سوخت و هدایت موشک در خارج جو

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamavation

نام: roham hesami radرهام حسامی راد

محل اقامت: 100 مایلی شمال لندن جاده آیلستون، لستر، لسترشر. LE2

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 3268

سپاس: 5491

جنسیت:

تماس:

سوخت و هدایت موشک در خارج جو

پست توسط rohamavation »

راکت ها و موتورهای موجود در فضا طبق قانون سوم حرکت آیزاک نیوتن رفتار می کنند: هر عملی واکنش برابر و متضادی ایجاد می کند.
برخی از فضاپیماها برای صرفه جویی در هزینه هنگام شلیک برای سیارات دور مانند مشتری ، به دور یک سیاره (مثلاً ناهید) شلاق می زنند و از گرانش آن برای افزایش سرعت استفاده می کنند. این مدت زمان رسیدن به مقصد دیگر را کوتاه می کنیک موتور یونی با افزودن یا از بین بردن الکترون ها برای تولید یون ها ، پیشرانه را یونیزه می کند. موتورهای یونی معمولاً از زنون گازی استفاده می کنند. این گاز یونیزه است و جریان پیوسته ای از یون های دارای بار مثبت را از پشت موتور می فرستد. این زیاد نیست ، اما فشار کافی برای حرکت فضاپیما در فضا است - به یاد داشته باشید وقتی از زمین خارج می شویم مقاومت هوا یا چیز دیگری نداریم. بله ، یک موشک به لطف قانون سوم حرکت نیوتن هنوز هم در فضا کار می کند!یک موتور یونی با افزودن یا از بین بردن الکترون ها برای تولید یون ها ، پیشرانه را یونیزه می کند. موتورهای یونی معمولاً از زنون گازی استفاده می کنند. این گاز یونیزه است و جریان پیوسته ای از یون های دارای بار مثبت را از پشت موتور می فرستد. این زیاد نیست ، اما فشار کافی برای حرکت فضاپیما در فضا است - به یاد داشته باشید وقتی از زمین خارج می شویم مقاومت هوا یا چیز دیگری نداریم. بله ، یک موشک به لطف قانون سوم حرکت نیوتن هنوز هم در فضا کار می کند!یک موتور یونی با افزودن یا از بین بردن الکترون ها برای تولید یون ها ، پیشرانه را یونیزه می کند. موتورهای یونی معمولاً از زنون گازی استفاده می کنند. این گاز یونیزه است و جریان پیوسته ای از یون های دارای بار مثبت را از پشت موتور می فرستد. این زیاد نیست ، اما فشار کافی برای حرکت فضاپیما در فضا است - به یاد داشته باشید وقتی از زمین خارج می شویم مقاومت هوا یا چیز دیگری نداریم. بله ، یک موشک به لطف قانون سوم حرکت نیوتن هنوز هم در فضا کار می کند!به لطف قانون سوم حرکت نیوتن ، یک موشک هنوز هم در فضا کار می کند!به لطف قانون سوم حرکت نیوتن ، یک موشک هنوز هم در فضا کار می کند.
خوبخود مشتعل
سوخت هایپرگولیک استفاده می کند - دو ترکیبی که هنگام تماس با آنها واکنش شدید نشان داده و می سوزند. به این ترتیب می توانید فقط با باز کردن دو سوپاپ آنها را روشن کنید. شما به هیچ مکانیزم جرقه زنی عالی احتیاج ندارید ، که آنها را بسیار قوی و تضمین شده کار می کند. سوخت هایپرکلیک نیز مانند جهنم سمی هستند ، و اگر در خارج از محفظه احتراق نشت کرده و با یکدیگر تماس بگیرند -
ممکن است بگویید: "موشک ها به چیزی برای فشار آوردن نیاز دارند". نه ، در واقع ، شما این کار را نمی کنید. این سومین قانون حرکت نیوتن است: برای هر عملی ، یک واکنش برابر و مخالف وجود دارد. اقدامی که در مورد موتورهای موشکی انجام می شود ، بیرون انداختن چیزی به عقب است: اگزوزهای موشک. و هرچه سریعتر آن را بیرون بیاندازید ، عمل بزرگتر خواهد بود. به همین دلیل است که می خواهید سوخت را به شدت بسوزانید: هرچه داغتر بتوانید سوخت را بدست آورید ، هرچه سریعتر خروج از اگزوز انجام شود ، عمل بزرگتر و واکنش بزرگتر است.
