مقدمه

موتور پيشران مايع، موتوري است كه عمل احتراق شيميايي در آن با استفاده از يك يا چند ماده اكسيدكننده و احياشونده مايع، انجام مي‌پذيرد. مجموعه اين احياشونده (سوخت) و اكسيدكننده، در اصطلاح پيشران ناميده مي‌شوند. اين پيشران به صورت تفكيك‌شده، در مخازني در موشك پرتابگر ذخيره و نگهداري مي‌شود و هنگام روشن شدن راكت، به محفظه احتراق تزريق شده و باعث ايجاد احتراق و توليد نيروي رانش مي‌شود [1]. كنستانتين تسيلكوفسكي روسي، پدر علوم راكتي، اولين كسي بود كه اصول راكت‌هاي پيشران مايع را در كتاب خود تحت عنوان تحقيق و بررسي پيرامون فضاي بين‌سياره‌اي با استفاده از وسايل عكس‌العملي، در سال 1896، مطرح كرد.

سال‌ها بعد و بر پايه همين تئوري‌ها براي اولين بار رابرت گودارد آمريكايي در 16 مارس 1926، يك راكت سوخت مايع را آزمايش كرد كه توانست طي 5/2 ثانيه پرواز، حدود 40 پا از زمين بلند شود [2،3]. موشك وي2 ارتش آلمان (تصوير2) در جنگ جهاني دوم اولين نمونه عملياتي و كاربردي يك راكت پيشران مايع به عنوان موتور يك موشك بود. سوخت اين راكت ساده، الكل و ماده اكسيدكننده آن، اكسيژن مايع بود [4].

 

 

تصوير 1- اولين موتور راكتي پيشران مايع جهان كه در سال 1926 توسط رابرت گودارد ساخته شد.

 

 

تصوير 2- برشي از بدنه موشك وي2 كه موتور راكتي پيشران مايع آن را نشان مي‌دهد.

اجزا و نحوه عملكرد

موتورهاي پيشران مايع از 5 بخش اصلي تشكيل شده‌اند كه عبارتند از:

مخازني هستند تعبيه شده در خارج از موتور كه پيشران‌هاي مايع در داخل آنها نگهداري مي‌شوند. در واقع اين مخازن را بيشتر مي‌توان جزئي از موشك پرتابگر به حساب آورد تا خود موتور پيشران مايع. از آنجايي كه معمولاً پيشران‌ها فشار بسيار بالا و دماي خيلي پاييني دارند، و از طرفي وزن اين مخازن لازم است تا حتي‌الامكان كمتر باشد، طراحي آنها بسيار مشكل و با ملاحظات فراواني همراه است. معمولاً يك نوع گاز كه با مايع سوخت يا اكسيدكننده به هيچ‌وجه واكنش نمي‌دهد، با فشار بالا به داخل اين مخازن تزريق مي‌شود تا نوعي فشار پشت‌دستي را براي هدايت هرچه بيشتر پيشران‌ها پديد آورد.

اين زيرسامانه پيشران‌هاي مايع را از مخازن مكيده و با فشار و دبي مناسب به سمت محفظه احتراق هدايت مي‌كند. به تعبيري مي‌توان توربوپمپ را قلب يك موتور پيشران مايع دانست. براي هر يك از اكسيدكننده و سوخت، توربوپمپ‌هاي جداگانه‌اي به كار مي‌رود. انرژي توربوپمپ‌ها معمولاً از يك مولد گاز و توربين تامين مي‌شود. بخشي از سوخت و اكسيدكننده درمسير محفظه احتراق وارد اين مولد گاز مي‌شوند و با پس از واكنش گازهايي را حاصل مي‌كنند كه باعث كار توربين و به تبع آن توربوپمپ‌ها مي‌شود. البته لازم به ذكر است در برخي از موتورهاي پيشران مايع كوچك‌تر (كه البته در صنعت فضايي كاربرد ندارند)، پيشران‌ها با همان فشار پشت‌دستي مخازن به داخل محفظه احتراق تزريق مي‌شوند و نيازي به توربوپمپ نيست [1]. در موتورهاي پيشران مايع كه در مراحل بالايي پرتابگرها استفاده مي‌شوند و همچنين در موتورهاي پيشران مايع فضايي، كه در ماهواره‌ها و فضاپيماها براي كنترل و تغيير مسير استفاده مي‌شوند، نيز به دليل فشار كمتر محفظه احتراق، در بسياري موارد توربو‌پمپ وجود نداشته و سامانه با فشار پشت‌دستي محفظه‌هاي پيشران كار مي‌كند. به لحاظ مهندسي اگر فشار محفظه احتراق كمتر از 30 بار باشد، استفاده از توربوپمپ توجيهي ندارد.

تزريقگر (تصاوير 3 و 4)

تصوير 3- صفحه تزريقگر راكت آجنا

تصوير 4- نقاط سبز و قرمز نمايي از تزريقگرها را نمايش مي‌دهند.

محفظه احتراق (تصوير 5)

نازل (تصوير5)

بخش انتهايي موتور پيشران مايع است كه گازهاي بسيار داغ و پر سرعتي كه از محفظه احتراق خارج مي‌شوند را به فضاي بيرون هدايت مي‌كند. انتقال مومنتوم اين گازهاي داغ خروجي بخشي از نيروي رانش راكت را ايجاد مي‌كند. نازل نيز به لحاظ طراحي و فناوري ساخت يكي از قسمت‌هاي بسيار پيچيده موتور پيشران مايع محسوب مي‌شود.

تصوير شماره 6، نمايي از نحوه ارتباط اين پنج بخش را نشان مي‌دهد. بايد توجه داشت كه ده‌ها زيرسامانه ديگر در كنار اين پنج بخش وجود دارند كه ارتباط بين بخش‌ها و همچنين كنترل كل سامانه را بر عهده دارند. برخي از اين زيرسامانه‌ها عبارتند از: لوله‌كشي‌ها، تامين‌كننده فشار پشت‌دستي مخازن، تخليه‌كننده پسماند پيشران، آتشزنه، روغن‌كاري‌كننده (براي توربو پمپ)، تامين‌كننده توان براي توربوپمپ، خنك‌كننده‌ها، پايداركننده‌ها، تثبيت‌گرها، كنترل‌كننده سرعت و جهت بردار رانش، كنترل سامانه و غيره [5].

 

 

تصوير 5- محفظه احتراق (بخش كروي‌) و نازل (بخش كشيده) يك راكت پيشران مايع

 

 

تصوير 6- نحوه ارتباط بخش‌هاي يك موتور راكتي پيشران مايع

انواع موتور‌هاي پيشران مايع

موتورهاي پيشران مايع را مانند هر سامانه مهندسي ديگر، مي‌توان بر اساس معيارهاي مختلفي دسته‌بندي كرد. معيارهاي از قبيل: نوع پيشران، نسل، مرحله مورد استفاده در پرتابگر، مقدار نيروي رانش و غيره. اما پايه‌اي‌ترين و دقيق‌ترين دسته‌بندي به لحاظ طراحي- مهندسي، تقسيم اين موتور‌ها به دو دسته سيكل باز و سيكل بسته است. همان‌گونه كه پيشتر ذكر شد، توربوپمپ‌ها انرژي خود را از يك مجموعه مولد گاز و توربين دريافت مي‌كنند. اساس اين نوع تقسيم‌بندي، نحوه استقرار اين مولد گاز و توربين در سامانه است:

• موتور‌هاي پيشران مايع سيكل باز

در اين نوع موتور‌ها مولد گاز بخش كوچكي از سوخت و اكسيدكننده را دريافت كرده، توربين را به گردش واداشته و در نهايت محصولات احتراق آن از يك نازل كوچك فرعي خارج مي‌شوند.

• موتور‌هاي پيشران مايع سيكل بسته

در اين نوع موتور، بخش بزرگي از سوخت يا اكسيدكننده وارد مولد گاز شده و توربين را به حركت در مي‌آورند. سپس گازهاي خروجي از توربين كه هنوز داراي مقدار زيادي سوخت يا اكسيدكننده هستند، از يك مسير خاص وارد محفظه احتراق اصلي راكت مي‌شوند.

