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 که در شکل زیر یک نمونه ساده سازى شده از آنها نشان داده شده است:
به صورت کلى موتورهاى سوخت جامد از چهار قسمت اصلى تشکیل مى شوند،:
1) بدنه موتور (Casing)
2) سوخت (Grain)
3) آتشزنه (Igniter)
4) نازل (Nozzle)
در موتورهاى سوخت جامد، بدنه موتور براى نگاه داشتن قسمت هاى مختلف موتور است، سوخت براى تولید نیروى پیشران، آتشزنه براى ایجاد جرقه و راه اندازى عملیات احتراق، و نازل قسمتى قیف مانند در انتهاى موتور است که به گازهاى حاصل از احتراق جهت و سرعت مى دهد و باعث ایجاد نیروى تراست مى شود.
زمانى که چاشنى مشتعل شد، سوخت شروع به احتراق مى کند و بر خلاف موتورهاى سوخت مایع قطع کردن جریان احتراق کار آسانى نیست. بنابراین، آهنگ سوختن سوخت و چگونگى کنترل نیروى تراست ایجاد شده، مبحثى اساسى براى مهندسان است که باید آن را در نظر داشته باشند.
در ادامه به بررسى مهمترین قسمتهاى موتور سوخت جامد مى پردازیم:
1) بدنه موتور
همان طور که گفته شد، بدنه موتور قسمتى است که موتور را داخل خود جا داده و از آن نگهدارى مى کند. در طراحى بدنه موتور باید به گونه اى عمل کرد که بدنه کمترین وزن ممکن را داشته باشد تا راندمان موشک بالا رود، همچنین بدنه باید از جنسى باشد تا استحکام لازم را داشته باشد و بتواند تنش هاى وارده را تحمل کند. در موتورهاى امروزى حدود 90 درصد وزن موتور را سوخت تشکیل مى دهد، ولى کاهش وزن بدنه موتور همچنان مى تواند باعث افزایش راندمان موشک مى شود. استفاده از فایبرگلاس هاى مقاوم در برابر حرارت و پلاستیک هاى مقاوم در برابر حرارت و دیگر تکنیک هاى ویژه در ساخت بدنه موتور، مى تواند باعث کاهش وزن موتور و افزایش راندمان موتور شود، در حالى که بدنه همچنان، مقاومت لازم در مقابل تنش هاى وارده را داشته باشد.
2) سوخت موتور
ایده اى که در پشت موشک هاى سوخت جامد است، بسیار ساده است. ما مى خواهیم وسیله اى درست کنیم که بسیار سریع بسوزد ولى منفجر نشود. همان گونه که مى دانید، باروت قابلیت انفجار دارد. ٪ مواد تشکیل دهنده باروت شامل 75 ٪ نیترات، 15 درصد کربن و 10 ٪ درصد گوگرد است. حال اگر این درصدها را به صورت 72 ٪ نیترات، 24 ٪ کربن و 4٪ گوگرد تغییر دهیم، به جاى باروت که قابلیت انفجار دارد، به ساده ترین سوخت جامد موشک ها دست خواهیم یافت. این مخلوط، اگر به صورت صحیح مخلوط شود، بسیار سریع مى سوزد ولى منفجر نمى شود. این موشک ها اولین موشک هاى ساخته دست بشر بوده است. سوخت هاى جامد امروزى، معمولاً از سوخت، اکسید کننده، رزین و کاتالیزور تشکیل شده است. رزین هاى ،PBAN و HTPB دو رزین مصنوعى معمولى هستند که در سوخت ها مورد استفاده قرار مى گیرند. پودرهاى برخى از فلزات به عنوان کاتالیزور براى کنترل فرآیند احتراق استفاده مى شود. معمول ترین اکسید کننده به کار رفته در این موتورها، آلومینیوم پرکلرات است. گاز حاصل از موتور، شامل هیدروکلریک اسید و آلومینیوم اکسید است. این گازها تاثیرات منفى برروى محیط زیست دارند. همچنین، در موشک هاى نظامى، موشک ردى از دود بر جاى مى گذارد که از ماهواره ها قابل پى گیرى است. این مشکلات محققان را بر آن داشته تا به سمت سوخت هایى مانند سوخت هاى آلى شامل نیتروژن بروند. دیگر موضوع مهم در سوخت ها، چگونگى سوختن آنها است. اغلب سوخت هاى جامد در هسته خود، حفره هایى دارند که در آنجا عملیات احتراق صورت مى گیرد و با گذشت زمان ابعاد حفره ها بیشتر مى شود. این حفره ها را محفظه احتراق نیز مى نامند. در شکل روبرو، شماتیکى از موشک را در راست و سطح مقطع برش زده آن را در چپ ملاحظه مى فرمایید. نوع حفره ها، تاثیر به سزایى در عملکرد موتور دارد. به عنوان مثال، در بوسترهاى شاتل، از سطح مقطع ستاره استفاده شده که باعث بالا رفتن آهنگ تغییر سوخت در ابتداى احتراق مى شود. در ادامه با سوختن قسمت ستاره اى شکل سطح مقطع در حال احتراق کمتر شده و در نتیجه تراست کمتر مى شود. از Hellfire 114-AGM در مثالى دیگر، در موشک سطح مقطع میله و لوله استفاده شده است. به طور کلى، تعیین نوع سطح مقطع به نوع کاربرد موتور بستگى دارد.
3) چاشنى
براى راه اندازى موتور نیاز به وسیله اى به نام چاشنى استفاده مى شود، براى اینکه سوخت را به نقطه احتراق خود برساند. در موتور هاى سوخت جامد معمولاً از قوس الکتریکى براى راه اندازى عملیات احتراق استفاده مى شود. البته در برخى موتورها، از بسته هاى کوچک قابل انفجار براى
راه اندازى عملیات احتراق نیز استفاده مى شود. چاشنى ها معمولاً در قسمت بالاى موتور و در محفظه احتراق قرار دارند.
4) نازل
به طور کلى، در موتورهاى سوخت جامد از (Convergent-Divergent) نازلهاى همگرا – واگرا استفاده مى شود. نمونه اى از این نازل ها در شکل زیر نشان داده شده است. قسمتى از این نازل که (Throat) کمترین سطح مقطع را دارد، گلوگاه مى نامند. برخى از نازل ها، از تیغه هایى در انتهاى نازل استفاده مى کنند تا بتوانند به گازهاى خروجى جهت دهند و باعث کنترل جهت حرکت موشک از این ،Minuteman شوند. در مرحله اول موشک سیستم براى تولید مانورهاى لازم موشک استفاده شده است. در برخى نازل هاى دیگر، از پاشیدن مایع براى استفاده (LITV System) کنترل جهت تراست مى شود. این سیستم ها، شامل تزریق یک مایع به جریان گازهاى خروجى پس از عبور از گلوگاه نازل است. در این حالت، مایع تبدیل به بخار شده و به مجموعه گازهاى خروجى در یک طرف نازل افزوده شده و باعث کنترل جهت تراست موشک از Titan III مى شود. در بوسترهاى سوخت جامد موشک استفاده LITV نیتروژن تترااکسید در سیستم شده است.
نیروى پیشران و راندمان
موتور هاى سوخت جامد توانایى تولید نیروى تراست بالایى را دارند. نیروى تراست موتورهاى سوخت جامد از رابطه زیر بدست مى آید:
موتورهاى سوخت جامد در مقایسه با موتورهاى سوخت مایع نیروى تراست بیشترى تولید مى کنند. بوسترهاى شاتل فضایى که تاکنون قوى ترین موتورهاى سوخت جامد ساخته شده هستند، توانایى تولید 13 میلیون نیوتون نیرو را دارند. همان گونه در شماره قبل اشاره شد، براى بررسى راندمان موشک ها، از کمیتى به نام ضربه ویژه استفاده مى شود. این کمیت با توجه به روابط زیر، از نیروى تراست بدست مى آید:
در رابطه بالا، Veq سرعتى است که براى اندازه گیرى ضربه ویژه موشک ها مورد استفاده قرار مى گیرد. ضربه کلى حاصل از نیروى تراست از رابطه زیر بدست مى آید:
چون ضربه ویژه، ضربه کل به وزن موتور در روى زمین است. پس ضربه ویژه برابر است با:
از رابطه بالا مى توان دریافت که واحد ضربه ویژه نیوتون بر کیلوگرم بر ثانیه و یا ثانیه است. موشک هاى سوخت جامد به صورت معمول داراى ضربه ویژه 285 ثانیه یا 2600 نیوتون بر کیلوگرم بر ثانیه هستند، در حالى که موتور سوخت مایع نفت سفید و اکسیژن مایع داراى ضربه ویژه 330 ثانیه یا 3200 نیوتون بر کیلوگرم بر ثانیه است.
مزایا و معایب
به طور کلى استفاده از سوخت جامد در موتور موشک هاى بالستیک داراى مزایاى مختلفى است که اهم آنها در ذیل اشاره گردیده است:
1) سوختهاى جامد داراى عمر طولانى براى استفاده هستند.
2) این سوخت ها چگالى بالایى دارند. بنابراین، با توجه به جرم معین سوخت، حجم کمترى اشغال کرده و نسبت به سوخت مایع، در موشک هاى کوچکتر قابل استفاده هستند.
3) قابلیت حمل و نقل، پیاده سازى و ذخیر هسازى راحتترى نسبت به سوخت مایع دارند.
4) موشک هاى سوخت جامد از لحاظ خواص مکانیکى بسیار ساده هستند و اکثر قسمت هاى این موش کها قابلیت جابجایى با ایمنى بالا را دارند.
5) به طور کلى فرآیند ساخت و تهیه سوخت جامد موتور موشک با کمترین تجهیزات فنى و با هزینه پایین تر امکان پذیر است. در ادامه، به مهم ترین مشکلات و محدودیت استفاده از سوخت جامد در موشک هاى بالستیک اشاره مى کنیم:
1) بروز خطا در حین عملیات ساخت و شک لدهى جبران ناپذیر خواهد بود.
2) دستیابى به عملکرد و بازدهى بالا در محدوده وسیعى از تغییرات درجه حرارت عملیاتى سوخت جامد، با وجود دارا بودن خواص مکانیکى خوب آنها، بسیار مشکل است.
3) قابلیت قطع و مهار نیروى پیشران مشکل است. روش معمول براى انجام چنین کارى در موتور سوخت جامد، معکوس کردن جهت گازهاى خروجى با استفاده از دریچه هاى متحرک (همانند سیستم معکوس کننده نیروى پیشرانش در هواپیما جهت توقف بر روى باند) و تزریق مایع خاموش کننده آتش از انتهاى نازل به سمت محفظه احتراق است که خود فرایندى پیچیده و زمان بر و تا حدودى داراى تاخیر زمانى قابل ملاحظه براى اصلاح مسیر توسط سیستم هدایت است.
4) قابلیت تغییر اندازه نیروى تراست در فاز بوست به عنوان پارامتر کنترلى در هدایت و تصحیح مسیر موشک وجود ندارد. بنابراین استفاده از تغییر سمت بردار پیشران مهمترین پارامتر کنترلى در تصحیح مسیر محسوب مى شود. دورنما در زمینه سوخت هاى جامد، یک سرى از مطالعات در دست بررسى است که به اختصار به معرفى برخى از آنها مى پردازیم:
1)سوخت هاى سازگار با محیط زیست
2) رم جت ها با سوخت جامد
3) موتورهاى با تراست متفاوت توسط نازل هاى با شکل هندسى متغیر
4) موتورهاى هیبریدى با سوخت جامد و اکسید کننده مایع قابل کنترل
در مطالب بعد به بررسى موتورهاى سوخت مایع خواهیم پرداخت…
منابع:
Encarta Encyclopedia
Wikipedia Encyclopedia
www.howstuffworks.com
www.grc.nasa.gov
