نگاهی به استارت در موتور پیشران مایع

نگاهی به استارت در موتور پیشران مایع :
گرداوری و تالیف : اقای محسن رسول زاده .
منبع : ماهنامه هوافضا / ش 73


حتما همه کسانی که فیلم روشن شدن موتور موشک یا پرتابگرهای فضایی را دیده یا این صحنه را از نزدیک مشاهده کرده اند ، صدای " ووپ " تند و تیزی را که پس از پایان شمارش معکوس و در لحظه روشن شدن موتور به گوش می رسد ، شنیده اند . همچنین بخوبی دیده اند که جریان گاز خروجی از موتور در لحظات اول یکنواخت نیست و گاهی رنگ عوض می کند . این لحظات همان لحظاتی است که موتور استارت می خورد و فشار داخل محفظه احتراق شروع به بالا رفتن می کند . استارت اگرچه لحظاتی بیشتر به طول نمی انجامد ، اما یکی از بحرانی ترین و خطرزاترین مراحل در چرخه کاری یک موتور موشکی ( جامد و مایع ) است .



استارت موتور راکتی سوخت یا پیشران مایع از لحظه حرکت سوخت و اکسید کننده از مخازن شروع شده و تا رساندن فشار محفظه احتراق موتور به فشاری ثابت و پایدار ادامه دارد . در واقع می توان این طور بیان داشت که استارت وظیفه دارد موتور را از حالت سرد و خاموش به مرحله پایدار کاری برساند . استارت یک موتور راکتی پیشران مایع ممکن است از چند دهم ثانیه تا چند ثانیه طول بکشد .



سوخت و اکسید کننده در لحظه صدور فرمان استارت با پاره شدن شیرهای دیافراگمی ، زیر فشار بالادستی ناشی از یک گاز فشرده ( مانند هلیوم ) یا با کمک توربو پمپ ( که بوسیله یک مولد گاز کوچک سوخت جامد شروع به کار کرده است ) از راه لوله ها به سمت تزریقگر ( انژکتور ) های محفظه احتراق روانه می شود .



در برخی موتورها ، اکسید کننده اندکی زودتر وارد محفظه می شود اما همیشه این طور نیست ( معمولا در ازمایش های غیر پروازی سوخت را زودتر روانه احتراق می کنند ) . به هر حال معمولا در هنگام استارت یکی از این 2 عامل ( سوخت یا اکسید کننده ) در محفظه احتراق برتری جرمی دارند . توجه داشته باشید که نسبت سوخت و اکسید کننده در مرحله استارت به کلی با این نسبت در طول احتراق پایای موتور متفاوت است .



ادامه دارد...
گرداوری و تالیف : اقای محسن رسول زاده .

منبع : ماهنامه هوافضا / ش 73

ایجاد واکنش اولیه :
سوخت و اکسید کننده ممکن است از نوع خود مشتعل ( هایپر گولیک ) باشند . یعنی با اختلاط در محفظه احتراق مشتعل شوند و نیاز به عامل ثانویه برای شروع واکنش نداشته باشند . معمولا این نوع پیشران های مایع استارت نرم و ارامی را ایجاد می کنند . اما در غیر این صورت شروع واکنش باید به نوعی با تزریق یک انرژی اولیه انجام شود .
معمولا از یکی از 4 سازوکار ذیل یا ترکیبی از انها برای ایجاد این انرژی اولیه ( آتش زنی ) و شروع زنجیره واکنش در محفظه احتراق استفاده می شود :



1- جرقه الکتریکی : این روش به اتشزنه الکتریکی یا جرقه زن موسوم است . روش جرقه زنی برای موتورهایی که باید چند مرتبه خاموش و روشن شوند بسیار مناسب است . در این روش به ولتاژ بالایی برای ایجاد جرقه نیاز است و معمولا جرقه نه در فضای سوخت و اکسید کننده اصلی ، بلکه در محفظه ای که از اکسیژن و هیدروژن ( یا موادی از این دست ) تغذیه شده است ، ایجاد می شود .



