آزمایش ایستای موتور سوخت جامد

[Joseph Goebbels]

آزمایش ایستای موتور سوخت جامد
گرداوری : کیوان رسا ، شهرام خسروی .
منبع : ماهنامه صنایع هوایی / ش 77

اندازه گیری نیروی پیشرانش :
در طول ازمایش ، نیروی رانش موتور سوخت جامد از راه یک رابط تبدیل به یک تکیه گاه صلب منتقل می شود . رابط تبدیل به دوربندهای منتقل کننده نیروی رانش ، برجستگی ها ، لبه ها و زبانه های موتور که به منظور انتقال رانش در طول پرواز ، تعبیه شده اند ، متصل می گردد . اندازه گیری نیروی رانش باید به وسیله نیروسنجی که بین رابط و تکیه گاه قرار داده می شود ، صورت گیرد . معمولا دوربند لبه ها و زبانه های موتور به اندازه کافی برای مقاومت در برابر بارهایی که در طول ازمایش ایستایی یا چرخشی به انها وارد می شود ، مستحکم هستند . با این حال ، گهگاه ، بارهایی که در طول ازمایش وارد می شوند ، جدیتر از بارهای پروازی که در طول ازمایش وارد می شوند ، جدیتر از بارهای پروازی که طراحی موتور با انها انجام گرفته است ، می باشند . در این گونه موارد برخی از اجزای موتور باید برای تحمل شرایط بارگذاری ازمایش تغییر یابند .


پیش بینی هایی برای بارهای دینامیکی نیروی رانش :
بارهای دینامیکی رانش در زمان ازمایش در برخی از موارد بیشتر از بارهای پرواز است که این امر به دلیل پاسخ دینامیکی پایه های ازمایش و رابط های نیرو می باشد و منجر به ازایش نیروها روی محل های اتصال می گردد . این نیروهای افزایش یافته در بعضی موارد ممکن است دو برابر نیروهای ناشی از رانش موتور باشد . ضریب بار دینامیکی ، به شکل گذرای نیروی رانش بستگی دارد . نرخ کم افزایش نیرو ، باعث کاهش این ضریب بار می گردد ؛ در حالیکه نرخ سریع افزایش ان و استفاده از سامانه موتور – پایه فرکانس پایین ، ضریب بار دینامیکی را افزایش دهد .


به علت بارهای دینامیکی مذکور ، هم اجزای انتقال نیرویی متصل به موتور و هم خود محفظه موتور ممکن است تحت تنش های بحرانی قرار گرفته و باعث شکست اتصالات گردند . برای جلوگیری از شکست و برای رسیدن به پاسخ دینامیکی مناسب ، برخی از اجزای انتقال نیرو تقویت می گردند . باید توجه داشت که جرم اضافه شده اجزای تقویت شده ، پاسخ دینامیکی کل سامانه را تنزل ندهد .

ادامه دارد...
گرداوری : کیوان رسا ، شهرام خسروی .
منبع : ماهنامه صنایع هوایی / ش 77

[Joseph Goebbels]

پیش بینی هایی برای بارهای وضعیت موتور :


وضعیت موتور در طول ازمایش اغلب با انچه در پرواز است ، متفاوت می باشد . یک موتور برای ازمایش ممکن است در وضعیت نازل بالا ، نازل پایین یا افقی قرار داده شود . نیروهایی که به اتصالات منتقل می شود ، قیودی که به موتور تحمیل می شود و تغییر شکل هایی که در موتور در طول ازمایش وجود دارد ، اغلب با انچه که در طول عملیات یا جا به جایی رخ می دهد ، متفاوت می باشد . موتورهای بلند که توسط پایه هایی در دوربند جلو و عقب مهار می شوند ، هنگامی که در وضعیت افقی ازمایش می شوند ، زیر نیروهای برشی ، محوری و خمشی قرار می گیرند که ممکن است در طول پرواز وجود نداشته باشند . تغییر شکل های یک موتور بلند که در وضعیت افقی روشن می شود ، ممکن است خواص بالستیکی برخی از سوخت ها را تغییر دهد ؛ زیرا کرنش هایی که به علت تغییر شکل به سوخت تحمیل می شود ، باعث افزایش نرخ سوزش می گردد . معمولا با تقویت حلقه های اطراف دوربند ، بارها و گشتاورهایی که به علت وضعیت قرارگیری موتور در هنگام ازمایش ایجاد می شود را تحمیل می کنند . موتورهای بلند اغلب برای کاهش شکم دادگی ، در محدوده وسط هم مهار می شوند .



پیش بینی هایی برای بارهای چرخشی و گردشی :


ازمایش های چرخشی گاهی اوقات در سرعت های بیش از انچه که برای پرواز پایدار چرخشی پیش بینی شده است انجام می گیرد . در نتیجه تکیه گاه موتور و اجزای انتقال نیروی رانش ، زیر بارهای جانب مرکز و گریز از مرکز بیشتر از انچه که در طول پرواز تجربه خواهد شد ، قرار می گیرند . بنابراین اجزا برای تحمل این گونه بارهای ازمایش تقویت می شوند . گاهی نیز برای ارزیابی حساسیت موتور به بارهای شتابی ، ازمایش سانتریفوژ ترتیب داده می شود که این ازمایش نیز در شتاب هایی بیش از انچه که برای پرواز پیش بینی شده است انجام می گیرد .


اندازه گیری فشار محفظه احتراق و آتشزنه :


بیشتر ازمایش های موتور راکت سوخت جامد نیاز به ابزاری برای اندازه گیری فشار محفظه احتراق و اتشزنه دارد . معمولا برای این منظور از لوله ای ظریف متصل به خروجی های محفظه موتور که فشار را به رابط منتقل می کند ، استفاده می شود . محل این سوراخ به چندین عامل بستگی دارد . به عنوان مثال :


1- مسیر لوله انتقال فشار کوتاه باشد و پاسخ دینامیکی متاثر نگردد .


2- لوله فشار در جایی وارد محفظه شود که سرعت گاز در انجا ناچیز است .


3- الگوی ورود به گونه ای باشد که نوسانات آکوستیکی در صورت رخ دادن قابل اندازه گیری باشند .

برای راحتی در مشاهده فشار اتش زنه و فشار محفظه ، مسیر فشار روی همان دربی که به عنوان پایه اتشزنه استفاده می شود ، تعبیه می گردد .
معمولا بیش از یک مسیر و بیش از یک رابط برای اندازه گیری فشار به کار می رود . در طول ازمایش این مسیرهای فشار باید زیر ازمایش های شکست متفاوت ناشی از بارهای دینامیکی ، استاتیکی و حرارتی قرار گیرند . پیش بینی های مناسب جهت جلوگیری یا کاهش احتمال وقوع چنین شکست هایی در ادامه اورده شده است .

پیش بینی هایی برای بارهای فشار دینامیکی :


نرخ فشار استارت اغلب خیلی سریع است و منجر به " شوک استارت " می شود . ضربه یا بار دینامیکی تنش های روی لوله ها و اتصالات انها را افزایش می دهد و در مواقعی ممکن است سامانه اندازه گیری فشار را به ارتعاش وادارد . در حالت عادی این معضل با استفاده از تکیه گاه هایی که لوله ها را در جای خود نگاه داشته است برطرف می شود .

وقتی مسیر فشار از بین یک عایق الاستومری عبور کرد ، بارهای سنگین ناشی از فشار داخلی ممکن است باعث تغییر شکل ماده عایق و بسته شدن مسیر گردد . این بسته شدن مسیر ، با استفاده از یک سوراخ بزرگتر ، قابل رفع است .

پیش بینی هایی برای بارهای فشار ایستایی :


مسیر فشار ممکن است در زمان کوتاهی زیر فشارهای بیشتر از فشار عادی محفظه احتراق قرار گیرد . ازمایش پروف هیدرواستاتیکی و ازمایش نشت معمولا برای اطمینان از درست بودن طراحی مسیر فشار مورد استفاده قرار می گیرد .


