آشنایی جامع با گرایش پیشرانش

 با توجه به ایام انتخاب رشته سعی براین شد که بتونیم هرچه زودتر مطالب مربوط به آشنایی جامع با گرایش پیشرانش رو آماده کنیم و در اختیار کسانی که نیاز به آشنایی دارند قرار بدیم. قبل از این دو گرایش آیرودینامیک و سازه رو به طور کامل معرفی کردیم …. به هرحال ممکنه که از نکاتی غافل شده باشیم از صاحب نظرها درخواست می کنیم که اگر نکته ای یا انتقادی به مطالب دارند حتما تذکر بدهند تا مطالب غنی تر بشن … با تشکر

 به صورت خلاصه و كلي ميشه گفت هر چيزي كه نيروي لازم براي حركت جسم پرنده رو تامين كنه در دايره پيشرانش قرار مي گيره…

گرايش پيشرانش، نيروي جلوبرنده و محرك رو بررسي مي كنه…. بنابراين انواع سیستمهای پیشرانش هوایی (هواپيما و بالگرد و انواع روتوکرافتها) و فضایی (موشكها و ماهواره ها و کلیه فضاپیماها) موضوع مورد مطالعه براي يك مهندس پيشرانش در عرصه هوافضاست.

واژه مرسومي كه معمولا هوافضايي ها براي نيروي پيشران به كار مي برند، نيروي تراست هست (Thrust force) كه غالبا جهت آن در راستاي حركت جسم پرنده مي باشد.

دسته بندي كلي گرايش پيشرانش

اين گرايش رو ميشه به دو دسته اصلي تقسيم كرد. البته ممکنه در محیطهای دانشگاهی، شما تقسیمم بندی های دیگری رو هم ببینید.

دسته اول:

 پيشرانش هوایی:

همه موتورهایی که در مسیر حرکت خودشون، از هوا برای کارکرد موتور استفاده میکنند در اين دسته هستند؛ اصطلاحاً به این گروه از موتورها، هواتنفسی (Air Breathing) هم گفته میشه. همه موتورهای پيستوني و جت مورد استفاده در هواپیما، بالگرد و یا موشکهای کروز عضو این خانواده هستند.

موتورهاي پيستوني كه مثل موتور خودروهاي زميني كار مي كنند، نسل اول موتورهای هوایی هستند و براي هواپيماهاي سبك که نیاز به سرعت پرواز خیلی بالایی ندارند، استفاده میشوند. وظيفه آنها توليد قدرت و توان براي به حركت در آوردن ملخ مي باشد.

موتورهاي جت گروه ديگري از پيشرانهاي هوایی هستند كه به گروه هاي زير تقسيم بندي ميشوند:

-          توربوپراپ

-          توربوجت

-          توربوفن

-          رم جت

-          اسكرم جت

-          توربوشفت

که البته مورد آخر، کاربرد هوافضایی زیادی نداره و بیشتر در نیروگاهها مورد استفاده است. موتور توربوجت، هم در جنگنده ها و هم در موشکهای کروز مورد استفاده است.

در پيشرانش جت هوا ابتدا از ورودي موتور داخل كمپرسور شده و سپس در محفظه احتراق انرژي آن افزايش پيدا كرده و گازهاي داغ با سرعت بالا از نازل موتور خارج مي شوند. در واقع موتور هاي جت با با بلعيدن هوا و انرژي دادن به آن، ايجاد نيروي تراست مي كنند. فرايند و قسمتهاي مختلف موتور جت در زير نشان داده شده:

پيشرانش جت سهم عمده اي در اين گرايش دارد. در واقع اين زمينه زير مجموعه مبحث توربين هاي گاز هست كه در رشته مكانيك كاربرد وسيعي دارد.

پيشرانش فضایی:

همون طور که گفته شد، دسته دوم موتورها، موتورهای مورد استفاده در ماهواره ها و فضاپیماها و بیشتر موشکهاست. فرق این موتورها با دسته اول در اینه که برای کارکرد خودشون نیازی به هوا ندارند.

موتور موشک:

شناخته شده ترین عضو این خانواده، موتورهای شیمیایی (یا همون موتور موشکی که میشناسیم) هستند. این موتورها سوخت و اکسیدایزر مورد استفاده خودشون رو داخل خودشون دارند و نیازی به استفاده از هوا ندارند. از لحاظ سوخت، میشه این موتورها را به سه دسته تقسیم کرد.

موتور موشك و راكت، علاوه بر ايجاد نيروي تراست، نيروي بالابر را هم تأمين مي كند. راکت­ها و موشک­ها با موتور سوخت جامد در سیستم های نظامی و تدافعی عملکرد بهتری دارند و بسیار قابل توجه اند. و موتورهای با سوخت مایع بیشتر برای مسافت های طولانی و ماموریت فضایی مورد استفاده قرار می گیرند.

