محمد مهدی مهدوی | هوافضای جوان

دسته بندی موتورها: ۲. انواع سیکل موتورهای هواتنفسی

دسته بندی موتورها: ۲. انواع سیکل موتورهای هواتنفسی

همه ما می‌دونیم که وظیفه موتور در هر وسیله نقلیه، تأمین انرژی مورد نیاز برای حرکت اون وسیله است. موتور سوخت رو می‌سوزونه و به این کار انرژی مورد نیاز وسیله رو فراهم می‌کنه؛ اما تنها چیزی که سوختن سوخت در اختیار ما قرار میده، گرماست. باید برای اینکه این گرما به حرکت تبدیل بشه فکری کرد. پس مهمه که سوخت رو چطور می‌سوزونیم و چطور انرژیش رو تبدیل به حرکت می‌کنیم. بشر در طول سال‌ها طرح‌های مختلفی برای  رسیدن به این هدف ارائه داده و ایده‌های متفاوتی رو بررسی کرده. یکی از معروف‌ترین و البته ابتدایی‌ترین این ایده‌ها، ایده ماشین بخار بود. همه شما در مورد ماشین بخار شنیدید. در زیر یکی از موفق‌ترین این ماشین‌ها رو می‌بینید، این ماشین که در سال ۱۷۸۱ توسط جیمز وات طراحی شد تلاش می‌کرد از فشار زیاد بخار آب چرخ وسیله نقلیه (معمولاً قطار) رو بچرخونه. این فشار زیاد بخار آب، به خاطر انبساط ناشی از گرمای سوختن سوخت بود. پر و خالی شدن متواتر محفظه‌ای (به نام سیلندر) از این بخار پر فشار، در میله رابط محفظه و چرخ، حرکتی رفت و برگشتی ایجاد می‌کرد و این حرکت رفت و برگشتی، موجب چرخیدن چرخ‌ها می‌شد. تصویر متحرک زیر به خوبی اساس کار این موتور رو به نمایش می‌ذاره. (ناحیه قرمز رنگ، بخار پرفشاریه که به تازگی از دیگ بخار به محفظه وارد شده و ناحیه آبی رنگ بخار مصرف شده است که باید از محفظه خارج بشه)

steam_engine

شکل زیر یک قطار با موتوربخار رو نشون میده. لکوموتیو این قطارها همیشه باید حجم زیادی آب به همراه می‌بردند و به همین دلیل در بیشتر قطارها یک مخزن استوانه‌ای آب جلوی لکوموتیو بود و یا آب توسط واگن‌ها حمل می‌شد. در ضمن جالبه که به بخار خروجی از این لکوموتیو هم دقت کنید. (لوله آبی رنگ شکل بالا، همین بخار خروجی رو نمایش میده)

ایده موتور بخار در زمان خودش بسیار موفق بود و تا سال‌ها تقریباً همه‌ی قطارها و خیلی از اتومبیل‌های ابتدایی از موتور بخار استفاده می‌کردند. اما با توجه به اینکه بشر هیچ وقت با یک ایده راضی نمی‌شه و همیشه به دنبال ساختن چیزهای جدید و بهتره، موتورهای جدید دیگری هم ساخته شدند. موتورهایی که به هیچ وجه از روشی مشابه موتور بخار استفاده نمی‌کردند. موتور اتو (Otto) یکی از این موتورها بود.

این نوع موتور توسط فردی به اسم نیکولاس اتو اختراع شد و به همین خاطر به اسم موتور اتو شناخته می‌شه. شاید اسم “موتور اتو” براتون جدید باشه. اما واقعیت اینه که این موتور از هر نوع موتور دیگه‌ای به زندگی روزمره ما نزدیک‌تره، چرا که موتورهای اکثر خودروهای امروزی از نوع موتور اتو هستند. تفاوت اصلی موتور اتو با موتور بخار جیمز وات در این است که در موتور بخار، سوختن سوخت بیرون از محفظه انجام می‌شد و گاز ورودی به محفظه رو گرم می‌کرد. اما در موتور اتو، احتراق در داخل خود محفظه صورت می‌گیره. برای همین به جای بخار آب، سوخت و هوا وارد محفظه می‌شوند و همونجا احتراق انجام می‌شه. تصویر متحرک زیر مراحل کاری یک موتور اتو رو نمایش میده.

این مراحل رو با شماره گذاری نشون داده شده در تصویر بالا میشه به صورت زیر توضیح داد:

  1. ورود هوا به داخل سیلندر: این مرحله با باز شدن دریچه هوا(سوپاپ هوا) و پایین رفتن پیستون (جسم دارای حرکت رفت و برگشتی میانه سیلندر) انجام می‌شه. پایین رفتن پیستون شرایط کم فشاری ایجاد می‌کنه و باعث می‌شه که هوا به داخل سیلندر کشیده بشه. در موتورهای اتو، سوخت(که معمولاً بنزین است) پیش از ورود هوا به سیلندر به داخل هوا پاشیده شده و در واقع این محلول سوخت در هواست که به داخل سیلندر میاد.
  2. تراکم: بعد از اینکه پیستون به پایین‌ترین قسمت سیلندر رسید، حالا وقت برگشتن به بالا فرا می‌رسه. برگشتن پیستون به بالای سیلندر در حالی که همه دریچه‌های سیلندر بسته هستند، منجر به متراکم شدن محلول سوخت و هوای داخل سیلندر میشه. متراکم شدن این محلول به بهتر سوختن سوخت کمک می‌کنه. هرچی میزان این تراکم بیشتر باشه راندمان موتور هم بالاتر میره. در لحظه پایانی مرحله دوم که محلول به متراکم‌ترین وضعیت خودش می‌رسه، جرقه‌ی قطعه‌ای به نام “شمع” باعث احتراق (سوختن) محلول سوخت و هوا میشه.
  3. انجام کار: هر آتشی گرما آزاد می‌کنه. احتراق داخل سیلندر هم از این قاعده مستثنی نیست. گرمای زیادی که از احتراق، در لحظه پایانی مرحله دوم ایجاد شده، باعث می‌شه گازهای حاصل از احتراق به شدت انبساط (افزایش حجم) پیدا کنند. این افزایش حجم نیروی کافی برای هل دادن پیستون به سمت پایین سیلندر رو فراهم می‌کنه. این مرحله از فرآیند، هدف اصلی کار موتور بوده، یعنی تبدیل انرژی سوخت به حرکت. حرکت رفت و برگشتی پیستون به وسیله دو قطعه به نام‌های شاتون و میل لنگ، از حالت “حرکت خطی رفت و برگشتی” به “حرکت ممتد چرخشی” تبدیل میشه یعنی همون حرکتی که در ماشین، چرخ‌ها و در هواپیما، ملخ رو می‌چرخونه.
  4. خروج دود: بعد از اینکه احتراق انجام شد و پیستون از این احتراق برای ادامه حرکت خودش انرژی گرفت، باید گازهای حاصل از احتراق از سیلندر تخلیه بشن تا جا برای ورود مجدد هوا و سوخت و احتراق مجدد باز بشه. چون فشار گازهای درون سیلندر از فشار محیط بیشتره، بلافاصله بعد از باز شدن دریچه خروج، گازها به بیرون تخلیه میشن و بالا اومدن پیستون هم به این تخلیه کمک می‌کنه.

همونطور که دیدید کارکرد موتور اتو به صورت انجام مکرر و پشت سر هم مراحل چهارگانه بالاست. اصطلاحا به مراحل کاری تکرار شونده “سیکل” گفته می‌شه. به این معنا که وقتی یک موتور چهار مرحله بالا رو کامل طی کنه (که معمولاً در حدود یک ثانیه طول می‌کشه)، گفته می‌شه که یک سیکل رو طی کرده. این چیدمان مراحل هم به نام آقای اتو معروفه. اصطلاحا به این چیدمان سیکل اتو گفته میشه.

جالبه بدونید تصویر بالا یک نمونه خاص از موتورهای با سیکل اتو رو نمایش میده. موتورهای دیگری با ساختارهای دیگری هم هستند که هرچند ظاهر عملکردشون مثل موتور بالا نیست، اما از سیکل اتو استفاده می‌کنند. به طور مثال می‌شه به “موتورهای دو زمانه” سیکل اتو اشاره کرد. موتوری که در بالا باهاش آشنا شدیم به نام “موتور چهار زمانه” معروفه و هر سیکلش شامل دوبار بالا و پایین رفتن پیستون میشه. اما موتورهای دوزمانه به صورت خلاقانه‌ای این مراحل رو در تنها یک بار بالا و پایین رفتن پیستون خلاصه کرده‌اند. ببینید می‌تونید در شکل متحرک زیر مراحل چهارگانه‌ای که معرفی کردیم رو متوجه بشید؟

ایده‌های جالب به همین جا ختم نمی‌شه. یک ساختار بسیار خلاقانه دیگه که از سیکل اتو برای تولید توان استفاده می‌کنه “موتور ونکل” (به نام مخترعش، “فلیکس هنریش ونکل”) هست. در موتور ونکل با طراحی خلاقانه‌ای که صورت گرفته، حرکت رفت و برگشتی پیستون از بین رفته و احتراق مستقیماً حرکت دورانی ایجاد می‌کنه. شکل زیر علاوه بر اینکه نحوه کار این موتور رو نمایش میده، نشون میده که مراحل چهارگانه بالا هرکدوم در یک ناحیه خاص از سیلندر رخ میده.

شکل زیر هم یک نمونه باز شده‌ی واقعی از این نوع موتور رو نشون میده. در این تصویر می‌تونید قسمت دوار داخل موتور که در gif بالا به رنگ فیروزه‌ای هست رو تشخیص بدید.

731px-drehkolbenmotordkm54

موتورهای ونکل موتورهای بسیار پیشرفته‌ای هستند که به نسبت یک موتور پیستونی چهار زمانه هم وزن خودشون، میتونند ۳ تا ۶ برابر توان بیشتری تولید کنند. در کشور ما هم به همت متخصصان هوافضای سپاه، چهار نمونه موتور ونکل به نام‌های شاهد ۷۸۳ و ۷۸۸ و صراط ۱ و ۲ تولید شده. در شکل زیر موتور صراط ۲ در نمایشگاه هوایی بین المللی کیش رو می‌بینید.

1991403_541

در این متن با سیکل اتو آشنا شدید. در قسمت بعد از درسنامه پیشرانش، به معرفی باقی سیکل‌های موتورهای هواتنفسی که کاربرد هوافضایی هم دارند می‌پردازیم.

 

اجزای موتور: نازل (بخش اول)

اجزای موتور: نازل (بخش اول)

در درس ابتدایی از مجموعه پیشرانش (این لینک) با مبنای کاری پیشرانش هوایی آشنا شدیم و متوجه شدیم اساس کار موتورهای هوایی به صورت خیلی ساده شده اینه که هوا رو با سرعت زیادی به عقب پرتاب می‌کنند تا طبق قانونی به نام “پایستگی اندازه حرکت” هواپیما به پیش رانده بشه. برای رسیدن به این هدف در بین اکثر وسایل پرنده، دو راه وجود داره:

  1. استفاده از ملخ یا فن: در این روش که در موتورهای پیستونی، موتورهای الکتریکی و موتورهای توربوپراپ و توربوفن کاربرد داره، هوا با مکانیزمی مشابه پنکه به سمت دلخواه جریاد داده می‌شه.
  2. استفاده از نازل: که در موتورهای جت شامل انواع موتور توربینی و موتور راکتی مورد استفاده قرار می‌گیره. نازل نام قسمت انتهایی و در واقع مجرای خروجی گازهای این نوع موتورهاست و به صورتی طراحی می‌شه که سرعت گاز خروجی رو تا حد ممکن افزایش بده.

در این درس قصد داریم با روش دوم (استفاده از نازل) بیشتر آشنا بشیم. ادامه نوشته

دسته بندی موتورها: ۱. از نظر وابستگی به هوا

به طور کلی موتورهایی که در وسایل پرنده استفاده می‌شوند به دو دسته قابل تقسیم‌اند: موتورهای هواتنفسی و موتورهای غیر هواتنفسی. این دسته بندی یکی از اصلی‌ترین دسته‌بندی‌های موتورهای هواییه و مبنای کار هرکدام از دو دسته با دسته دیگر کاملاً متفاوته. موتورهای غیرهواتنفسی موتورهایی هستند که برای اینکه ازشون استفاده کنیم هیچ نیازی نیست که در محیطی پر از هوا باشیم. قطعاً با همین تعریف اولین چیزی که به ذهنتون رسید اینه که از این موتورها می‌تونیم در فضا و خارج از جو زمین هم استفاده کنیم. نمونه‌های مختلفی از موتورهای غیرهواتنفسی وجود داره مثل تراسترهای یونی، تراسترهای گاز سرد و… اما معروف‌ترین نمونه از موتورهای غیرهواتنفسی موتورهای راکتی هستند. موتورهای راکتی همون موتورهایی هستند که در اکثر موشک های بالستیک و ماهواره‌برها استفاده می‌شوند. شکل زیر نحوه کار یک موتور راکتی سوخت مایع رو نمایش میده که در اون دو مایع مختلف وارد محفظه احتراق شده و در اینجا با هم واکنش می‌دهند و این واکنش در نهایت به وسیله نازل و به صورتی که در درس‌های آینده می‌بینیم، منجر به ایجاد نیروی جلوبرنده میشه.

4liquid-rocket-engine

همونطور که دیدید در این فرآیند هیچ حرفی از نقش هوا زده نشد و هیچ نیازی به وجود هوا نبود و به همین خاطر این موتورها غیر هواتنفسی نامیده می‌شوند. همه ما انتظار داریم ماده‌ای که به عنوان سوخت مورد نیاز می‌سوزانیم، در واکنش با اکسیژن هوا بسوزه و انرژی تولید کنه. اما موتوری که در شکل بالا می‌بینیم، به جای اینکه لازم باشه از اکسیژن محیط برای سوزاندن سوخت استفاده کنه، ماده‌ای به عنوان “اکسید کننده” همراه خودش می‌بره و با این ماده است که سوخت می‌سوزه. در واقع این ماده جای خالی اکسیژن هوا رو در محفظه احتراق پر می‌کنه!

اما در موتورهای هواتنفسی قضیه متفاوته، وسایل پرنده‌ای که از این موتورها استفاده می‌کنند می‌دونند که در تمام طول مسیرشون در داخل اتمسفر پرواز می‌کنند و به همین دلیل مجبور نیستند مثل موتورهای راکتی اکسید کننده خودشون رو همراه خودشون ببرند. این موتورها آزادانه از هوای موجود در جو زمین برای سوزاندن سوخت استفاده می‌کنند، دقیقاً مثل اتفاقی که در موتور خودرو رخ می‌ده. تقریباً همه هواپیماها و خیلی از موشک‌های کروز از موتورهای هواتنفسی استفاده می‌کنند.

شکل زیر یک موتور توربوجت و مراحل عملکرد یک موتور چهار زمانه پیستونی (موتور اکثر خودروها) رو نمایش می‌ده، این دو نوع موتور نمونه‌هایی از موتورهای هواتنفسی هستند، همونطور که مشخصه در این موتورها، بر خلاف موتور راکتی شکل بالا، چیزی به نام مایع اکسید کننده وجود نداره و سوخت در محفظه احتراق ذر جریان هوا پاشیده میشه و واکنش سوخت با اکسیژن (احتراق یا سوختن) منجر به تأمین انرژی مورد نیاز موتور می‌شه.

1

پیشرانش، چرا و چطور؟

پیشرانش، چرا و چطور؟

همه چیز از یک قانون شروع می‌شه، اینکه در طبیعت برای رسیدن به هر چیزی باید هزینه‌ای پرداخت بشه، شاید این قانون در ظاهر ساده باشه اما تمام بحثمون در طرح درس پیشرانش از همین قانون ناشی می‌شه. برای اینکه از نقطه‌ای به نقطه دیگه‌ای حرکت کنیم، مجبوریم هزینه این حرکت رو پرداخت کنیم. منظور از این هزینه پرداخت پول نیست، بلکه انرژی ایست که مجبوریم برای این کار صرف کنیم. ادامه نوشته

نتایج مسابقه “هواپیمایی در سال ۲۰۵۰”

با سلام خدمت همه دوستان هوافضای جوان و با تشکر ویژه از دوستانی که طرح‌های خودشون رو از استان‌های مختلف کشورمون برای ما ارسال کردند.

در بین ایده‌های دریافت شده در مسابقه ایده‌های بسیار ناب و نوآورانه جذابی وجود داشت که نشانه نبوغ و استعداد امیدهای آینده‌ی کشورمون هست. واقع مساله این بود که تعداد زیادی از طرح‌ها واقعاً هیجان انگیز بودند و شایسته تقدیر، اما متاسفانه در هر مسابقه‌ای فقط می‌تونیم از تعداد کمی از بهترین‌ طرح‌ها تقدیر کنیم. به همین دلیل چاره‌ای نبود جز داوری و نمره‌دهی به طرح‌های ارائه شده برای انتخاب تنها سه طرح از بین طرح‌های خوب ارسال شده.

برای این منظور بر روی طرح‌های ارسال شده به مسابقه در دو مرحله داوری صورت گرفت. در مرحله اول، ۱۵ طرح از لحاظ میزان خلاقانه بودن انتخاب شدتد و در مرحله دوم با بررسی دقیق‌تر به طرح‌ها نمره داده شد و طرح‌های ارسال شده‌ی ذیل مقام اول تا سوم رو کسب کردند: ادامه نوشته

خودروهایی با قلب پرنده

خودروهایی با قلب پرنده

موتورهایی که بیشتر به خاطر کاربردهای هوافضایی توسعه پیدا کرده‌اند در صنعت هوافضا و محصولات هوافضایی محدود نشده‌اند و راه خودشون رو به صنایع دیگه هم باز کردند.

این روزها موتورهای توربینی در نیروگاه‌های تولید برق سیکل گازی، کشتی‌های نظامی و ناوچه‌های تندرو واکنش سریع و… مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما شاید براتون جالب باشه که بدونید موتورهای هوافضایی در صنعت خودرو سازی هم کاربرد داشته‌اند. در زیر تعدادی از مواردی که موتورهای هواپیما بر روی خودروها به کار گرفته شده‌اند رو می‌بینیم.

ادامه نوشته

اتمام ارسال تصاویر پلوتو به زمین

اتمام ارسال تصاویر پلوتو به زمین

همه ی ما زمان هایی رو داشتیم که سرعت کم اینترنت طاقتمون رو طاق کرده باشه. حتی فکر اینکه سرعت اینترنت اونقدر پایین باشه که برای دیدن یک فیلم با کیفیت معمولی یا برای بارگذاری شدن عکس های یک سایت، لازم باشه ساعت ها صبر کنیم، حس ناخوشایندی به ما منتقل میکنه. اما بیاید خودمون رو جای متخصصان ناسا بگذاریم… اگر لازم بود بیش از یک سال و سه ماه برای دریافت چند عکس صبر بکنید، چه حسی داشتید؟! ادامه نوشته

هنرنمایی “کاسینی” در عکاسی فضایی

هنرنمایی “کاسینی” در عکاسی فضایی

از بین همسایه های ما در منظومه شمسی، میشه گفت زحل زیبا ترینشونه. سیاره ای غول پیگر که از گاز تشکیل شده و با حلقه های زیباش ظاهری کاملاً خاص و منحصر به فرد داره. این زیبایی و خاص بودن تو عکس های سرسری ای که فضاپیماهای ووییجر و پایونیر۱۱ از این سیاره گرفتند هم کاملاً مشهوده؛ اما حق این سیاره این بود که بیش از تصاویر گذری ووییجر و پایونیر بهش پرداخته بشه. برای همین ناسا دست به کار شد و مأموریت کاسینی کلید خورد. کاسینی کاوشگریه که هدف اصلی از ارسال اون مطالعه زحل و مجموعه قمرها و حلقه های اون عنوان شده. این کاوشگر با گردش در مدار زحل تصاویر بسیار واضح و زیبایی از جزئیات حلقه های این سیاره و آلبومی از قمرهای پرتعدادش برای ناسا جمع آوری کرده. نکته خاص این تصاویر ریزبینی دقت به جزئیات جالب توجه هست. در زیر تعدادی از تصاویر رو با هم مرور میکنیم. ادامه نوشته

بازگشت به خانه!

بازگشت به خانه!

بازگشت از یک سفر فضایی یکی از سخت ترین مراحل این سفره. قبلاً در متن های “گرمایش ایرودینامیکی” و “سپرهای حرارتی” با بخشی از سختی این فاز از سفر فضایی آشنا شدیم، در این مجموعه تصاویر قصد داریم مرور کوتاهی بر مراحل و سیر تغییرات عملیات بازگشت به جو زمین داشته باشیم.

ادامه نوشته

صفحه 1 از 512345