مزايا و معايب موتور‌هاي پيشران مايع در مقايسه با موتور‌هاي پيشران جامد

پايه‌اي‌ترين تفاوت به لحاظ طراحي- مهندسي بين موتورهاي پيشران مايع و جامد در اين است كه در موتور‌هاي پيشران مايع، نيروي رانش كمتر اما در مدت زمان بيشتر توليد مي‌شود. اما در موتورهاي پيشران جامد، نيروي پيشران بيشتري در مدت زمان كمتري توليد مي‌شود. به همين دليل است كه در بسياري از پرتابگرهاي معروف (به‌ويژه در غرب)، معمولاً موتور‌هاي پيشران جامد به صورت بوسترهايي هستند كه در مرحله اول پرتاب به كمك پرواز پرتابگر مي‌آيند. در اين پرتابگرها موتور اصلي در واقع موتور پيشران مايعي است كه بعد از بوسترها به صورت كامل و با تمام توان روشن مي‌شود و پرتابگر را در طول مسير خود مي‌راند. سامانه پرتاب شاتل فضايي نمونه‌اي از اين مورد است.

يكي از مزاياي اصلي موتورهاي پيشران مايع نسبت به پيشران جامد، قابليت كنترل به نسبت راحت نيروي رانش در آنهاست. به بيان ديگر، در موتور‌هاي پيشران مايع، نيروي رانش را مي‌توان با تغيير نسبت اختلاط اجزاي پيشران، تقريباً مشابه تغيير سرعت با استفاده از پدال گاز در اتومبيل، كنترل كرد؛ امري كه در موتور‌هاي اوليه پيشران جامد امكان‌پذير نبود. البته در سال‌هاي اخير با پيشرفت فناوري كنترل نيروي رانش در موتور‌هاي پيشران جامد، اين ويژگي موتور‌هاي پيشران مايع قدري كم‌رنگ شده است.

يكي ديگر از مزاياي موتور‌هاي پيشران مايع، فناوري به نسبت قابل اعتماد آنهاست. اين بدين معنا نيست كه سامانه آنها از پيچيدگي و حساسيت كمتري نسبت به موتور‌هاي پيشران جامد برخوردار است. اين مزيت را فقط به دليل قديمي‌تر بودن و آزمايش پس‌داده‌تر بودن انواع شناخته‌شده آنها مي‌توان به موتور‌هاي پيشران مايع نسبت داد. همان‌گونه كه اشاره شد، موتور‌هاي پيشران مايع با آغاز عصر فضا به كار گرفته شدند و تا سال‌هاي متمادي، بيشتر پرتابگرها از اين نوع پيشران استفاده مي‌كردند. امروزه، اين ويژگي موتور‌هاي پيشران مايع نيز ديگر منحصر به‌فرد محسوب نمي‌شود.

مثالي از نحوه عملكرد يك موتور پيشران مايع

موتور سوخت مايع آردي- 107، يكي از اولين موتورهاي موشكي اتحاد جماهير شوروي است كه كار طراحي آن از سال‌هاي اوليه دهه 50 ميلادي شروع شد و در سال 1957، به صورت كاملاً عملياتي درآمد [2]. اين شاهكار مهندسان صنعت هوافضاي شوروي از نوع سيكل باز و داراي قابليت ‌اطمينان و كارآيي بسيار بالايي بود، به طوري كه انواعي از آن تا اوايل دهه 90 نيز در پرتابگرهاي مختلف مورد استفاده قرار مي‌گرفت. اين موتور پيشران مايع، داراي چهار مجموعه مستقل محفظه احتراق و نازل اصلي و همچنين دو مجموعه محفظه و نازل فرعي (جهت كنترل وضعيت موشك) بود كه هر شش مورد از يك توربوپمپ تغذيه مي‌شدند.

تصوير 7- نماي موتور پيشران مايع و سيكل باز آردي- 107

1- با صدور سيگنال روشن شدن، شير شماره 1 باز مي‌شود و گاز هليوم تحت فشار پس از عبور از رگلاتورهايR2  و R3 به مخازن سوخت و اكسيدكننده وارد مي‌شود و با ايجاد فشار پشت‌دستي بالا، مايعات پيشران را به سمت توربوپمپ‌ها روانه مي‌كند.

2- شيرهاي ديافراگمي 3 و 4 باز شده و سوخت و اكسيدكننده به پمپ‌ها وارد مي‌شوند.

3- مولد گاز پيشران جامد، توربين را راه مي‌اندازد و بدين‌وسيله پمپ‌ها شروع به كار مي‌كنند.

4- شيرهاي 5، 6، 7 و 8 باز مي‌شوند.

5- قسمتي از سوخت و اكسيدكننده به طرف محفظه احتراق رفته و آتش‌زنه محفظه احتراق عمل مي‌كند. همزمان قسمتي از آن پس از عبور از شيرهاي 7 و 8 و تثبيت‌كنندهRf  و پايداركننده Sgg  وارد مولد گاز مي‌شود.

6- پس از مدت بسيار اندكي و با تمام شدن خرج جامد مولد گاز سوخت جامد، محصولات احتراق مولد گاز كه حالا فعاليت خود را آغاز كرده است، توربين را به حركت در مي‌آورند. در اين مرحله مولد گاز سوخت جامد از دور خارج شده است.

7- به طور همزمان، شيرهاي 13 و 14 باز شده و مولد گاز كوچكي (غير از مولد گاز اصلي كه توربين را پشتيباني مي‌كند)، محصولات احتراق غني از سوخت پرفشار خود را جهت تامين فشار پشت‌دستي و همچنين حرارت دادن به سوخت، به مخزن سوخت مي‌فرستد. در محصولات احتراقي كه به پشت‌دست مخزن اكسيدكننده وارد مي‌شوند، بايد مقادير بسيار بسيار اندك و بي‌اثري از اكسيدكننده وجود داشته باشد. از اين رو، در اصطلاح طراحي به آن غني از سوخت گفته مي‌شود.

8- به منظور بالا بردن دماي اكسيدكننده، قبل از رسيدن به محفظه احتراق، اكسيدكننده از طريق شير 11 وارد يك مبدل حرارتي كه در مسير گازهاي خروجي توربين قرار دارد مي‌شود، حرارت گرفته و مجدداً به مخزن باز مي‌گردد. گازهاي خروجي توربين از طريق اگزوز خارج مي‌شوند.

10- تثبيت‌كننده جريان Rf  كه قبل از مولد گاز توربين قرار دارد، با تنظيم مقدار سوخت وارد شده به مولد و به تبع آن، تنظيم توان توربوپمپ، عملاً نقش تنظيم‌كننده نيروي پيشرانش (يا در اصطلاح عاميانه، دسته گاز) را در كل موتور ايفا مي‌كند.

11- سوخت قبل از ورود به تزريقگر، با عبور از جداره نازل، حرارت گرفته و به خنك‌كاري نازل نيز كمك مي‌كند.

12- پس از اتمام كار موتور و افت مشخص فشار محفظه احتراق، شير شماره 2 باز مي‌شود و نيتروژن مايع به داخل لوله‌هاي سوخت و اكسيدكننده جاري مي‌شود و باقي‌مانده آنها را از طريق شير شماره 12 خالي مي‌كند. خاموش شدن موتور، عملياتي كاملاً كنترل شده است و تصور اينكه موتور با تمام شدن سوخت و اكسيدكننده به طور خودبه‌خود خاموش شود، كاملاً اشتباه است. هر قدر خاموش شدن موتور (به‌ويژه در موتورهاي چندمرحله‌اي) كنترل‌شده‌تر باشد، كنترل و دقت مراحل بعدي موشك پرتابگر بهتر صورت خواهد گرفت.

13- برخي مشخصات اين موتور عبارتند از:

تصوير 8- مدلي از موتور پيشران مايع و سيكل باز آردي- 107