می توان انتظار داشت که به جای نیروی رانش، نیروی پسا ایجاد کند. گازهای در حال انبساط تولید شده توسط احتراق به سمت باریک شدن موتور فشار می آورند و نیرویی به عقب بر روی هواپیما ایجاد می کنند. آیا برای تولید نیروی رانش خالص ورودی باید باریکتر از خروجی باشد یا نه؟
من به دنبال پاسخی هستم که بتواند به مکانیک پایه نیوتنی بیان بشه ، در مورد اینکه چگونه ورودی هوای ورودی را قبل از احتراق کند می‌کند و تحت فشار قرار می‌دهد، اما سپس این واقعیت را بدیهی می‌داند که سوختن سوخت باید نیروی رانش خالص ایجاد کند. چرا؟ چرا گازهای در حال انبساط ایجاد شده در اثر احتراق (از طریق گازها و گرمای اضافه شده) نیرویی به همان اندازه در جهت جلو و جهت عقب ایجاد نمی کنند؟
کلید این ایده دستیابی به سرعت رو به جلو است، بسیاری از آن، بسیار بیشتر از هواپیماهای تجاری. رام جت‌ها نمی‌توانند خود پرتاب شوند، اما زمانی که پرتاب می‌شوند، معمولاً توسط موشک‌ها، چرخه‌ای را شروع می‌کنند که هوا را از جلو وارد می‌کنند و از حرکت رو به جلو وسیله نقلیه برای فشرده‌کردن آن هوا استفاده می‌کنند، سپس سوخت را برای تولید گرما و فشار اضافه می‌کنند. در سرعت اگزوز بالاتر از سرعت ورودی.
طراحی نازل در عقب خودرو به جریان هوا در داخل وسیله نقلیه کمک می کند تا به شیوه ای کارآمد حرکت کند، دقیقاً مانند نازل های اگزوز در موتورهای موشک.
.اگر به نمودار بالا نگاه کنید، این دستگاه همچنین حداقل تا حدی از بازگشت گازهای با فشار نسبتا کم به ورودی، جایی که سرعت هوا بسیار بالاتر است، جلوگیری می کند. بنابراین از آنجایی که سرعت گاز را در داخل محفظه احتراق کاهش داده اید، احتمال خروج گاز از نازل بسیار بیشتر از حرکت در برابر جریان هوای مافوق صوت است که در گلوی ورودی قرار دارد.
نازل عقب برای بهبود کارایی گازهای خروجی طراحی شده است. برای یک رمجت که با سرعت های زیر صوت کار می کند، جریان اگزوز آن از طریق یک نازل همگرا شتاب می گیرد. برای یک عدد ماخ پرواز مافوق صوت، شتاب توسط یک نازل همگرا-واگرا (De Lavel) کمک می کند.
عملکرد آن متکی به خواص مختلف گازهایی است که در سرعت های مافوق صوت و مافوق صوت جریان دارند. اگر لوله حامل گاز باریک شود، سرعت جریان زیر صوت گاز افزایش می‌یابد زیرا سرعت جریان جرمی ثابت است. در جریان مادون صوت، گاز قابل تراکم است و صدا از طریق آن منتشر می شود. در "گلو"، جایی که سطح مقطع در حداقل است، سرعت گاز به صورت موضعی صوتی می شود (تعداد ماخ = 1.0)، وضعیتی که به آن جریان خفه می گویند. همانطور که سطح مقطع نازل افزایش می یابد، گاز شروع به انبساط می کند و جریان گاز به سرعت های مافوق صوت افزایش می یابد، جایی که یک موج صوتی [تاکید من] در داخل گاز به سمت عقب منتشر نمی شود، همانطور که در چارچوب مرجع نازل مشاهده می شود. عدد ماخ > 1.0).
اولین ایده شبیه به رام‌جت، جت پالس، موشک V1 بود که دارای دریچه‌های ورودی بود، مانند دریچه‌ها، که مانع از خروج هوا از جلو می‌شد. . سیستم‌های قدرت آنها برخلاف رمجت‌هایی که به طور مداوم در حال کار هستند، به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به صورت متناوب کار کنند.هوای ورودی به دلیل سرعتی که نسبت به موتور و شکل ورودی دارد کند می شود و فشرده می شود. برای کاهش سرعت آن باید نیرویی به هوا وارد شود. این نیرو بخشی از سخت افزار ورودی و بخشی از هوای پرفشار در محفظه احتراق می آید. این هوای ورودی است که در وهله اول فشار را در محفظه احتراق ایجاد می کند، بنابراین نیروی هوای ورودی و کند شدن هوا در ورودی همیشه با نیروی فشار وارد شده در محفظه احتراق در حالت ثابت متعادل می شود. این همچنین به این معنی است که یک رم جت نمی تواند از حالت سکون شروع شود، اما باید با روش های دیگری به سرعت بالا برود.
برخلاف موتور سیلندر، احتراق در موتور جت با فشار ثابت اتفاق می افتد، اما حجم گاز احتراق بسیار افزایش می یابد. این افزایش در حجم است که رانش خالص به جلو را فراهم می کند.
گاز پرفشار در محفظه احتراق نیز بر گازی که از اگزوز خارج می شود، نیرو وارد می کند. در اینجا هیچ هوای ورودی وجود ندارد، بنابراین این نیرو برای سرعت بخشیدن به گاز داغ از پشت موتور کار می کند. اگزوز فشرده سپس در نازل انبساط منبسط می شود که شتاب آن را حتی بیشتر می کند. (وظیفه نازل انبساط این است که گازهای خروجی اگزوز را در یک پرتوی جهت دار به سمت عقب متمرکز کند. هرچه اگزوز سریعتر به سمت عقب حرکت کند، نیروی واکنش بیشتر موتور را به جلو می راند.)
در حالی که فشار روی ورودی و روی اگزوز کم و بیش متقارن است، حجم ها متقارن نیستند، و اندازه و سطح کانال ها و نازل ها نیز متقارن نیستند. هوای که در ورودی کاهش می یابد، نیروی کششی را به موتور وارد می کند، و اگزوز خروجی از نازل اگزوز، نیروی رانش به جلو را به موتور وارد می کند. به عنوان نیرو = فشار × مساحت، نیروی رو به جلو در سطح بزرگتر نازل اگزوز بسیار بزرگتر از نیروی کشش در ورودی است، بنابراین نتیجه یک رانش خالص است. نتیجه دیگر این است که هوای گرم (که حجم بیشتری دارد اما تقریباً همان جرم است) بسیار سریعتر از حرکت هوای ورودی از موتور خارج می شود. این تضمین می کند که حرکت حفظ می شود.
اگر بخواهید یک رمجت را به صورت معکوس اجرا کنید، کار نمی کند. شما می توانید مقدار زیادی هوا را از طریق مجرای اگزوز بزرگ فشرده کنید (با فرض اینکه اگزوز به عنوان یک کمپرسور رم کار می کند، که احتمالاً اینطور نیست). سپس حجم بیشتری از هوای گرم شده باید از طریق مجرای ورودی باریکتر وارد شود که جا نمی شود. فشار در محفظه احتراق و اگزوز رو به جلو افزایش می یابد، تا زمانی که موج ضربه ای (که معمولاً در داخل موتور رخ می دهد) از موتور جلوی آن خارج شود و بیشتر هوا به اطراف موتور رانده شود. در آن مرحله شما یک موتور با یک جت اگزوز کوچک و کشش بسیار زیاد دارید و نیروی رانش خالص ایجاد نمی کند. در واقع، اگر احتراق متوقف شود، نیروی کشش کلی کمتری تولید می‌کند، زیرا توده هوای بزرگتر (متراکم‌تر) در ورودی قرار می‌گیرد و بنابراین هوای کمتری باید به اطراف موتور فشار داده شود. بنابراین افزایش حجم و اندازه نازل/ مجرای مطابق با حجم گاز برای کار یک رمجت ضروری است.
به هر حال، یک تحلیل مشابه برای موتورهای جت معمولی کار می کند. در آنجا شما یک کمپرسور و یک توربین روی یک شفت دارید. کمپرسورها و توربین ها اساساً یک چیز هستند. اگر کل مجموعه را در جهت معکوس بچرخانید، توربین به عنوان یک کمپرسور و کمپرسور به عنوان یک توربین عمل می کند و گازها در جهت معکوس جریان می یابند. دلیل اینکه کل مجموعه در جهت جلو می‌چرخد دوباره این است که توربین بزرگتر است و از حجم بیشتر گازهای خروجی استفاده می‌کند.
راه دیگری برای بیان سوال ممکن است این باشد که چگونه می توان تعیین کرد که چه مقدار هوا در موتور به جای اطراف آن جریان دارد.
در عملیات معمولی رم جت محاسبه این در واقع نسبتاً آسان است. ما می توانیم سرعت جریان حجمی را در چگالی ضرب کنیم:
$\dot m = \rho_1 V_1 A_1$
در جایی که $\dot m$ نرخ جریان جرمی است، ρ چگالی، V سرعت، A سطح مقطع است، و زیرنویس 1 نشان می دهد که آن کمیت ها در ورودی هستند.
هنگامی که رمجت راه اندازی می شود، هوای ورودی با سرعت وارد ورودی می شود، یعنی فرصتی برای کاهش سرعت ندارد، بنابراین تمام مقادیر در ورودی (1) با جریان آزاد (0) یکسان است:
$\rho_1=\rho_0$
$V_1=V_0$
که در آن $V_0$ سرعت جریان آزاد است و همان سرعت وسیله نقلیه است و $\rho_0$ فقط چگالی هوای اتمسفر است.
$\dot m = \rho_0 \, V_0 \, A_1$
بنابراین اکنون سوال این است که چرا احتراق این را تغییر نمی دهد. پس بیایید ببینیم در پایین دست چه اتفاقی می افتد.
ورودی شروع به همگرا شدن ما می کند، زیرا جریان های مافوق صوت این امر را کند می کند و فشار را افزایش می دهد. در نقطه ای به باریک ترین نقطه می رسد و سپس دوباره شروع به گسترش می کند. جایی در امتداد این گسترش یک موج شوک وجود دارد. در اینجا جریان ناگهان از مافوق صوت به مافوق صوت تغییر می کند. این باعث می شود فشار به بالا بپرد اما انرژی مفید کاهش یابد. کانال جریان به انبساط خود ادامه می دهد، اما اکنون از آنجایی که جریان مادون صوت است، این نیز باعث افزایش فشار و کاهش سرعت می شود. سپس مشعل هوا را گرم می کند. یک دقیقه دیگر به این موضوع باز خواهیم گشت. بیشتر در پایین دست، نازل واگرای همگرا را داریم. در طول بخش همگرا، سرعت هوا کاملاً به سرعت صوت بالا می رود. سپس در سمت واگرا به سرعت خود ادامه می دهد تا یک موج ضربه ای یا (در حالت ایده آل) از انتهای نازل خارج شود.
حالا اگر سوخت بیشتری تخلیه کنیم چه اتفاقی می افتد؟ آیا به بالادست فشار خواهد آورد؟ یا فقط پایین دست؟
پاسخ این است که در هر دو جهت فشار خواهد آورد. فشار و دما در مشعل افزایش می یابد. در سمت پایین دست، افزایش دما و فشار به ترتیب برای کاهش و افزایش جریان جرم از طریق نازل مبارزه می کنند. با این حال، اثرات لغو می شود و جریان جرمی ثابت می ماند. اما در فشار بالاتری قرار دارد که باعث افزایش رانش می شود.
در سمت بالادست، فشار افزایش یافته موج شوک را بیشتر به سمت بالا هدایت می کند و باعث انبساط زیر صوت بیشتر و انبساط مافوق صوت کمتر می شود. این تغییرات هر دو باعث افزایش فشار پایین دست می شوند و بنابراین موج ضربه ای می تواند تا زمانی که فشار مشعل افزایش یافته به سمت بالا حرکت کند.
اما اگر به گرما اضافه کنیم چه؟ در نهایت، همانطور که موج ضربه ای به حرکت در بالادست ادامه می دهد، به باریک ترین نقطه خواهد رسید. حالا اگر بیشتر به سمت بالا حرکت کند، فشرده‌سازی مافوق صوت کمتر و فشرده‌سازی زیر صوت بیشتری ایجاد می‌کند. هر دوی این اثرات به جای افزایش فشار پایین دست، فشار پایین دست را کاهش می دهند، بنابراین حرکت موج ضربه ای دیگر نمی تواند افزایش فشار را دوباره متعادل کند، بنابراین موج ضربه ای به شدت از جلوی ورودی به جلو رانده می شود. به این می گویند unstart.
بنابراین چیزی که مانع از انتشار مجدد فشار مشعل به سمت ورودی و کاهش جریان می شود، موج ضربه ای در ناحیه انبساط قبل از مشعل است.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا