پیشرانش | هوافضای جوان

انیمیشن اجزا و عملکرد یک موتور جت

ویدئوی زیر، به صورت ساده و خلاصه عملکرد اجزای اصلی یک موتور جت (از نوع توربوفن) را نمایش می‌دهد و شما می‌توانید با عملکرد فن، کمپرسور، توربین و محفظه احتراق آشنا شوید. برای اطلاعات بیشتر و مطالعه توضیحات تفصیلی درباره هریک از این اجزا به طرح درس پیشران سایت (این لینک) مراجعه کنید.

 

 

موتور الکتریکی

در بین سامانه‌های پیشرانش هوایی، موتورهای الکتریکی مزیت بالایی از خودشون به نمایش گذاشته‌اند که خبر از سهم بزرگ‌تر این موتورها در آینده‌ی پیشرانش هوایی میده. البته در این بین نباید از گسترش روز افزون بازار این نوع از موتورها در کاربری‌های زمینی (مثل قطارهای الکتریکی، خودروهای الکتریکی و…) غافل بشیم. موتورهای الکتریکی یکی از موتورهایی هستند که در زندگی روزمره بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند و اگر تصمیم به ساخت یک هواپیمای مدل یا کوادکوپتر سبک دارید، احتمالاً اولین گزینه شما برای پیشرانش پرندتون موتورهای الکتریکی خواهند بود.

ادامه نوشته

 

 

شعله نگه دار

در درس پیش (این لینک) مقدمه‌ای رو در مورد محفظه احتراق موتورهای توربینی مطالعه کردیم و متوجه شدیم سه مشکل اساسی عملکرد محفظه احتراق رو تهدید می‌کنه و قول دادیم که در ادامه به بررسی راهکارهای هریک از آن مشکلات بپردازیم. یکی از مشکلاتی که در درس پیش معرفی شد، مشکل روشن نگه داشتن شعله در داخل محفظه است و در این درس به بررسی راهکار مهندسین هوافضا برای غلبه بر این مشکل می‌پردازیم. پیش از اینکه بحث در این مورد رو آغاز کنیم فیلم زیر رو ببینید:

در فیلم بالا، اگر از صدای تعجب فیلمبردار صرف نظر کنیم، یک نکته‌ی جالب توجه دیگر هم وجود داره: اگر به خوبی به این فیلم دقت کرده باشید باید یک مفهوم فیزیکی مهم را در آن پیدا کنید، این مفهوم مهم سرعت شعله است. منظور از سرعت شعله همین چیزی است که در فیلم فوق تماشا کردید، در این فیلم دیدیم که وقتی ظرف محتوی مخلوط هوا و گاز قابل اشتعالی را آتش بزنیم، تمام ظرف به صورت ناگهانی شعله ور نمی‌شه، بلکه شعله با سرعتی خاص، از نقطه‌ی اولیه پخش می‌شه تا اینکه بالاخره تمام ظرف رو در بر بگیره. سرعت شعله در واقع نشون دهنده اینه که وقتی یک مولکول از سوخت با هوا واکنش میده، زمانی طول می‌کشه تا حرارت ناشی از این واکنش، مولکول بعدی رو بسوزونه.

اینکه شعله سریع پخش می‌شه یا کند، به عوامل مختلفی مربوطه؛ اما در این موضوع با مقدار سرعت شعله کاری نداریم… چیزی که در اینجا برای ما مهم هست فقط همینه: “شعله سرعتی داره که با همان سرعت در محفظه‌ی محلول سوخت و هوا پخش می‌شه.”

محفظه یا ظرف فیلم بالا یک محفظه‌ی بسته بود که هوای داخل آن در وضعیت ساکن قرار داشت. اما بیایید تصور کنیم اگر به جای این محفظه بسته، یک لوله (با جریان دائمی سوخت و هوا از پایین لوله به بالا) داشتیم چه اتفاقی می‌افتاد؟ اگر سرعت جریان داخل لوله از سرعت گسترش شعله بیشتر باشه چه اتفاقی می‌افته؟ پاسخ این سوال رو در فیلم زیر ببینید.

در فیلم دوم سه شعله آزمایشگاهی معمولی (چراغ بنزن) رو می‌بینیم. اگر سرعت خروج محلول هوا و گاز(متان) در این چراغ‌ها خیلی کمتر از سرعت شعله باشه، شعله به داخل لوله میره (درست همونطور که در فیلم اول به داخل ظرف شیشه‌ای رفت) به این حالت Flash Back گفته می‌شه.

حالت دوم وقتیه که سرعت جریان گاز و هوا خیلی بیشتر از سرعت شعله باشه. در این حالت سرعت جریان، جبهه‌ی شعله رو عقب می‌زنه و نه تنها مانع از ورود شعله به داخل لوله میشه، بلکه شعله رو از نوک لوله هم دور می‌کنه تا اینکه بالاخره شعله خاموش می‌شه. این حالت دقیقاً مثل خاموش کردن شعله با دمش (فوت کردن) است. این حالت هم با نام Blow Off شناخته می‌شه.

حالت سوم شعله هم حالتی بین دو وضعیت قبلیه. یعنی زمانی که سرعت جریان نه اونقدر کمه که شعله به داخل لوله کشیده بشه و نه اونقدر زیاده که شعله رو خاموش کنه. در این وضعیت سرعت شعله و جریان تقریباً برابر می‌شه و برای همین، شعله روی محل خاصی ثابت می‌مونه. این حالت سوم رو با عنوان شعله پایدار (Stable) می‌شناسیم.

جا داره بپرسید ارتباط این توضیحات با موتور هواپیما چیه؟ جواب بسیار سادست: محفظه احتراق، بخشی از موتور هواپیماست که در واقع مثل یک لوله است. جریانی از هوا (که سوخت داخل آن پاشیده شده) از سر محفظه به سمت انتهای آن در جریان است و باید شعله‌ای در داخل این محفظه به صورت پایدار در طول کل مدت پرواز روشن نگه داشته شود. بذارید خیالتون رو راحت کنم: سرعت جریان هوای داخل یک موتور توربینی هواپیما خیلی بیشتر از سرعت گسترش شعله است. یعنی اگر برای روشن نگه داشتن شعله فکری نکرده باشیم، در همون دقایق اول کار موتور، شعله دچار Blow Off میشه و موتور خاموش می‌شه. چاره‌ی جلوگیری از این مشکل چیه؟!

بیاید در یک کاربرد ساده دنبال جواب بگردیم: تا به حال به نقش فتیله در شمع دقت کردید؟ چرا شعله شمع بدون فتیله روشن نمی‌مونه؟ شکل زیر رو ببینید، وقتی شعله یک شمع در معرض جریان باد قرار بگیره به نظر میاد شعله برای نجات خودش از خاموش شدن به فتیله چنگ میزنه!

این تصور تا حدی درسته. سرعت سوختن بخار پارافین (ماده تشکیل دهنده شمع) بسیار کمه. به خاطر سرعت پایین این شعله، اگر فتیله نداشته باشیم، وجود کوچکترین جریان در هوای اطراف شمع، می‌تونه شعله‌اش رو خاموش کنه. (حالت Blow Off) وقتی یک جسم جامد در داخل شعله نگه داریم (مثل فتیله) این جسم جامد جلوی حرکت هوا رو می‌گیره و ناحیه‌ی بسیار کوچک کم سرعتی ایجاد می‌کنه و اجازه میده شعله در این ناحیه کوچک روشن بمونه. همین ناحیه‌ی کوچک کافیه تا جلوی Blow Off شعله رو بگیره و شعله روشن باقی بمونه. (مگر اینکه سرعت جریان بالادست خیلی بیشتر از توان فتیله باشه)

با توضیح بالا حق داریم فتیله‌ی شمع رو یک “شعله نگه دار” بدانیم. چرا که اگر این فتیله نبود جریان باد به سادگی می‌تونست شعله رو بشوره و خاموش کنه و این فتیله است که شعله رو در جای خودش نگه میداره.

خب به موتور هواپیما برگردیم… سرتون رو درد نمیارم! روشن ماندن شعله در موتور هواپیما هم نیازمند یک “شعله نگه دار” است. بدون شک نمی‌شه در موتور هواپیما از یک فتیله به عنوان شعله نگه دار استفاده کرد. به جای آن، سازه‌های فلزی با طراحی خاصی ساخته می‌شوند که در نگه داری شعله در سرعت‌های خیلی بالا بسیار کارآمد هستند.

شکل زیر اساس عملکرد این شعله نگه دارها رو نمایش میده.

در پایان بد نیست به تصویر زیر هم نگاهی داشته باشید: در این تصویر سه میله شعله نگه دار در جریان پر سزعت هوا قرار گرفته اند و همانطور که مشخص هست، شعله کاملاً در پشت این شعله نگه دار ها ثابت شده و بعد از آن گسترش پیدا می‌کنه.

