انواع سوخت موشك
نیرویی که یک موشک را به طرف جلو حرکت می‌دهد،
نیروی پیشران نامیده می‌شود. قدرت نیروی پیشران به سرعت خارج شدن گاز خروجی
بستگی دارد. نیروی پیشران به موشک شتاب داده ، باعث افزایش سرعت آن
می‌شود. مقدار شتاب نیز بستگی به جرم موشک دارد. هر چه موشک سنگینتر
باشد، برای رسیدن به فضا ، به نیروی پیشران بیشتری نیاز است. تا وقتی که موتورهای موشک
، روشن و در حال تولید نیروی پیشران هستند، شتاب فضا پیما نیز
هر لحظه زیادتر می‌شود.
موتور موشک یا از پیشران مایع استفاده می‌کند
یا جامد ، اما بعضی اوقات ، یک موشک کامل ممکن است. در مراحل مختلف از
هر دو نوع پیشران استفاده کند. کارشناسان موشکهایی را پیشنهاد کرده‌اند
که از انرژی اتمی به عنوان سوخت استفاده می‌کنند، چرا که آنها از نظر
مصرف انرژی بسیار مقرون به صرفه‌اند. اما ترس از خطر استفاده از سوخت اتمی
مانع استفاده از این موشکها شده است.
موشکهایی با سوخت پیشران جامد
سوختهای پیشران از یک نوع سوخت و
یک اکسنده تشکیل شده‌اند. برای روشن شدن موشک ، کافی است یک
جرقه کوچک سوخت پیشران آنرا آتش بزند. سوخت آتش گرفته تا آخرین قطره می‌سوزد.
گازهای حاصل از سوخت پیشران را از طریق دماغه انتهایی موشک خارج میشوند.
اولین موشکها را احتمالا در قرن یازدهم میلادی در کشور چین ساخته‌اند.
آنها موشکهایی بودند که از سوخت پیشران جامد استفاده می‌کردند. سوخت
موشک یک نوع باروت بود که از مخلوطی از نیترات پتاسیم ، زغال چوب و
سولفور تشکیل شده بود.
موشکهایی که از سوخت پیشران جامد استفاده می
کنند، اغلب به عنوان موشکهای تقویت کننده‌ای استفاده میشوند که نیروی اولیه
موشکهای بزرگتر را تأمین می‌کنند. موشکهای بزرگتر خود از سوخت پیشران
مایع استفاده می‌کنند. بزرگترین موشکهای مصرف کننده سوخت جامد با 45 متر ارتفاع جزء موشکهای تقویت کننده شاتل فضایی ایالات متحده
محسوب
میشوند. آنها حاوی 586500 کیلوگرم (2/1 میلیون پوند)
سوخت پیشران هستند که بطور متوسط 13 میلیون تن (5/3 میلیون
پوند نیرو) نیروی پیشران را تولید می‌کنند.
این موشکها را طوری طراحی کرده‌اند که بعد از اتمام سوخت
و افتادن در دریا ، از دریا بیرون کشیده شده ، دوباره برای مأموریتهای
بعدی سوختگیری میشوند. ساخت موشکهایی که از سوخت جامد استفاده می‌کنند
چندان
دشوار نیست. آنها مقدار زیادی نیروی پیشران را در یک مدت
زمان کم تولید می‌کنند. تنها ایراد این نوع موشکها این
است که بعد از روشن شدن به راحتی خاموش نمی شوند. به عبارت
دیگر ، نمی‌توان آن را به آسانی تحت کنترل درآورد.
نیروی پیش برنده
شاتل فضایی ایالات متحده از موشکهای تقویت کننده
عظیم الجثه‌ای برخوردار است که از سوخت پیشران جامد استفاده می کنند. این
پیشران از پر کلرات آمونیم به عنوان اکسنده و پودر آلومینیوم به عنوان سوخت
تشکیل شده است.
موشکهای با سوخت مایع
اکثر موشکهایی که از آنها در
پروازهای فضایی استفاده می‌شود، از سوخت پیشران مایع بهره می
برند. سوخت و اکسنده که در مخزنهای جداگانه‌ای نگهداری میشوند، هر دو
مایع هستند. پمپهای قدرتمندی آنها را به محفظه احتراق می‌برند؛ در
آنجا آنها باهم ترکیب شده ، شروع به تولید گازهای خروجی می‌کنند.