فضاپیماهای بین سیاره ای:

برای مأموریتهای بین سیاره ای، استفاده از موتورهای معروف موشکی ممکن نیست، چون که وزن سوخت و اکسیدایزر مورد نیاز خیلی خیلی زیاد میشه و اصلاً انجام مأموریت را غیرممکن میکنه. از طرف دیگر، به دلیل نبودن نیروی جاذبه قابل توجه در این مأموریتها، نیروی پیشران مورد نیاز خیلی کم هست. به همین دلیل، از موتورهای هسته ای، یونی، پلاسما و … استفاده میشود. این موتورها میتونند ضربه و تراست کمی تولید کنند اما در عوض مدت زمان کاریشون تا چند ماه ممکنه ادامه پیدا کنه.

کنترل وضعیت ماهواره:

ماهواره ها (یا قمرهای مصنوعی) اجسامی هستند که در مدار سیاره زمین یا سیاره های دیگر قرار داده میشوند و به دلیل وجود میدان جاذبه سیاره، دور سیاره میچرخند. البته در شرایط ایده آل که هیچ نیروی اصطکاکی در مسیر حرکت ماهواره وجود نداشته باشه، ماهواره به مسیر خودش در یک مدار خاص ادامه میده. ولی در واقعیت به دلیل وجود نیروهای پسا (هر چند خیلی کم هستند) ماهواره از مدار خودش به مدارهای پایین تر منتقل میشه.

یکی از راههای جلوگیری از این اتفاق، استفاده از موتورهای کوچک در ماهواره است. به این موتورهای کوچک اصطلاحاً تراستر گفته میشود. تراسترهای مورد استفاده در ماهواره ها معمولا از نوع گاز فشرده هستند.

پيشرانش در طبيعت

در يك نگاه مي شه فهميد كه الگوی وسایل پرنده در طبیعت، انواع پرندگان و حشرات هستند. سيستمهای پروازي این پرنده ها، خیلی پيچيده و پيشرفته و بعضا باهم متفاوته كه در عين ظرافت بسيار عالي طراحي شده اند. تا حالا به اين فكر كرده ايد كه پرنده ها چگونه نيروي پيشرانش رو توليد مي كنند؟ پيشرانش پرنده ها توسط بال هاشون انجام ميشه… به طوري كه قسمت بيروني بال هاي پرنده وظيفه ايجاد نيروي پيشران رو دارند.

در تصوير بالا پرنده در حال پايين آوردن بالهاست، كه در اين حالت با پيچش قسمت بيروني بال نيروي پيشران لازم براي حركت به جلو رو تامين مي كنه.

دسته ای از پرنده ها و حشرات، این قابلیت رو دارن که با طرز خاصی بال زدن، خودشون رو ثابت توی هوا نگه دارن. به طور مثال، پرنده ای که در عکس زیر دیده میشه مرغ مگسخوار (Hummingbird) نام داره و با همین قابلیت که در هوافضا بهش میگن: پرواز در حالت هاور (Hover) خودش رو در هوا نگه میداره و از شهد گلها استفاده میکنه.

نرم افزارهاي پيشرانشي

از اونجايي كه خيلي از مباحث پيشرانش با آيروديناميك تلاقي داره، در زمينه نرم افزارها هم بايد بگيم كه همين تلاقي وجود داره… به طور مثال نرم افزار تحليل سيالاتي فلوئنت كاربرد زياد در تحليل مسائل پيشرانشي مثل مدل سازي احتراق داره….

با توجه به زمينه هاي مختلف پيشرانش بالطبع نرم افزارهاي گوناگوني وجود دارند. توربين گاز كه يكي از زمينه هاي مهم و گسترده پيشرانش هست از اهميت زيادي برخورداره و متناسب با اون نرم افزارهاي مربوط به اجزاي مختلف توربين گاز طراحي و ساخته شده است. مثلا نرم افزار Gusturb 10 نرم افزاري مناسب براي تحليل سيكل انواع موتورهاي جت و توربين گازي هست…. اين نرم افزار رو براي دانلود در سايت قرار داديم…

نرم افزار ديگه مربوط به طراحي توربين، كمپرسور، فن (Fan) و  هندسه پره هاي اون هست (blade design software):

 

- CFturb

- Axial Fan Selection Software (FVA)

- FANx

-Qblade software

- Rocket Propulsion Analysis (RPA)

-Propulsion System Design Software for MATLAB

  اين ها نمونه اي از  نرم افزارهاي پيشرانشي هست كه صرفا براي آشنايي معرفي شدند و شايد به خيلي هاشون دسترسي نداشته باشيد….

