پیشرانش(جلوبرندگی)

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 کلی میشه گفت هر چیزی که نیروی لازم برای حرکت جسم پرنده رو تامین کنه در دایره پیشرانش قرار می گیره…

گرایش پیشرانش، نیروی جلوبرنده و محرک رو بررسی می کنه…. بنابراین انواع سیستمهای پیشرانش هوایی (هواپیما و بالگرد و انواع روتوکرافتها) و فضایی (موشکها و ماهواره ها و کلیه فضاپیماها) موضوع مورد مطالعه برای یک مهندس پیشرانش در عرصه هوافضاست.

واژه مرسومی که معمولا هوافضایی ها برای نیروی پیشران به کار می برند، نیروی تراست هست (Thrust force) که غالبا جهت آن در راستای حرکت جسم پرنده می باشد.

دسته بندی کلی گرایش پیشرانش

این گرایش رو میشه به دو دسته اصلی تقسیم کرد. البته ممکنه در محیطهای دانشگاهی، شما تقسیمم بندی های دیگری رو هم ببینید.

دسته اول:

 پیشرانش هوایی:

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

موتورهای پیستونی که مثل موتور خودروهای زمینی کار می کنند، نسل اول موتورهای هوایی هستند و برای هواپیماهای سبک که نیاز به سرعت پرواز خیلی بالایی ندارند، استفاده میشوند. وظیفه آنها تولید قدرت و توان برای به حرکت در آوردن ملخ می باشد.

موتورهای جت گروه دیگری از پیشرانهای هوایی هستند که به گروه های زیر تقسیم بندی میشوند:

–          توربوپراپ

–          توربوجت

–          توربوفن

–          رم جت

–          اسکرم 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 پیشرانش جت هوا ابتدا از ورودی موتور داخل کمپرسور شده و سپس در محفظه احتراق انرژی آن افزایش پیدا کرده و گازهای داغ با سرعت بالا از نازل موتور خارج می شوند. در واقع موتور های جت با با بلعیدن هوا و انرژی دادن به آن، ایجاد نیروی تراست می کنند. فرایند و قسمتهای مختلف موتور جت در زیر نشان داده شده:

پیشرانش جت سهم عمده ای در این گرایش دارد. در واقع این زمینه زیر مجموعه مبحث توربین های گاز هست که در رشته مکانیک کاربرد وسیعی دارد.

پیشرانش 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 موشک و راکت، علاوه بر ایجاد نیروی تراست، نیروی بالابر را هم تأمین می کند. 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.

پیشرانش در طبیعت

در یک نگاه می شه فهمید که الگوی وسایل پرنده در طبیعت، انواع پرندگان و حشرات هستند. سیستمهای پروازی این پرنده ها، خیلی پیچیده و پیشرفته و بعضا باهم متفاوته که در عین ظرافت بسیار عالی طراحی شده اند. تا حالا به این فکر کرده اید که پرنده ها چگونه نیروی پیشرانش رو تولید می کنند؟ پیشرانش پرنده ها توسط بال هاشون انجام میشه… به طوری که قسمت بیرونی بال های پرنده وظیفه ایجاد نیروی پیشران رو دارند.

در تصویر بالا پرنده در حال پایین آوردن بالهاست، که در این حالت با پیچش قسمت بیرونی بال نیروی پیشران لازم برای حرکت به جلو رو تامین می کنه.

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 افزارهای پیشرانشی

از اونجایی که خیلی از مباحث پیشرانش با آیرودینامیک تلاقی داره، در زمینه نرم افزارها هم باید بگیم که همین تلاقی وجود داره… به طور مثال نرم افزار تحلیل سیالاتی فلوئنت کاربرد زیاد در تحلیل مسائل پیشرانشی مثل مدل سازی احتراق داره….

با توجه به زمینه های مختلف پیشرانش بالطبع نرم افزارهای گوناگونی وجود دارند. توربین گاز که یکی از زمینه های مهم و گسترده پیشرانش هست از اهمیت زیادی برخورداره و متناسب با اون نرم افزارهای مربوط به اجزای مختلف توربین گاز طراحی و ساخته شده است. مثلا نرم افزار Gusturb 10 نرم افزاری مناسب برای تحلیل سیکل انواع موتورهای جت و توربین گازی هست…. این نرم افزار رو برای دانلود در سایت قرار دادیم…

نرم افزار دیگه مربوط به طراحی توربین، کمپرسور، فن (Fan) و  هندسه پره های اون هست (blade design software):

 

CFturb

Axial Fan Selection Software (FVA)

FANx

Qblade software

Rocket Propulsion Analysis (RPA)

Propulsion System Design Software for MATLAB

  این ها نمونه ای از  نرم افزارهای پیشرانشی هست که صرفا برای آشنایی معرفی شدند و شاید به خیلی هاشون دسترسی نداشته باشید….

پیشرانش در دانشگاه

در دانشگاه هم گرایش پیشرانش نزدیکی بسیاری با گرایش آیرودینامیک داره به طوری که در بعضی از دانشگاههای جهان به جای آیرودینامیک و پیشرانش، تلفیقی از این دو گرایش با نام آیرو-پروپالشن وجود داره… یکی از دانشگاههایی که به شدت به دنبال این رویکرده، دانشگاه علم و صنعت هست.

در دانشگاه های ایران (همانند کارشناسی) توجه بیشتری به موتورهای هواپیما میشه و موتور موشک باز هم در حاشیه قرار داره….اگرچه یک درس برای آشنایی با موشک وجود داره…. در واقع دروس کارشناسی ارشد پیشرانش جوری طراحی شده که دانشجو با قسمتهای مختلف یک توربین گاز و عملکرد اونها آشنا میشه… توربین گازی به صورت خلاصه دستگاهی هست که هوا رو فشرده می کنه و با احتراق سوخت انرژی اون رو افزایش می ده…. از این افزایش انرژی در راه های مختلف می شه استفاده کرد مثل تولید نیروی تراست در هواپیما و یا تولید قدرت و توان برای تولید برق در ژنراتورها.

 رشته پیشرانش در دانشگاه های ایران دارای مواد درسی زیر هست:

– اصول جلوبرنده های پیشرفته

– طراحی آیرودینامیک توربوماشین ها

– سوخت و احتراق پیشرفته

– آیرودینامیک ورودی

 سه درس اصول جلوبرنده های  پیشرفته، طراحی آیرودینامیک توربو ماشین ها و سوخت و احتراق پیشرفته  یه جورایی مربوط به توربین های گازی می شوند. مبحث آیرودینامیک ورودی  مشترک بین موتور موشک و هواپیماست و در نهایت آئرو ترمودینامیک موتورهای موشک، به راکت و موشک می پردازه…

اصول جلوبرنده های  پیشرفته

به طور خلاصه این درس به بررسی انواع موتورهای جت و تحلیل ترمودینامیکی  اونها می پردازه….و البته در کنار اون موتورهای موشک هم مورد مطالعه قرار می گیره…. روابط لازم استخراج میشه و در نهایت این درس دانشجوی پیشرانش دیدی جامع و کامل با انواع موتورهای پیشرانشی و تغییرات پارامترهای اصلی اون پیدا می کنه… مثلا وقتی بهش میگن که یه موتور رم جت در فلان ارتفاع و سرعت، پرواز می کنه، میتونه تحلیل کنه و حدود کارایی و راندمان اون رو تخمین بزنه… منبع پیشنهادی برای این درس کتاب پیشرانش جت و راکت متینگلی هست

(Elaments of PropulsionGas Turbines and Rockets).

طراحی آیرودینامیک توربو ماشین ها

توربوماشینها در واقع شاخه گسترده ای داره و در صنایع مختلف نیروگاهی و دریایی و هوایی و زمینی کاربرد داره…. اگر بخوام نماد و سمبل مبحث توربوماشین رو بیان کنم باید در یک کلام بگم : پره (blade) ….. چون قلب تپنده توربوماشین، پره ها هستند… در درس طراحی آیرودینامیک توربوماشینها به بررسی انواع کمپرسورها و توربینها اعم از محوری و شعاعی پرداخته میشه … وظیفه کمپرسور فشرده سازی هواست و وظیفه توربین ها گرفتن کار از گازهای پرفشار و داغ برای تولید توان هست. در پایان این درس شایسته هست که دانشجو توانایی طراحی آیرودینامیک توربین و کمپرسور و پره های اون رو داشته باشه… هرچند این طراحی ابتدایی و اولیه باشه…. بنابراین اگر شما دانشجوهای ارشد پیشرانش دیدید که استادتون در این زمینه براتون کم گذاشته یقه ش رو بگیرید!

منبع پیشنهادی :Turbines Compressors and Fans – S M Yahya

سوخت و احتراق پیشرفته

سوخت و احتراق بسیار زمینه مهمی در صنعت ساخت موتورهاست به طوری که بالا بردن کیفیت سوخت و کارایی احتراق به کاهش هزینه و آلودگی کمک بسیار کرده و در کل بازده موتور افزایش پیدا می کنه….  در این درس محفظه احتراق توربین گازی و یا احتراق سوخت موشکی مورد بررسی قرار می گیره…  از جمله مباحثی که در این درس مطرح میشه عبارتند از:

حد اشتعال، سرعت اشتعال، درجه حرارت شعله، خواص و ساختمان هیدروکربن، آنتالپی تشکیل و واکنش، تجزیه شیمیایی، ثبات شعله، توربولانس و چرخش، مدل کردن کامپیوتری شعله های laminar و Turbulent، معیارهای عملکرد برای سیستم احتراق توربین های گاز، راندمان احتراق، ثبات و عملکرد محفظه احتراق، مبانی طراحی محفظه احتراق،روش افت فشار و ارزیابی احتراق در بهینه سازی محفظه، انواع مخازن احتراقی و مزایای نسبی آنها….

منبع پیشنهادی: An introduction to combustionconcepts and application

[تصویر: 88949909277763253448.jpg]

آیرودینامیک ورودی

 این میحث که انطباق زیادی با مباحث آیرودینامیکی دارد به بررسی رفتار جریان هوا در ورودی های مختلف خصوصا ورودی موتورهای جت می پردازه…. اهمیت این موضوع زمانی دوچندان میشه که دهانه موتور در سرعتهای مافوق صوت و گذر صوتی بررسی بشه… ایجاد موجهای ضربه ای قائم و مایل و چگونگی تشکیل آنها از دغدغه های طراح هست…از جمله مباحث مطرح شده در این درس عبارت است از:

فشار دهانه ورودی زیر صوت، اثرات حدود صوت در جریان قبل از ورود، جدایی از لبه و جریان حدود صوت در گلوگاه، تراکم مافوق صوت خارجی، افت ها در دهانه های ورودی مافوق صوت، انحراف های لایه مرزی، پسای خارجی دهانه ورودی، نوسان موج های ضربه ای در ورودی،  کنترل دهانه های ورودی در زوایای برخورد، وسایل و طرحهای جدید و ….

منبع پیشنهادی: Intake Aerodynamics- J. Seddon – مقدمه ای بر آیرودینامیک ورودی ها

    

آئروترمودینامیک موتورهای موشک

در این درس با انواع راکتهای سوخت مایع، جامد، سوخت دوگانه آشنا می شوید. جریان در نازل خروجی، احتراق، انواع سوخت ها و قدرت پیشبرندگی مخصوص از دیگر مباحث این درس هستند… به طور کلی در این درس با زیر و بم موشک و راکت و عملکرد اون آشنا خواهید شد.

منبع پیشنهادی: Rocket Propulsion Elements

برای آشنایی بیشتر با کلیه کتب هوافضایی اینجا کلیک کنید. 

بازار کار پیشرانش

این شاخه از هوافضا نسبت به گرایش آیرودینامیک اقبال و گستردگی بیشتری داره… خصوصا در ایران به مباحث موشکی می پردازند و پیشرانش موشکی مورد توجه بیشتری نسبت به پیشرانش هوایی هست

و هم چنین در صنعت فضایی، که بحث ماهواره بر مطرح میشه، مباحث پیشرانشی ماهواره بر و حتی پیشرانش ماهواره وارد بوردس شده و تراستر ماهواره ها از مقوله های جاری هست…

اما پیشرانش فقط این ها نیست… آینده توربین های گازی در ایران هم روشنه و دانشمندان ایرانی  سعی می کنند که دانش فنی توربین های گازی رو بدست بیارند… و خودتون بهتر می دونید که با رسیدن به این دانش توانایی ساخت موتورهای جت، توربین گازهای نیروگاهی و پیشرانه های مختلف زمینی و دریایی تامین خواهند شد.

یک مهندس پیشرانش در زمینه جریان های داخلی تحلیل خوبی پیدا می کنه و حتی میتونه برخی پروژه های سیالاتی رو انجام بده… مثلا در صنایع نفت و گاز و جریان های سیال مربوط به آنها

نوشته های مشابه

4 دیدگاه در “آشنایی جامع با گرایش پیشرانش

  1. علی گفت:

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

  2. ماهان گفت:

    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 توآیرودینامیک ورودی و یکی دیگه تو سوخت و احتراق فوق یا دکتری می گیره؟؟؟

  3. پوریا گفت:

    کارتون درسته ♥

    1. admin گفت:

      ممنون از نظرات شما

دیدگاهتان را بنویسید

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