خنک کننده موتور - چرا موتورهای موشک ذوب نمی شوند؟
ارسال شده: چهارشنبه ۱۴۰۱/۲/۱۴ - ۱۰:۰۰
گازهای داخل محفظه احتراق موتورها می توانند به 3500 کلوین برسد - که تقریباً نیمی از گرمای سطح خورشید است - قطعاً بالاتر از نقطه ذوب اکثر مواد. موتورها برای اینکه به درستی کار کنند باید به این دما برسند، اما چگونه میتوانند از این شرایط جان سالم به در ببرند؟ در این مقاله با روش های خنک کننده موتور که برای جلوگیری از ذوب شدن موتورهای موشک استفاده می شود آشنا خواهید شد.
مقیاس دمای محفظه احتراق موتور موشک
مقیاس دمایی که دماهای مختلف را با دمای داخل محفظه احتراق اصلی موتور موشک مقایسه می کند.
سینک حرارتی
در بالای یک محفظه احتراق، صفحه انژکتور قرار دارد. در اینجا سوخت و اکسید کننده با فشارهای بسیار بالا به داخل محفظه پمپ می شوند. سوخت و اکسید کننده در داخل محفظه مخلوط می شوند و شروع به اشتعال می کنند. تا زمانی که جریان ادامه داشته باشد، پیشران ها به احتراق و احتراق ادامه خواهند داد. اما چگونه دیوارهای محفظه فلزی هنگام عبور گاز داغ ذوب نمی شوند؟
موتور موشک انژکتور چهره اکسید کننده سوخت مخلوط پیشرانه، گرافیکی
رندر چهره انژکتوری یک موتور. در اینجا پیشرانه ها در محفظه احتراق اصلی مخلوط می شوند و می سوزند و مقادیر باورنکردنی انرژی گرمایی آزاد می کنند.
یکی از گزینه ها می تواند ضخیم کردن دیوارها باشد، به طوری که گازهای داغ نتوانند لایه ضخیم فلز را به اندازه کافی گرم کنند تا آن را ذوب کند. در اینجا دیوارها به عنوان یک هیت سینک عمل می کنند - این یک رسانای حرارتی بزرگ است که قادر است برای مدتی قبل از اینکه تمام فلز به نقطه جوش برسد، گرمای زیاد را تحمل کند. یک ماده عجیب و غریب، ماده ای که بتواند گرمای زیاد را تحمل کند و قوی بماند، مانند اینکونل یا آلیاژ دیگر، می تواند گزینه خوبی برای این کار باشد.
با این حال، سینک های حرارتی چندین محدودیت عمده دارند. یک محدودیت وزن است. کاهش وزن هنگام ساخت یک موشک بسیار مهم است و یک دیوار فلزی ضخیم اضافی وزن اضافی زیادی را اضافه می کند. مسئله دیگر این است که یک موتور فقط می تواند برای مدت طولانی کار کند تا اینکه تمام فلز در نهایت به نقطه ذوب خود برسد.
خنک کننده موتور موشک هیت سینک، گرافیکی
رندر موتوری که فقط از خنک کننده هیت سینک استفاده می کند. از هیچ روش خنک کننده ای استفاده نمی شود به جز دیواره های موتور به اندازه کافی ضخیم که بتواند گرمای ناشی از احتراق را تحمل کند.
این به این معنی است که سینک های حرارتی گزینه مناسبی برای موتورهای محرکه اصلی نیستند که باید به طور مداوم برای چندین دقیقه کار کنند. با این حال، آنها می توانند گزینه مناسبی برای انواع موتورهای کوچکتر مانند رانشگرهای مانور باشند. پیشرانه های مانور برای مدت زمان بسیار کوتاه تری نسبت به موتورهای پیشران اصلی کار می کنند و اغلب به صورت ضربانی هستند که به موتور فرصتی می دهد تا در بین پالس ها خنک شود.
نسبت اکسید کننده سوخت
گزینه دیگر برای جلوگیری از ذوب شدن موتور این است که موتور را در یک پیکربندی غنی از سوخت یا اکسید کننده روشن کار کنید که دمای اگزوز اصلی را کاهش می دهد. این نسبت به نسبت جرم سوخت به اکسیدکننده معروف است.
اگر کسی می خواهد تمام پیشران شما را بسوزاند و همه آن با یکدیگر واکنش نشان دهد، باید آن را با نسبت استوکیومتری خود بسوزانید. نسبت استوکیومتری جایی است که مقدار کامل سوخت و اکسید کننده کاملاً با یکدیگر واکنش می دهند تا هیچ پیشرانه ای نسوخته باقی بماند. این بدان معناست که هر اتم از هر مولکول با یک اتم دیگر برای احتراق کامل واکنش می دهد. نتیجه این است که حداکثر مقدار گرما را از پیوندهای شیمیایی آزاد می کنید که در برخی شرایط عالی خواهد بود، اما نه در هنگام کار با موتورهای موشک. هر چه موتور موشک گرمای بیشتری تولید کند، بیشتر باید موتور خود را خنک کنید تا ذوب نشود، که ایده آل نیست.
نسبت جرم سوخت به اکسید کننده خنک کننده موتور، دما در نسبت استوکیومتری، گرافیک
نمودار نسبت جرم سوخت به اکسید کننده در صورتی که سوخت و اکسید کننده با نسبت استوکیومتری بسوزانند و در نتیجه دماهای بسیار بالایی ایجاد شود که باعث از بین رفتن موتور می شود. این بدان معناست که موتورهای موشک نسبت سوخت به اکسید کننده اندکی از استوکیومتری فاصله دارند. محفظه احتراق اصلی موتور تمایل به کارکرد با سوخت غنی دارد زیرا بار حرارتی کمتری دارد و راندمان بالایی دارد.