پیش بینی هایی برای بارهای اتصالات :


لوله های فشار و رابط های مربوطه و مهار های متصل به موتور ممکن است در نواحی اتصال روی محفظه فشار ، باعث گشتاورهایی شوند . ازمایش های گردشی و چرخشی نیز باعث بیشتر شدن این بارها می شوند . این بارهای اتصال معمولا با اتصالات تکیه گاهی پخش می شوند . گاهی اوقات کل مجموعه رابط ها به وسیله خمیر کرومات روی به منطقه مورد نظر چسبانده می شوند تا به عنوان تکیه گاه و پخش کننده بار به کار می روند .


پیش بینی هایی برای بارهای حرارتی :


اگر مسیر فشار با استفاده از روغن پر نشود ، گازهای گرم احتراق وارد مسیر می شوند و باعث تنش های حرارتی می گردند . گاز داغ راکد معمولا با انتقال حرارت قابل ملاحظه ای به سرعت سرد می شود . روش های مختلفی برای کاهش بارهای حرارتی و نگه داشتن دمای مسیر فشار در کمترین مقدار خود وجود دارد . متداول ترین روش ها عبارتند از :

1- کم کردن حجم مسیر فشار .
2- خنک کردن لوله ها و رابط نیرو با اب .

به هر حال ، اگر طراحی و نصب مسیر فشار دچار اشکال باشد ، نشت گاز گرم حاصل از احتراق باعث تنش های حرارتی می گردد که قابل رفع نیست و سامانه اندازه گیری فشار خراب خواهد شد که منجر به شکست موتور می گردد .

ادامه دارد...
گرداوری : کیوان رسا ، شهرام خسروی
منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 77

[Joseph Goebbels]

جلوگیری از جدایش جریان نازل :

جدایش جریان در شیپوره خروجی نازل هنگامی رخ می دهد که شیپوره ( نازل ) که برای کار در ارتفاع بالا طراحی می شود ، در فشار هوای سطح زمین ازمایش شود . جدایی لایه مرزی در دیواره نازل همراه با موج شوک مایل در ناحیه جریان مافوق صوت نازل رخ می دهد . این شرایط ضربه ویژه ایجاد شده را متاثر می سازد و محاسبات بعدی را مخدوش می سازد .

این تولید موج شوک در شیپوره خروجی نازل ممکن است تاثیرات منفی بر اندازه گیری دقیق نیروی رانش هنگام ازمایش داشته باشد .


پیش بینی هایی برای یکسان سازی فشار :

برای جلوگیری از جدایش جریان ، فشار خروجی نازل باید با یکی از 2 روش زیر با فشار محیط یکسان گردد :

1- استفاده از نازل های مخصوص ازمایش .
2- شبیه سازی فشار ارتفاع مورد نظر در یک سلول بسته یا باز در هنگام ازمایش .


پیش ینی هایی برای تغییرات فشار :

تغییرات فشار خروجی برخی از موتورهای راکت در هنگام ازمایش ممکن است منجر به جدایی نامطلوب جریان در بخشی از زمان عملکرد موتور گردد . این جدایش جریان را می توان با انتخاب نازل ازمایش با نسب سطح ( نسبت خروجی نازل به گلوگاه ان ) مناسب ، به حداقل رساند .


ادامه دارد...
گرداوری : کیوان رسا ، شهرام خسروی
منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 77

[Joseph Goebbels]

ازمایش چرخش و گردش :


ازمایش چرخش و گردش ( اسپین و سانتریفوژ ) موتور گاهی اوقات برای شبیه سازی شرایط بارگزاری یا محیط دینامیکی یک ماموریت واقعی لازم می شود .


برخی از موتورهای راکت سوخت جامد به شدت زیر تاثیر محیط دینامیکی ایجاد شده از این ازمایش قرار می گیرند . سوخت های الومینیوم دار خاصی در حالت ازمایش استاتیکی یا پرواز نسبت به حالت ازمایش دارند. اصلی ترین تغییری که مشاهده شده ، افزایش فشار و نیروی رانش و افزایش چار ( char لایه ای است که در اثر تغییر حالت فیزیکی عایق ها به هنگام احتراق موتور بوجود می اید . این لایه خواص حرارتی خود را تقریبا حفظ می کند . اما به لحاظ خواص فیزیکی مانند چگالی دستخوش تغییراتی می شود ) و سایش عایق بوده است . هر یک از این تاثیرات ممکن است باعث شکست گردد .

ادامه دارد...
گرداوری : کیوان رسا ، شهرام خسروی
منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 77

[Joseph Goebbels]

پیش بینی هایی برای فشار افزایش یافته محفظه :


فشار محفظه موتور در طول ازمایش گردش ممکن است از انچه که در همان سرعت چرخش در پرواز ایجاد می شود بیشتر باشد ؛ زیرا شتاب محوری در پرواز منجر به کاهش حساسیت به گردش می شود ( مقدار فشار محفظه احتراق با سرعت چرخش افزایش پیدا می کند ) . بسیاری از موتورها به فشار استانه ای می رسند که بالاتر از این فشار استانه ، افزایش فشار محفظه متناسب با افزایش سرعت چرخش خواهد بود . کمتر از این حد استانه ، فشار محفظه تقریبا مستقل از سرعت گردش خواهد بود . اغلب یک برنامه ازمایش گردش موتور که حساسیت فشار داخلی به سرعت گردش را نتیجه دهد ، پیش از طراحی نهایی مورد نیاز است . هر گونه افزایش در محفظه در فشار محفظه بیش از مقدار مجاز طراحی ، تنش هایی در محفظه و نازل تولید می کند که ممکن است بحرانی باشند . محفظه و نازل برای داشتن حاشیه اطمینان لازم ، باید در حد ممکن تقویت شوند .


پیش بینی هایی برای نیروی رانش افزایش یافته :


فشار افزایش یافته ای که در ازمایش های گردش ایجاد می شود با افزایش سطح نیروی رانش توام است . افزایش نیروی رانش باعث افزایش نیروهای وارد به تکیه گاه ها می شود . این پدیده در بسیاری از ازمایش ها مشاهده شده است .


پیش بینی هایی برای چار و سایش افزایش یافته :


وقتی سطح سوزش عمود بر بردار شتاب باشد ، نرخ سوزش سوخت بیشتر می شود و این امر ممکن است باعث سوختن سریع یک بخش از سوخت و رسیدن به عایق داخلی در ان نقاط شود . به عنوان مثال ، نرخ سوزش افزایش یافته ناشی از ازمایش گردش در ریشه یک گِرِین ستاره ای ، منجر به رسیدن زودرس به عایق اطراف می گردد و برای حفاظت کافی در مقابل چار و سایش ، ضخامت عایق در این نقطه زیاد می شود .

ادامه دارد...
گرداوری : کیوان رسا ، شهرام خسروی
منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 77

- - - به روز رسانی شده - - -

پیش بینی هایی برای فشار افزایش یافته محفظه :


فشار محفظه موتور در طول ازمایش گردش ممکن است از انچه که در همان سرعت چرخش در پرواز ایجاد می شود بیشتر باشد ؛ زیرا شتاب محوری در پرواز منجر به کاهش حساسیت به گردش می شود ( مقدار فشار محفظه احتراق با سرعت چرخش افزایش پیدا می کند ) . بسیاری از موتورها به فشار استانه ای می رسند که بالاتر از این فشار استانه ، افزایش فشار محفظه متناسب با افزایش سرعت چرخش خواهد بود . کمتر از این حد استانه ، فشار محفظه تقریبا مستقل از سرعت گردش خواهد بود . اغلب یک برنامه ازمایش گردش موتور که حساسیت فشار داخلی به سرعت گردش را نتیجه دهد ، پیش از طراحی نهایی مورد نیاز است . هر گونه افزایش در محفظه در فشار محفظه بیش از مقدار مجاز طراحی ، تنش هایی در محفظه و نازل تولید می کند که ممکن است بحرانی باشند . محفظه و نازل برای داشتن حاشیه اطمینان لازم ، باید در حد ممکن تقویت شوند .


پیش بینی هایی برای نیروی رانش افزایش یافته :


فشار افزایش یافته ای که در ازمایش های گردش ایجاد می شود با افزایش سطح نیروی رانش توام است . افزایش نیروی رانش باعث افزایش نیروهای وارد به تکیه گاه ها می شود . این پدیده در بسیاری از ازمایش ها مشاهده شده است .


پیش بینی هایی برای چار و سایش افزایش یافته :


وقتی سطح سوزش عمود بر بردار شتاب باشد ، نرخ سوزش سوخت بیشتر می شود و این امر ممکن است باعث سوختن سریع یک بخش از سوخت و رسیدن به عایق داخلی در ان نقاط شود . به عنوان مثال ، نرخ سوزش افزایش یافته ناشی از ازمایش گردش در ریشه یک گِرِین ستاره ای ، منجر به رسیدن زودرس به عایق اطراف می گردد و برای حفاظت کافی در مقابل چار و سایش ، ضخامت عایق در این نقطه زیاد می شود .

ادامه دارد...
گرداوری : کیوان رسا ، شهرام خسروی
منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 77

[Joseph Goebbels]

تاثیرات گرم شدن خارجی و داخلی :


در طول ازمایش ، سطوح خارجی موتور راکت شامل همه اتصالات و نیز پایه های ازمایش در معرض محیط های حرارتی متفاوتی قرار می گیرند . بعضی از شکست های زمان ازمایش مربوط به محیط حرارتی است که گرم تر از محیط پروازی پیش بینی شده می باشد . اصلی ترین منبع گرم کردن خارجی مربوط به شعله گاز خروجی نازل است . وقتی به منظور انطباق بیشتر فشار خروجی با فشار ازمایش زمینی ، نازل کوتاه می شود ، معمولا شدت تابش حرارت به موتور به علت کاهش فاصله ، افزایش می یابد . گرم شدن نامطلوب موتور معمولا یک مشکل است ، ولی قرار دادن موتور در هوای سرد نیز ممکن است موتور را تا دمای کمتر از محدوده تعیین شده سرد نماید . وقتی یک موتور سرد استارت زده می شود ، سوخت سرد یا عایق سرد ( یا هر دو ) ممکن است به دلیل کاهش حد کرنش مجاز ترک بخورند . تغییرات خواص بالیستیکی نیز ممکن است به علت کاهش نرخ سوزش و طولانی شدن زمان گذرای استارت سوخت ، تغییر نماید .


حفاظت در مقابل حرارت ساطع از شعله :


برای محافظت در مقابل حرارت ساطع از شعله روش هایی مرسوم است . این روش ها عبارتند از : استفاده از سطوح انعکاسی در سطوحی که در معرض تابش هستند ، سپرهای حرارتی ، افزایش مقدار عایق های خارجی و پاشیدن اب .



حفاظت در مقابل برگشتن شعله :


برگشتن شعله روی سطح خارجی محفظه می تواند اسیب رسان باشد . برای جلوگیری از برگشتن شعله نیز از پاشیدن اب یا تصفیه نیتروژنی استفاده می کنند .



حفاظت در مقابل حرارت همرفتی :


هر موتور راکت سوخت جامد که روشن شود ، گازهای داغ خروجی از نازل حول منطقه عقبی موتور شروع به چرخش می کنند . در ازمایش موتورهای چند نازلی یا موتورهایی که برای شبیه سازی شرایط ارتفاعی در یک محفظه بسته ازمایش می شوند ، این روش گرم شدن جدی تر است و می تواند منجر به مشکلاتی مشابه که در حالت برگشت شعله بوجود می اید ، گردد .



حفاظت در مقابل دماهای محیطی :


هنگامی که دماهای محیطی به طور قابل ملاحظه ای کمتر یا بیشتر از شرایط دمایی پیش بینی شده است ، موتور ممکن است پیش از ازمایش یا در هنگام ازمایش خیلی سرد یا گرم شود . روش هایی که در حال حاضر برای نگه داری موتور و اتصالات ان در یک دمای ثابت به کار می رود ، شامل روش های ساده از محیط ازمایش با دمای کنترل سایه ، پوشاندن و ... می باشد . اغلب درپوش نازل برای کمک به جلوگیری از گرم و سرد شدن داخل موتور پیش از ازمایش به کار می رود . به علاوه کلیه تلاش ها بدین سمت است که قرار گیری موتور در یک محیط با دمای نامساعد در کمترین زمان ممکن باشد .



گرداوری : کیوان رسا ، شهرام خسروی

منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 77