گازهای مذکور نیز به نوبه خود از دماغه انتهایی موشک خارج میشوند. بعضی
از موشکها از یک ماده قابل اشتعال سریع برای شروع احتراق استفاده می‌کنند.
سوخت پیشران سایر موشکها هگام ترکیب سوخت و اکسنده شروع به احتراق می‌کند.
فرآیند احتراق پیشران مایع
اکسنده و سوخت باهم ترکیب میشوند
و در محفظه احتراق شروع به سوختن می‌کنند. سپس گازهای خروجی حاصل از
فرآیند احتراق از دماغه خارج و به عنوان نیروی پیشران ، موشک را به طرف
جلو حرکت می‌دهند.
مراحل مختلف یک موشک
برای سفر به فضا ، یک موشک چند
مرحله‌ای مورد نیاز است. هر کدام از این مراحل یک موشک جداگانه
محسوب می‌شود که هم دارای منبع سوخت است و هم موتور. بسته به وزن محموله
ماهواه ، از موشکهای تقویت کننده‌ای در کنار مراحل مختلف موشک برای افزایش نیروی موتورها استفاده می‌شود. مرحله اول ، کل موشک را از زمین بلند می‌کند و به محض اتمام سوخت از بقیه موشک جدا شده، به زمین
سقوط می‌کند. آنگاه موتور مرحله دوم روشن می‌شود. بخاطر وزن سبکتر موشک در
این مرحله ، شتاب موشک نیز بیشتر می‌شود؛ این سیر صعودی شتاب با جدا شدن هر مرحله از موشک ادامه می‌یابد. مرحله پایانی موشک قسمت حامل ماهواره را
به فضا و به طرف مقصدش حمل می کند.
ويژگي‌هاي اصلي
در فصل قبلي در خصوص مشخصه‌هاي
عمومي تجهيزات موشك‌هاي بالستيك سوخت جامد و حتي در مورد بيوگرافي آنها
صحبت كرديم. اكنون به خود موتور موشك سوخت جامد توجه مي‌كنيم.سوخت
جامد، برخلاف سوخت مايع به محفظه تزريق نمي‌شود. كل سوخت در خود محفظه به
شكل گرين قرار داده مي‌شود وپس از احتراق كاملا در معرض آتش قرار دارد و
اگر احتراق شروع شده باشد، ديگر به سختي مي‌توان در فرآيند سوختن آن دست‌برد.تلاش
در حل مشكل كنترل موتور سوخت‌هاي جامد، هنوز به نتيجه قطعي
نرسيده است. بنابراين برنامه احتراق گرين سوخت‌هاي جامد از قبل در مرحله مطالعه طراحي برنامه‌ريزي مي‌شود و تغييرات پيش‌ران اسمي
موتور
موشك سوخت جامد نسبت به زمان از قبل تعيين مي‌شود كه
بستگي به مشخصه‌هاي پروژه و پارامترهاي اصلي شماي موشك يا
موتور طرح شده دارد.در موتور موشك سوخت جامد مشخصه‌هاي پيش‌ران،
از مقدار اسمي منحرف مي‌شود و اگر خيلي هم محسوس نباشد،
در خيلي از حالات در استارت به قدري است كه به طور وضوح روي مقدار برد اثر
مي‌گذارد.چون پيش‌ران موتورهاي سوخت جامد غيرقابل كنترل است، بنابراين
بايد مسير را براساس پيشگويي متناوب نقطه ثابت تغيير داد. اين چنين روش هدايت مشكل
است و آن را فقط به كمك يك كامپيوتر پروازي قوي مي‌توان عملي
كرد كه در اين خصوص بعدا صحبت خواهد شد.تحليل مقاومت مصالح موشك‌هاي سوخت
جامد، به طور عمده به محفظه احتراق بر مي‌گردد، به طوريكه مقاومت آن تحت
فشار داخلي و رژيم دمايي تعيين مي‌شود. در اثر بارهاي اعمالي در طول
مسير، نيازي به تقويت پوسته نداريم. چون پوسته خودبه‌خود خيلي محكم و
مقاوم است، اما در عوض بايد محل اتصال محفظه به قسمت عدسي جلو موشك تقويت شود.
در بعضي حالت‌ها(معمولا براي محفظه‌هاي كامپوزيتي) ساخت
چنين تكيه گاه‌هايي به عنوان مهم‌ترين عمليات در طراحي بررسي مي‌شود. به
دليل بالا بودن مقاومت پوسته در موتور سوخت جامد، در مقايسه با موشك سوخت مايع، از تعداد زيادي از محدوديت‌هايي كه در موشك سوخت مايع در
قسمت پرواز در اتمسفر وجود داشت، خبري نيست.رژيم‌كاري موتورهاي سوخت جامد
عملا تابعي از بارهاي مسير نيست و عدم وجود سيستم تزريق آن را به صوت ار يك بلوك مجزا در مي‌آورد. بنابراين، به طور مستقل تست مي‌شود. در نتيجه
موتور
سوخت جامد كاملا از ديگر المان‌ها مستقل است، به طوري كه
مي‌توان آن را مانند يك مجموعه جدا طراحي كرد. اين مطلب
را قبلا در مثال كاربرد موتورهاي سوخت جامد كمكي در مراحل
مختلف موشك ساتورن5 ديديم.امكانات انرژيتيكي سوخت جامد كمتر از
سوخت مايع است، همچنين شاخص‌هاي وزني موتور سوخت جامد پايين‌تر از
سوخت مايع است، اما كاربرد آنها ساده‌تر است. بنابراين در مسير گسترش و
پيشرفت موتور سازي، موتور سوخت جامد تعقيب كننده موتور سوخت مايع است، تا
زماني كه امكانات موتور موشك سوخت جامد به سطح سوخت مايع برسد و بتواند
مسايل خاص را حل كند. در اين صورت سريعا تغيير سيستم شكل مايع به شكل
ساده‌تر يعني سوخت جامد را خواهيم داشت. اما براي رسيدن به اين نتيجه،
همان‌طور كه گفته شد، به تحقيقات چند ساله نياز است، كه يكي از مهم‌ترين آنها عايق حرارتي پوسته و قسمت نازل است.تعداد زيادي مشكلات عمده در ساخت موتور سوخت جامد وجود دارد كه در رأس همه آنها سوخت قرار دارد. در موتورهاي سوخت جامد، گرين اصلي‌ترين المان سازه‌اي است.
بنابراين
شيمي سوخت، توليد و ساخت گرين و تكنولوژي موتور در مجموع
به يكديگر مرتبط هستند. براي تجزيه و تحليل از مكانيزم
احتراق شروع مي‌كنيم.
راکتهای سوخت مایع
در یک راکت سوخت مایع، سوخت یا همان اکسید
شونده و اکسنده که ذخیره شده هستند به داخل محفظه ی احتراق
پمپ میشوند و در آنجا ترکیب شده و می سوزند. در یک راکت سوخت
مایع، عاملهای محرکه، سوخت و اکسنده ، بصورت مایع و جداگانه از هم نگهداری میشوند و بعد به داخل محفظه ی احتراق پمپ میشوند. در یک
راکت سوخت مایع شما میتوانید تراست را با قطع جریان عاملهای محرکه قطع یا کم
و زیاد کنید ولی در یک راکت سوخت جامد، برای این کار شما مجبورید که یا موتور را از بین ببرید یا آنرا خراب کنید. راکتهای سوخت مایع به دلیل
پمپ ها و مخزنهای عاملهای محرکه، پیچیده تر و سنگین تر و گرانتر هستند و عاملهای محرکه فقط قبل از اجرا یا استفاده روی راکت کار گذاشته میشوند،
در حالیکه کاربرد و استفاده ی یک راکت سوخت جامد خیلی راحت تر است و
عاملهای
محرکه ی آن میتوانند سالها قبل از استفاده و اجرا هم در
راکت قرار
بگیرند.قابل توجه است، جزئیات چگونگی مخلوط شدن و سوختن
سوخت و اکسنده، بدون خاموشی شعله، بسیار پیچیده است و
محاسبه و تحلیل آن کار یک دانشمند است.
لينکها براي کاربران مهمان قابل دسترسي نيست، براي مشاهده
ي لينکها لطفا ثبت نام کرده و وارد شويد
راکتهای سوخت جامد در یک راکت سوخت
جامد، عاملهای محرکه بصورت مخلوط شده با یکدیگر در یک سیلندر
مقاوم بسته قرار گرفتند که یک سوراخ در آن وجود دارد. در شرایط دمایی
عادی یا پایین تر، عاملهای محرکه نسوخته و با یکدیگر واکنش نمیدهند. اما
به محض اینکه جرقه یا حرارتی مناسب به آنها برسد، آنها با یکدیگر ترکیب
شده و میسوزند و در این راکتها اگر احتراق شروع شود تمام عاملهای محرکه
سوخته و مصرف خواهند شد. این راکتها در پرتابه های هوا به هوا و هوا به
زمین، راکتهای مدل و به عنوان کمک کننده در پرتابه های ماهواره مورد
استفاده قرار میگیرد.
يک اشکال عمده و بزرگ سوخت جامد اين هست که ميزان
سوخت خروجي و در نهايت سرعت به اين راحتي ها قابل کنترل و تغيير نيست
يعني شما نميتونيد ميزان خروج سوخت رو بعد از پرتاپ کم يا زياد کنيد و در بازه هاي زماني مختلف تغيير بديد براي همين وقتي ميخوان
موشکي
رو به فضا پرتاب کنند از موشک هاي سوخت مايع استفاده
ميکنند تا بتونن سرعت رو کنترل کنند و در صورت نياز کم يا زياد
کنند تا بتونن موشک رو دقيقا به سرعت مورد نظر برسونن .
ولي برتري سوخت جامع اين هستش که آماده سازي موشکي با سوخت جامع به دشواري موشک سوخت مايع نيست و بسيار ساده تر هست ولي موشک هايي با سوخت مايع بسته به اندازشون ممکنه که در بعضي موارد
به سکو هاي پرتاپ ثابت نياز پيدا کنند که در مورد موشک هاي سوخت جامد اين مشکل وجود نداره و يا بهتره بگيم خيلي خيلي کمه! همچنين سوخت جامد
ديرتر
فاسد شده و نياز به تعويض پيدا ميکنه در حالي که سوخت
مايع کاملا برعکس اين امر هستش وبايد زود به زود عوض بشه
درنتيجه آماده نگه داشتن موشک هاي سوخت مايع بسياز هزينه بر
خواهد بود.
موشک ها چگونه كار می‌كند؟
همه موشك‌ها بر اساس این اصل
كار می‌كنند كه هر عملی عكس العملی در یك جهت ، سبب ایجاد
واكنش برابر با آن اما در جهت مخالف می‌باشد ، یعنی همان قانون سوم نیوتن . در یك موشك بر اثر احتراق سوخت ، گازهای داغی حاصل می‌شود
كه در هنگام خروج از یك نازل (شیپوره) نیرویی ایجاد می‌كند كه می‌تواند
موشك را از زمین بلند كند. اگر چه این نیرو ثابت می‌ماند ، اما شتاب موشك افزایش می‌یابد چون بر اثر مصرف سوخت ، موشك سبكتر می‌شود.موشك به همان آسانی كه در جو كار می‌كند ، در فضای ماورای جو هم كار می‌كند اما در ماورای جو ، پیشرانش موشك به علت فشار گازهای داغ در برخورد با جو
نیست ،
بلكه بر اثر واكنش در برابر كنش است. وضعیت موشك در این
حالت مانند وضعیت كسی است كه در وسط یك زمین یخ زده بسیار
لغزنده قرار گرفته است. او هر چقدر هم كه دست و پا بزند
، از جایش تكان نخواهد خورد. اما اگر بر حسب اتفاق تعدادی
كیف یا چمدان كوچك به همراه داشته باشد می‌تواند برای حركت كردن از آنها
استفاده كند. اگر او كیف ها را یكی پس از دیگری در جهت معینی پرتاب كند ، به