همچنین میتوانید سوخت پیششعل یا ژنراتور گازی را برای خنک نگه داشتن آن روشن کنید، که این مهم است زیرا خنک کردن یک توربین در حال چرخش بسیار سخت است. توربین مقدار گرمایی تعیین شده ای خواهد داشت که می تواند بر اساس موادش بگیرد، بنابراین نسبت اکسیدکننده سوخت باید تغییر کند تا مناسب باشد. توربینها را میتوان به گونهای طراحی کرد که دارای سوخت یا اکسیدکننده غنی باشد، مانند موتور اصلی RS-25 شاتل فضایی، که دارای سوخت غنی بود، یا موتور NK-33 طراحی شده توسط اتحاد جماهیر شوروی، که پیشرانههای غنی از اکسیدکننده را از طریق پیششعلههای چرخه بسته خود عبور میداد.
خنک کننده ابلیتیو
خنک کننده ابلیتیو یکی از ساده ترین و موثرترین روش های خنک سازی موتور است. در این روش از ماده ای استفاده می شود که بخار می شود و سپس دور ریخته می شود و گرما را با خود می برد. این معمولاً از کامپوزیت کربنی ساخته می شود که نقطه ذوب بسیار بالایی دارد.
این همان روشی است که بیشتر فضاپیماها برای سپرهای حرارتی استفاده می کنند. وقتی یک فضاپیما دوباره وارد جو می شود بسیار بسیار داغ می شود. سپر حرارتی این گرما را می گیرد و وقتی سطح آن خیلی داغ می شود، یک لایه ذوب می شود و گرما را با خود می برد. این امر مانع از نفوذ گرما به عمق فضاپیما می شود.
خنک کننده موتور فرسوده، لایه کامپوزیت کربن، محفظه احتراق،
یک لایه کامپوزیت کربن که به عنوان یک لایه فرسوده عمل می کند که دیواره های فلزی محفظه احتراق اصلی را عایق می کند و هنگامی که تصعید می شود گرما را جذب می کند.
همین اصل را می توان برای خنک کردن موتور موشک نیز به کار برد. در داخل دیواره های محفظه احتراق و نازل لایه ای از کامپوزیت های کربنی قرار دارد. هنگامی که پیشرانه در موتور می سوزد، این لایه کربن به آرامی می سوزد. این روش فاقد قطعات متحرک و خود تنظیم می باشد که آن را به روشی فوق العاده کارآمد و قابل اعتماد برای خنک کننده موتورها تبدیل می کند.
اما محدودیتهایی وجود دارد، بدیهی است که موتوری که به این روش خنک میشود قابل استفاده مجدد نیست. برخی از موتورها حتی نمی توانند قبل از استفاده آزمایشات کامل را انجام دهند زیرا دیواره های محفظه فرسوده را فرسوده می کنند.
خنک کننده موتور فرسوده، گشاد شدن گلو، نسبت انبساط، گرافیک
موتورهای خنکشده با گذر زمان به دلیل فرسودگی بیشتر و بیشتر لایه فرسایشی، گلوی موتور را باز میکنند و در نتیجه عملکرد کمتری در طول زمان دارند.
چند نمونه دیگر از موتورهای فرسوده وجود دارد، از جمله اولین موتور Merlin SpaceX، Merlin 1A، که در دو پرواز اول Falcon 1 پرواز کرد، و موتور Delta IV اتحاد پرتاب United Launch، RS-68A. به راحتی می توان فهمید که موتور RS-68A با استفاده از هیدرولوکس، که دارای خروجی کاملاً شفاف بخار آب است، به طور دمنده ای خنک می شود - مانند شاتل فضایی. با این حال، RS-68 دارای اگزوز نارنجی روشن است که دلیل آن کربنی است که از موتور جدا می شود و در حالی که به واکنش با اکسیژن در جو ما ادامه می دهد، از موتور خارج می شود.
نوع دیگری از موتورهای کوچک، رانشگرهای کنترل واکنش، میتوانند از محفظههای فرسوده نیز استفاده کنند، زیرا این نوع موتور فقط برای مدت کوتاهی استفاده میشود و مقدار پیشرانهای دارد که میتواند قبل از تمام شدن بسوزد. این بدان معناست که مهندسان می توانند ضخامت دیوار را طوری طراحی کنند که حداکثر استفاده را داشته باشد.
خنک کننده احیا کننده
خنک کننده احیا کننده رایج ترین راه برای جلوگیری از ذوب موتور موشک با سوخت مایع است. این روش مستلزم جریان بخشی یا تمام پیشرانه از دیوارههای محفظه احتراق و نازل قبل از عبور از انژکتورها و داخل محفظه است. در حالی که دیوارهها و نازل موتورهای موشک نازک به نظر میرسند، در واقع کانالهای کوچکی در دیوارهها وجود دارد که میتوان سوخت را از آن عبور داد تا خنک نگه داشت.
خنک کننده موتور احیا کننده، گرافیکی
موتورهای با خنکسازی احیاکننده، پیشرانه را از طریق کانالهای نازک داخل دیوارههای موتور پمپ میکنند و گرمای وارد شده به دیوارههای فلزی را از محفظه احتراق اصلی و نازل جذب میکنند.
کشف این یک پیشرفت بزرگ بود، زیرا این روش به موتورهای موشک اجازه می داد تا کم و بیش به طور نامحدود کار کنند. نسخه های اولیه موتورهای خنک کننده احیاکننده دارای یک محفظه اصلی و یک آستر در قسمت بیرونی موتور هستند که مایع خنک کننده یا سوخت می تواند از آن عبور کند. پس از این، دیدن لوله هایی که به عنوان دیواره های محفظه احتراق استفاده می شود، طبیعی بود. نمونه ای از این موتور RL-10 است که هنوز از ساختار لوله لحیم شده استفاده می کند.
