موتورهای سوخت مایع

در موتورهای معمول از مکش هوای آزاد و ترکیب آن با سوخت، انرژی مورد نیاز برای حرکت جسم پرنده به وجود می‌آید؛ ولی در موشک‌ها با محدودیت‌های متفاوتی رو به رو هستیم از جمله اینکه در محیطی (خارج از جو زمین) پرواز می‌کنند که هوا وجود ندارد در این حالت باید عمل سوختن را از طریقی دیگر انجام دهند؛ ضمن اینکه برای خروج از جاذبه زمین به مقدار بسیار بیشتری از انرژی نیاز دارند. برای مثال در شاتل فضایی هر موتور 1.2 میلیون پوند تراست در 8.5 دقیقه تولید می‌کنند که سرعت شاتل را برای خروج از جو به 27000 کیلومتر در ساعت می‌رسانند (شاتل برای انواع حرکت‌های عمودی یا افقی و مانورهای مختلف از سوخت‌های جامد و مایع استفاده می‌کند). از این رو به پیشران‌هایی با سوخت قابل حمل و دارای انرژی سوختی بالا نیاز داریم. 

بر اساس علم شیمی سوختن انواع مختلفی دارد، در موتورهای سوخت مایع از ترکیب کردن سوخت که شامل الکل، سوخت‌های کربنی و یا هیدروژن مایع هستند و ماده اکسنده که معمولا اکسیژن مایع یا نیتریک اسید است، در فشارهای بسیار بالا عمل احتراق صورت می‌گیرد و انرژی پیشران را فراهم می‌شود. باید توضیح داد که با بالا بردن فشار یک گاز و پایین آوردن دمای آن می‌توان گاز را به مایع تبدیل کرد و میزان بسیار زیادی از آن را ذخیره سازی کرد که هیدروژن و اکسیژن مایع به همین صورت در مخازن تحت فشار درون موشک قرار می‌گیرند. 

برای آشنایی با نحوه کار کردن پیشران‌های سوخت مایع اولین قسمت، محفظه‌های ذخیره سوخت و اکسید کننده هستند. این محفظه‌ها به صورت‌های مختلف سوخت و مایع اکسنده را در فشار بالا و شرایطی که خورندگی دارند و همچنین باید کمترین وزن ممکن را داشته باشند نگهداری می‌کنند. فشار مورد نیاز محفظه‌ها از طریق توربوپمپ‌های مخصوص و یا از انرژی حاصل از سوختن بعد از محفظه احتراق تامین می‌شوند که از طریق لوله‌های با فشار بالا به محفظه‌های سوخت منتقل می‌کنند و فشار مورد نیاز آن‌ها را تامین می‌کنند. توربوپمپ‌ها نیز انرژی مورد نیاز خود را از طریق یک مولد گاز و توربین تامین میکنند. بخشی از سوخت و اکسید کننده که در مسیر محفظه احتراق هستند را به توربوپمپ‌ها میدهند تا انرژی مورد نیاز خود را تامین کنند و بتوانند با واکنش‌های شیمیایی گازهایی را تولید کنند که به موجب آن توربین توربوپمپ حرکت کند و فشار مورد نظر را به وجود آورند. لوله‌های انتقال دهنده سوخت و اکسنده هم به گونه‌ای طراحی می‌شوند که دور نازل خروجی پیچیده می‌شوند تا گرمای حاصل از سوختن به دیواره نازل خروجی صدمه وارد نکند و عمل انتقال حرارت را به بیرون انجام می‌دهند. 

توربوپمپ‌ها مواد سوختی و اکسنده را از مخازن با فشار و دبی مورد نیاز به طریقه‌های مختلف و چرخه‌های خاص خود که انرژی را به صورت‌های متفاوتی تبدیل می‌کنند از مخازن سوخت به تزریقگرها یا همان انژکتورها منتقل می‌کنند. در اینجا با چند نوع تزریقگر رو به رو هستیم که وظیفه آن‌ها ریز کردن، مخلوط کردن و تبخیر سوخت و اکسنده به صورت همگن و با زوایه، سرعت، قطر کاملا مشخص و تعداد لوله‌های مختلف، است که به صورت ذره‌ای یا اتمی یا ... در محفظه احتراق می‌پاشند. تزریقگرها انواع مختلفی از نظر جنس و نوع قرار گیری و ... دارند که از مهمترین و حیاتی ترین قسمت‌های موتور محسوب می‌شوند.

تزریقگرها به طور کلی به دو صورت جریان برخوردی و افشانه‌ای وجود دارند. در نوع اول انژکتورهای چند سوراخه در دو نوع برخورد مشابه و غیرمشابه وجود دارند که بر اساس زوایای خاص سوخت و اکسنده را به قطرات ریز تبدیل کرده و با یکدیگر مخلوط می‌کنند تا آماده‌ سوختن شوند که این مدل کاربرد بیشتری دارد. در نوع دوم که افشانه‌ای می‌باشد که به صورت صفحه‌ای مانند سردوش می‌باشند که سوخت و اکسنده را اسپری می‌کنند و نحوه توزیع و قرارگیری آن‌ها از لحاظ کنترل دمای دیواره، پایداری احتراق و تغییر تراست را می‌توان از این طریق به طور کامل کنترل کرد. 

بر اساس نوع مواد سوختی و اکسنده دو گونه از پیشرانه‌های خود مشتعل شونده و غیر خود مشتعل شونده داریم. در نوع اول به محض تماس سوخت و اکسنده، ترکیب به وجود آمده مشتعل می‌شود و نیازی به منبع حرارت برای عمل سوختن ندارند؛ مانند زوج پیشرانه دی‌متیل هیدرازین نامتقارن و دی نیتروژن تترا اکسید. از سیستم خود مشتعل شونده غالبا برای اصلاح حرکات مداری و مانوری فضاپیما استفاده می‌شود؛ زیرا باید بارها و بارها به صورت لحظه‌ای خاموش و روشن شوند، نیاز به سرعت بالای عملکردی دارند و به دلیل عدم وجود منبع حرارتی پیچیدگی‌های کمتری در این سیستم وجود دارد. در نوع دوم برای سوختن نیاز به منبع آتشزنه داریم؛ مثل زوج هیدوژن و اکسیژن. در این حالت روش‌های مختلفی برای انجام عمل سوختن وجود دارد که شامل آتشزنه الکتریکی، لیزری، رزونانسی، با استفاده از ماده شیمیایی سوم یا اشتعال هایپرگولیک و ... می‌باشد که طی فرآیندهای متفاوتی عمل سوختن را انجام می‌دهند. برای انتخاب نوع آتشزنه باید به وزن، هزینه، تعمیر و نگهداری، نوع سوخت و اکسنده، قابلیت شروع مکرر، قابلیت اطمینان بالا و... توجه کرد.

در این مرحله بعد از ترکیب سوخت و اکسنده و شروع سوختن آن در محفظه احتراق به صورت تصاعدی دما و فشار به طور ناگهانی بالا می‌رود و تا 2500 psi نیز می‌رسد و دما نیز تا 3000 درجه سانتی‌گراد می‌رسد. شکل، حجم و نوع قرار گیری محفظه احتراق و نازل خروجی با پارامترهای زیادی تعیین می‌شود زیرا باید توان تبدیل تمام انرژی‌های به وجود آمده به انرژی جنبشی برای حرکت را داشته باشد و دارای ایمنی بسیار بالاتری نسبت به بقیه قسمت‌ها باشد. مهمترین پارامترهای محفظه استوانه‌ای و مخروط همگرای نازل باید به صورتی باشد که حجم به اندازه کافی برای مخلوط شدن، تبخیر و احتراق کامل مواد باشد، خنک کاری محفظه به صورت صحیح صورت گیرد، افت فشارهای گاز و شتاب دهی باید به صورت صحیحی صورت گیرد زیرا کمترین ناهمگونی در توزیع فشارها و نیروها سرعت خروجی و کارایی وسیله را تحت تاثیر قرار می‌دهد. انتقال مومنتوم تمام این گازهای خروجی نیروی پیشران راکت را ایجاد می‌کنند. 

برای خنک کاری محفظه احتراق و نازل خروجی ساده ترین روش، روش حالت پایا است. در این روش به دو صورت خنک کاری با سیکل بازیابی و خنک کاری به روش تشعشعی می‌باشد. در نوع اول سوخت را اطراف محفظه احتراق می‌چرخانند و بعد از آن سوخت وارد انژکتورها می‌شوند که انتقال حرارت را از محفظه احتراق و نازل به سوخت انجام می‌دهند که بسیار کارآمد است. در روش تشعشعی دیواه محفظه و نازل را با مواد دما بالا می‌سازند و زمانی که به تعادل گرمایی می‌رسند، دیواره حرارت را به فضای بیرون متشعشع می‌کند. این نوع خنک کاری بیشتر برای قسمت‌های واگرای خروجی نازل در نسبت مساحت بالا استفاده می‌شود. در روش انتقال حرارت ناپایا محفظه تراست و احتراق به تعادل حرارتی و حد بالایی دمایی نمی‌رسند و عملیات احتراق قبل از رسیدن دیواره‌ها به دمای بحرانی متوقف می‌شوند و در واقع ضریب جذب حرارت قطعات تعیین کننده مدت زمان کارایی موتور می‌باشد که این روش در محفظه‌های فشار پایین و نرخ انتقال حرارت کم استفاده می‌شود.

به طور کلی موتورهای سوخت مایع بسیار جزئی‌تر از این نوشته می‌باشند و چرخه‌های مختلف موتور مثل سیکل باز و بسته و... تعیین کننده قطعات و فرآیندها می‌باشند و این توضیحات ساده‌ترین و کلی ترین نوع موتورهای سوخت مایع بود.