ترکیبی از سوخت و اکسیدکننده در موشک ها و فضاپیماها

از آنجایی که موتورهای موشکی، موتورهای عکس‌العملی درون‌سوز محسوب می‌شوند، لازم است سوخت و ماده اکسیدکننده را با هم حمل کنند. هر چند قوانین کلی حاکم بر تولید نیرو در موتورهای موشکی تقریبا یکسان است، اما نوع پیشرانه تاثیر مستقیمی بر ساختار طراحی و عملکرد این موتورها دارد؛ به‌گونه‌ای که ساختار موتورهای موشکی با پیشرانه مایع  و جامد، با هم تفاوت‌های عمده‌ای دارد.

پیشرانه‌‌های فضایی پرکاربرد به‌طور کلی در دو گروه اصلی پیشرانه‌های مایع و پیشرانه‌های جامد تقسیم‌بندی می‌شوند.

 

پيشرانه‌هاي مايع

در موشك‌هايي كه با پيشرانه‌هاي مايع كار مي‌كنند، سوخت و ماده اكسيدكننده در دو مخزن جداگانه نگهداري مي‌شوند. اين دو ماده به كمك لوله‌ها، شيرهاي تنظيم، پمپ‌ها و ساير تجهيزات، به محفظه احتراق موتورهاي موشكي مايع‌سوز تزريق مي‌شوند و به واسطه فشار زياد ناشي از احتراق پيشرانه و عبور اين جريان از يك گلوگاه و خروج گاز با سرعت بسيار بالا از دهانه شيپوره موتور، نيروي پيشرانش توليد مي‌شود.

در صنعت هوافضا، وقتی اصطلاح «پیشرانه» را به کار برده می‌شود، ترکیبی از سوخت و اکسیدکننده مدنظر است.

مهم‌ترين مزيت پيشرانه‌هاي مايع نسبت به ساير پيشرانه‌ها از جمله جامد، كنترل‌پذير بودن آنها و تعدد رژيم‌هاي استارت و خاموشي موتورهاي مايع‌سوز است. رژيم استارت و خاموشي به اين معناست كه موتورهاي مايع‌سوز را به دفعات مي‌توان روشن و خاموش کرد؛ اما پيشرانه‌هاي مايع اغلب سمي بوده و يا شرايط نگهداري آنها بسيار خاص است. همچنين بخش بزرگي از وزن موشك‌هاي مايع‌سوز به مخازن پيشرانه و تجهيزات جانبي مانند پمپ‌ها، اختصاص دارد.

براي شناخت بهتر، پيشرانه‌هاي مايع را در سه دسته پيشرانه‌هاي نفتي، برودتي و هايپرگاليك تقسيم‌بندي مي‌كنند.

 

پيشرانه‌هاي نفتي

اين پيشرانه‌ها همان‌طور كه از نام‌شان پيداست عموما از هيدروكربن‌ها و تركيبات مشتق شده از نفت تشكيل شده‌اند. مهم‌ترين نمونه از اين پيشرانه‌ها «كروسِن» نام دارد كه در آمريكا آن را به RP-1 مي‌شناسند. تركيب كروسن به‌عنوان سوخت، و اكسيژن مايع به عنوان ماده اكسيدكننده در تعدادي از مهم‌ترين پرتاب‌گرهاي فضايي جهان مانند مرحله نخست موشك‌هاي ساترن5 و اطلس5، استفاده مي‌شود. 

 

پيشرانه‌هاي برودتي

از آنجايي كه اين پيشرانه‌ها براي آنكه به‌صورت مايع درآيند، مي‌بايست در دماي بسيار پايين و فشار بالايي نگهداري شوند، از اين‌رو به آنها پيشرانه‌هاي برودتي گفته مي‌شود. معروف‌ترين و پركاربردترين آنها تركيب هيدروژن مايع به‌عنوان سوخت و اكسيژن مايع به‌عنوان ماده اكسيدكننده است. هيدروژن در دماي 253- درجه سانتي‌گراد و اكسيژن در دماي 185- درجه سانتي‌گراد به حالت مايع درمي‌آيند. پيشرانه هيدروژن و اكسيژن مايع نسبت به ساير پيشرانه‌ها 30 تا 40 درصد ضربه ويژه بيشتري توليد مي‌كنند و يكي از قدرتمند‌ترين پيشرانه‌هاي موجود در جهان است. موتورهاي مايع‌سوز شاتل‌هاي فضايي، معروف‌ترين سامانه پرتابي جهان است كه از اين نوع پيشرانه استفاده مي‌كرده است.

 

پيشرانه‌هاي هايپرگاليك

پیشرانه‌های هایپرگالیک همانند سایر پیشرانه‌های مایع، ترکیبی از سوخت و اکسیدکننده است؛ با این تفاوت که برای احتراق موتور، نیازی به جرقه‌زن نیست. به این شکل که زمانی که سوخت و اکسیدکننده در محفظه احتراق موتور به هم برخورد می‌کنند، مشتعل می‌شوند. به‌خاطر این ویژگی، از این پیشرانه‌ها اغلب در رانش‌گرهای ماهواره‌ها و فضاپیماها و مراحل بالایی برخی از پرتاب‌گرهای فضای استفاده می‌‌شود، زیرا به محض واردشدن سوخت و اکسیدکننده به محفظه احتراق، موتور بلافاصله روشن شده و با قطع این جریان، موتور در کسری از ثانیه خاموش می‌شود؛ چنین عملکردی برای رانشگرهایی که لازم است جهت مانورهای مداری به‌صورت لحظه‌ای روشن و خاموش شوند، بسیار مناسب است. 

«مونومتیل هیدارزین، MMH» و «دی‌متیل هیدارزین نامتقارن، UDMH»، پرکاربردترین ماده سوختی در پیشرانه‌های هایپرگالیک است و «نیتروژن تترااکسید، NTO»، بهترین ماده اکسیدکننده برای این سوخت‌ها به‌شمار می‌رود.

 

پیشرانه‌های جامد

پیشینه موشک‌هایی که با پیشرانه‌های جامد کار می‌کنند، به قرن دوازدهم میلادی برمی‌گردد؛ زمانی‌که چینی‌ها برای نخستین‌بار به فرمول باروت دست پیدا کردند و نخستین موشک‌های سوخت جامد جهان را ساختند. 

یک موتور موشکی که با پیشرانه جامد کار می‌کند، به‌طور کلی از سه بخش اصلی تشکیل شده است؛ نازل، پیشرانه و آتش‌زنه؛ اساس کار این موتورها به این‌گونه است که با استفاده از آتش‌زنه، پیشرانه موجود در موشک، مشتعل شده و گاز داغ و پرفشار حاصل از این احتراق، از طریق یک لوله به سمت نازل یا شیپوره موشک، هدایت می‌شود و فشار این گاز هنگام عبور از گلوگاه نازل، کاسته شده و سرعت می‌گیرد و به این واسطه، نیروی پیشرانش ایجاد می‌شود. 

موتورهای سوخت جامد را بر خلاف موتورهای موشکی با پیشرانه مایع، پس از روشن شدن، نمی‌توان خاموش کرد، زیرا امکان جداسازی سوخت و ماده اکسیدکننده در موتورهای سوخت جامد وجود ندارد؛ از این‌رو کنترل و هدایت این موشک‌ها ساده نیست؛ اما از طرفی دیگر، زمان لازم برای اشتعال این موشک‌ها بسیار کوتاه است و در مدت زمان کم، نیروی پیشرانش قابل توجهی تولید می‌کنند. 

ویژگی مهم دیگر موشک‌های سوخت جامد، قابلیت نگهداری آنها در سوله‌ها و در شرایط محیطی عادی است؛ این ویژگی باعث می‌شود که در مدت زمان کوتاهی قابل استفاده و عملیاتی باشند.

پیشرانه‌های جامد را به دو دسته همگن و ناهمگن (کامپوزیتی) تقسیم‌بندی می‌کنند، که هر دو نوع، تراکم‌پذیر، پایدار و در دماهای معمولی قابل نگهداری هستند. 

 

پیشرانه‌های همگن

پیشرانه‌های همگن خود از دو دسته تک‌پایه و دو پایه تشکیل می‌شوند. پیشرانه‌های همگن تک پایه معمولا ترکیباتی مشابه نیتروسلولز هستند که قابلیت اکسایش و تراکم‌پذیری دارند و نوع دو پایه آن ترکیبی از نیتروسلولز و نیتروگلیسیرین به همراه یک نرم‌کننده پلاستیکی (پلاستی سایزر) است. 

از نوع پیشرانه‌های جامد معمولا در موشک‌های نظامی استفاده می‌شود و همچنین در سامانه جدایش موشک‌ها مانند پیچ‌های انفجاری نیز کاربرد دارند.

 

پیشرانه‌های ناهمگن

پیشرانه جامد ناهمگن یا کامپوزیتی، گونه دیگری از پیشرانه‌های جامد هستند که ترکیبی از دو ماده متفاوت که یکی به‌عنوان سوخت و دیگری به‌عنوان  اکسیدکننده، ایفای نقش می‌کنند؛ به‌طور مثال، در برخی از موشک‌های سوخت جامد مدرن، از پرکلرات آمونیوم در نقش اکسیدکننده (که تقریبا بین 60 تا 90 درصد جرم پیشرانه را تشکیل می‌دهد) و از آلومینیوم به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود. این دو ترکیب توسط چسب‌های پلیمری به‌هم متصل شده و موادی مانند اکسید آهن در نقش کاتالیزور، روند سوختن و اکسایش پیشرانه را تسریع می‌کند.

اغلب پیشرانه‌های ناهمگن، با توجه به نوع پلیمر استفاده شده در آن، شناخته می‌شوند. دو مورد از پرکاربردترین نوع این پلیمرها، PBAN و HTPB است که نوع نخست، دارای ضربه ویژه بیشتر، چگالی بالاتر و نرخ اکسایش بالاتری است، اما فرمولاسیون PBAN، بسیار سخت‌تر می باشد و برای ترکیب و آمیختگی به حرارت بالاتری نیاز دارد؛ HTPB، انعطاف‌پذیری بیشتری از خود نشان می‌دهد، ولی هر دوی این پلیمرها، خواص مکانیکی بسیار خوبی برای افزایش بهره‌وری و عملکرد پیشرانه‌های ناهمگن دارند.

 

پیشرانه‌های چندگانه

برخی از موتورهای موشکی هستند که پیشرانه‌ها آنها ترکیبی از دو ماده جامد و مایع است که معمولا ماده جامد به‌عنوان سوخت و ماده مایع در نقش اکسیدکننده عمل می‌کنند. این ویژگی باعث شده است که این موتور موشکی در تولید نیرو و اشتعال، عملکردی شبیه به موتورهای سوخت جامد داشته باشد و به‌واسطه آن که ماده اکسیدکننده آن، مایع است، بتوان با قطع و وصل جریان ورودی اکسیدکننده، بتوان به دفعات موتور را روشن و خاموش نمود و از این‌رو سامانه موتوری قابل کنترل و مانورپذیر خواهد بود. البته به دلیل محدودیت‌ها فناوری، امکان استفاده از این پیشرانه‌ها در موتورهای با ابعاد بزرگ که بتوان در پرتابگرهای فضایی از آنها بهره برد، وجود ندارد. 

 

No tags for this post.