روش رایجتر امروزه بریدن یک کانال خنککننده در دیواره نازل، سپس استفاده از آلیاژ مس یا نیکل برای آببندی آن است که سپس دیواره داخلی محفظه خواهد بود. آلیاژهای مس و نیکل به دلیل رسانایی حرارتی بالا در اینجا استفاده می شوند که به آنها اجازه می دهد گرما را از دیوار به خنک کننده منتقل کنند.
شکست سوختگی فرود SpaceX Starship SN8، اگزوز غنی از موتور، مس سبز سوز
کشتی فضایی SN8 در هنگام سوختن فرود خود، جایی که فشار مخزن سوخت پایینی را تجربه کرد که منجر به احتراق غنی از اکسیژن (نزدیک به نسبت استوکیومتری) شد، که به طور موثر دیواره های داخلی موتور را می خورد و پوشش مسی (شعله سبز) را می سوزاند.
این روش به این معنی است که سوخت می تواند قبل از رسیدن به محفظه بجوشد. گاهی اوقات میتوان از این فرآیند برای چرخاندن توربین برای راهاندازی پمپهای موتور استفاده کرد - این چرخه گسترش دهنده است. این چرخه انرژی را از انبساط حرارتی سوخت که از مایع به گاز می رود و پمپ ها را می چرخاند مهار می کند.
اکثر موتورها از سوخت به عنوان خنک کننده استفاده می کنند، اما اکسید کننده نیز یک گزینه است. هنگامی که از یک پیشران برودتی استفاده می شود، قسمت بیرونی یک نازل موشک بسیار سرد خواهد بود، در حالی که داخل دیوار بسیار گرم خواهد بود.
یکی از چالش های اصلی خنک سازی احیا کننده این است که فشار داخل دیوارها باید بیشتر از فشار محفظه احتراق باشد. دلیل این امر این است که دیواره ها صرفاً لوله هایی هستند که انژکتورها را تغذیه می کنند و از آنجایی که فشار همیشه از بالا به پایین جریان دارد، انژکتورها باید فشار بیشتری نسبت به محفظه احتراق داشته باشند.
با فشار زیاد در داخل دیوارهای کوچک، تصور اینکه ممکن است نشتی اتفاق بیفتد، آسان است. خوشبختانه، چون فشار داخل دیوار بیشتر از فشار داخل محفظه است، اگر نشتی وجود داشته باشد، فقط به دلیل خنک شدن فیلم، خنک کننده اضافی ایجاد می کند.
خنک کننده فیلم
روش متداول بعدی خنک کننده موتور خنک کننده فیلم است. این روش جایی است که سیال بین محفظه احتراق و سطح نازل و گازهای داغ احتراق تزریق می شود. از آنجایی که سیالات یا گاز یا مایع هستند، این کار را می توان با پیشرانه های مایع یا گاز انجام داد. هدف از این کار ایجاد مرزی بین دیوار و گاز داغ احتراق است که به عنوان عایق حرارتی با یک سیال خنکتر در بین آنها عمل میکند.
موتور موشک خنک شده با فیلم، پیشرانه غنی از سوخت تزریق شده در حاشیه بیرونی صفحه انژکتور، گرافیک
یک موتور خنکشده با فیلم که در آن پیشرانههای غنی از سوخت بیشتری به محیط بیرونی صفحه انژکتور تزریق میشود تا یک لایه عایق از سوخت نسوخته (فقدان اکسیدکننده) بین محفظه احتراق داخلی و دیوارههای محفظه احتراق ایجاد شود.
ساده ترین راه برای خنک کردن فیلم مایع، داشتن غلظت بالاتر سوخت یا انژکتورهای اکسید کننده در محیط بیرونی صفحه انژکتور است. از آنجایی که محفظه احتراق اصلی غنی از سوخت است، معمولاً سوخت مورد علاقه است - حلقه ای از سوخت اضافی در اطراف محیط بیرونی جریان دارد که مقدار مناسب اکسید کننده مورد نیاز برای واکنش را ندارد. این بدان معنی است که یک حلقه از احتراق غنی از سوخت وجود خواهد داشت تا از انتقال گرما از گازهای اصلی احتراق به دیوارها جلوگیری کند.
اکثر سوخت نزدیک به دیوار که به دلیل عدم وجود اکسید کننده کافی واکنش نشان نمی دهد، اساساً در امتداد دیواره های محفظه به عنوان یک فیلم، بین گازهای احتراق و دیواره های محفظه جریان می یابد. با این حال، احتمالاً از مایع به گاز تغییر فاز میدهد و یک لایه مرزی بخار ایجاد میکند، که همچنان به جذب گرما ادامه میدهد زیرا فرآیند تغییر فاز مقدار معینی گرما را جذب میکند.
خنک کننده فیلم موتور موشک، خنک کننده فیلم نقطه گلو، گرافیک
یک موتور با خنکسازی احیاکننده که همچنین از خنککننده فیلم در نقاط داغ مانند گلوگاه موتور استفاده میکند که در آن پیشرانه به داخل گلو تزریق میشود تا بار حرارتی را کاهش دهد.
همچنین سوراخ کردن دیوارها (به شرط خنک شدن احیا کننده) و نشت در مقدار کمی سوخت مایع، به ویژه در نقاط داغ مانند گلوی موتور، معمول است.
مزیت استفاده از سوخت به عنوان خنک کننده این است که وقتی از سوخت کربنی مانند RP-1 استفاده می شود، یک لایه کربن به شکل کک در امتداد دیوارها ایجاد می کند. در احتراق غنی از سوخت، مقدار زیادی کربن نسوخته باقی می ماند و می تواند دوده ایجاد کند. این را می توانید در اگزوز ژنراتور گاز موتور مرلین مشاهده کنید. در این موتور، اسپیس ایکس ژنراتور گاز را بسیار غنی از سوخت راه اندازی می کند، که دما را به اندازه ای کاهش می دهد که مانع از ذوب شدن توربین شود. نتیجه این امر یک اگزوز بسیار تیره و دوده ای است. این دوده همچنین می تواند به دیواره های داخلی محفظه بچسبد. اگر دوده به انژکتورها و سوراخ های خنک کننده بچسبد عالی نیست، اما دوده ای که به دیوارها می چسبد می تواند به عنوان یک مانع حرارتی اضافی عمل کند.