آهستگی در جهت مخالف شروع به حركت خواهد كرد.در موشكهای ابتدایی ،
مانند آنهایی كه چینیان ابداع كرده بودند ، از سوخت جامد _ باروت _ استفاده می‌شده
است. هنگامی كه جرقه‌ای به باروت زده شود ، این سوخت جامد
انرژی خود را به صورت یك انفجار آزاد می‌كند. پیشرفت در طرح و ساخت موشكهای قرن حاضر ، بیشتر معطوف به استفاده از سوختهای مایع
بوده است. از این نوع سوخت‌ها در مقایسه با وزن مساوی از سوخت جامد نه تنها انرژی بیشتری آزاد می‌كنند ، بلكه بهتر هم قابل كنترل هستند.در موشكی
كه با سوخت مایع كار می‌كند ، سوخت نخواهد سوخت مگر اینكه با یك اكسید‌كننده مخلوط شود. برخلاف یك هواپیمای جت موشك نمی‌تواند همیشه اكسیژن مورد
نیاز سوختش را از جو تامین كند (چون به ارتفاع‌های خیلی بالایی می‌رود كه
غلظت اكسیژن حتی به صفر می‌رسد) ، بنابراین باید اكسیژن مورد نیاز را با خو ببرد. سوخت و اكسید‌كننده را در مخازن جداگانه ذخیره و حمل می‌كنند و
در هنگام احتراق آنها را در محفظه احتراق تلمبه می‌كنند ، كه در آنجا سوخت می‌سوزد (در واقع منفجر می‌شود). گازهای حاصل از راه شیپوره با سرعت
زیادی
خارج میشوند. و مقدار نیروی پیشرانش موشك ، از طریق زیاد
یا كم كردن
میزان سوخت و اكسید‌كننده ورودی به محفظه احتراق ، كنترل
می‌شود.آلمانی در جنگ جهانی دوم ، نفت سفید و اكسیژن بود.
امروزه V۲سوخت موشكهای اولیه ، از جمله در موشك هیدرازین
(یكی دیگر از هیدروكربن‌های مایع) یا سوختهای سرما‌زا _ از
قبیل هیدروژن مایع و اكسیژن مایع_استفاده می‌كنند.هیدرازین یك سوخت هایپر‌گولیك
است ، یعنی در صورت وجود اكسید‌كننده‌ای مانند دی‌نیتروژن
تتروكسید به طور خودبه‌خودی محترق (منفجر) می‌شود. بازده هیدرازین در
حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد كمتر از سوختهای سرما‌زا است ، اما كاربرد آن ساده‌تر
و مطمئن‌تر است.سوختهای سرما‌زا را برای اینكه مایع باقی بمانند ،
باید تا دمای پایینی سرد كنند. بنابراین موتور باید سیستم پیچیده‌ای از
لوله‌ها برای عبور سوخت سرد شده داشته باشد. این سوخت‌ها نیز به یك محترق
كننده نیاز دارند.درست در طی پرتاب موشك است كه سوختهای سرما‌زا برتری
خود را نشان می‌دهند ، یعنی زمانی كه حداكثر بازده ممكن برای بلند كردن
موشك و بار‌های آن از زمین لازم است. برای پرتاب موشكهای متوالی در مدار
(مثلاً به منظور قرار دادن ماهواره در مداری با ارتفاع معین) ، موتور
ساده هیدرازینی انتخاب بهتری است. برای مثال ماهواره‌هایی كه در مدار
ژئوسنكرون حركت می‌كنند ، موتورهای هیدرازینی كوچكی دارند كه هر از گاهی
روشن میشوند تا مسیر ماهواره را تصحیح كرده و آن را در موقعیت درست حفظ كنند.H۱ به رغم پیچیدگی موتور‌هایی كه با سوختهای
سرما‌زا كار
می‌كنند ، ژاپن موتوری از این نوع برای موشكهای خودش را
در سال ۱۹۹۸ساخته است.
منابع:
سايت رسمي وزارت آموزش وپرورش جمهوري اسلامي ايران