 

 

اجزای موتور: محفظه احتراق (مقدمه)

در این بخش از طرح درس پیشرانش، تصمیم داریم با یکی از مهم ترین بخش های یک موتور جت هواتنفسی، یعنی محفظه احتراق آشنا بشیم.

در درس اول پیشرانش متوجه شدیم که وظیفه اصلی هر موتور هوایی، به عقب پرتاب کردن هواست تا مثل شناوری که برای پیش رفتن در آب، آب رو به سمت عقب خودش هل میده و جلو میره، هواپیما هم بتونه همین کار رو با کمک موتورش انجام بده و به سمت جلو پیش بره.

همونطور که در درس اول توضیح داده شد و لازم نیست دلایلش رو تکرار کنیم، برای این هدف لازمه همونطور که شناگر با نیروی عضلات دست و پا به آب انرژی میده، در هواپیما هم باید به هوای عبوری از موتور انرژی داده بشه. وظیفه ی محفظه احتراق در یک کلام همینه: “افزایش انرژی جریان هوایی که از داخل موتور میگذره” این افزایش انرژی به وسیله ی سوزاندن سوخت در این جریان هوا انجام میشه و به صورت افزایش دما و سرعت جریان هوا بروز پیدا میکنه.

خب، تمام وظیفه ی محفظه احتراق رو در نیم خط بیان کردیم و کار سختی نبود، اما ببینیم انجام این وظیفه همینقدر ساده است؟ در ادامه بعضی از تکنولوژی های استفاده شده در محفظه احتراق رو مرور می کنیم تا هم با دشواری های انجام این وظیفه آشنا بشیم و هم با زیبایی هاش.

برای ساخت یک محفظه احتراق کارآمد، موانع و چالش هایی وجود دارند که مهندسین طراح باید برای آنها چاره اندیشی کنند. شاید عجیب باشه، اما بخشی از مهمترین این چالش ها، موارد زیر هستند:

  1. مخلوط شدن سوخت و هوا
  2. روشن نگه داشتن شعله در جریان هوا
  3. خنک کاری دیواره

خب، مطمئناً عناوین این چالش ها کمی طنز هستند، و شاید باورتون نشه شرکت های بزرگ تولید کننده ی موتورهای جت، با چنین موضوعاتی دست و پنجه نرم می کنند. اما، در صنعت موتورهای توربینی، غلبه بر این مشکلات به ظاهر پیش پا افتاده موجب توسعه ی بخش مهمی از فن آوری های فوق پیشرفته و بعضاً هیجان انگیز پیشرانش بوده است.

در ۳ درس آتی پیشرانش، به بررسی هر یک از موارد بالا در محفظ احتراق میپردازیم.

 

 

 

دسته بندی موتورها- از نظر سیکل موتور: سیکل دیزل

دسته بندی موتورها- از نظر سیکل موتور: سیکل دیزل

در درس گذشته مبحث فرآیند تبدیل انرژی سوخت به حرکت در موتورهای هواتنفسی هوایی رو آغاز کردیم و در مورد سیکل اتو و نحوه کار موتورهای با سیکل اتو اطلاعاتی کسب کردیم. در این درس میخوایم با موتور جدیدی به نام موتور دیزل آشنا بشیم که فرآیند تبدیل انرژی این موتور با نام سیکل دیزل شناخته می‌شه.

احتمالاً اسم موتور دیزل رو پیش از این شنیده باشید، خیلی از کامیون­‌ها، اتوبوس‌­ها و بقیه‌ی ماشین‌­هایی که به توان خیلی بالا نیاز دارند، به جای استفاده از موتور اتو، از موتور دیزل استفاده می‌­کنند. موتورهای دیزل به جای بنزین، از سوخت‌­های دیگری که با نام “سوخت سنگین” شناخته می‌شوند استفاده می‌­کنند. یکی از سوخت­‌های سنگین گازوئیله و می‌دونیم که اکثر خودروهای با موتور دیزل از گازوئیل به عنوان سوخت استفاده می‌­کنند. ادامه نوشته

 

 

دسته بندی موتورها- از نظر سیکل موتور: سیکل اتو

دسته بندی موتورها- از نظر سیکل موتور: سیکل اتو

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)

ادامه نوشته

 

 

اجزای موتور: نازل (بخش دوم)

اجزای موتور: نازل (بخش دوم)

در درس پیش با نازل و اساس عملکرد اون آشنا شدیم و وعده دادیم در این درس به نازل‌هایی که سرعت رو به بیش از سرعت صوت می‌رسونند بپردازیم. ادامه نوشته

 

 

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

ادامه نوشته

 

 

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