تام مارکوسیک، مدیرعامل فایرفلای، دوده روی صورت
تام مارکوسیک، مدیرعامل فایرفلای، با دودهای روی صورتش که از دیوارههای داخلی موتور ریور آنها میآمد و به عنوان یک لایه عایق عمل میکند که به کاهش بار حرارتی کلی کمک میکند.
از گاز خروجی ژنراتور گاز موتور مرلین نیز می توان برای خنک کردن قسمتی از نازل فیلم استفاده کرد. این اتفاق در سطح دریا مرلینز رخ نمیدهد، جایی که اگزوز فقط به بیرون ریخته میشود، اما در مرلین بهینهسازی خلاء اتفاق میافتد. در اینجا، گاز خروجی توربین به قسمت داخلی نازل پمپ می شود که موتور را برای شرایط خلاء بهینه می کند. همانطور که نازل بعد از گلو منبسط می شود، گاز خروجی خنک تر می شود و هر چه به سمت پایین نازل حرکت کنید، فشار کمتری دارد. هنگام پمپاژ گاز خروجی توربین، باید به اندازه کافی در پایین نازل انجام شود، جایی که فشار بیشتری نسبت به فشار خروجی اصلی احتراق دارد، اما همچنین در نقطه ای که گرمای مورد نیاز برای محافظت از نازل می تواند با موفقیت عایق شود. خنک سازی فیلم گاز خروجی توربین به عنوان خنک کننده احیا کننده اغلب در آن نقطه خاتمه می یابد.
این نه تنها در مرلین بهینهسازی خلاء اتفاق میافتد، بلکه در هر دو موتور Saturn V انجام شده است. F-1 و J-2 هر دو از خنککننده فیلم اگزوز توربین برای خنک نگه داشتن قسمتهای پایینی نازلهای خود استفاده میکنند. . در حالی که J-2 هنوز از خنککننده احیاکننده در زیر منیفولد استفاده میکرد، F-1 خنکسازی احیاکننده را در منیفولد متوقف کرد زیرا خنکسازی فیلم برای جلوگیری از ذوب شدن بقیه نازل کافی بود.
اثر این امر زمانی قابل مشاهده بود که موتورهای F-1 کار می کردند. جلوی شعله نارنجی روشن از انتهای نازل شروع نمی شود، در عوض یک قسمت تاریک بین شعله و خروجی نازل وجود دارد - این اگزوز توربین خنک کننده فیلم است. به دلیل غنی بودن از سوخت، لحظه ای طول می کشد تا اکسیژنی را پیدا کند تا با آن بسوزد و مشتعل شود، که تا زمانی که موتور را ترک نکند و نتواند با اکسیژن موجود در جو واکنش نشان دهد، اتفاق نمی افتد.
خنک کننده تابشی
هم موتور مرلین وکیوم اسپیس ایکس و هم موتور جاروبرقی رادرفورد آزمایشگاه راکت با روشن شدن به رنگ قرمز روشن می درخشند، زیرا فلز واقعاً داغ می شود و گرما را به فضا می تاباند. از آنجایی که اتمسفر در فضا وجود ندارد، هیچ هوایی برای جذب و هدایت یا انتقال گرما وجود ندارد. در عوض، موتورها میتوانند گرما را از نازلهای خود دور کنند، زیرا تابش برای انتقال گرما به ماده نیاز ندارد - مانند خورشید که گرما را از خلاء فضا از طریق تشعشع منتقل میکند.
الحاقات نازل در موتورهای مرلین و رادرفورد بهینه سازی شده در خلاء از یک فلز بسیار نازک ساخته شده اند که معمولاً آلیاژی مانند آلیاژ نیوبیم است که قادر به تحمل بارهای حرارتی بالا است. اما نقطه ضعف این پسوند نازل این است که بسیار نازک و نسبتا شکننده هستند. علاوه بر این، نیوبیم نسبت به اکسیژن بسیار واکنش نشان می دهد، به این معنی که موتوری مانند این به طور واقعی فقط در یک محیط خلاء کار می کند و همچنین در طول ساخت پیچیده تر است.
خنگاه کردن به موتور وکیوم مرلین شاید بهترین راه برای خلاصه کردن روش های خنک کننده موتور باشد، زیرا این موتور تقریباً از هر نوع خنک کننده ای استفاده می کند.
ژنراتور گاز از هر دو سینک حرارتی و اگزوز بسیار غنی از سوخت استفاده می کند. این کار از آنجایی انجام می شود که دیگر انواع خنک کننده را نمی توان برای یک توربین در حال چرخش استفاده کرد. در این شرایط، مهندسان فقط باید از فلزات مقاوم در برابر دمای بالا استفاده کنند و دمای اگزوز را پایین بیاورند تا فلز بتواند گرما را تحمل کند.
خنک کننده احیا کننده برای خنک کردن دیواره های محفظه، گلو و قسمت اول نازل استفاده می شود و برای داخل موتور نیز مقداری خنک کننده فیلم انجام می شود. هنگامی که کانال های خنک کننده احیا کننده به پایان می رسند از خنک کننده فیلم با خروجی گاز ژنراتور در امتداد نازل استفاده می شود. علاوه بر این، پسوند نازل نیز با درخشیدن نارنجی درخشان با استفاده از آلیاژ نیوبیم، گرمای بیشتری را از خود دور می کند.
به نظر نمی رسد موتور مرلین بهینه سازی شده با خلاء از خنک کننده فرسوده استفاده کند، اما از آنجایی که مراحل بالایی فقط یک بار استفاده می شود، موتور احتمالاً حتی می تواند در صورت لزوم از خنک کننده فرسوده استفاده کند.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا
مقیاس دمای محفظه احتراق موتور موشک
مقیاس دمایی که دماهای مختلف را با دمای داخل محفظه احتراق اصلی موتور موشک مقایسه می کند.
سینک حرارتی
در بالای یک محفظه احتراق، صفحه انژکتور قرار دارد. در اینجا سوخت و اکسید کننده با فشارهای بسیار بالا به داخل محفظه پمپ می شوند. سوخت و اکسید کننده در داخل محفظه مخلوط می شوند و شروع به اشتعال می کنند. تا زمانی که جریان ادامه داشته باشد، پیشران ها به احتراق و احتراق ادامه خواهند داد. اما چگونه دیوارهای محفظه فلزی هنگام عبور گاز داغ ذوب نمی شوند؟
موتور موشک انژکتور چهره اکسید کننده سوخت مخلوط پیشرانه، گرافیکی
رندر چهره انژکتوری یک موتور. در اینجا پیشرانه ها در محفظه احتراق اصلی مخلوط می شوند و می سوزند و مقادیر باورنکردنی انرژی گرمایی آزاد می کنند.
یکی از گزینه ها می تواند ضخیم کردن دیوارها باشد، به طوری که گازهای داغ نتوانند لایه ضخیم فلز را به اندازه کافی گرم کنند تا آن را ذوب کند. در اینجا دیوارها به عنوان یک هیت سینک عمل می کنند - این یک رسانای حرارتی بزرگ است که قادر است برای مدتی قبل از اینکه تمام فلز به نقطه جوش برسد، گرمای زیاد را تحمل کند. یک ماده عجیب و غریب، ماده ای که بتواند گرمای زیاد را تحمل کند و قوی بماند، مانند اینکونل یا آلیاژ دیگر، می تواند گزینه خوبی برای این کار باشد.
با این حال، سینک های حرارتی چندین محدودیت عمده دارند. یک محدودیت وزن است. کاهش وزن هنگام ساخت یک موشک بسیار مهم است و یک دیوار فلزی ضخیم اضافی وزن اضافی زیادی را اضافه می کند. مسئله دیگر این است که یک موتور فقط می تواند برای مدت طولانی کار کند تا اینکه تمام فلز در نهایت به نقطه ذوب خود برسد.
خنک کننده موتور موشک هیت سینک، گرافیکی
رندر موتوری که فقط از خنک کننده هیت سینک استفاده می کند. از هیچ روش خنک کننده ای استفاده نمی شود به جز دیواره های موتور به اندازه کافی ضخیم که بتواند گرمای ناشی از احتراق را تحمل کند.
این به این معنی است که سینک های حرارتی گزینه مناسبی برای موتورهای محرکه اصلی نیستند که باید به طور مداوم برای چندین دقیقه کار کنند. با این حال، آنها می توانند گزینه مناسبی برای انواع موتورهای کوچکتر مانند رانشگرهای مانور باشند. پیشرانه های مانور برای مدت زمان بسیار کوتاه تری نسبت به موتورهای پیشران اصلی کار می کنند و اغلب به صورت ضربانی هستند که به موتور فرصتی می دهد تا در بین پالس ها خنک شود.
نسبت اکسید کننده سوخت
گزینه دیگر برای جلوگیری از ذوب شدن موتور این است که موتور را در یک پیکربندی غنی از سوخت یا اکسید کننده روشن کار کنید که دمای اگزوز اصلی را کاهش می دهد. این نسبت به نسبت جرم سوخت به اکسیدکننده معروف است.
اگر کسی می خواهد تمام پیشران شما را بسوزاند و همه آن با یکدیگر واکنش نشان دهد، باید آن را با نسبت استوکیومتری خود بسوزانید. نسبت استوکیومتری جایی است که مقدار کامل سوخت و اکسید کننده کاملاً با یکدیگر واکنش می دهند تا هیچ پیشرانه ای نسوخته باقی بماند. این بدان معناست که هر اتم از هر مولکول با یک اتم دیگر برای احتراق کامل واکنش می دهد. نتیجه این است که حداکثر مقدار گرما را از پیوندهای شیمیایی آزاد می کنید که در برخی شرایط عالی خواهد بود، اما نه در هنگام کار با موتورهای موشک. هر چه موتور موشک گرمای بیشتری تولید کند، بیشتر باید موتور خود را خنک کنید تا ذوب نشود، که ایده آل نیست.
نسبت جرم سوخت به اکسید کننده خنک کننده موتور، دما در نسبت استوکیومتری، گرافیک
نمودار نسبت جرم سوخت به اکسید کننده در صورتی که سوخت و اکسید کننده با نسبت استوکیومتری بسوزانند و در نتیجه دماهای بسیار بالایی ایجاد شود که باعث از بین رفتن موتور می شود. این بدان معناست که موتورهای موشک نسبت سوخت به اکسید کننده اندکی از استوکیومتری فاصله دارند. محفظه احتراق اصلی موتور تمایل به کارکرد با سوخت غنی دارد زیرا بار حرارتی کمتری دارد و راندمان بالایی دارد.
