پیشرانش راکتی

http://sites.google.com/site/bloriant/rocket.jpg
در هر سیستم پیشرانشی، یک سیال موثر توسط سیستم شتاب می گیرد و واکنش این شتاب ایجاد نیرویی در سیستم است. یکی دیگر از سیستم های پیشرانش، موتورهای راکتی هستند که بیشترین کاربرد آنها در موشکهاست. یک نتیجه ی کلی معادله ی تراست نشان میدهد که مقدار تراست تولید شده به جرم جریان میانی و سرعت گازهای خروجی موتور بستگی دارد.
در طول جنگ جهانی دوم و بعد از آن تعدادی هواپیمای موتور راکتی جهت کاوش در سرعت های بسیار بالا ساخته شدند. X-1A که جهت شکست دیوار صوتی به کار رفت و X-15 هواپیماهایی قدرت گرفته از پیشرانش راکتی بودند. در یک موتور راکتی، سوخت و منبع اکسیژن که اکسنده نامیده میشود، بصورت مخلوط شده در یک محفظه ی احتراق میسوزند. احتراق گازهای داغی تولید میکند که از میان یک نازل جهت شتاب به جریان و تولید تراست میگذرد. در یک راکت گاز شتاب گرفته یا سیال کاری، خروجی داغ تولید شده در حین احتراق است. این سیال کاری با آنچه در یک هواپیمای جت (موتور توربینی) یا ملخلی است تفاوت دارد. موتورهای توربینی یا ملخ ران از هوای اتمسفر به عنوان سیال کاری استفاده میکنند. اما راکتها از احتراق گازهای اگزوز استفاده میکنند. در فضای خارج از جو زمین هیچ هوا یا اتمسفری وجود ندارد به همین دلیل توربینها و ملخ ها در این فضا کار نمیکنند. این دلیل توضیح میدهد که چرا راکتها میتوانند در فضا (خارج از جو) کار کنند ولی توربینها و ملخ ها نمیتوانند.
در حالت کلی راکتها به دو دسته ی اصلی تقسیم میشوند: راکتهای سوخت جامد و راکتهای سوخت مایع.
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. نحوه ی محاسبه ی تراست راکتها که در زیر آمده است هر دو نوع راکت را در بر میگیرد. 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.
http://sites.google.com/site/bloriant/lrockth.gif
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.
http://sites.google.com/site/bloriant/srockth1.gif
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.
یک جبهه ی شعله، ایجاد شده ی احتراق مخلوط است. احتراق مقدار زیادی گازهای خروجی را در فشار و دمایی بالا تولید میکند. مقدار گازهای خروجی تولید شده به مساحت جبهه ی شعله بستگی دارد و طراحان موتور از مجموعه ی اشکال مختلف سوراخ ها برای کنترل تغییر در تراست در یک موتور خاص استفاده میکنند. گازهای داغ خروجی از میان یک نازل میگذرند که به جریان شتاب میدهد. در این هنگام طبق قانون سوم حرکت نیوتن، تراست تولید میشود.
مقدار تراست تولیدی یک راکت به طرح نازل بستگی دارد. کوچکترین مساحت سطح مقطح نازل گلوگاه نازل نامیده میشود. جریان داغ خروجی در گلوگاه خفه و انسداد میشود، که در نتیجه عدد ماخ در گلوگاه برابر 1 میشود و نسبت جرم جریان یعنی m دات با مساحت گلوگاه معلوم میشود. نسبت مساحت از گلوگاه تا خروجی یعنی Ae، سرعت خروجی Ve و فشار خروجی pe را تعیین میکند. در بعضی از طرح ها فشار خروجی فقط با فشار گازهای آزاد برابر است. بنابراین ما باید از نوع بلندتری از معادله ی تراست تعمیم یافته، جهت توصیف تراست سیستم استفاده کنیم. اگر فشار گازهای آزاد را باp0 نشان دهیم آنگاه معادله ی تراست F خواهد بود:
http://sites.google.com/site/bloriant/srockth.jpg
توجه کنید که در معادله ی تراست، بخاطر عدم تاثیر گذاری هوا در وسیله ی محرک، جرم معین شده ی گازهای آزاد و سرعت گازهای آزاد وجود ندارند. از آنجایی که اکسنده بطور مخلوط در عاملهای محرکه قرار گرفته است، راکتهای سوخت جامد میتوانند در شرایط خلاء تراست تولید کنند. معادله بالا برای هر دو نوع راکت صدق میکند و علاوه بر آنها یک پارامتر بازدهی نیز وجود دارد که محرک آنی ویژه نامیده میشود و به میزان بالایی آنالیز و تحلیل عملکرد موتورهای راکتی را ساده میکند.
http://sites.google.com/site/bloriant/solid-rocket2.jpg