یا خنثی باشد.
فشار محفظه احتراق موشک سوخت جامد رابطه مستقیم با سطح سوزش دارد و سطح سوزش نیز به شکل هندسی گرین بستگی دارد. مثلا اگر شکل هندسی گرین به صورتی باشد که پس از شروع احتراق سطح سوزش روبه افزایش باشد آنگاه تراست موشک افزایش می یابد و اگر سطح سوزش رو به کاهش باشد، تراست نیز سیر نزولی را طی می کند.
در برخی از موتورهای موشک از ترکیبی از چند نوع هندسه گرین مختلف برای سوخت موشک استفاده می شود.
پیشرانه موشک دو بخش داره. سوخت و اکسید کننده.اکسید کننده یک ترکیب اکسیژن دار هست.
تاریخچه سوخت جامد
روند توسعه و تکامل سوخت‌های جامد مورد استفاده در راکتها و موشکهای بزرگ در سالهای پیش از جنگ جهانی دوم در آمریکا آغاز شد. یکی از اولین کسانی که در آمریکا تحقیقات مهمی در این زمینه انجام داد "رابرت گدارد" بود. در اوایل دهه 40 میلادی یک گروه از محققان از جمله "فون کارمن" و "پارسونز" در مرکز تحقیقاتی معروف "گلسیت" روی پروژه موسوم به جِی‌تو (واحد راکت کمکی موتور جت) کار می‌کردند. کارهای این گروه در زمینه سوخت جامد مرکب در سالهای بعد در مرکز جِی‌پی‌ال در سال 1944 پس از اعمال تغییرات در گلسیت تشکیل شد) توسط "چارلز بارتلی" تکمیل شد. در آن سال‌ها کشف افزودن مقدار زیادی پودر آلومینیوم به سوخت جامد به طور چشمگیری شاخص ضربه (ایمپالس)ویژه این سوخت‌ها را افزایش داد و منجر به ساخت موتورهای بزرگ شد. در اواخر دهه 40 نیز جایگزینی "آمونیوم پرکلرات" به جای "پتاسیم پرکلرات" به عنوان اکسید کننده تحول دیگری به وجود آورد.
به هر صورت سوخت جامد تا امروز همچنان در حال تکامل و توسعه بوده و هرروز حجم استفاده از آن بیشتر از قبل می‌شود.
پیشران‌ها یا سوخت‌های جامد به دو دسته اصلی پیشرانهای "دوپایه - Double Base" و "مرکب -Composite" تقسیم می‌شوند. پیشرانهای دوپایه از دو ماده پرانرژی و کم‌انرژی که هردو به‌تنهایی قابلیت انجام واکنش را دارند تشکیل شده‌اند. اما در پیشرانهای مرکب، سوخت و اکسیدکننده (که هیچ‌یک به تنهایی قابلیت واکنش ندارند) به صورت بلورها یا دانه‌های مجزا در یک شبکه (ماتریس) در کنار هم قرار گرفته‌اند و در آغاز زنجیره واکنشی شروع به ترکیب شدن می‌کند. امروزه در اغلب موشکها، راکتهای پرتابگر فضایی و موتورهای فضایی از پیشرانهای جامد مرکب استفاده می‌شود که کارایی و ایمنی بالاتری نسبت به پیشرانهای دوپایه دارند.
تاریخچه:
قدیمی‌ترین ماده سوختی مورد استفاده که در دهه 40 میلادی مترادف «موتور راکت» به کار می‌رفت «باروت سیاه» بود؛ هرچند نمی‌توان آن را به عنوان سوخت مرکب به شمار آورد.
در سال 1939 در مرکز تحقیقات هوافضایی "گوگنهایم" در موسسه فناوری کالیفرنیا (گلسیت) یکی از مهمترین موضوعات تحقیقاتی، توسعه پیشران جامدی بود که بتواند نیروی رانیکنواخت و ثابتی معادل 1000 پوند را برای مدت 10 الی 30 ثانیه تامین کند. چنانچه واضح است در آن زمان هیچ نوع موتور باروتی‌ای نبود که بتواند چنین انتظاری را تامین کند.
در سال 1938 پارسون و فورمن یک موتور "احتراق در حجم ثابت" را که با باروت بدوش ن دود کار می‌کرد ساخته و آزمایش کردند بعد از این آزمایش‌ها نتیجه گرفتند ساخت موتوری که با ضربه‌های (پالس‌های) پی‌در‌پی بتواند به مدت 10 ثانیه نیروی جلوبرندگی تولید کند محال است.
در بهار سال 1941 نتایج آزمایش‌ها به ساخت راکتی با پیشران جامد منجر شد. سوخت این راکت در اصطلاح "آماید -amide" نامیده می‌شد. (ترکیبی از کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن.) در آگوست 1941 اولین پرواز هواپیمای آمریکایی سرنشین‌دار که تنها به راکتهای پیشران مجهز بود انجام شد. دوازده راکت به هواپیما متصل شد که 11 تای آنها عمل کردند. این هواپیما باید تا سرعت 25 مایل در ساعت توسط وسیله‌ای دیگر کشیده می‌شد و بعد از آن راکتها روشن می‌شدند. این پرنده توانست به ارتفاع 20 فوتی برسد. سال 1942 قراردادی بین گروه و نیروی دریایی برای طراحی و ساخت راکتی با 200-پوند نیرو و زمان کارکرد 8 ثانیه با عنوان جِی‌تو منعقد شود.
از لحاظ نظری ساخت چنین موتوری ممکن می‌نمود و از سوی دیگر برای عملی نمودن چنین طرحی، هیچ ایده‌ای در دست نبود. پس از ماه ها تلاش این طرح نیروی دریایی با موفقیت به انجام رسید. تولید انبوه نوع عملیاتی این واحدها نیز برای نیروی دریایی بلافاصله توسط شرکت مهندسی اِیروجت آغاز شد.
ماده پیشرانی که از پرکلرات پتاسیم به عنوان اکسید کننده استفاده می‌کرد بعد از احتراق دود غلیظ سفید رنگی تولید می‌کرد که مورد پسند نیروی دریایی نبود. برای رفع این مشکل پارسونز آمونیوم را جایگزین پرکلرات پتاسیم کرد. پرکلرات آمونیوم در هوای خشک می‌توانست تا حدی از غلظت دود سفید بکاهد.
پرکاربردترین عنصر فلزی استفاده شده در دنیا برای تولید سوخت جامد مرکب، آلومینیوم است. البته عناصر فلزی دیگری نیز آزمایش شده‌اند ولی همواره پودر آلومینیوم از تمامی جهات و از جمله قیمت، برتری قابل ملاحظه‌ای نسبت به دیگر مواد دارد.
انواعسوختموشک
گونههایمختلفپیشرانهایموشک ی (ازدیدگاهکاربردی):
1-پیشرانهایاصلییاPrimary Engineکهبرایایجادنیرویپیشران شکاربرددارند.
2-پیشرانهایکنترلییاControl Engineکهبرایایجادنیروهاوگشتا ورهایکنترلیمورداستفادهقرا رمیگیرند.
3-پیشرانهایترمزکنندهیاBraking Engineکهبرایکاهشسرعتموشکیافض اپیمابهمنظورفرودیاتغییرمد ارومواردیازاینقبیلمورداست فادهقرارمیگیرد.اینپیشرانه درخلافجهتپیشراناصلیبودهو یرویپسرانشتولیدمیکنند.
4-پیشرانشهایتنظیمجهتAltitude Or Orientation Engineکهبرایتنظیمجهتماهوارهه اوسایرفضاپیماهااستفادهشده کهایننوعپیشرانشهاصرفاًبرا یتنظیمجهتونهبرایحرکتوتولی دپیشرانشبهکارگرفتهمیشوند.
انواعپیشرانهایاصلی:
۱-پیشرانمایع (بیشتردرموشکهایبالستیکوفض پیماها)
2-پیشرانجامد
3-پیشرانهایهستهای
4-پیشرانهایهوادم (هوازی)
5-پیشرانهایپادماده
انواعموتورهایبهكاررفتهدرم وشكهابهوسیلهیپیشرانجامد:
جت
توربوفن
پالسجت
رمجت
اسكرمجت
بیشتر موشکهای نظامی را موشکهای با سوخت جامد تشکیل می دهند. در عرصه غیر نظامی یکی از پرکاربردترین موارد مصرف این موشکها استفاده از آنها به عنوان راکتهای کمکی برای حمل شاتلها به فضا است. همچنین راکتها و فشفشه هایی که در آتشبازی به کار می روند نیز از سوخت جامد بهره می گیرند.
سوخت موشک های دوربرد
مقدار شتاب بستگی به جرم موشک دارد. هر چه موشک سنگینتر باشد، برای رسیدن به فضا ، به نیروی پیشران بیشتری نیاز است. تا وقتی که موتورهای موشک ، روشن و در حال تولید نیروی پیشران هستند، شتاب فضا پیما نیز هر لحظه زیادتر می‌شود.موتور موشک یا از پیشران مایع استفاده می‌کند یا جامد ، اما بعضی اوقات ، یک موشک کامل ممکن است. در مراحل مختلف از هر دو نوع پیشران استفاده کند. کارشناسان موشکهایی را پیشنهاد کرده‌اند که از انرژی اتمی به عنوان سوخت استفاده می‌کنند، چرا که آنها از نظر مصرف انرژی بسیار مقرون به صرفه‌اند. اما ترس از خطر استفاده از سوخت اتمی مانع استفاده از این موشکها شده است.
موشکهایی که از سوخت پیشران جامد استفاده می کنند، اغلب به عنوان موشکهای تقویت کننده‌ای استفاده می‌شوند که نیروی اولیه موشکهای بزرگتر را تأمین می‌کنند. موشکهای بزرگتر خود از سوخت پیشران مایع استفاده می‌کنند. بزرگترین موشکهای مصرف کننده سوخت جامد با 45 متر ارتفاع جزء موشکهای تقویت کننده شاتل فضایی ایالات متحده محسوب می‌شوند. آنها حاوی 586500 کیلوگرم (2/1 میلیون پوند) سوخت پیشران هستند که بطور متوسط 13 میلیون تن (5/3 میلیون پوند نیرو) نیروی پیشران را تولید می‌کنند.
این موشکها را طوری طراحی کرده‌اند که بعد از اتمام سوخت و افتادن در دریا ، از دریا بیرون کشیده شده ، دوباره برای مأموریتهای بعدی سوختگیری می‌شوند. ساخت موشکهایی که از سوخت جامد استفاده می‌کنند چندان دشوار نیست. آنها مقدار زیادی نیروی پیشران را در یک مدت زمان کم تولید می‌کنند.
يك موشك سوخت جامد از بدنه و خرج و نازل وچاشني تشكيل شده است.
خرج (grain) در حالتي كه قابل پيش گويي ست مي سوزد و گاز توليد مي كند.ابعاد نارل(nozzle) طوري طراحي مي شود تا بيشترين فشار توسط گاز خروجي ايجاد شود.
وقتي شروع به سوختن مي كند ديگر نمي توان جلوي آن را گرفت زيراتمام مواد لازم براي سوختن در محفظه شعله ور مي شود.
بيشتر موشك هاي حرفه اي مي توانند شعله را خاموش كنند و دوباره آن را روشن كنند.
طراحي هاي امروزي شامل نازل هدايت شدني ورادار و بازيافت (چتر نجات) و مكانيزم هاي خود كشي و موتورهاي كنترلي ومقصد قابل كنترل دارند.
ايرادهاي رايج شامل ترك داشتن حبه هاي سوخت وايراد در اتصال به بدنه و منفذ داشتن سوخت است. همه‌ي اين ها باعث افزايش ناگهاني سوختن و اين مترادف با افزايش گاز وفشار است . هركدام از اينها مي توانند باعث تخريب بدنه شود.
4.بدنه
بدنه ممكن است از مواد مختلفي ساخته شود.مقوا براي موتور هاي مدل و استيل براي
بوسترهاي شاتل وميله هاي رزوه شده ي گرافيت اپوكسي (graphite epoxy ) براي
موتورهاي بسيار فعال كار برد دارند.
اساس کار موشکها قانون سوم نیوتن است: هر کنشی ، واکنشی برابر و در جهت مخالف دارد. برای اینکه موشکها به سمت جلو خیز بردارند، باید چیزی به سمت عقب خیز بردارد. آن چیز، پیشران است. پیشران ماده است که از عقب راکت فضاپیما با فشار خارج می‌شود و باعث رانش به سمت جلو یا نیروی پرتاب می‌شود. غالبا ، پیشران نوعی سوخت است که با یک اکسید کننده می‌سوزد تا حجم زیادی از گازهای بسیار داغ تولید کند. این گازها منبسط می‌شوند؛ تا جایی که با شدت از عقب موشک خارج شوند و نیروی پرتاب یا پیشرانش تولید کنند.
مشخصات یک پیشرانه ایده آل:
هر چند پیشرانه ایده آل وجود خارجی ندارد ولیکن موارد زیر به عنوان مشخصات یک پیشرانه ایده آل شناخته شده اند.
الف – آزاد کردن انرژی شیمیایی به میزان زیاد
ب – وزن مولکولی کم محصولات احتراق
ج – پایداری کافی
و – مقاومت در برابر اشتعال ناگهانی یا ضربه
ز – داشتن حداکثر استحکام فیزیکی
ح – تغییر بسیار کم در حجم با تغییر دما
ط – خنثی بودن شیمیایی
ی – سهولت ذخیره
ک – حساسیت کم به وجود ناخالصی ها
ل – عدم تغییر ویژگی های فیزیکی و احتراقی با تغییر در دما
م – تولید گازهای خروجی غیر قابل رویت
چگالی گرین سوخت جامد به حدی بالاست که امکان کوچک شدن ابعاد موشک را فراهم میسازد.
س – تولید گازهای خروجی غیرسمی، غیرخورنده و غیر روشن
ع – سهولت کارکرد
ف – ارزانی، ایمنی و سهولت در حمل و کار کردن
ض – قابلیت سوختن با سرعت پایدار و قابل پیش بینی در شرایط عملیاتی موتور
ق – سازگاری اجزای پیشرانه با همدیگر
جمع بندی:
در عمل به ندرت اتفاق می افتد که یک پیشرانه تمام ویژگی های مذکور را (به طور همزمان) داشته باشد. بنابراین، لازم است که موازنه ای مابین خواص مورد نیاز در پیشرانه ایجاد کرد. به عنوان مثال، تهیه پیشرانه ای که هم انرژی بسیار بالاتولید کند و هم آسیب رسانی کمتری به محیط زیست داشته باشد بسیار مشکل است. چنانکه می دانیم پرکلرات آمونیوم اکسید کننده ای است که علاوه بر تولید اکسیژن کافی ، انرژی احتراقی زیادی نیز تولید می کند ولی گازهای حاصل از احتراق پیشرانه های حاوی پرکلرات آمونیوم و فلز آلومینیوم به محیط زیست آسیب می رسانند و علاوه بر این گازهای خروجی از شیپوره (در این پیشرانه ها) قابل رویت هستند.
همچنین تهیه یک پیشرانه ای که پایداری کافی داشته باشد و ضمناً انرژی زیادی نیز تولید کند در عمل بسیار مشکل است برای اینکه پیشرانه هایی که انرژی زیادی از احتراق آنها ایجاد می شود معمولاً ناپایدارند تولید بسیاری از پیشرانه های با انرژی زایی بالا و غیر مضر به محیط زیست بسیار هزینه بر می باشد بنابراین، نمی توان در عمل همه این ویژگی ها را در یک پیشرانه جمع کرد.
در انتخاب یک پیشرانه برای یک کاربرد خاص باید مشخص شود که کدام ویژگی ها اهمیت بیشتری دارند. با این همه، در سالهای اخیر محققان زیادی تلاش کرده اند که پیشرانه هایی را تهیه کنند که تا حدی ویژگی های یک پیشرانه ایده آل را (به طور همزمان) داشته باشند ولی هنوز در این راه قدم های اولیه برداشته شده و تا
اصول اساسی موشک های سوخت جامد:
در موشک های سوخت جامد، سوخت به طور مستقیم درون محفظۀ احتراق ذخیره می شود و گاهی اوقات به طور سربسته و محکم برای ذخیره سازی طولانی مدت (5 تا 20 سال) درون محفظه آب بندی می شود. موتورهای سوخت جامد در شکل ها و اندازه های مختلف می باشند، که نیروی تراست آن ها از 2 نیوتن تا 4 میلیون نیوتن متفاوت می باشد. معمولا موتورهای سوخت جامد فاقد هرگونه اجزای متحرکی می باشند البته امروزه بعضی موتورهایی طراحی شده اند که شامل اجزای متحرک می باشند.
در بعضی حالتها برای دستیابی به عملکرد بالاتر، از گرد فلزاتی همچون آلومینیوم همراه با اکسنده اضافی استفاده می شود.
گردهای فلزی:
با افزودن گردهای فلزی به پیشرانهای جامد، ضربۀ ویژه(سرعت تقریبی خروج گازها) و چگالی آنها را می توان افزایش داد. فلزاتی که تاکنون به کار رفته یا بررسی شده اند، شامل آلومینیوم، منیزیم، تیتانیوم، بور اند. معمولاً این فلزات به صورت ذراتی با گسترۀ اندازۀ 10 تا 40 µm به طور اتفاقی با اجزای دیگر آمیخته می شوند. در خلال سوختن،سطوح درونی پوسته که به طور مستقیم در معرض گازهای داغ می باشند، توسط لایه هایی از عایق محافظت می شوند. پوسته معمولا از فلزاتی از قبیل فولاد، آلومینیوم یا تیتانیوم و یا از مواد کامپوزیتی ساخته می شود.
سوخت جامد، برخلاف سوخت مايع به محفظه تزريق نمي‌شود. كل سوخت در خود محفظه قرار داده مي‌شود و پس ازاحتراق كاملا در معرض آتش قرار دارد و اگر احتراق شروع شده باشد، ديگر به سختي مي‌توان در فرآيند سوختن آن دست‌برد.
تلاش در حل مشكل كنترل موتور سوخت‌هاي جامد، هنوز به نتيجه قطعي نرسيده است.. به داشت، خبري نيست.
موتور سوخت جامد كاملا از ديگر المان‌ها مستقل است، به طوري كه مي‌توان آن را ماننديك مجموعه جدا طراحي كرد.
Grain (حبه هاي سوخت)
گرين ها معمولا به شكل سوخت واكسيد آمونيوم يكي از رايج ترين اكسيد كننده هاست.APCP
(Ammonium Perchlorate Composite Propellant)
HTPB هیدروکسیل ترمینیتد پلی بوتادین (Hydroxyl-Terminated Poly Butadiene)، از معروف ترین سوخت های جامد می باشد. سوخت و اکسیدایزر با درصدهای مختلف با یکدیگر ترکیب می شوند.
گاز خروجي محتوي اسيد هيدروكلريك و سولفات آلومينيوم است. اينها بر محيط زيست تاثير منفي دارد. بعلاوه از لحاظ استفاده‌ي نظامي دود دنباله‌ي آن وذرات داغ آن تشعشع مادون قرمزدارد واين شناسايي آن را ممكن مي سازد. اين مشكلات منجر به تحقيق درباره گرين‌هايي بي دود از جنس نيتروژن و مولكول هاي آلي گشت.
گرين براساس هدف هاي موشك شكل هاي متفاوتي دارد.در موشك هايي كه آرام و زمان زيادي مي سوزد از گرين استوانه اي استفاده مي شود .
شكل گرين ها بر شكل نيروها تاثير دارد. مثلا شكل ستاره اي باعث افزايش ضربه اصلي مي‌شود زيرا سطح تماس آن ها در لحظه‌ي اول زياد است ولي پس از مدتي دوباره سطح تماس عادي مي شود.
مزایا و معایب موشک های سوخت جامد:
1) مزایا:
سازه ساده ای دارد.
معمولا ارزان تر از موشک های سوخت مایع هستند.
محفظه موتور دو عملکرد دارد که علاوه بر مخزن، محفظه احتراق نیز می باشد.
هیچ سیستم جانبی ندارد.
زمان سرویسهای قبل از پرتاب آن بسیار کم است.
چگالی گرین سوخت جامد به حدی بالاست که امکان کوچک شدن ابعاد موشک را فراهم می سازد.
برای حالت سکوی پرتاب موبایل (قابل حمل) بسیار مناسب می باشد.
برای مثال: موشک Polarisبا طول 8.53 متر) از یک زیر دریایی در زیر آب قابل پرتاب می باشد. )
2) معایب:
ضربه ویژه آنها پایین می باشد.
در حال حاضر ضربه ویژه در خلاء آنها حدود 270-300 sec می باشد. ولی ضربه ویژه مخصوص پیشرانهای مایع خیلی بیشتر است،ضربه ویژه تقریبا برابر 450 sec می باشد.
موشکهای سوخت جامد برد بلند حتما به صورت چند مرحله ای هستند، و گرین سوخت جامد از چندین بخش تشکیل شده است. تولید و مونتاژ چنین موشکهایی دارای مشکلات بسیاری می باشد.
انواع شکل های هندسی مختلف گرین های سوخت جامد
شکل هندسی سوخت درون موتور موشک سوخت جامد نقش اساسی در عملکرد موشک ایفا می کند. سطح مقطع گرین های سوخت جامد به شکل های مختلفی می باشد که با توجه به شکل هندسی گرین، تراست موشک ممکن است فزاینده (progressive)، کاهنده (regressive) و یا خنثی (ثابت) (neutral) باشد. یا اینکه ممکن است که تراست در بازه ای از زمان فزاینده و در بازه زمانی دیگر کاهنده یا خنثی باشد.
فشار محفظه احتراق موشک سوخت جامد رابطه مستقیم با سطح سوزش دارد و سطح سوزش نیز به شکل هندسی گرین بستگی دارد. مثلا اگر شکل هندسی گرین به صورتی باشد که پس از شروع احتراق سطح سوزش روبه افزایش باشد آنگاه تراست موشک افزایش می یابد و اگر سطح سوزش رو به کاهش باشد، تراست نیز سیر نزولی را طی می کند.
در برخی از موتورهای موشک از ترکیبی از چند نوع هندسه گرین مختلف برای سوخت موشک استفاده می شود.
پیشرانه موشک دو بخش داره. سوخت و اکسید کننده.اکسید کننده یک ترکیب اکسیژن دار هست.
تاریخچه سوخت جامد
روند توسعه و تکامل سوخت‌های جامد مورد استفاده در راکتها و موشکهای بزرگ در سالهای پیش از جنگ جهانی دوم در آمریکا آغاز شد. یکی از اولین کسانی که در آمریکا تحقیقات مهمی در این زمینه انجام داد "رابرت گدارد" بود. در اوایل دهه 40 میلادی یک گروه از محققان از جمله "فون کارمن" و "پارسونز" در مرکز تحقیقاتی معروف "گلسیت" روی پروژه موسوم به جِی‌تو (واحد راکت کمکی موتور جت) کار می‌کردند. کارهای این گروه در زمینه سوخت جامد مرکب در سالهای بعد در مرکز جِی‌پی‌ال در سال 1944 پس از اعمال تغییرات در گلسیت تشکیل شد) توسط "چارلز بارتلی" تکمیل شد. در آن سال‌ها کشف افزودن مقدار زیادی پودر آلومینیوم به سوخت جامد به طور چشمگیری شاخص ضربه (ایمپالس)ویژه این سوخت‌ها را افزایش داد و منجر به ساخت موتورهای بزرگ شد. در اواخر دهه 40 نیز جایگزینی "آمونیوم پرکلرات" به جای "پتاسیم پرکلرات" به عنوان اکسید کننده تحول دیگری به وجود آورد.
به هر صورت سوخت جامد تا امروز همچنان در حال تکامل و توسعه بوده و هرروز حجم استفاده از آن بیشتر از قبل می‌شود.
پیشران‌ها یا سوخت‌های جامد به دو دسته اصلی پیشرانهای "دوپایه - Double Base" و "مرکب -Composite" تقسیم می‌شوند. پیشرانهای دوپایه از دو ماده پرانرژی و کم‌انرژی که هردو به‌تنهایی قابلیت انجام واکنش را دارند تشکیل شده‌اند. اما در پیشرانهای مرکب، سوخت و اکسیدکننده (که هیچ‌یک به تنهایی قابلیت واکنش ندارند) به صورت بلورها یا دانه‌های مجزا در یک شبکه (ماتریس) در کنار هم قرار گرفته‌اند و در آغاز زنجیره واکنشی شروع به ترکیب شدن می‌کند. امروزه در اغلب موشکها، راکتهای پرتابگر فضایی و موتورهای فضایی از پیشرانهای جامد مرکب استفاده می‌شود که کارایی و ایمنی بالاتری نسبت به پیشرانهای دوپایه دارند.
تاریخچه:
قدیمی‌ترین ماده سوختی مورد استفاده که در دهه 40 میلادی مترادف «موتور راکت» به کار می‌رفت «باروت سیاه» بود؛ هرچند نمی‌توان آن را به عنوان سوخت مرکب به شمار آورد.
در سال 1939 در مرکز تحقیقات هوافضایی "گوگنهایم" در موسسه فناوری کالیفرنیا (گلسیت) یکی از مهمترین موضوعات تحقیقاتی، توسعه پیشران جامدی بود که بتواند نیروی رانیکنواخت و ثابتی معادل 1000 پوند را برای مدت 10 الی 30 ثانیه تامین کند. چنانچه واضح است در آن زمان هیچ نوع موتور باروتی‌ای نبود که بتواند چنین انتظاری را تامین کند.
در سال 1938 پارسون و فورمن یک موتور "احتراق در حجم ثابت" را که با باروت بدوش ن دود کار می‌کرد ساخته و آزمایش کردند بعد از این آزمایش‌ها نتیجه گرفتند ساخت موتوری که با ضربه‌های (پالس‌های) پی‌در‌پی بتواند به مدت 10 ثانیه نیروی جلوبرندگی تولید کند محال است.
در بهار سال 1941 نتایج آزمایش‌ها به ساخت راکتی با پیشران جامد منجر شد. سوخت این راکت در اصطلاح "آماید -amide" نامیده می‌شد. (ترکیبی از کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن.) در آگوست 1941 اولین پرواز هواپیمای آمریکایی سرنشین‌دار که تنها به راکتهای پیشران مجهز بود انجام شد. دوازده راکت به هواپیما متصل شد که 11 تای آنها عمل کردند. این هواپیما باید تا سرعت 25 مایل در ساعت توسط وسیله‌ای دیگر کشیده می‌شد و بعد از آن راکتها روشن می‌شدند. این پرنده توانست به ارتفاع 20 فوتی برسد. سال 1942 قراردادی بین گروه و نیروی دریایی برای طراحی و ساخت راکتی با 200-پوند نیرو و زمان کارکرد 8 ثانیه با عنوان جِی‌تو منعقد شود.
از لحاظ نظری ساخت چنین موتوری ممکن می‌نمود و از سوی دیگر برای عملی نمودن چنین طرحی، هیچ ایده‌ای در دست نبود. پس از ماه ها تلاش این طرح نیروی دریایی با موفقیت به انجام رسید. تولید انبوه نوع عملیاتی این واحدها نیز برای نیروی دریایی بلافاصله توسط شرکت مهندسی اِیروجت آغاز شد.
ماده پیشرانی که از پرکلرات پتاسیم به عنوان اکسید کننده استفاده می‌کرد بعد از احتراق دود غلیظ سفید رنگی تولید می‌کرد که مورد پسند نیروی دریایی نبود. برای رفع این مشکل پارسونز آمونیوم را جایگزین پرکلرات پتاسیم کرد. پرکلرات آمونیوم در هوای خشک می‌توانست تا حدی از غلظت دود سفید بکاهد.
پرکاربردترین عنصر فلزی استفاده شده در دنیا برای تولید سوخت جامد مرکب، آلومینیوم است. البته عناصر فلزی دیگری نیز آزمایش شده‌اند ولی همواره پودر آلومینیوم از تمامی جهات و از جمله قیمت، برتری قابل ملاحظه‌ای نسبت به دیگر مواد دارد.
انواعسوختموشک
گونههایمختلفپیشرانهایموشک ی (ازدیدگاهکاربردی):
1-پیشرانهایاصلییاPrimary Engineکهبرایایجادنیرویپیشران شکاربرددارند.
2-پیشرانهایکنترلییاControl Engineکهبرایایجادنیروهاوگشتا ورهایکنترلیمورداستفادهقرا رمیگیرند.
3-پیشرانهایترمزکنندهیاBraking Engineکهبرایکاهشسرعتموشکیافض اپیمابهمنظورفرودیاتغییرمد ارومواردیازاینقبیلمورداست فادهقرارمیگیرد.اینپیشرانه درخلافجهتپیشراناصلیبودهو یرویپسرانشتولیدمیکنند.
4-پیشرانشهایتنظیمجهتAltitude Or Orientation Engineکهبرایتنظیمجهتماهوارهه اوسایرفضاپیماهااستفادهشده کهایننوعپیشرانشهاصرفاًبرا یتنظیمجهتونهبرایحرکتوتولی دپیشرانشبهکارگرفتهمیشوند.
انواعپیشرانهایاصلی:
۱-پیشرانمایع (بیشتردرموشکهایبالستیکوفض پیماها)
2-پیشرانجامد
3-پیشرانهایهستهای
4-پیشرانهایهوادم (هوازی)
5-پیشرانهایپادماده
انواعموتورهایبهكاررفتهدرم وشكهابهوسیلهیپیشرانجامد:
جت
توربوفن
پالسجت
رمجت
اسكرمجت
بیشتر موشکهای نظامی را موشکهای با سوخت جامد تشکیل می دهند. در عرصه غیر نظامی یکی از پرکاربردترین موارد مصرف این موشکها استفاده از آنها به عنوان راکتهای کمکی برای حمل شاتلها به فضا است. همچنین راکتها و فشفشه هایی که در آتشبازی به کار می روند نیز از سوخت جامد بهره می گیرند.
سوخت موشک های دوربرد
مقدار شتاب بستگی به جرم موشک دارد. هر چه موشک سنگینتر باشد، برای رسیدن به فضا ، به نیروی پیشران بیشتری نیاز است. تا وقتی که موتورهای موشک ، روشن و در حال تولید نیروی پیشران هستند، شتاب فضا پیما نیز هر لحظه زیادتر می‌شود.موتور موشک یا از پیشران مایع استفاده می‌کند یا جامد ، اما بعضی اوقات ، یک موشک کامل ممکن است. در مراحل مختلف از هر دو نوع پیشران استفاده کند. کارشناسان موشکهایی را پیشنهاد کرده‌اند که از انرژی اتمی به عنوان سوخت استفاده می‌کنند، چرا که آنها از نظر مصرف انرژی بسیار مقرون به صرفه‌اند. اما ترس از خطر استفاده از سوخت اتمی مانع استفاده از این موشکها شده است.
موشکهایی که از سوخت پیشران جامد استفاده می کنند، اغلب به عنوان موشکهای تقویت کننده‌ای استفاده می‌شوند که نیروی اولیه موشکهای بزرگتر را تأمین می‌کنند. موشکهای بزرگتر خود از سوخت پیشران مایع استفاده می‌کنند. بزرگترین موشکهای مصرف کننده سوخت جامد با 45 متر ارتفاع جزء موشکهای تقویت کننده شاتل فضایی ایالات متحده محسوب می‌شوند. آنها حاوی 586500 کیلوگرم (2/1 میلیون پوند) سوخت پیشران هستند که بطور متوسط 13 میلیون تن (5/3 میلیون پوند نیرو) نیروی پیشران را تولید می‌کنند.
این موشکها را طوری طراحی کرده‌اند که بعد از اتمام سوخت و افتادن در دریا ، از دریا بیرون کشیده شده ، دوباره برای مأموریتهای بعدی سوختگیری می‌شوند. ساخت موشکهایی که از سوخت جامد استفاده می‌کنند چندان دشوار نیست. آنها مقدار زیادی نیروی پیشران را در یک مدت زمان کم تولید می‌کنند.
يك موشك سوخت جامد از بدنه و خرج و نازل وچاشني تشكيل شده است.
خرج (grain) در حالتي كه قابل پيش گويي ست مي سوزد و گاز توليد مي كند.ابعاد نارل(nozzle) طوري طراحي مي شود تا بيشترين فشار توسط گاز خروجي ايجاد شود.
وقتي شروع به سوختن مي كند ديگر نمي توان جلوي آن را گرفت زيراتمام مواد لازم براي سوختن در محفظه شعله ور مي شود.
بيشتر موشك هاي حرفه اي مي توانند شعله را خاموش كنند و دوباره آن را روشن كنند.
طراحي هاي امروزي شامل نازل هدايت شدني ورادار و بازيافت (چتر نجات) و مكانيزم هاي خود كشي و موتورهاي كنترلي ومقصد قابل كنترل دارند.
ايرادهاي رايج شامل ترك داشتن حبه هاي سوخت وايراد در اتصال به بدنه و منفذ داشتن سوخت است. همه‌ي اين ها باعث افزايش ناگهاني سوختن و اين مترادف با افزايش گاز وفشار است . هركدام از اينها مي توانند باعث تخريب بدنه شود.
4.بدنه
بدنه ممكن است از مواد مختلفي ساخته شود.مقوا براي موتور هاي مدل و استيل براي
بوسترهاي شاتل وميله هاي رزوه شده ي گرافيت اپوكسي (graphite epoxy ) براي
موتورهاي بسيار فعال كار برد دارند.