همچنین میتوانید سوخت پیششعل یا ژنراتور گازی را برای خنک نگه داشتن آن روشن کنید، که این مهم است زیرا خنک کردن یک توربین در حال چرخش بسیار سخت است. توربین مقدار گرمایی تعیین شده ای خواهد داشت که می تواند بر اساس موادش بگیرد، بنابراین نسبت اکسیدکننده سوخت باید تغییر کند تا مناسب باشد. توربینها را میتوان به گونهای طراحی کرد که دارای سوخت یا اکسیدکننده غنی باشد، مانند موتور اصلی RS-25 شاتل فضایی، که دارای سوخت غنی بود، یا موتور NK-33 طراحی شده توسط اتحاد جماهیر شوروی، که پیشرانههای غنی از اکسیدکننده را از طریق پیششعلههای چرخه بسته خود عبور میداد.
خنک کننده ابلیتیو
خنک کننده ابلیتیو یکی از ساده ترین و موثرترین روش های خنک سازی موتور است. در این روش از ماده ای استفاده می شود که بخار می شود و سپس دور ریخته می شود و گرما را با خود می برد. این معمولاً از کامپوزیت کربنی ساخته می شود که نقطه ذوب بسیار بالایی دارد.
این همان روشی است که بیشتر فضاپیماها برای سپرهای حرارتی استفاده می کنند. وقتی یک فضاپیما دوباره وارد جو می شود بسیار بسیار داغ می شود. سپر حرارتی این گرما را می گیرد و وقتی سطح آن خیلی داغ می شود، یک لایه ذوب می شود و گرما را با خود می برد. این امر مانع از نفوذ گرما به عمق فضاپیما می شود.
خنک کننده موتور فرسوده، لایه کامپوزیت کربن، محفظه احتراق،
یک لایه کامپوزیت کربن که به عنوان یک لایه فرسوده عمل می کند که دیواره های فلزی محفظه احتراق اصلی را عایق می کند و هنگامی که تصعید می شود گرما را جذب می کند.
همین اصل را می توان برای خنک کردن موتور موشک نیز به کار برد. در داخل دیواره های محفظه احتراق و نازل لایه ای از کامپوزیت های کربنی قرار دارد. هنگامی که پیشرانه در موتور می سوزد، این لایه کربن به آرامی می سوزد. این روش فاقد قطعات متحرک و خود تنظیم می باشد که آن را به روشی فوق العاده کارآمد و قابل اعتماد برای خنک کننده موتورها تبدیل می کند.
اما محدودیتهایی وجود دارد، بدیهی است که موتوری که به این روش خنک میشود قابل استفاده مجدد نیست. برخی از موتورها حتی نمی توانند قبل از استفاده آزمایشات کامل را انجام دهند زیرا دیواره های محفظه فرسوده را فرسوده می کنند.
خنک کننده موتور فرسوده، گشاد شدن گلو، نسبت انبساط، گرافیک
موتورهای خنکشده با گذر زمان به دلیل فرسودگی بیشتر و بیشتر لایه فرسایشی، گلوی موتور را باز میکنند و در نتیجه عملکرد کمتری در طول زمان دارند.
چند نمونه دیگر از موتورهای فرسوده وجود دارد، از جمله اولین موتور Merlin SpaceX، Merlin 1A، که در دو پرواز اول Falcon 1 پرواز کرد، و موتور Delta IV اتحاد پرتاب United Launch، RS-68A. به راحتی می توان فهمید که موتور RS-68A با استفاده از هیدرولوکس، که دارای خروجی کاملاً شفاف بخار آب است، به طور دمنده ای خنک می شود - مانند شاتل فضایی. با این حال، RS-68 دارای اگزوز نارنجی روشن است که دلیل آن کربنی است که از موتور جدا می شود و در حالی که به واکنش با اکسیژن در جو ما ادامه می دهد، از موتور خارج می شود.
نوع دیگری از موتورهای کوچک، رانشگرهای کنترل واکنش، میتوانند از محفظههای فرسوده نیز استفاده کنند، زیرا این نوع موتور فقط برای مدت کوتاهی استفاده میشود و مقدار پیشرانهای دارد که میتواند قبل از تمام شدن بسوزد. این بدان معناست که مهندسان می توانند ضخامت دیوار را طوری طراحی کنند که حداکثر استفاده را داشته باشد.
خنک کننده احیا کننده
خنک کننده احیا کننده رایج ترین راه برای جلوگیری از ذوب موتور موشک با سوخت مایع است. این روش مستلزم جریان بخشی یا تمام پیشرانه از دیوارههای محفظه احتراق و نازل قبل از عبور از انژکتورها و داخل محفظه است. در حالی که دیوارهها و نازل موتورهای موشک نازک به نظر میرسند، در واقع کانالهای کوچکی در دیوارهها وجود دارد که میتوان سوخت را از آن عبور داد تا خنک نگه داشت.
خنک کننده موتور احیا کننده، گرافیکی
موتورهای با خنکسازی احیاکننده، پیشرانه را از طریق کانالهای نازک داخل دیوارههای موتور پمپ میکنند و گرمای وارد شده به دیوارههای فلزی را از محفظه احتراق اصلی و نازل جذب میکنند.
کشف این یک پیشرفت بزرگ بود، زیرا این روش به موتورهای موشک اجازه می داد تا کم و بیش به طور نامحدود کار کنند. نسخه های اولیه موتورهای خنک کننده احیاکننده دارای یک محفظه اصلی و یک آستر در قسمت بیرونی موتور هستند که مایع خنک کننده یا سوخت می تواند از آن عبور کند. پس از این، دیدن لوله هایی که به عنوان دیواره های محفظه احتراق استفاده می شود، طبیعی بود. نمونه ای از این موتور RL-10 است که هنوز از ساختار لوله لحیم شده استفاده می کند.
روش رایجتر امروزه بریدن یک کانال خنککننده در دیواره نازل، سپس استفاده از آلیاژ مس یا نیکل برای آببندی آن است که سپس دیواره داخلی محفظه خواهد بود. آلیاژهای مس و نیکل به دلیل رسانایی حرارتی بالا در اینجا استفاده می شوند که به آنها اجازه می دهد گرما را از دیوار به خنک کننده منتقل کنند.