پيشرانش در دانشگاه

در دانشگاه هم گرايش پيشرانش نزديكي بسياري با گرايش آيروديناميك داره به طوري كه در بعضي از دانشگاههاي جهان به جاي آيروديناميك و پيشرانش، تلفيقي از اين دو گرايش با نام آيرو-پروپالشن وجود داره… يكي از دانشگاههايي كه به شدت به دنبال اين رويكرده، دانشگاه علم و صنعت هست.

در دانشگاه هاي ايران (همانند كارشناسي) توجه بيشتري به موتورهاي هواپيما ميشه و موتور موشك باز هم در حاشيه قرار داره….اگرچه يك درس براي آشنايي با موشك وجود داره…. در واقع دروس كارشناسي ارشد پيشرانش جوري طراحي شده كه دانشجو با قسمتهاي مختلف يك توربين گاز و عملكرد اونها آشنا ميشه… توربين گازي به صورت خلاصه دستگاهي هست كه هوا رو فشرده مي كنه و با احتراق سوخت انرژي اون رو افزايش مي ده…. از اين افزايش انرژي در راه هاي مختلف مي شه استفاده كرد مثل توليد نيروي تراست در هواپيما و يا توليد قدرت و توان براي توليد برق در ژنراتورها.

 رشته پيشرانش در دانشگاه هاي ايران داراي مواد درسي زير هست:

- اصول جلوبرنده هاي پيشرفته

- طراحي آيروديناميك توربوماشين ها

- سوخت و احتراق پيشرفته

- آيروديناميك ورودي

 سه درس اصول جلوبرنده هاي  پيشرفته، طراحي آيروديناميك توربو ماشين ها و سوخت و احتراق پيشرفته  يه جورايي مربوط به توربين هاي گازي مي شوند. مبحث آيروديناميك ورودي  مشترك بين موتور موشك و هواپيماست و در نهايت آئرو ترموديناميك موتورهاي موشك، به راكت و موشك مي پردازه…

اصول جلوبرنده هاي  پيشرفته

به طور خلاصه اين درس به بررسي انواع موتورهاي جت و تحليل ترموديناميكي  اونها مي پردازه….و البته در كنار اون موتورهاي موشك هم مورد مطالعه قرار مي گيره…. روابط لازم استخراج ميشه و در نهايت اين درس دانشجوي پيشرانش ديدي جامع و كامل با انواع موتورهاي پيشرانشي و تغييرات پارامترهاي اصلي اون پيدا مي كنه… مثلا وقتي بهش ميگن كه يه موتور رم جت در فلان ارتفاع و سرعت، پرواز مي كنه، ميتونه تحليل كنه و حدود كارايي و راندمان اون رو تخمين بزنه… منبع پيشنهادي براي اين درس كتاب پيشرانش جت و راكت متينگلي هست

(Elaments of PropulsionGas Turbines and Rockets).

طراحي آيروديناميك توربو ماشين ها

توربوماشينها در واقع شاخه گسترده اي داره و در صنايع مختلف نيروگاهي و دريايي و هوايي و زميني كاربرد داره…. اگر بخوام نماد و سمبل مبحث توربوماشين رو بيان كنم بايد در يك كلام بگم : پره (blade) ….. چون قلب تپنده توربوماشين، پره ها هستند… در درس طراحي آيروديناميك توربوماشينها به بررسي انواع كمپرسورها و توربينها اعم از محوري و شعاعي پرداخته ميشه … وظيفه كمپرسور فشرده سازي هواست و وظيفه توربين ها گرفتن كار از گازهاي پرفشار و داغ براي توليد توان هست. در پايان اين درس شايسته هست كه دانشجو توانايي طراحي آيروديناميك توربين و كمپرسور و پره هاي اون رو داشته باشه… هرچند اين طراحي ابتدايي و اوليه باشه…. بنابراين اگر شما دانشجوهاي ارشد پيشرانش ديديد كه استادتون در اين زمينه براتون كم گذاشته يقه ش رو بگيريد!

منبع پيشنهادي :Turbines Compressors and Fans – S M Yahya

سوخت و احتراق پيشرفته

سوخت و احتراق بسيار زمينه مهمي در صنعت ساخت موتورهاست به طوري كه بالا بردن كيفيت سوخت و كارايي احتراق به كاهش هزينه و آلودگي كمك بسيار كرده و در كل بازده موتور افزايش پيدا مي كنه….  در اين درس محفظه احتراق توربين گازي و يا احتراق سوخت موشكي مورد بررسي قرار مي گيره…  از جمله مباحثي كه در اين درس مطرح ميشه عبارتند از:

حد اشتعال، سرعت اشتعال، درجه حرارت شعله، خواص و ساختمان هيدروكربن، آنتالپي تشكيل و واكنش، تجزيه شيميايي، ثبات شعله، توربولانس و چرخش، مدل كردن كامپيوتري شعله هاي laminar و Turbulent، معيارهاي عملكرد براي سيستم احتراق توربين هاي گاز، راندمان احتراق، ثبات و عملكرد محفظه احتراق، مباني طراحي محفظه احتراق،روش افت فشار و ارزيابي احتراق در بهينه سازي محفظه، انواع مخازن احتراقي و مزاياي نسبي آنها….

منبع پيشنهادي: An introduction to combustionconcepts and application

[تصویر: 88949909277763253448.jpg]

آيروديناميك ورودي

 اين ميحث كه انطباق زيادي با مباحث آيروديناميكي دارد به بررسي رفتار جريان هوا در ورودي هاي مختلف خصوصا ورودي موتورهاي جت مي پردازه…. اهميت اين موضوع زماني دوچندان ميشه كه دهانه موتور در سرعتهاي مافوق صوت و گذر صوتي بررسي بشه… ايجاد موجهاي ضربه اي قائم و مايل و چگونگي تشكيل آنها از دغدغه هاي طراح هست…از جمله مباحث مطرح شده در اين درس عبارت است از:

فشار دهانه ورودي زير صوت، اثرات حدود صوت در جريان قبل از ورود، جدايي از لبه و جريان حدود صوت در گلوگاه، تراكم مافوق صوت خارجي، افت ها در دهانه هاي ورودي مافوق صوت، انحراف هاي لايه مرزي، پساي خارجي دهانه ورودي، نوسان موج هاي ضربه اي در ورودي،  كنترل دهانه هاي ورودي در زواياي برخورد، وسايل و طرحهاي جديد و ….

منبع پيشنهادي: Intake Aerodynamics- J. Seddon – مقدمه اي بر آيروديناميك ورودي ها

    

آئروترموديناميك موتورهاي موشك

در اين درس با انواع راكتهاي سوخت مايع، جامد، سوخت دوگانه آشنا مي شويد. جريان در نازل خروجي، احتراق، انواع سوخت ها و قدرت پيشبرندگي مخصوص از ديگر مباحث اين درس هستند… به طور كلي در اين درس با زير و بم موشك و راكت و عملكرد اون آشنا خواهيد شد.

منبع پيشنهادي: Rocket Propulsion Elements

برای آشنایی بیشتر با کلیه کتب هوافضایی اینجا کلیک کنید. 

بازار كار پيشرانش

اين شاخه از هوافضا نسبت به گرايش آيروديناميك اقبال و گستردگي بيشتري داره… خصوصا در ايران به مباحث موشكي مي پردازند و پيشرانش موشكي مورد توجه بيشتري نسبت به پيشرانش هوايي هست

و هم چنين در صنعت فضايي، كه بحث ماهواره بر مطرح ميشه، مباحث پيشرانشي ماهواره بر و حتي پيشرانش ماهواره وارد بوردس شده و تراستر ماهواره ها از مقوله هاي جاري هست…

اما پيشرانش فقط اين ها نيست… آينده توربين هاي گازي در ايران هم روشنه و دانشمندان ايراني  سعي مي كنند كه دانش فني توربين هاي گازي رو بدست بيارند… و خودتون بهتر مي دونيد كه با رسيدن به اين دانش توانايي ساخت موتورهاي جت، توربين گازهاي نيروگاهي و پيشرانه هاي مختلف زميني و دريايي تامين خواهند شد.

يك مهندس پيشرانش در زمينه جريان هاي داخلي تحليل خوبي پيدا مي كنه و حتي ميتونه برخي پروژه هاي سيالاتي رو انجام بده… مثلا در صنايع نفت و گاز و جريان هاي سيال مربوط به آنها

4 دیدگاه درباره “آشنایی جامع با گرایش پیشرانش

  1. ماهان

    با سلام
    ببخشید شما اون چهار عنوان رو معرفی کردین یعنی مبحث پیشرانه در دانشگاه به اون ها تقسیم میشه و هر کس تو اون رشته تحصیل می کنه مثلا یکی توآيروديناميك ورودي و یکی دیگه تو سوخت و احتراق فوق یا دکتری می گیره؟؟؟

    پاسخ
  2. علی

    سلام
    برای انتخاب رشته گرایش پیشرانش دانشگاه های تهران الویت بندی چجوری باشه؟اگه زود پاسخ بدید ممنون میشم.

    پاسخ

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *