موتور های سوخت مایع

[آیو]

فهرست: 1 مقدمه 2 اجزا و نحوه عملكرد 3 انواع موتور‌هاي پيشران مايع 4 مزايا و معايب موتور‌هاي پيشران مايع در مقايسه با موتور‌هاي پيشران جامد 5 مثالي از نحوه عملكرد يك موتور پيشران مايع

مقدمه موتور پيشران مايع، موتوري است كه عمل احتراق شيميايي در آن با استفاده از يك يا چند ماده اكسيدكننده و احياشونده مايع، انجام مي‌پذيرد. مجموعه اين احياشونده (سوخت) و اكسيدكننده، در اصطلاح پيشران ناميده مي‌شوند. اين پيشران به صورت تفكيك‌شده، در مخازني در موشك پرتابگر ذخيره و نگهداري مي‌شود و هنگام روشن شدن راكت، به محفظه احتراق تزريق شده و باعث ايجاد احتراق و توليد نيروي رانش مي‌شود [1]. كنستانتين تسيلكوفسكي روسي، پدر علوم راكتي، اولين كسي بود كه اصول راكت‌هاي پيشران مايع را در كتاب خود تحت عنوان تحقيق و بررسي پيرامون فضاي بين‌سياره‌اي با استفاده از وسايل عكس‌العملي، در سال 1896، مطرح كرد. سال‌ها بعد و بر پايه همين تئوري‌ها 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 مي‌توان ثمره پيشرفت بشر در طراحي و ساخت راكت‌هاي سوخت مايع دانست. اولين پرتابگرهاي قدرتمند تاريخ مانند ساترن-5 آمريكايي و انرگياي روسي با سامانه راكتي پيشران مايع كار مي‌كردند. در اين سامانه‌ها معمولاً از كروسين يا هيدروژن به عنوان سوخت و از اكسيژن مايع به عنوان اكسيدكننده استفاده مي‌شد. موتور‌هاي سوخت مايع در دهه‌هاي 60، 70 و 80 پيشرفت بسيار زيادي كردند و نوع پيشران آنها دچار تغيير و تحولات عمده‌اي شد. اما امروزه با پيشرفت فناوري، موتورهاي پيشران جامد توانسته‌اند 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 مي‌دهد.

---

اجزا و نحوه عملكرد موتورهاي پيشران مايع از 5 بخش اصلي تشكيل شده‌اند كه عبارتند از: مخازن سوخت و اكسيدكننده مخازني هستند تعبيه شده در خارج از موتور كه پيشران‌هاي مايع در داخل آنها نگهداري مي‌شوند. در واقع اين مخازن را بيشتر مي‌توان جزئي از موشك پرتابگر به حساب آورد تا خود موتور پيشران مايع. از آنجايي كه معمولاً پيشران‌ها فشار بسيار بالا و دماي خيلي پاييني دارند، و از طرفي وزن اين مخازن لازم است تا حتي‌الامكان كمتر باشد، طراحي آنها بسيار مشكل و با ملاحظات فراواني همراه است. معمولاً يك نوع گاز كه با مايع سوخت يا اكسيدكننده به هيچ‌وجه واكنش نمي‌دهد، با فشار بالا به داخل اين مخازن تزريق مي‌شود تا نوعي فشار پشت‌دستي را براي هدايت هرچه بيشتر پيشران‌ها پديد آورد. توربوپمپ اين زيرسامانه پيشران‌هاي مايع را از مخازن مكيده و با فشار و دبي مناسب به سمت محفظه احتراق هدايت مي‌كند. به تعبيري مي‌توان توربوپمپ را قلب يك موتور پيشران مايع دانست. براي هر يك از اكسيدكننده و سوخت، توربوپمپ‌هاي جداگانه‌اي به كار مي‌رود. انرژي توربوپمپ‌ها معمولاً از يك مولد گاز و توربين تامين مي‌شود. بخشي از سوخت و اكسيدكننده درمسير محفظه احتراق وارد اين مولد گاز مي‌شوند و با پس از واكنش گازهايي را حاصل مي‌كنند كه باعث كار توربين و به تبع آن توربوپمپ‌ها مي‌شود. البته لازم به ذكر است در برخي از موتورهاي پيشران مايع كوچك‌تر (كه البته در صنعت فضايي كاربرد ندارند)، پيشران‌ها با همان فشار پشت‌دستي مخازن به داخل محفظه احتراق تزريق مي‌شوند و نيازي به توربوپمپ نيست [1]. در موتورهاي پيشران مايع كه در مراحل بالايي پرتابگرها استفاده مي‌شوند و همچنين در موتورهاي پيشران مايع فضايي، كه در ماهواره‌ها و فضاپيماها براي كنترل و تغيير مسير استفاده مي‌شوند، نيز به دليل فشار كمتر محفظه احتراق، در بسياري موارد توربو‌پمپ وجود نداشته و سامانه با فشار پشت‌دستي محفظه‌هاي پيشران كار مي‌كند. 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 مي‌گيرند و وظيفه دارند تا پيشران‌هاي 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 پيچيده‌ترين و حساس‌ترين قسمت‌هاي يك موتور پيشران مايع هستند.