موتورهای سوخت جامد

موتورهای سوخت جامد، موتورهایی هستند که بر اساس احتراق سوخت های جامد کار می کنند. اولین موشک های ساخته شده به دست بشر، موشک های سوخت جامد هستند. این موشک ها در قرن سیزدهم توسط چینی ها و اعراب مورد استفاده قرار می گرفتند. این موشک ها نسبت به موشک های سوخت مایع و موشک های هیبریدی قابلیت کنترل کمتری دارند ولی به دلیل سادگی و قابلیت اطمینانی که دارند به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. به دلیل اینکه این موشک ها می توانند مدت زیادی ذخیره بمانند و در زمان بسیار کوتاهی آماده پرتاب شوند، به صورت گسترده مورد استفاده در برنامه های نظامی قرار گرفته اند. همچنین موتورهای سوخت جامد به دلیل نیروی پیشران بالایی که دارند، در راکت های بوستر استفاده می شوند. این راکت ها تراست اولیه برای برخاست سامانه ماهواره بر را از روی سطح زمین ایجاد می کند. برای مثال بوستر های فضاپیمای شاتل را در تصویر زیر می بینیدکه از دو طرف جدا شده اند:

در اینجا اجزای موتورهای سوخت جامد تشریح می گردد:

اجزاى موتور

موتورهاى سوخت جامد اجزاى مختلفى دارند كه در شكل زير يك نمونه ساده سازى شده از آنها نشان داده شده است:

به صورت كلى موتورهاى سوخت جامد از چهار قسمت اصلى تشكيل مى شوند،:

۱) بدنه موتور (Casing)

۲) سوخت (Grain)

۳) آتشزنه (Igniter)
۴) نازل (Nozzle)
در موتورهاى سوخت جامد، بدنه موتور براى نگاه داشتن قسمت هاى مختلف موتور است، سوخت براى توليد نيروى پيشران، آتشزنه براى ايجاد جرقه و راه اندازى عمليات احتراق، و نازل قسمتى قيف مانند در انتهاى موتور است كه به گازهاى حاصل از احتراق جهت و سرعت مى دهد و باعث ايجاد نيروى تراست مى شود.

زمانى كه چاشنى مشتعل شد، سوخت شروع به احتراق مى كند و بر خلاف موتورهاى سوخت مايع قطع كردن جريان احتراق كار آسانى نيست. بنابراين، آهنگ سوختن سوخت و چگونگى كنترل نيروى تراست ايجاد شده، مبحثى اساسى براى مهندسان است كه بايد آن را در نظر داشته باشند.

در ادامه به بررسى مهمترين قسمتهاى موتور سوخت جامد مى پردازيم:
۱) بدنه موتور
همان طور كه گفته شد، بدنه موتور قسمتى است كه موتور را داخل خود جا داده و از آن نگهدارى مى كند. در طراحى بدنه موتور بايد به گونه اى عمل كرد كه بدنه كمترين وزن ممكن را داشته باشد تا راندمان موشك بالا رود، همچنين بدنه بايد از جنسى باشد تا استحكام لازم را داشته باشد و بتواند تنش هاى وارده را تحمل كند. در موتورهاى امروزى حدود ۹۰ درصد وزن موتور را سوخت تشكيل مى دهد، ولى كاهش وزن بدنه موتور همچنان مى تواند باعث افزايش راندمان موشك مى شود. استفاده از فايبرگلاس هاى مقاوم در برابر حرارت و پلاستيك هاى مقاوم در برابر حرارت و ديگر تكنيك هاى ويژه در ساخت بدنه موتور، مى تواند باعث كاهش وزن موتور و افزايش راندمان موتور شود، در حالى كه بدنه همچنان، مقاومت لازم در مقابل تنش هاى وارده را داشته باشد.

۲) سوخت موتور
ايده اى كه در پشت موشك هاى سوخت جامد است، بسيار ساده است. ما مى خواهيم وسيله اى درست كنيم كه بسيار سريع بسوزد ولى منفجر نشود. همان گونه كه مى دانيد، باروت قابليت انفجار دارد. ٪ مواد تشكيل دهنده باروت شامل ۷۵ ٪ نيترات، ۱۵ درصد كربن و ۱۰ ٪ درصد گوگرد است. حال اگر اين درصدها را به صورت ۷۲ ٪ نيترات، ۲۴ ٪ كربن و ۴٪ گوگرد تغيير دهيم، به جاى باروت كه قابليت انفجار دارد، به ساده ترين سوخت جامد موشك ها دست خواهيم يافت. اين مخلوط، اگر به صورت صحيح مخلوط شود، بسيار سريع مى سوزد ولى منفجر نمى شود. اين موشك ها اولين موشك هاى ساخته دست بشر بوده است. سوخت هاى جامد امروزى، معمولاً از سوخت، اكسيد كننده، رزين و كاتاليزور تشكيل شده است. رزين هاى ،PBAN و HTPB دو رزين مصنوعى معمولى هستند كه در سوخت ها مورد استفاده قرار مى گيرند. پودرهاى برخى از فلزات به عنوان كاتاليزور براى كنترل فرآيند احتراق استفاده مى شود. معمول ترين اكسيد كننده به كار رفته در اين موتورها، آلومينيوم پركلرات است. گاز حاصل از موتور، شامل هيدروكلريك اسيد و آلومينيوم اكسيد است. اين گازها تاثيرات منفى برروى محيط زيست دارند. همچنين، در موشك هاى نظامى، موشك ردى از دود بر جاى مى گذارد كه از ماهواره ها قابل پى گيرى است. اين مشكلات محققان را بر آن داشته تا به سمت سوخت هايى مانند سوخت هاى آلى شامل نيتروژن بروند. ديگر موضوع مهم در سوخت ها، چگونگى سوختن آنها است. اغلب سوخت هاى جامد در هسته خود، حفره هايى دارند كه در آنجا عمليات احتراق صورت مى گيرد و با گذشت زمان ابعاد حفره ها بيشتر مى شود. اين حفره ها را محفظه احتراق نيز مى نامند. در شكل روبرو، شماتيكى از موشك را در راست و سطح مقطع برش زده آن را در چپ ملاحظه مى فرماييد. نوع حفره ها، تاثير به سزايى در عملكرد موتور دارد. به عنوان مثال، در بوسترهاى شاتل، از سطح مقطع ستاره استفاده شده كه باعث بالا رفتن آهنگ تغيير سوخت در ابتداى احتراق مى شود. در ادامه با سوختن قسمت ستاره اى شكل سطح مقطع در حال احتراق كمتر شده و در نتيجه تراست كمتر مى شود. از Hellfire 114-AGM در مثالى ديگر، در موشك سطح مقطع ميله و لوله استفاده شده است. به طور كلى، تعيين نوع سطح مقطع به نوع كاربرد موتور بستگى دارد.

۳) چاشنى
براى راه اندازى موتور نياز به وسيله اى به نام چاشنى استفاده مى شود، براى اينكه سوخت را به نقطه احتراق خود برساند. در موتور هاى سوخت جامد معمولاً از قوس الكتريكى براى راه اندازى عمليات احتراق استفاده مى شود. البته در برخى موتورها، از بسته هاى كوچك قابل انفجار براى
راه اندازى عمليات احتراق نيز استفاده مى شود. چاشنى ها معمولاً در قسمت بالاى موتور و در محفظه احتراق قرار دارند.
۴) نازل
به طور كلى، در موتورهاى سوخت جامد از (Convergent-Divergent) نازلهاى همگرا – واگرا استفاده مى شود. نمونه اى از اين نازل ها در شكل زير نشان داده شده است. قسمتى از اين نازل كه (Throat) كمترين سطح مقطع را دارد، گلوگاه مى نامند. برخى از نازل ها، از تيغه هايى در انتهاى نازل استفاده مى كنند تا بتوانند به گازهاى خروجى جهت دهند و باعث كنترل جهت حركت موشك از اين ،Minuteman شوند. در مرحله اول موشك سيستم براى توليد مانورهاى لازم موشك استفاده شده است. در برخى نازل هاى ديگر، از پاشيدن مايع براى استفاده (LITV System) كنترل جهت تراست مى شود. اين سيستم ها، شامل تزريق يك مايع به جريان گازهاى خروجى پس از عبور از گلوگاه نازل است. در اين حالت، مايع تبديل به بخار شده و به مجموعه گازهاى خروجى در يك طرف نازل افزوده شده و باعث كنترل جهت تراست موشك از Titan III مى شود. در بوسترهاى سوخت جامد موشك استفاده LITV نيتروژن تترااكسيد در سيستم شده است.

نيروى پيشران و راندمان
موتور هاى سوخت جامد توانايى توليد نيروى تراست بالايى را دارند. نيروى تراست موتورهاى سوخت جامد از رابطه زير بدست مى آيد:

موتورهاى سوخت جامد در مقايسه با موتورهاى سوخت مايع نيروى تراست بيشترى توليد مى كنند. بوسترهاى شاتل فضايى كه تاكنون قوى ترين موتورهاى سوخت جامد ساخته شده هستند، توانايى توليد ۱۳ ميليون نيوتون نيرو را دارند. همان گونه در شماره قبل اشاره شد، براى بررسى راندمان موشك ها، از كميتى به نام ضربه ويژه استفاده مى شود. اين كميت با توجه به روابط زير، از نيروى تراست بدست مى آيد:

در رابطه بالا، Veq سرعتى است كه براى اندازه گيرى ضربه ويژه موشك ها مورد استفاده قرار مى گيرد. ضربه كلى حاصل از نيروى تراست از رابطه زير بدست مى آيد:

چون ضربه ويژه، ضربه كل به وزن موتور در روى زمين است. پس ضربه ويژه برابر است با:

از رابطه بالا مى توان دريافت كه واحد ضربه ويژه نيوتون بر كيلوگرم بر ثانيه و يا ثانيه است. موشك هاى سوخت جامد به صورت معمول داراى ضربه ويژه ۲۸۵ ثانيه يا ۲۶۰۰ نيوتون بر كيلوگرم بر ثانيه هستند، در حالى كه موتور سوخت مايع نفت سفيد و اكسيژن مايع داراى ضربه ويژه ۳۳۰ ثانيه يا ۳۲۰۰ نيوتون بر كيلوگرم بر ثانيه است.

مزايا و معايب
به طور كلى استفاده از سوخت جامد در موتور موشك هاى بالستيك داراى مزاياى مختلفى است كه اهم آنها در ذيل اشاره گرديده است:
۱) سوختهاى جامد داراى عمر طولانى براى استفاده هستند.

۲) اين سوخت ها چگالى بالايى دارند. بنابراين، با توجه به جرم معين سوخت، حجم كمترى اشغال كرده و نسبت به سوخت مايع، در موشك هاى كوچكتر قابل استفاده هستند.

۳) قابليت حمل و نقل، پياده سازى و ذخير هسازى راحتترى نسبت به سوخت مايع دارند.
۴) موشك هاى سوخت جامد از لحاظ خواص مكانيكى بسيار ساده هستند و اكثر قسمت هاى اين موش كها قابليت جابجايى با ايمنى بالا را دارند.
۵) به طور كلى فرآيند ساخت و تهيه سوخت جامد موتور موشك با كمترين تجهيزات فنى و با هزينه پايين تر امكان پذير است. در ادامه، به مهم ترين مشكلات و محدوديت استفاده از سوخت جامد در موشك هاى بالستيك اشاره مى كنيم:
۱) بروز خطا در حين عمليات ساخت و شك لدهى جبران ناپذير خواهد بود.
۲) دستيابى به عملكرد و بازدهى بالا در محدوده وسيعى از تغييرات درجه حرارت عملياتى سوخت جامد، با وجود دارا بودن خواص مكانيكى خوب آنها، بسيار مشكل است.
۳) قابليت قطع و مهار نيروى پيشران مشكل است. روش معمول براى انجام چنين كارى در موتور سوخت جامد، معكوس كردن جهت گازهاى خروجى با استفاده از دريچه هاى متحرك (همانند سيستم معكوس كننده نيروى پيشرانش در هواپيما جهت توقف بر روى باند) و تزريق مايع خاموش كننده آتش از انتهاى نازل به سمت محفظه احتراق است كه خود فرايندى پيچيده و زمان بر و تا حدودى داراى تاخير زمانى قابل ملاحظه براى اصلاح مسير توسط سيستم هدايت است.
۴) قابليت تغيير اندازه نيروى تراست در فاز بوست به عنوان پارامتر كنترلى در هدايت و تصحيح مسير موشك وجود ندارد. بنابراين استفاده از تغيير سمت بردار پيشران مهمترين پارامتر كنترلى در تصحيح مسير محسوب مى شود. دورنما در زمينه سوخت هاى جامد، يك سرى از مطالعات در دست بررسى است كه به اختصار به معرفى برخى از آنها مى پردازيم:
۱)سوخت هاى سازگار با محيط زيست
۲) رم جت ها با سوخت جامد
۳) موتورهاى با تراست متفاوت توسط نازل هاى با شكل هندسى متغير
۴) موتورهاى هيبريدى با سوخت جامد و اكسيد كننده مايع قابل كنترل
در مطالب بعد به بررسى موتورهاى سوخت مايع خواهيم پرداخت…

منابع:

Encarta Encyclopedia

Wikipedia Encyclopedia

www.howstuffworks.com

www.grc.nasa.gov

 

پاسخ دهید

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