پیشرانه هایی هستندکه سوخت واکسیدکننده به طورمجزا درون محفظه ی احتراق تزریق می شوند و بدون نیاز به آتشزنه و فقط با برخورد با یکدیگر شعله ور می شوند. که این قابلیت آن را برای سامانه های مانوری فضاپیماها که نیاز است بارها خاموش و روشن شوند ایده آل می نماید.
معمول ترین سوخت های خود مشتعل شامل هیدرازین، مونو متیل هیدرازین (MMH) و دی متیل هیدرازین نا متقارن (UDMH) می باشند.
و از اکسید کننده های خود مشتعل معروف می توان به تتروکسید نیتروژن (NTO) و اسید نیتریک اشاره نمود. در خانواده ی موشک های تیتان، موشک های ماهواره بر دلتا 2 از آیروزین50 و NTO استفاده شده است.
در ضمن شاتل ها شاتل فضایی از چهار قسمت اصلی تشکیل شده ۱- مدار پیما که منظور خود شاتل است ۲-موتور های اصلی خود مدار پیما ۳-مخزن سوخت خارجی ۴-دو راکت سوخت جامد خود مدار پیمای شاتل که توسط کمپانی rockwell international توسعه یافته به اندازه سایز یک هواپیمای مسافربری DC-9 میباشد مدار پیما دارای ۳۷ متر طول طول بال ۲۴ متر و وزن تقریبی ۷۷ تن خود مدار پیما بجز سیستم های الکترونیکی و موتور ها و سیستم های مکانیکی به دو بخش تقسیم میشود قسمت کابین و قسمت کارگو (محفظه بار ) شاتل دارای ۷ نفر خدمه است و خود کابین به دو بخش تقسیم میشود که قسمت بالایی کابین اصلی است که برای کنترل شاتل استفاده میشود و دارای 10 نمایشگر است و در این کابین با استفاده از پنل ها فضانوردان شاتل را کنترل میکنند و کابین پایینی برای استراحت فضانوردان است که دارای توالت جای خواب و جا برای غذا خوردن است و جو و گاز های درون کابین مانند آنچه در سطح زمین است تشکیل میشود گاز جو درون کابین از ۸۰ درصد نیتروژن و ۲۰ درصد اکسیژن تشکیل شده و قسمت کارگو یا همان محفظه بار طول ۱۸ متر و عرض ۴.۵ متر است و در قسمت محفظه بار محموله ها مانند ماهواره و … حمل میشود و شاتل تا ۳۰ تن را در حین لانچ و نصف همین مقدار را در زمان برگشت به زمین میتواند حمل کند و همچنین شاتل محفظه با اکسیژن قابل سکونت بیشتری هم میتواند حمل کند قبل بازنشستگی سیستم هدایت موشک شامل حسگرهای بسیار پیچیده، رایانه های روی برد، رادارها و تجهیزات ارتباطی است. سیستم هدایت در هنگام پرتاب موشک دو نقش اصلی دارد. برای ایجاد ثبات برای موشک و کنترل موشک در حین مانور.باله ها: اکثر موشک ها از باله های دمی استفاده می کنند که قدرت مانور و زوایای حمله بالایی را به همراه دارد. اغلب به آنها بالهایی تعبیه می شود که باعث بلندتر شدن بیشتر و بهبود برد می شوند
اکثر موشک‌های مدرن نازل را می‌چرخانند تا گشتاور کنترلی تولید کنند. در یک سیستم رانش گیمبال، نازل اگزوز موشک را می توان از یک طرف به طرف دیگر چرخاند. با حرکت نازل، جهت رانش نسبت به مرکز ثقل موشک تغییر می کند. دو نقطه مرجع مورد علاقه وجود دارد. اول نحوه مدل‌سازی موقعیت، دوم نحوه مدل‌سازی نگرش است. ارجاعات موقعیت معمولاً در یک سیستم مختصات به نام اینرسی مرکز زمین انجام می شود. این اساساً مرکز زمین را 0،0،0 با محورهای قطب، 0 و 90 درجه طول جغرافیایی نقاط استوا می نامد. I وارد عمل می شود زیرا در حالی که مختصات ECI در یک نقطه از زمان تنظیم می شوند، بر اساس چرخش زمین تنظیم می شوند. بنابراین جسمی روی زمین که حرکت نمی کند با سرعت چرخش زمین حرکت می کند. این یا توسط یک شتاب سنج با دقت بالا (قسمتی از دستگاهی به نام IMU) یا GPS پیدا می شود. معمولاً IMU برای ناوبری اولیه استفاده می شود که در صورت بروز مشکل جدی توسط GPS به عنوان پشتیبان پشتیبانی می شود.در مورد جهت گیری، می توان از تعدادی سیستم استفاده کرد. برای موشک‌ها، من معتقدم رایج‌ترین آنها کواترنیون‌ها با نقطه مرجع از موقعیت مستقیم به پایین هستند. این را می توان با تعدادی از روش ها اندازه گیری کرد، معمولاً از یک IMU استفاده می شود که دستگاهی است که اساساً تفاوت در اشاره را از نقطه شروع نشان می دهد. اما مرجع موشک در حلقه سیستم کنترل چیست؟ گیمبال ها از کجا اطلاعاتی را در مورد نحوه قرارگیری خود به دست می آورند؟
این یک تلاش مشترک بین طراحی نرم افزار پرواز، برنامه ریزی پرواز قبل از پرتاب، دستورات از زمین و عملکرد نرم افزار پرواز است. مولفه های کلیدی نرم افزار پرواز که در این فرآیند دخیل هستند عبارتند از: اصلاح، هدایت، ناوبری و کنترل.
مدینگ (که با نام‌های مختلف می‌آید) عملکرد کلی فضاپیما را تعیین می‌کند. حتی با نادیده گرفتن بی‌شمار حالت‌های شکست، بازیابی و توقف، وسایل نقلیه پرتاب چندین بار در طول پرتاب حالت‌های عملیاتی را تغییر می‌دهند. حالت دیکته می کند که از کدام الگوریتم ها و اعداد جادویی (به عنوان مثال، دستاوردهای کنترل) سیستم های هدایت، ناوبری و کنترل برای بردن فضاپیما به مدار مورد نظر استفاده کنند.
نرم افزار ناوبری از حسگرهای مختلفی برای پیگیری وضعیت خودرو استفاده می کند. این حالت شامل موقعیت و سرعت، نگرش و نرخ نگرش، به علاوه پارامترهای دیگر مانند زاویه حمله و لغزش از طرف است. واحد اندازه گیری اینرسی خودرو، که شتاب و سرعت زاویه ای را حس می کند، یکی از ورودی های کلیدی سیستم ناوبری است. Saturn V دارای یک IMU جفت شده بود، بنابراین شتاب را با توجه به برخی چارچوب اینرسی گزارش کرد. این بسیار گران بود و مستعد خطا بود. شتاب سنج های مدرن با توجه به وسیله نقلیه ثابت هستند و این گزارش شتاب را در یک قاب ثابت نسبت به وسیله نقلیه حس می کند. این شتاب محسوس باید به یک قاب اینرسی تبدیل شود تا مورد استفاده قرار گیرد.
شتاب سنج ها شتاب را برای رانش و کشیدن حس می کنند، اما گرانش را نه. (شتاب‌سنج‌ها نمی‌توانند گرانش را حس کنند.) سیستم ناوبری باید این شتاب‌های حس‌شده را با مدلی از میدان گرانشی زمین افزایش دهد. ادغام شتاب محاسبه شده برای سرعت تسلیم، و سپس ادغام آن برای موقعیت تسلیم، محاسبه مرده نامیده می شود. بدون اصلاح، وضعیت تخمین زده شده از حالت واقعی دور می شود. سیستم های ناوبری مدرن از GPS برای ارائه یک تخمین جایگزین از موقعیت استفاده می کنند. تطبیق تضاد بین این اندازه گیری های متفاوت وظیفه فیلتر کالمن سیستم ناوبری است.
سیستم ناوبری وضعیت تخمین زده شده را به سیستم هدایت تغذیه می کند. سیستم هدایت از طرح پرواز (محاسبه شده روی زمین، قبل از پرتاب) برای تعیین خطا بین حالت برنامه ریزی شده و ناوبری استفاده می کند. این خطا ممکن است به دلیل رفتار نکردن رانشگرها مطابق برنامه ریزی شده، تغییر باد، یک مانور برنامه ریزی شده خاص مانند برنامه رول که مدت کوتاهی پس از پرتاب شروع شده است، یا خطاهایی در وضعیت ناوبری باشد. علت هرچه که باشد، وضعیت برنامه ریزی شده و ناوبری خودرو با یکدیگر موافق نیستند.
سیستم هدایت این خطای حالت را به سیستم کنترل می دهد. سیستم کنترل از خطای حالت به عنوان یک اشاره برای صدور دستورات به محرک های مختلف استفاده می کند. خطا باید فقط به عنوان یک اشاره استفاده شود. بهتر است خطاهای کوچک اصلاح نشده باقی بمانند، خطاهای بزرگ را نمی توان فورا تصحیح کرد و برخی از خطاها اصلاً اصلاح نمی شوند. در مورد وسایل نقلیه با موتورهای قابل گاز، تغییر سطح رانش می تواند به کاهش خطاهای سرعت و موقعیت کمک کند.
تصحیح خطاهای نگرش و میزان نگرش وظیفه کنترل کننده نگرش است. تعدادی از رویکردهای مختلف برای این مورد استفاده شده و همچنان استفاده می شود. یکی از روش های پرکاربرد کنترل کننده صفحه فاز است. من از رول به عنوان مثال استفاده می کنم. فرض کنید خطای رول منفی و خطای نرخ چرخش مثبت است. بهترین کار ممکن است این باشد که هیچ کاری انجام ندهید. خطای نرخ مثبت در نهایت باعث می شود که وسیله نقلیه زاویه چرخش صحیحی داشته باشد. یک کنترل کننده صفحه فاز دارای نوارهای مرده است که در آنها هیچ کاری انجام نمی شود. خارج از این نوارهای مرده، کنترل صفحه فاز نشان می دهد که باید کاری انجام شود. اگر موشک دارای موتورهای گیمبال باشد، تنظیمات بهره کنترلر، این چیزی را به دستوراتی برای گیمبال ها تبدیل می کند. برخی از موشک‌ها موتورهای گیبلی ندارند. آنها در عوض از جت های ورنیه یا بردار رانش استفاده می کنند. در هر صورت، خطاهای خارج از باند مرده منجر به دستورات محرک می شود که فضاپیما را به سمت نرخ نگرش/نگرش مطلوب حرکت می دهد. چرخش گرانشی معمولاً برای وسایل نقلیه موشکی که به صورت عمودی پرتاب می شوند، مانند شاتل فضایی، استفاده می شود. موشک با پرواز مستقیم به سمت بالا شروع می شود و هم سرعت عمودی و هم ارتفاع را به دست می آورد. در این بخش از پرتاب، گرانش مستقیماً در برابر رانش موشک عمل می کند و شتاب عمودی آن را کاهش می دهد. تلفات مرتبط با این کند شدن به عنوان کشش گرانشی شناخته می شود و می توان با اجرای مرحله بعدی پرتاب، مانور پیچ اور، در اسرع وقت، آن را به حداقل رساند. برای جلوگیری از بارهای آیرودینامیکی بزرگ روی وسیله نقلیه در طول مانور، پیچ اور نیز باید در حالی انجام شود که سرعت عمودی آن کم است
مانور پیچ اور شامل این می شود که موشک موتور خود را کمی به هم می زند تا مقداری از نیروی رانش خود را به یک سمت هدایت کند. این نیرو یک گشتاور خالص روی کشتی ایجاد می کند و آن را به گونه ای می چرخاند که دیگر به صورت عمودی حرکت نکند. زاویه چرخش با وسیله نقلیه پرتاب متفاوت است و در سیستم هدایت اینرسی موشک گنجانده شده استبرای برخی از وسایل نقلیه فقط چند درجه است، در حالی که سایر وسایل نقلیه از زوایای نسبتاً بزرگ (چند ده درجه) استفاده می کنند. پس از تکمیل چرخش، موتورها مجدداً تنظیم می شوند تا دوباره به سمت پایین محور موشک حرکت کنند. این مانور کوچک فرمان تنها زمانی است که در طول یک صعود گرانشی ایده آل باید از رانش برای اهداف فرمان استفاده کرد. مانور پیچ اور دو هدف را دنبال می کند. اول اینکه موشک را کمی بچرخاند تا مسیر پروازش دیگر عمودی نباشد و دوم اینکه موشک را در مسیر صحیح برای صعود به مدار قرار دهد. پس از پیچ اور، زاویه حمله موشک برای باقیمانده صعود به مدار صفر تنظیم می شود. این صفر شدن زاویه حمله بارهای آیرودینامیکی جانبی را کاهش می دهد و نیروی بالابر ناچیزی را در طول صعود ایجاد می کندشتاب پایین برد
نموداری که بردارهای سرعت را برای زمان‌های t t و t+1 در طول فاز شتاب پایین‌برد نشان می‌دهد. مانند قبل، سرعت جدید وسیله نقلیه پرتاب، حاصل جمع برداری سرعت قدیمی، شتاب ناشی از رانش و شتاب گرانش است. از آنجایی که گرانش مستقیماً به سمت پایین عمل می کند، بردار سرعت جدید به هم سطح بودن با افق نزدیک تر است. گرانش مسیر را به سمت پایین «چرخش» کرده است.
پس از پیچ اور، مسیر پرواز موشک دیگر کاملاً عمودی نیست، بنابراین گرانش برای برگشت مسیر پرواز به سمت زمین عمل می کند. اگر موشک نیروی رانش تولید نمی کرد، مسیر پرواز یک بیضی ساده مانند یک توپ پرتاب شده بود (این یک اشتباه رایج است که فکر کنیم سهمی است: این تنها در صورتی درست است که فرض شود زمین صاف است و گرانش همیشه نشان می دهد. در همان جهت، که تقریب خوبی برای مسافت های کوتاه است)، تسطیح کردن و سپس سقوط به زمین. با این حال، موشک در حال تولید نیروی رانش است، و به جای آن که در سطح زمین قرار گیرد و دوباره پایین بیاید، زمانی که موشک به سطح می‌رسد، ارتفاع و سرعت کافی برای قرار دادن آن در مداری پایدار به دست آورده است.
اگر موشک یک سیستم چند مرحله‌ای باشد که در آن مراحل به صورت متوالی شلیک می‌کنند، سوختن صعود موشک ممکن است پیوسته نباشد. برای جداسازی مراحل و احتراق موتور بین هر مرحله متوالی باید مدتی در نظر گرفته شود، اما برخی از طراحی‌های موشک نیاز به زمان بیشتری برای پرواز آزاد بین مراحل دارند. این به ویژه در موشک های رانش بسیار بالا مفید است، جایی که اگر موتورها به طور مداوم شلیک می شدند، سوخت موشک قبل از تسطیح شدن و رسیدن به مدار پایدار بالای جو تمام می شد. این تکنیک همچنین هنگام پرتاب از سیاره ای با جو غلیظ مانند زمین مفید است. از آنجایی که گرانش مسیر پرواز را در طول پرواز آزاد می‌چرخاند، موشک می‌تواند از زاویه جهش اولیه کوچک‌تری استفاده کند که به آن سرعت عمودی بالاتری می‌دهد و آن را با سرعت بیشتری از جو خارج می‌کند. این امر هم کشش آیرودینامیکی و هم استرس آیرودینامیکی را در حین پرتاب کاهش می دهد. سپس بعداً در طول پرواز، موشک بین مرحله شلیک در ساحل قرار می‌گیرد و به آن اجازه می‌دهد تا بالاتر از اتمسفر قرار گیرد، بنابراین وقتی موتور دوباره شلیک می‌کند، در زاویه حمله صفر، رانش کشتی را به صورت افقی شتاب می‌دهد و آن را در مدار قرار می‌دهد.
از آنجایی که نمی توان از سپرهای حرارتی و چتر نجات برای فرود بر روی جسمی بدون هوا مانند ماه استفاده کرد، فرود نیرومند با چرخش گرانشی جایگزین خوبی است. ماژول ماه آپولو از یک چرخش گرانشی کمی تغییر یافته برای فرود از مدار ماه استفاده کرد. این اساساً یک پرتاب معکوس بود با این تفاوت که یک فضاپیمای فرود در سطح سبک ترین است در حالی که فضاپیمایی که پرتاب می شود سنگین ترین در سطح است. یک برنامه کامپیوتری به نام لندر که فرودهای چرخشی گرانشی را شبیه‌سازی می‌کرد، این مفهوم را با شبیه‌سازی پرتاب چرخشی گرانشی با نرخ جریان جرمی منفی، یعنی مخازن سوخت پر شده در حین سوختن موشک، به کار برد. ایده استفاده از مانور چرخش گرانشی برای فرود یک وسیله نقلیه در ابتدا برای فرود نقشه‌بر ماه توسعه داده شد، اگرچه نقشه‌بردار بدون اینکه ابتدا به مدار ماه برود یک رویکرد مستقیم به سطح انجام داد.وسیله نقلیه با جهت گیری برای سوختگی رتروگراد برای کاهش سرعت مداری خود شروع می کند و نقطه پری آپسیس خود را تا نزدیک سطح بدنی که قرار است روی آن فرود بیاید پایین می آورد. اگر سفینه در حال فرود بر روی سیاره‌ای با جوی مانند مریخ باشد، سوختگی دور از مدار تنها پریاپسیس را در لایه‌های بالایی جو پایین می‌آورد، نه درست بالای سطح مانند یک جسم بدون هوا. پس از کامل شدن سوختن دور از مدار، وسیله نقلیه می‌تواند تا زمانی که به محل فرود نزدیک‌تر شود، کناره‌گیری کند یا در حالی که زاویه حمله صفر را حفظ می‌کند، موتور خود را به کار می‌اندازد. برای سیاره ای با جو، بخش ساحلی سفر شامل ورود از طریق جو نیز می شود.
تصویر

ارسال پست