2- اتشزنه سوخت جامد : در این روش از یک اتش زنه کوچک سوخت جامد که خود این اتش زنه معمولا با یک جرقه زن الکتریکی یا پیرو تکنیکی کوچک فعال می شود . به عنوان مثال در راکت پرتابگر فضایی r-7 که اولین ماهواره جهان ( اسپوتنیک ) را به فضا برد یا در موتور اصلی راکت اریان-5 از چنین اتش زنه ای استفاده شده است . این شیوه به روش " پیروژنیکی " معروف است .



3- پیش اشتعالی : در این روش از یک محفظه احتراق کوچک استفاده می شود که بوسیله روزنه ای به محفظه احتراق اصلی راه پیدا می کند . در پیش اشتعالی سوخت و اکسید کننده ابتدا در محفظه احتراق کوچکی شعله ور شده و سپس گازهای داغ ناشی از انها به محفظه اصلی راه پیدا کرده و شوخت و اکسید کننده موجود در ان را مشتعل می سازد . در این روش سوخت و اکسید کننده خود اشتعال ( هایپر گولیک ) می تواند مورد استفاده قرار گیرد که البته امروزه چندان کاربرد ندارد . تجزیه شیمیایی بخشی از اکسید کننده مایع و اضافه کردن گازهای داغ ناشی از ان به مقداری سوخت جهت ایجاد پیش اشتعالی ، رویکرد اصلی است که امروزه در این حوزه مورد تحقیق و بررسی است . این روش موسوم به " کاتالیتیک " در صنعت هوافضا در حال توسعه است و احتمالا در موشک ها و راکت های نسل اینده به کار گرفته خواهد شد .



4- اشعه لیزر : این روش که به روش لیزری موسوم است ، روشی ازمایشگاهی و در حال بررسی است . روش تابش لیزری مزایای فراوانی دارد اما به نظر می رسد تا عملیاتی شدن ان سال های زیادی در پیش است .


توجه داشته باشید که ایجاد واکنش اولیه یا " اتش زنی " تنها بخشی از فرایند " استارت " است . در هر موتور معمولا از چند اتشزنه به عنوان پشتیبان استفاده می شود که اگر یکی به هر دلیلی کار نکرد ، دیگری وارد کار شود .
در مرحله استارت فشار محفظه احتراق به مقدار بیشینه ( پیک ) می رسد و سپس با اندکی کاهش و پشت سر گذاشتن برخی نوسانات به مقدار فشار ثابت کاری می رسد .



" استارت " در ذات خود یک پدیده " ناپایا " است که باید به پایداری ختم شود . اصل حساسیت موضوع نیز در همین است ؛ چرا که به دلایل مختلف ممکن است ناپایداری های موجود در فرایند استارت از کنترل خارج شده و به ناپایداری کل سامانه موتور و از دست رفتن ماموریت بینجامد .



در علم مهندسی سیالات ارائه مدل ها و شبیه سازی های مربوط به جریان های ناپایدار به مراتب از تحلیل جریان های پایدار مشکل تر و پیچیده تراست . موضوع ناپایداری در استارت زمانی حادتر می شود که توجه داشنته باشیم همزمان با استارت ، سایر زیرسامانه های موشک نیز شروع به کار می کنند و ممکن است انها نیز نوساناتی را القا نمایند که در هم افزایی با نواسانات احتراقی استارت قرار گیرند .


ادامه دارد...
گرداوری و تالیف : اقای محسن رسول زاده
منبع : ماهنامه هوافضا / ش 73

روش های استارت :
به طور کلی استارت می تواند به 2 گونه " سریع " یا " نرم " صورت پذیرد . جدول زیر مشخصات کمی این دو گونه استارت را نشان می دهد .

	نسبت فشار بیشینه ایجاد شده به فشار نامی کاری محفظه احتراق	نسبت تغییرات فشار محفظه احتراق در حین استارت به زمان ( مگا پاسکال بر ثانیه )	زمان استارت ( ثانیه )
استارت سریع	1/10 الی 1/15	30 الی 50	0/8 تا 0/1
استارت نرم	1/00 الی 1/05	10 الی 20	3/0 الی 4/0

اما این 2 گونه استارت در موتورهای راکتی پیشران مایع معمولا با 2 روش موسوم به " قله ای " و " پله ای " اتفاق می افتد .



در حالت قله ای فشار محفظه احتراق به سرعت به مقدار بیشینه می رسد و سپس با اندکی کاهش و با پشت سرگذاشتن نوساناتی میراشونده ، فشار کاری را تحویل می دهد . هر اندازه نوک قله نمودار این نوع استارت تند و تیزتر و بالاتر باشد ، استارت سریع تر اتفاق می افتد . این روش برای موشک ها یا موتورهایی که مشکلات پایداری دارند چندان مناسب نیست . همچنین بالا رفتن هرچه بیشتر بیشینه فشار در حین استارت باعث می شود محفظه احتراق ضخیم تر و در نتیجه سنگین تر طراحی و ساخته شود . طراحان سعی می کنند نوک قله این نمدار را تا جایی که امکان دارد پایین اورده و ان را در حالت نرم تری به فشار کاری موتور پیوند بزنند . به هر حال استارت قله ای برای برخی موارد نظامی کاربرد دارد .


ادامه دارد...
گرداوری و تالیف : اقای محسن رسول زاده .
منبع : ماهنامه هوافضا / ش 73

عوامل تعیین کننده در استارت :
5 عامل اصلی بر روی سرعت و روش استارت در موتور پیشران مایع تاثیر دارند که به شرح زیر است :



· سرعت تزریق مایعات سوخت و اکسید کننده به محفظه احتراق که تابعی از لوله ها ، روش لوله کشی ، شیرها ، فشار بالادستی مخازن ، فشار اولیه توربو پمپ و عواملی از این دست است .



· سرعت اشتعال سوخت پس از جرقه اولیه ( ثابت زمانی احتراق ) که به نوع سوخت و اکسید کننده ، دما و فشار شروع احتراق بستگی دارد . در محدوه دمایی زیر صفر معمولا هر اندازه دما بالاتر باشد ، شاهد افزایش سرعت شروع واکنش خواهیم بود . این در حالیست که در دماهای بالای صفر رابطه قابل توجهی بین سرعت شروع واکنش و دما وجود ندارد . افزایش فشار محیطی معمولا به افزایش زمان اشتعال می انجامد .



· روش پاشش سوخت و اکسید کننده در محفظه احتراق که به نوع و ارایش تزریقگر ( انژکتور ) ها بستگی دارد .



· میزان لزجت ( ویسکوزیته ) مایعات سوخت و اکسید کننده .



· توان اتشزنه ( در موتورهایی که از روش پیرو تکنیکی برای استارت استفاده می کنند ).

ادامه دارد...
گرداوری و تالیف : اقای محسن رسول زاده .

منبع : ماهنامه هوافضا / ش 73

خاموشی موتور :

خاموش کردن موتور پیشران مایع اهمیتی کمتر از روشن کمتر ان ندارد . این مسئله بخصوص در مورد موشک ها یا راکت های پرتابگر فضایی چند مرحله ای که با مسئله جدایش درگیر هستند اهمیت پیدا می کند . بسیار مهم است که یک موتور در موقع کاهش نیروی رانش و خاموشی ضربه یا نوسانات پیش بینی نشده ای ایجاد نکند و چنین مواردی در حداقل ممکن باشد . در موشک های بالستیک یک خاموشی مطمئن و کنترل شده در موتور مرحله اخر به طور مستقیم به دقت در اصابت به هدف منجر خواهد شد .


کلیه موتورهای پیشران مایع به سامانه خاموشی اضطراری مجهز هستند که معمولا به صورت خودکار و در مواقع لزوم کار می کند .


گرداوری و تالیف : اقای محسن رسول زاده .
منبع : ماهنامه هوافضا / ش 73