شکست سوختگی فرود SpaceX Starship SN8، اگزوز غنی از موتور، مس سبز سوز
کشتی فضایی SN8 در هنگام سوختن فرود خود، جایی که فشار مخزن سوخت پایینی را تجربه کرد که منجر به احتراق غنی از اکسیژن (نزدیک به نسبت استوکیومتری) شد، که به طور موثر دیواره های داخلی موتور را می خورد و پوشش مسی (شعله سبز) را می سوزاند.
این روش به این معنی است که سوخت می تواند قبل از رسیدن به محفظه بجوشد. گاهی اوقات میتوان از این فرآیند برای چرخاندن توربین برای راهاندازی پمپهای موتور استفاده کرد - این چرخه گسترش دهنده است. این چرخه انرژی را از انبساط حرارتی سوخت که از مایع به گاز می رود و پمپ ها را می چرخاند مهار می کند.
اکثر موتورها از سوخت به عنوان خنک کننده استفاده می کنند، اما اکسید کننده نیز یک گزینه است. هنگامی که از یک پیشران برودتی استفاده می شود، قسمت بیرونی یک نازل موشک بسیار سرد خواهد بود، در حالی که داخل دیوار بسیار گرم خواهد بود.
یکی از چالش های اصلی خنک سازی احیا کننده این است که فشار داخل دیوارها باید بیشتر از فشار محفظه احتراق باشد. دلیل این امر این است که دیواره ها صرفاً لوله هایی هستند که انژکتورها را تغذیه می کنند و از آنجایی که فشار همیشه از بالا به پایین جریان دارد، انژکتورها باید فشار بیشتری نسبت به محفظه احتراق داشته باشند.
با فشار زیاد در داخل دیوارهای کوچک، تصور اینکه ممکن است نشتی اتفاق بیفتد، آسان است. خوشبختانه، چون فشار داخل دیوار بیشتر از فشار داخل محفظه است، اگر نشتی وجود داشته باشد، فقط به دلیل خنک شدن فیلم، خنک کننده اضافی ایجاد می کند.
خنک کننده فیلم
روش متداول بعدی خنک کننده موتور خنک کننده فیلم است. این روش جایی است که سیال بین محفظه احتراق و سطح نازل و گازهای داغ احتراق تزریق می شود. از آنجایی که سیالات یا گاز یا مایع هستند، این کار را می توان با پیشرانه های مایع یا گاز انجام داد. هدف از این کار ایجاد مرزی بین دیوار و گاز داغ احتراق است که به عنوان عایق حرارتی با یک سیال خنکتر در بین آنها عمل میکند.
موتور موشک خنک شده با فیلم، پیشرانه غنی از سوخت تزریق شده در حاشیه بیرونی صفحه انژکتور، گرافیک
یک موتور خنکشده با فیلم که در آن پیشرانههای غنی از سوخت بیشتری به محیط بیرونی صفحه انژکتور تزریق میشود تا یک لایه عایق از سوخت نسوخته (فقدان اکسیدکننده) بین محفظه احتراق داخلی و دیوارههای محفظه احتراق ایجاد شود.
ساده ترین راه برای خنک کردن فیلم مایع، داشتن غلظت بالاتر سوخت یا انژکتورهای اکسید کننده در محیط بیرونی صفحه انژکتور است. از آنجایی که محفظه احتراق اصلی غنی از سوخت است، معمولاً سوخت مورد علاقه است - حلقه ای از سوخت اضافی در اطراف محیط بیرونی جریان دارد که مقدار مناسب اکسید کننده مورد نیاز برای واکنش را ندارد. این بدان معنی است که یک حلقه از احتراق غنی از سوخت وجود خواهد داشت تا از انتقال گرما از گازهای اصلی احتراق به دیوارها جلوگیری کند.
اکثر سوخت نزدیک به دیوار که به دلیل عدم وجود اکسید کننده کافی واکنش نشان نمی دهد، اساساً در امتداد دیواره های محفظه به عنوان یک فیلم، بین گازهای احتراق و دیواره های محفظه جریان می یابد. با این حال، احتمالاً از مایع به گاز تغییر فاز میدهد و یک لایه مرزی بخار ایجاد میکند، که همچنان به جذب گرما ادامه میدهد زیرا فرآیند تغییر فاز مقدار معینی گرما را جذب میکند.
خنک کننده فیلم موتور موشک، خنک کننده فیلم نقطه گلو، گرافیک
یک موتور با خنکسازی احیاکننده که همچنین از خنککننده فیلم در نقاط داغ مانند گلوگاه موتور استفاده میکند که در آن پیشرانه به داخل گلو تزریق میشود تا بار حرارتی را کاهش دهد.
همچنین سوراخ کردن دیوارها (به شرط خنک شدن احیا کننده) و نشت در مقدار کمی سوخت مایع، به ویژه در نقاط داغ مانند گلوی موتور، معمول است.
مزیت استفاده از سوخت به عنوان خنک کننده این است که وقتی از سوخت کربنی مانند RP-1 استفاده می شود، یک لایه کربن به شکل کک در امتداد دیوارها ایجاد می کند. در احتراق غنی از سوخت، مقدار زیادی کربن نسوخته باقی می ماند و می تواند دوده ایجاد کند. این را می توانید در اگزوز ژنراتور گاز موتور مرلین مشاهده کنید. در این موتور، اسپیس ایکس ژنراتور گاز را بسیار غنی از سوخت راه اندازی می کند، که دما را به اندازه ای کاهش می دهد که مانع از ذوب شدن توربین شود. نتیجه این امر یک اگزوز بسیار تیره و دوده ای است. این دوده همچنین می تواند به دیواره های داخلی محفظه بچسبد. اگر دوده به انژکتورها و سوراخ های خنک کننده بچسبد عالی نیست، اما دوده ای که به دیوارها می چسبد می تواند به عنوان یک مانع حرارتی اضافی عمل کند.
تام مارکوسیک، مدیرعامل فایرفلای، دوده روی صورت
تام مارکوسیک، مدیرعامل فایرفلای، با دودهای روی صورتش که از دیوارههای داخلی موتور ریور آنها میآمد و به عنوان یک لایه عایق عمل میکند که به کاهش بار حرارتی کلی کمک میکند.
از گاز خروجی ژنراتور گاز موتور مرلین نیز می توان برای خنک کردن قسمتی از نازل فیلم استفاده کرد. این اتفاق در سطح دریا مرلینز رخ نمیدهد، جایی که اگزوز فقط به بیرون ریخته میشود، اما در مرلین بهینهسازی خلاء اتفاق میافتد. در اینجا، گاز خروجی توربین به قسمت داخلی نازل پمپ می شود که موتور را برای شرایط خلاء بهینه می کند. همانطور که نازل بعد از گلو منبسط می شود، گاز خروجی خنک تر می شود و هر چه به سمت پایین نازل حرکت کنید، فشار کمتری دارد. هنگام پمپاژ گاز خروجی توربین، باید به اندازه کافی در پایین نازل انجام شود، جایی که فشار بیشتری نسبت به فشار خروجی اصلی احتراق دارد، اما همچنین در نقطه ای که گرمای مورد نیاز برای محافظت از نازل می تواند با موفقیت عایق شود. خنک سازی فیلم گاز خروجی توربین به عنوان خنک کننده احیا کننده اغلب در آن نقطه خاتمه می یابد.
این نه تنها در مرلین بهینهسازی خلاء اتفاق میافتد، بلکه در هر دو موتور Saturn V انجام شده است. F-1 و J-2 هر دو از خنککننده فیلم اگزوز توربین برای خنک نگه داشتن قسمتهای پایینی نازلهای خود استفاده میکنند. . در حالی که J-2 هنوز از خنککننده احیاکننده در زیر منیفولد استفاده میکرد، F-1 خنکسازی احیاکننده را در منیفولد متوقف کرد زیرا خنکسازی فیلم برای جلوگیری از ذوب شدن بقیه نازل کافی بود.
اثر این امر زمانی قابل مشاهده بود که موتورهای F-1 کار می کردند. جلوی شعله نارنجی روشن از انتهای نازل شروع نمی شود، در عوض یک قسمت تاریک بین شعله و خروجی نازل وجود دارد - این اگزوز توربین خنک کننده فیلم است. به دلیل غنی بودن از سوخت، لحظه ای طول می کشد تا اکسیژنی را پیدا کند تا با آن بسوزد و مشتعل شود، که تا زمانی که موتور را ترک نکند و نتواند با اکسیژن موجود در جو واکنش نشان دهد، اتفاق نمی افتد.
خنک کننده تابشی
هم موتور مرلین وکیوم اسپیس ایکس و هم موتور جاروبرقی رادرفورد آزمایشگاه راکت با روشن شدن به رنگ قرمز روشن می درخشند، زیرا فلز واقعاً داغ می شود و گرما را به فضا می تاباند. از آنجایی که اتمسفر در فضا وجود ندارد، هیچ هوایی برای جذب و هدایت یا انتقال گرما وجود ندارد. در عوض، موتورها میتوانند گرما را از نازلهای خود دور کنند، زیرا تابش برای انتقال گرما به ماده نیاز ندارد - مانند خورشید که گرما را از خلاء فضا از طریق تشعشع منتقل میکند.
الحاقات نازل در موتورهای مرلین و رادرفورد بهینه سازی شده در خلاء از یک فلز بسیار نازک ساخته شده اند که معمولاً آلیاژی مانند آلیاژ نیوبیم است که قادر به تحمل بارهای حرارتی بالا است. اما نقطه ضعف این پسوند نازل این است که بسیار نازک و نسبتا شکننده هستند. علاوه بر این، نیوبیم نسبت به اکسیژن بسیار واکنش نشان می دهد، به این معنی که موتوری مانند این به طور واقعی فقط در یک محیط خلاء کار می کند و همچنین در طول ساخت پیچیده تر است.
خنگاه کردن به موتور وکیوم مرلین شاید بهترین راه برای خلاصه کردن روش های خنک کننده موتور باشد، زیرا این موتور تقریباً از هر نوع خنک کننده ای استفاده می کند.
ژنراتور گاز از هر دو سینک حرارتی و اگزوز بسیار غنی از سوخت استفاده می کند. این کار از آنجایی انجام می شود که دیگر انواع خنک کننده را نمی توان برای یک توربین در حال چرخش استفاده کرد. در این شرایط، مهندسان فقط باید از فلزات مقاوم در برابر دمای بالا استفاده کنند و دمای اگزوز را پایین بیاورند تا فلز بتواند گرما را تحمل کند.
خنک کننده احیا کننده برای خنک کردن دیواره های محفظه، گلو و قسمت اول نازل استفاده می شود و برای داخل موتور نیز مقداری خنک کننده فیلم انجام می شود. هنگامی که کانال های خنک کننده احیا کننده به پایان می رسند از خنک کننده فیلم با خروجی گاز ژنراتور در امتداد نازل استفاده می شود. علاوه بر این، پسوند نازل نیز با درخشیدن نارنجی درخشان با استفاده از آلیاژ نیوبیم، گرمای بیشتری را از خود دور می کند.
به نظر نمی رسد موتور مرلین بهینه سازی شده با خلاء از خنک کننده فرسوده استفاده کند، اما از آنجایی که مراحل بالایی فقط یک بار استفاده می شود، موتور احتمالاً حتی می تواند در صورت لزوم از خنک کننده فرسوده استفاده کند.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا