رم جت و اسکرام جت

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesamiرهام حسامی

محل اقامت: City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1475

سپاس: 3154

جنسیت:

تماس:

رم جت و اسکرام جت

پست توسط rohamjpl »

موتور رم‌جت «Ramjet» یک موتور هواتنفسی است که هیچ جزء گردنده‌ای(توربوماشین) در ساختار خود ندارد. از این موتورها نمی‌توان در حالت ایستا استفاده کرد، چرا که هیچ گونه اجزای چرخنده‌ای در ساختار خود ندارند که هوا را برای احتراق فشرده سازد. موتور اسکرم‌جت نیز در واقع نمونه‌ای پیچیده‌تر از رم‌جت است که همانند آن هیچ جزء دورانی در ساختار خود ندارد. در موتورهای رم‌جت و اسکرم‌جت، نیروی رانش بدون نیاز به هرگونه جزء گردان و با استفاده از هوای موجود در جو، در مقادیر ماخ بالا تولید می‌شود. فرآیند احتراق نیز زمانی انجام می‌شود که سرعت جریان اکسیدکننده (هوا) در محدوده فراصوتی باشد(که چنین شرایطی در موتورهای توربین گازی روی نمی‌دهد). این موارد بیان‌گر ویژگی‌ها و مشخصات رم‌جت و اسکرم‌جت می‌باشد. یک موتور رم‌جت هیچ گونه کمپرسور، توربین یا توربوماشینی در ساختار خود ندارد و در واقع از حرکت رو به جلوی خود برای هل دادن هوا استفاده می‌کند(بنابراین برای مکش هوا، موتور حتماً باید در حال حرکت در سرعت‌های بالا باشد)؛ بنابراین رمجت‌ها نمی‌توانند در شرایط ساکن، نیروی رانشی تولید کنند. کارایی موتور رم‌جت در سرعت‌های 5/2 تا ۵ ماخ بسیار بالا بوده و در عوض در مقادیر ماخ کمتر از5/2 و نیز سرعت‌های مادون صوت راندمان چندانی نخواهد داشت. موتور اسکرم‌جت نیز در مقادیر سرعت ماخ فراتر از ۵ بسیار کارآمد است و در مقادیر عدد ماخ پایین‌تر از ۵ چندان کارآمد نیست. اجزای اصلی در موتورهای رم‌جت و اسکرم‌جت شامل بخش‌های مکش هوا، تزریق سوخت، تثبیت‌کننده شعله، محفظه احتراق و نازل می‌باشد. از آن‌جایی که هر دوی این موتورها به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا در سرعت‌های فراصوتی پرواز کنند، شکل ورودی جریان هوای این موتورها به صورت همگرا است که سرعت جریان فراصوت را کاهش و فشار را افزایش می‌دهد. در موتور رم‌جت، شکل محفظه احتراق به صورت همگرا است و گاهی این محفظه احتراق تنها یک کانال موازی است که فرآیند احتراق در فشار ثابت در آن صورت می‌گیرد. همان‌طور که جریان هوا به صورت پیوسته از ورودی هوا وارد موتور و محفظه احتراق می‌شود، باید مانعی در مسیر جریان هوا برای ممانعت از خاموش شدن شعله احتراق وجود داشته باشد؛ همان‌گونه که در شکل ذیل توضیحات بخش رم‌جت که در ادامه آورده شده نیز قابل مشاهده است، این مانع تحت عنوان تثبیت‌کننده شعله یا شعله‌نگهدار شناخته می شود.
عملکرد رم‌جت:
در سرعت‌های فراصوت، می‌توان از سامانه پیشران رم‌جت به صورت کاملاً کارآمد استفاده نمود. این موتور با استفاده از نیروی رانش موتور خارجی(یک سامانه پیشران دیگر) مقدار اندازه حرکت اولیه مورد نیاز را بدست می‌آورد(محدوده سرعت فراصوتی) تا در نتیجه هوای موجود در جو با سرعتی فراصوتی وارد بخش مکش موتور شود. به دلیل شکل دهانه ورودی موتور، هوا در بخش مکش یا ورودی متراکم(فشرده‌سازی داخلی و خارجی) می‌شود. فشرده‌سازی داخلی یعنی هوا در داخل موتور یا قسمت مکش متراکم می‌شود و فشرده‌سازی خارجی به معنای تراکم هوا خارج از بخش مکش است.
اسکرم‌جت که نام این موتور از واژه «Supersonic Combustion Ramjet» گرفته شده در واقع یک موتور رم‌جت احتراقی فراصوت است و به عبارتی تحت عنوان یک نمونه پیشرفته‌تر از موتور رم‌جت شناخته می‌شود. در یک موتور اسکرم‌جت، هوا در بخش مکش یا ورودی موتور جریان پیدا می‌کند که این امر منجر به افزایش فشار و دما و کاهش سرعت جریان می‌گردد. در این نوع موتور، احتراق مخلوط سوخت و هوا در سرعت فراصوت روی می‌دهد که این موضوع موجب کارایی بهتر موتور می‌گردد؛ چرا که مقدار بالایی از تکانه هوا در تمام موتور به وجود می‌آید(بدون کاهش سرعتی که در رمجت‌ها با آن رو به رو بودیم). در موتور اسکرم‌جت، بنابر نوع سوخت مصرفی (هیدروژن)، نیاز به فرآیند احتراق نسبتاً کمتر است.
اندازه حرکت اولیه موتور از طریق یک سری منابع پیشران خارجی برای رسیدن به سرعت مورد نیاز حاصل می‌شود. هوای موجود در جو وارد بخش مکش هوا شده و در اثر تراکم داخلی و خارجی، فشرده می‌شود. به این نوع فشردگی کوبش یا رمینگ هم می‌گویند. سرعت هوا پس از گذر از بخش مکش، هنوز هم در محدوده فراصوت قرار دارد با این تفاوت که فشار و دمای آن در مقایسه با میزان فشار و دمای پیش از این مرحله بیش‌تر شده است. شرایط جریان اولیه از قسمت مکش هوا تا محفظه احتراق به اندازه کافی مساعد هست که در محفظ احتراق، احتراق کامل مخلوط هوا و هیدروژن(به گونه‌ای مؤثر بدون کم شدن سرعت هوا تا محدوده مادون صوت) انجام شود.، یک اسکرم جت از اجزای چرخان و فن مانند برای فشرده کردن هوا استفاده نمی کند. بلکه سرعت قابل دستیابی هواپیما در حال حرکت در جو باعث می شود هوا در ورودی فشرده شود. به این ترتیب، هیچ قطعه متحرکی در یک اسکرام جت مورد نیاز نیست.در یک رم جت، محفظه احتراق - جایی که هوا با سوخت مخلوط می شود و مشتعل می شود - فقط در سرعت های مادون صوت کار می کند. .رم جت از نظر مفهومی ساده ترین موتور جت است. این مجرای است که در آن هوا می سوزد و یک جت داغ ایجاد می کند که نیروی رانش را فراهم می کند، این مجرای ترمودینامیکی هوا شناخته می شود زیرا مجرای بیش از یک کانال نیست که در آن یک چرخه ترمودینامیکی انجام می شود. آنها دیگر برای هواپیماها استفاده نمی شوند، زیرا نمی توانند نیروی رانش را با سرعت هوای صفر فراهم کنند - زیرا او هیچ کمپرسوری در داخل دیفیوزر ندارد - و توربوفن مدرن بسیار کارآمدتر است. این توسط یک دیفیوزر، یک مشعل و یک نازل تشکیل شده است، از فشرده سازی دینامیکی هوای قوچ در ورودی خود استفاده می کند و سپس جت داغ در یک نازل همگرا-واگرا منبسط می شود زیرا مافوق صوت است.
هواپیماهایی مانند بلک برد از یک رمجت برای رسیدن به سرعت ماخ بالاتر با راه اندازی رمجت در زمانی که در حال حاضر مادون صوت بود استفاده می کردند... اسکرام جت یک نوآوری در رم جت است که در آن محفظه احتراق به طور ویژه برای کار با جریان هوای مافوق صوت طراحی شده است. Scramjet به سادگی مخفف ramjet 'احتراق مافوق صوت' است.در موتورهای توربوجت معمولی، هوا توسط کمپرسور فشرده و گرم شده و به درون اتاقک احتراق رانده می شود که در آنجا با سوخت مخلوط شده و پس از احتراق تولید گازهای پرفشار می کند. خروج این گازها از اگزوز باعث تولید رانش به جلو یا thrust می شود.
برای سرعت هوای ورودی به داخل کمپرسور محدودیت وجود دارد. وقتی هواپیما به سرعت صوت نزدیک می شود هوای ورودی به داخل موتور با امواج شوک همراه است که می تواند باعث ایراد صدمه به کمپرسور شود. در نتیجه با طراحی ورودی هوا به موتور به شیوه های مختلف باعث کاهش سرعت جریان هوای ورودی می شوند.
در موتور رم جت کمپرسور و سایر اجزای متحرک مانند توربین وجود ندارد. بطور ساده هوا وارد اتاق احتراق شده و پس از ترکیب با سوخت می سوزد و تولید گازهای پرفشار می کند. کاهش سرعت جریان هوای ورودی به زیر صوت توسط قطعه ای با طراحی خاص به نام جسم درونی یا inner body صورت می پذیرد. تراکم هوا توسط سرعت بالای رو به جلوی جسم پرنده تامین می شود. در اینجا نیز سرعت هوای ورودی باید زیرصوت باقی بماند. زیرا افزایش سرعت به بالای این مقدار باعث وارد آوردن امواج ضربه و نیز گرم شدن بیش از حد هوا در داخل موتور احتراق می شود.
موتورهای رم جت نمی توانند زیر سرعت 2 یا 3 ماخ کار کنند زیرا به سرعت بالاتر برای متراکم کردن هوا در جلوی موتور نیاز دارند. سرعت بالاتر از 6 ماخ نیز بریا آنها دست نیافتنی است زیرا باعث داغ شدن گازهای احتراق تا حد تجزیه محصولات احتراق می شود. چاره کار در موتورهای اسکرم جت است.
اسکرم جت مخفف Supersonic Combustion RAMjet می باشد. در موتور اسکرم جت هوای ورودی با سرعت بالای صوت وارد موتور احتراق می‌شود. چون هوا چندان فشرده نمی شود و با آزادی نسبی وارد اتاق احتراق می گردد، دمای آن افزایش چندانی نمی‌یابد. طراحی آیرودینامیکی جسم ورودی موتور اسکرم جت به گونه ای که هوا را تنها تا حد احتراق در مدت چند هزارم ثانیه متراکم کند و در عین حال از سرعت هوای ورودی چندان نکاهد امر بسیار پیچیده ای است. بدنه موتور و سایر قسمت های جسم پرنده نیز باید بسیار مستحکم باشد تا در برابر نیروهای آیرودینامیکی و ثقلی وحشتناک سرعت‌های بالا مقاومت کند. اسکرام جت (رام جت احتراق مافوق صوت) گونه ای از موتور جت تنفسی رم جت است که در آن احتراق در جریان هوای مافوق صوت انجام می شود. همانطور که در رم جت ها، یک
با توجه به ماهیت طراحی آنها، عملیات اسکرام جت به سرعت های نزدیک به مافوق صوت محدود می شود. از آنجایی که اسکرام جت ها فاقد کمپرسورهای مکانیکی هستند، به انرژی جنبشی بالای جریان مافوق صوت برای فشرده کردن هوای ورودی به شرایط عملیاتی نیاز دارند. بنابراین، یک وسیله نقلیه با موتور اسکرام جت باید به سرعت مورد نیاز (معمولاً در حدود 4 ماخ) توسط برخی وسایل پیشران دیگر مانند موتورهای توربوجت، ریل تفنگ یا موشک شتاب داده شود. در پرواز آزمایشی بوئینگ X-51A با موتور اسکرام جت، کشتی آزمایشی قبل از رها شدن توسط یک بوئینگ B-52 Stratofortress به ارتفاع پرواز بالا رفت و توسط یک موشک جداشدنی به سرعت نزدیک به 4.5 ماخ شتاب گرفت در می 2013، پرواز دیگری به سرعت 5.1 ماخ افزایش یافت.
در حالی که اسکرام جت ها از نظر مفهومی ساده هستند، پیاده سازی واقعی با چالش های فنی شدید محدود می شود. پرواز مافوق صوت در اتمسفر کشش بسیار زیادی ایجاد می کند و دمای موجود در هواپیما و داخل موتور می تواند بسیار بیشتر از دمای هوای اطراف باشد. حفظ احتراق در جریان مافوق صوت چالش های بیشتری را به همراه دارد، زیرا سوخت باید در چند میلی ثانیه تزریق، مخلوط، مشتعل و سوزانده شود.
یک نمودار مقایسه ای از هندسه های مختلف برای بخش های تراکم، احتراق و انبساط یک توربوجت، یک رم جت و یک اسکرام جت.
مناطق تراکم، احتراق و انبساط: (الف) توربوجت، (ب) رم جت، و (ج) موتورهای اسکرام جت.
اصول اساسی
اسکرامجت ها به گونه ای طراحی شده اند که در رژیم پرواز مافوق صوت، فراتر از دسترس موتورهای توربوجت عمل کنند و همراه با رم جت ها، شکاف بین راندمان بالای توربوجت ها و سرعت بالای موتورهای موشک را پر کنند. موتورهای مبتنی بر ماشین‌های توربو، اگرچه در سرعت‌های مادون صوت بسیار کارآمد هستند، اما در سرعت‌های فراصوت به طور فزاینده‌ای ناکارآمد می‌شوند، زیرا روتورهای کمپرسور موجود در موتورهای توربوجت برای کار کردن به سرعت‌های زیر صوت نیاز دارند. در حالی که جریان از مافوق صوت به سرعت های مافوق صوت پایین می تواند به این شرایط کاهش یابد، انجام این کار در سرعت های مافوق صوت منجر به افزایش فوق العاده دما و کاهش فشار کل جریان می شود. در حدود 3 تا 4 ماخ، توربوماشین‌ها دیگر مفید نیستند و فشرده‌سازی به سبک قوچ به روش ترجیحی تبدیل می‌شود
رم جت‌ها از ویژگی‌های سرعت بالا هوا استفاده می‌کنند تا به معنای واقعی کلمه، هوا را از طریق یک دیفیوزر ورودی به محفظه احتراق «رم» کنند. در سرعت‌های پرواز فراصوت و مافوق صوت، هوای بالادست ورودی نمی‌تواند با سرعت کافی از مسیر خارج شود و قبل از انتشار در محفظه احتراق، درون دیفیوزر فشرده می‌شود. احتراق در یک رم جت با سرعت های زیر صوت، مشابه توربوجت ها، انجام می شود، اما محصولات احتراق سپس از طریق یک نازل همگرا-واگرا به سرعت های مافوق صوت شتاب می گیرند. از آنجایی که رم جت ها ابزار مکانیکی برای فشرده سازی ندارند، نمی توانند از حالت سکون شروع کنند و معمولاً تا پرواز مافوق صوت به فشرده سازی کافی نمی رسند. فقدان توربوماشین‌های پیچیده به رمجت‌ها اجازه می‌دهد تا با افزایش دما مرتبط با کاهش سرعت جریان مافوق صوت به سرعت‌های مافوق صوت مقابله کنند، اما این تا آنجا پیش می‌رود: در سرعت‌های نزدیک به مافوق صوت، افزایش دما و ناکارآمدی‌ها مانع از کاهش سرعت جریان به اندازه‌ای می‌شود که در آن وجود دارد. موتورهای رم جت
موتورهای اسکرام جت بر اساس اصول مشابه رم جت ها عمل می کنند، اما جریان به سرعت های زیر صوت را کاهش نمی دهند. در عوض، یک محفظه احتراق اسکرم جت مافوق صوت است: ورودی جریان را به یک عدد ماخ کمتر برای احتراق کاهش می دهد و پس از آن از طریق نازل به عدد ماخ حتی بالاتر شتاب می دهد. با محدود کردن مقدار فریب دمای داخل موتور هم از نظر مواد و هم از نظر احتراق در حد قابل تحملی نگه داشته می شود. حتی در این صورت، فناوری اسکرام جت فعلی به استفاده از سوخت‌های پرانرژی و طرح‌های خنک‌کننده فعال برای حفظ عملکرد پایدار، اغلب با استفاده از هیدروژن و تکنیک‌های خنک‌کننده احیاکننده، نیاز دارد
تئوری
همه موتورهای اسکرام جت دارای ورودی هستند که هوای ورودی را فشرده می کند، انژکتورهای سوخت، یک محفظه احتراق و یک نازل رانش واگرا. گاهی اوقات موتورها شامل منطقه ای هستند که به عنوان نگهدارنده شعله عمل می کند، اگرچه دمای رکود بالا به این معنی است که ممکن است از ناحیه ای از امواج متمرکز استفاده شود، به جای یک قسمت موتور مجزا که در موتورهای توربین دیده می شود. موتورهای دیگر از مواد افزودنی سوخت پیروفوریک مانند سیلان برای جلوگیری از شعله ور شدن استفاده می کنند. یک جداکننده بین ورودی و محفظه احتراق اغلب برای بهبود یکنواختی جریان در محفظه احتراق و افزایش دامنه عملکرد موتور قرار داده می شود.
اسکرام جت یادآور رم جت است. در یک رم جت معمولی، جریان مافوق صوت موتور در ورودی به سرعت های مادون صوت کاهش می یابد و سپس از طریق یک نازل به سرعت های مافوق صوت برای تولید نیروی رانش شتاب می گیرد. این کاهش سرعت، که توسط یک شوک معمولی ایجاد می‌شود، یک افت فشار کلی ایجاد می‌کند که نقطه عملکرد بالایی موتور رم جت را محدود می‌کند.
برای یک اسکرام جت، انرژی جنبشی جریان آزاد هوای ورودی به موتور اسکرام جت تا حد زیادی با انرژی آزاد شده از واکنش محتوای اکسیژن هوا با یک سوخت (به عنوان مثال هیدروژن) قابل مقایسه است. بنابراین گرمای آزاد شده از احتراق در 2.5 ماخ حدود 10٪ از کل آنتالپی سیال عامل است. بسته به سوخت، انرژی جنبشی هوا و انتشار حرارت بالقوه احتراق در حدود 8 ماخ برابر خواهد بود. بنابراین طراحی یک موتور اسکرم جت به اندازه به حداقل رساندن نیروی پسا و حداکثر کردن نیروی رانش است.
این سرعت بالا کنترل جریان داخل محفظه احتراق را دشوارتر می کند. از آنجایی که جریان مافوق صوت است، هیچ تاثیر پایین دستی در جریان آزاد محفظه احتراق منتشر نمی شود. دریچه گاز ورودی به نازل رانش یک تکنیک کنترل قابل استفاده نیست. در واقع، بلوک گازی که وارد محفظه احتراق می شود باید با سوخت مخلوط شود و زمان کافی برای شروع و واکنش داشته باشد، در تمام مدتی که به صورت مافوق صوت از داخل محفظه احتراق عبور می کند، قبل از اینکه گاز سوخته از طریق نازل رانش منبسط شود. این امر الزامات سختگیرانه ای را برای فشار و دمای جریان ایجاد می کند و نیاز دارد که تزریق و اختلاط سوخت بسیار کارآمد باشد. فشارهای دینامیکی قابل استفاده در محدوده 20 تا 200 کیلو پاسکال (2.9 تا 29.0 psi) قرار دارد، که در آن
تصویر
تصویر
برای ثابت نگه داشتن سرعت احتراق سوخت، فشار و دما در موتور نیز باید ثابت باشد. این مشکل ساز است زیرا سیستم های کنترل جریان هوا که این امر را تسهیل می کنند در یک وسیله نقلیه پرتاب اسکرم جت به دلیل سرعت و دامنه ارتفاع زیاد درگیر از نظر فیزیکی امکان پذیر نیستند، به این معنی که باید در ارتفاعی خاص به سرعت خود حرکت کند. از آنجایی که چگالی هوا در ارتفاعات بالاتر کاهش می‌یابد، یک اسکرام جت باید با سرعت خاصی بالا رود تا فشار هوا را در ورودی ثابت نگه دارد. این پروفیل صعود/نزول بهینه "مسیر فشار دینامیکی ثابت" نامیده می شود. تصور می شود که اسکرام جت ها تا ارتفاع 75 کیلومتری قابل اجرا باشند.
تزریق و مدیریت سوخت نیز به طور بالقوه پیچیده است. یک احتمال این است که سوخت توسط یک توربو پمپ تا 100 بار تحت فشار قرار گیرد، توسط بدنه گرم شود، از طریق توربین فرستاده شود و توسط یک نازل به سرعت های بالاتر از هوا شتاب شود. جریان هوا و سوخت در ساختاری شانه‌مانند تلاقی می‌کنند که یک رابط بزرگ ایجاد می‌کند. تلاطم ناشی از سرعت بیشتر سوخت منجر به اختلاط اضافی می شود. سوخت های پیچیده ای مانند نفت سفید برای احتراق کامل نیاز به موتور طولانی دارند.
حداقل عدد ماخ که در آن یک اسکرام جت می تواند کار کند با این واقعیت محدود می شود که جریان فشرده باید به اندازه کافی داغ باشد تا سوخت بسوزد و فشار آن به اندازه ای بالا باشد که واکنش قبل از حرکت هوا از پشت موتور به پایان برسد. علاوه بر این، برای نامیده شدن یک اسکرام جت، جریان فشرده باید sti
موتورهای اسکرم جت می تواند سرعتی تا حد 25 ماخ را نیز فراهم کنند. سقف پرواز قابل دسترسی توسط آنها نیز بسیار بالاتر از سایر موتورهای جت است. در حالی که موتورهای توربوجت مدرن حداکثر می تواند به ارتفاع 40 کیلومتری دست یابند، این سقف برای رم جت 55 و برای اسکرم جت 75 کیلومتر یا حتی بالاتر است.
بالاترین سرعتی که تاکنون با موتور اسکرم جت حاصل شده توسط هواپیمای بدون سرنشین
X-43Aاست که در 16 نوامبر 2004 توسط ناسا با استفاده از یک بی 52 به عنوان هواپیمای مادر به پرواز درآمده و به سرعت 9.68 ماخ معادل 11858 کیلومتر بر ساعت دست یافته است.
SR-71 توسط یک موتور پرت اند ویتنی J-58 که به عنوان یک جت رم جزئی در سرعت های بالا عمل می کرد، نیرو می گرفت. در سرعت های پایین تر مانند یک توربوجت عمل می کرد که با افزایش سرعت، شکل داخلی خود را تغییر می داد. SR-71 قادر بود با قدرت خود از زمین خارج شود.
یک موتور پالس جت با شتاب متناوب یک توده هوای محدود به سمت عقب و سپس تنفس توده هوای تازه برای جایگزینی آن کار می کند. انرژی برای شتاب بخشیدن به توده هوا از سوختن سوختی که به طور کامل در توده هوای تازه به دست آمده مخلوط شده است، تامین می شود.موتور پالس جت یک موتور واکنش تنفسی هوا است که از یک توالی مداوم از رویدادهای احتراق گسسته به جای یک رویداد احتراق پایدار استفاده می کند. این به وضوح آن را از سایر انواع موتورهای واکنشی مانند موشک، توربوجت و رم جت که همگی دستگاه های احتراق ثابت هستند متمایز می کند. تمام موتورهای واکنش دیگر با حفظ فشار داخلی بالا هدایت می شوند. پالس جت ها توسط تناوب بین فشار بالا و پایین هدایت می شوند. این تناوب توسط هیچ تدبیر مکانیکی حفظ نمی‌شود، بلکه توسط رزونانس صوتی طبیعی ساختار موتور لوله‌ای سفت و سخت حفظ می‌شود. پالس جت بدون سوپاپ از نظر مکانیکی ساده ترین شکل پالس جت است و در واقع ساده ترین وسیله پیشرانه تنفس هوا شناخته شده است که می تواند به صورت "استاتیک" یعنی بدون حرکت رو به جلو عمل کند.
پالس جت از جمله موتورهای جت با «جریان ناپایدار» (Unsteady Flow) است که در آن هیچ پیش‌تراکمی برای چاشنی صورت نمی‌گیرد. به لحاظ مکانیکی، این موتور جت بسیار ساده است و از یک دیفیوزر ورودی کوتاه، چندین «سوپاپ یک‌طرفه» (Check Valve)، محفظه احتراق و لوله ونتوری‌شکل تشکیل شده که در تصویر زیر نمایش داده شده است.
موتور پالس جت
یک سیستم تزریق سوخت در پایین‌دست سوپاپ‌ها قرار دارد. هوای ورودی به موتور با عبور از طریق سوپاپ‌ها با افشانه‌های سوخت ترکیب و مخلوط حاصل مشتعل می‌شود. در نتیجه افزایش فشار حاصل از انفجار، سوپاپ‌های جریان ورودی بسته خواهند شد و گازهای خروجی با انبساط، از طریق لوله اگزوز خارج می‌شوند. خروج این گازها موج‌هایی انبساطی تولید می‌کند که سبب کاهش فشار در پشت سوپاپ‌های یک‌طرفه شده و این چرخه بار دیگر تکرار می‌شود.
تنها در لحظه شروع کار (استارت) موتور پالس جت به جرقه نیاز داریم زیرا گازهای داغ از چرخه‌های قبل سبب مشتعل شدن چاشنی انفجاری می‌شوند. معمول‌ترین نوع موتور پالس جت از نوع سوپاپ‌دار است اما انواع «بدون سوپاپ» (Valve Less) نیز وجود دارد.
با توجه به اهمیت آشنایی با ترمودینامیک سوخت و احتراق، «فرادرس» اقدام به انتشار فیلم آموزش سوخت و احتراق – مقدماتی کرده که لینک آن در ادامه آورده شده است.
نحوه کار موتور پالس جت بدون دریچه
، نوعی موتور پالس جت بدون دریچه (بدون سوپاپ) نشان داده شده که شامل محفظه‌ای با دو بخش لوله‌ای با قطرها و طول‌های متفاوت است. بخش خمیده، لوله ورودی و بخش دیگر، لوله اگزوز (خروجی) را تشکیل می‌دهند. در برخی از موتورهای بدون سوپاپ، این لوله اگزوز است که بخش خمیده را تشکیل می‌دهد.
مانی که مخلوط هوا-سوخت در محفظه احتراق، منفجر می‌شود، فشار داخل به سرعت افزایش پیدا می‌کند. این فشار سبب انبساط و خروج گاز با سرعت بالا خواهد شد. با خروج این گاز داغ، «رانش» (Thrust) بوجود می‌آید. به دلیل وجود اینرسی، انبساط حتی بعد از افت فشار و رسیدن به فشار اتمسفریک ادامه می‌یابد، در پایین‌ترین نقطه، خلائی جزئی در محفظه رخ می‌دهد که تکانه گاز انبساطی به صفر می‌رسد و انبساط متوقف می‌شود. این فرآیند به طور خودکار خود را معکوس می‌کند و هوای تازه از دو بخش به داخل محفظه خلا وارد می‌شود.
در بخش ورودی، هوا به سرعت از میان لوله کوتاه عبور می‌کند و با ورود به محفظه احتراق، با سوخت ترکیب می‌شود. لوله اگزوز اما طول بیشتری نسبت به لوله ورودی دارد در نتیجه مدت زمان بیشتری طول می‌کشد تا به محفظه احتراق برسد. یکی از دلایل طول بیشتر این است که در زمان شروع مکش، بخشی از گازهای داغ در داخل باقی مانده باشند. این گازهای داغ باقیمانده در این مرحله به داخل محفظه رانده و با مخلوط-هوا سوخت جدید مخلوط می‌شوند. گرما و رادیکال‌های آزاد در گاز سبب شعله‌ور شدن و تکرار مراحل قبل خواهند شد.
اثر کادناسی
در توضیح چرخه‌ها باید گفت که اینرسی، گاز انبساطی را تا زمان کاهش فشار محفظه احتراق به کمتر از فشار اتمسفریک، به بیرون می‌راند. در بخش بعدی چرخه، عکس این عمل رخ می‌دهد که در آن، هوای خروجی برای پر کردن خلا به درون محفظه کشیده خواهد شد. ترکیب تکانه این گازها به هنگام ورود از دو بخش ورودی و خروجی سبب می‌شود تا فشار محفظه، قدری بالاتر از فشار اتمسفریک باشد.
در نتیجه، داخل موتور، نوسانی از فشار ناشی از اینرسی خواهیم داشت به گونه‌ای که فشار به صورت نوسانی در مقادیر بالا و پایین فشار اتمسفریک به شکلی میرا تغییر می‌کند. به این حالت، «اثر کادِناسی» (Kadenacy Effect) می‌گویند که بدون این اثر، موتور پالس جت قادر به کار نبود.
مزایا و معایب موتور پالس جت
حال که با نحوه عملکرد موتور پالس جت آشنا شدیم می‌خواهیم در ادامه متن به توضیح مزایا و معایب این موتور جت بپردازیم.
موتور پالس جت
مزایای موتور پالس جت
نقطه قوت موتور پالس جت که قابل قیاس با سایر سازه‌های مکانیکی نیست را باید در سادگی آن جستجو کرد چراکه ساخت آن خاصه در مدل‌های بدون سوپاپ، بسیار ساده است و پیشرانه‌ای بسیار کوچک اما با صدایی زیاد را فراهم می‌کند. علاوه بر این، از نمونه‌های بدون سوپاپ و حرارت ایجاد شده آن در سیستم‌های گرمایش مرکزی (موتورخانه‌ها) نیز استفاده می‌شود که سبب کاهش قابل توجه هزینه‌ها خواهد شد.
موتور پالس جت تنها موتوری است که افزایش فشار خالصی را بین ورودی و خروجی (اگزوز) نشان می‌دهد. سایر موتورها باید بیشترین فشار را در انتهای بخش ورودی ایجاد کنند. در نتیجه این اتفاق، کاهش فشار خواهیم داشت و این کاهش فشار مانع از ورود گازهای داغ تولیدی به بخش ورودی می‌شود و گازها تنها به طرف خروجی حرکت می‌کنند.
در موتورهای جت به طور معمول فشار ورودی توسط یک کمپرسور تامین می‌شود که پیچیدگی و هزینه زیادی دارد و بیشتر نیرو محرکه تولیدی موتور به حرکت کمپرسور اختصاص پیدا می‌کند. اما در موتور پالس جت این موضوع متفاوت است چراکه فشار اگزوز بیشتر از فشار ورودی است و بنابراین،‌ افت فشاری نخواهیم داشت. این عمل بدون از دست دادن توان تولیدی محفظه احتراق صورت می‌گیرد که این امر، افزایش فشاری در حدود ۵ درصد را شامل می‌شود و سبب بهبود بازده کل خواهد شد.
محدودیت های موتور پالس جت
از مشکلات موتورهای پالس‌جت این است که بهره‌گیری از بازده بالای این موتورها ساده نیست. از موتور پالس جت به طور معمول به عنوان محفظه احتراق موتورهای توربینی استفاده می‌شود تا این‌که آن‌ها را به عنوان یک موتور مستقل بکار بگیرند. متاسفانه، یک توربین به جریانی پایدار برای عملکرد مناسب نیاز دارد و ناپایداری این موتورها، برای تیغه توربین‌ها مشکل ایجاد می‌کند. البته تیغه‌های شعاعی دوام بیشتری دارند که گرچه بازدهی آن‌ها نیز کمتر است.
علاوه بر این، مصرف سوخت این موتورها نیز بسیار زیاد است و لرزش و صدای زیادی نیز به همراه دارند. همچنین، به دلیل گرمای تولیدی به موادی مقاوم در برابر حرارت نیاز است و در نتیجه، حداقل باید از آلیاژهای نیکل-کروم فولاد ضدزنگ برای آن‌ها استفاده کرد.
چرخه پالس جت
عملیات پالس جت را می‌توان با ترکیب دو چرخه توضیح داد. این دو چرخه در زیر آورده شده‌اند:‌
«چرخه لونوار» (Lenoir Cycle)
«چرخه همفری»‌ (Humphrey Cycle)
در چرخه لونوار در ابتدا تراکمی به صورت فشار ثابت داریم و در ادامه در حجم ثابت،‌ افزایش دما خواهیم داشت. سپس، انبساط آدیاباتیک و در نهایت، چرخه همفری داریم. در تصویر زیر، چرخه لونوار نشان داده شده است.
چرخه همفری نیز عملکرد مشابهی دارد با این تفاوت که تراکم آیزنتروپیک به آن اضافه شده است و در تصویر زیر این چرخه را مشاهده می‌کنید.
رویدادهای احتراق که باعث ایجاد یک پالس جت می شود اغلب به طور غیر رسمی انفجار نامیده می شوند. با این حال، اصطلاح صحیح deflagrations است.آنها انفجار نیستند، که رویداد احتراق در موتورهای انفجار پالس (PDEs) است. کاهش آتش در منطقه احتراق یک پالس جت با افزایش ناگهانی دما و فشار و به دنبال آن انبساط سریع مادون صوت در حجم گاز مشخص می شود. این انبساط است که کار اصلی حرکت هوا را به سمت عقب از طریق دستگاه و همچنین ایجاد شرایط در لوله اصلی برای ادامه چرخه انجام می دهد.
موتور پالس جت نوعی از موتورهای جت به شمار می‌آید که احتراق در آن‌ها به صورت پالسی (پله‌ای) رخ می‌دهد. موتور پالس جت بدون کمپرسور با جریانی «ناپایدار» (Unsteady) است و به دلیل پیچیدگی کمی که در ساخت آن وجود دارد، تولید آن توسط افراد علاقه‌مند به علم حتی با ابزار ساده نیز امکان‌پذیر است. به بیان ساده، موتور پالس جت مانند لوله‌ای با دو سر باز است که سوخت از یک طرف وارد می‌شود و با مشتعل شدن و انفجار، در نهایت از بخش اگزور (خروجی) خارج می‌شود
یک موتور پالس جت با شتاب متناوب یک توده هوای محدود به سمت عقب و سپس تنفس توده هوای تازه برای جایگزینی آن کار می کند. انرژی برای شتاب بخشیدن به توده هوا از سوختن سوختی که به طور کامل در توده هوای تازه به دست آمده مخلوط شده است، تامین می شود. این چرخه بارها در ثانیه تکرار می شود. در طول فاز کوتاه شتاب جرم در هر چرخه، عملکرد فیزیکی موتور مانند سایر موتورهای واکنش است - جرم گاز به سمت عقب شتاب می‌گیرد و در نتیجه نیرویی به سمت جلو به بدنه موتور اعمال می‌شود. این پالس های نیرو که به سرعت در طول زمان تکرار می شوند، نیروی رانش قابل اندازه گیری موتور را تشکیل می دهند.
برخی از تفاوت های اساسی بین پالس جت سوپاپ دار و بدون سوپاپ عبارتند از:
در موتورهای بدون سوپاپ، بخش ورودی نقش مهمی در کل چرخه پالس جت دارد.
موتورهای بدون سوپاپ نیروی رانش را در دو شتاب جرمی متمایز اما هماهنگ در هر سیکل تولید می کنند، نه فقط در یک رویداد..I hope I help you understand the question. Roham Hesami smile072 smile261 smile260 رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
تصویر

ارسال پست