شیمیزار

شیمی پیشرانه

پيشرانه ها
درس پيشرانه‌ها به مطالعه و بررسي سامانه‌هاي جلوبرنده اعم از موتورهاي پيستوني، چرخپره‌اي (توربيني)، موشك‌ها و نحوه توليد نيروي رانش در آنها مي‌پردازد.

پیشران بخشی از موشک است که نیروی رانش را فراهم می کند و از مهمترین قسمت های موشک محسوب می شود.پیشران برگردان واژه ی Propellant است که از فعل Propel به معنای به جلو بردن گرفته شده است.گونه های مختلف پیشران های موشکی (از دیدگاه کاربردی):

1-پیشران های اصلی یا Primary Engine که برای ایجاد نیروی پیشرانش کاربرد دارند.

2-پیشران های کنترلی یا Control Engine که برای ایجاد نیرو ها و گشتاور های کنترلی مورد استفاده قرار می گیرند.

3-پیشران های ترمز کننده یا Braking Engine که برای کاهش سرعت موشک یا فضا پیما به منظور فرود یا تغییر مدار و مواردی از این قبیل مورد استفاده قرار می گیرد.این پیشران ها در خلاف جهت پیشران اصلی بوده و نیروی پسرانش تولید می کنند.

4-پیشرانش های تنظیم جهت Altitude Or Orientation Engine که برای تنظیم جهت ماهواره ها و سایر فضا پیماها استفاده شده که این نوع پیشرانش ها صرفاً برای تنظیم جهت و نه برای حرکت و تولید پیشرانش به کار گرفته می شوند.

انواع پیشران های اصلی:

1-پیشران مایع (بیشتر در موشک های بالستیک و فضاپیماها)

2-پیشران جامد

3-پیشران های هسته ای

4-پیشران های هوا دم (هوازی)

5-پیشران های پاد ماده

انواع موتورهای به كاررفته در موشك ها به وسیله ی پیشران جامد:

جت

توربو فن

پالس جت

رم جت

اسكرم جت

انواع پیشرانه های جت (با سوخت جامد):
پیشرانه های جت به دو گروه اصلی هوا زی و غیر هوازی تقیسم می شوند كه راكت ها از نوع غیر هوازی بوده و پیشران های توربو جت ،توربو فن، توربو پراپ، توربو شفت، پالس جت و رم جت از انواع هوازی هایی هستند كه برای ایجاد نیروی پیشرانش در هواگردها (Aircraft) مورد استفاده قرار می گیرند.

نیروی پیشرانش در موتورهای توربو جت عكس العملی است كه منحصراً از عمل جت سیال كه از خروجی موتور بیرون می زند بدست می آید و نام موتور جت نیز از اینجا گرفته شده است.

موتور های توربو فن،توربو پراپ و توربو شفت گونه های اقتباس یافته ای از موتور های جت هستند كه تقریباً بیشتر نیروی پیشران را از طریق فن، ملخ و روتور (به واسطه ی شفت) ایجاد می كنند.

موتورهای توربو جت:

اصول پایه ی كاركرد این نوع موتورها تقریباً ساده است ، هوا از طریق یك مجرای ورودی به بخش كمپرسور وارد شده و متراكم می شود ، سپس هوای متراكم وارد محفظه ی احتراق شده و با اضافه شدن سوخت مشتعل می شود . گرمای ناشی از احتراق مخلوط هوا و سوخت باعث منبسط شدن و جریان یافتن آن به سمت انتهای موتور می گردد،این جریان منبسط شونده از میان یك سری پره های توربین عبور می كند كه از طریق یك شفت به كمپرسور متصل شده اند . هوای منبسط شده توربین را به گردش در می آورد كه در نتیجه باعث به حركت در آمدن كمپرسور نیز می شوند.

زمانی كه هوای منبسط شونده بخش توربین را نیز پشت سر گذاشت با سرعتی بسیار بیشتر از زمانی كه وارد موتور شده از آن خارج می شود كه این تفاوت سرعت بین هوای ورودی و خروجی رانش مورد نیاز را ایجاد می كند.در واقع موتورهای توربو جت شتاب بسیار زیادی به حجم كمی از هوا می دهند.

موتورهای توربوفن:

توربو فن یك كمپرسورفن بسیار بزرگ در جلوی موتور دارد كه نسبت زیادی از هوا پس از عبور از فن از فاصله ی بین فن و پوسته عبور كرده، در انتهای موتور با گازهای داغ خروجی موتور یكی می شوند و نیروی پیشرانه را افزایش می دهد.توربو فن ها كارایی بهتری نسبت به توربوجت های ساده دارند زیرا به حجم زیادی از هوا كه ازفن عبور می كند شتاب داده می شود و با توجه به هوای كمی كه از هسته موتور عبور می كند نیروی پیشرانه ی زیادی تولید می كند . موتورهای توربو فن و توربو جت در اعداد ماخ كم ، ضربه ویژه بالایی دارند این موتورها می توانند با تولید حرارت كم در مدت زمان طولانی با سوختی كم و نزدیك به سطح زمین به پرواز ادامه دهند. همین باعث می شود كه امكان ردیابی آنها توسط حسگرهای حرارتی و یا رادارهای زمین بسیار كم با شد . به همین دلیل بیشتر موشك های مورد استفاده توسط ارتش های جهان از این نوع موتورها استفاده می كنند.

لازم به ذكر است بهینه ی سرعت این نوع موتورها تا سرعت 2 ماخ است.

موتورهای پالس جت:

موتور پالس جت یك موتور جت است كه برای متراكم سازی سوخت خود از هوا استفاده می كند .

اجزای اصلی این موتور را یك ورودی هوا به همراه مسدود كننده و محفظه ی احتراق ایجاد شده بین آنها تشكیل می دهد . تولید پیشرانه در این موتور با حركت مكانیكی یك مسدود كننده كه باعث افزایش فشار محفظه احتراق می شود صورت می گیرد.

موتور های رم جت:

رم جت ساده ترین شكل یك موتورجت است و از لحاظ كاركرد ترمودینامیكی مشابه موتور جت معمولی است . در رم جت به جای استفاده از یك كمپرسور ، در اثر حركت سریع موتور به سمت جلو هوا متراكم شده و سپس می سوزد كه به این پدیده رم گفته می شود.

از این رو برای شروع به كار رم جت باید از موتور دیگری استفاده كنیم و به همین دلیل موشك های رم جت از هواپیمای متحرك رها می شوند و یا با استفاده از راكت های بوستر به آنها شتاب داده

می شود تا سرعت بگیرند.بهینه ی سرعت آنها بین 2 تا 5 ماخ است.

موتورهای اسكرم جت:

اسكرم جت از لحاظ كاركرد شباهت بسیار زیادی با موتور رم جت دارد.تنها تفاوت بین این دو موتور درسرعت هوای ورودی به محفظه ی احتراق است.دراین موتور هوا با سرعت مافوق صوت به محفظۀ

احتراق وارد می شود و سرعت هوا درتمام مسیر عبور از موتور ما فوق صوت باقی می ماند.حد اكثر ضربه ی ویژه ی قابل دست یابی توسط موتور اسكرم جت توسط پدیده ی خفگی حرارتی محدود می شود.با افزایش سرعت ورود هوا به محفظه ی احتراق موتور ، دمای هوا نیز افزایش می یابد و این افزایش دما باعث افزایش سرعت صوت می شود.

مواردی كه در طراحی موتور اسكرم جت باید در نظر گرفته شود اختلاط مناسب هوا و سوخت، احتراق بهینه ی مخلوط سوخت و هوا و همچنین یكپارچگی موتور با بدنه ی هوایی است.

بهینه ی پرواز این موشك در ماخ 6 و ارتفاع 100 هزار پایی است.

پیشرانه مخلوط شیمیایی شامل سوخت و اكسید كننده می باشد كه با سوختن در موشك ها نیروی پیشران ایجاد می نماید.پیشرانه ها با توجه به حالتشان به مایع، جامد و یا هیبرید دسته بندی می شوند.معیار دسته بندی كارایی پیشرانه ها ضربه ی ویژه یا امپلانس ویژه است.

ضربه ی ویژه مشخص می كند كه به ازای مصرف یك كیلوگرم پیشرانه در یك ثانیه چند كیلو گرم نیروی پیشران فراهم می شود.

نیروی پیشران

موشکهای فضایی مانند موشکهای آتشبازی عمل میکنند. سوخت با ماده ای به نام اکسنده که حاوی گاز تسریع کننده احتراق یعنی اکسیژن است ترکیب میشود. آنگاه این ترکیب که یک پیشران محسوب میشود، میسوزد و گازهای داغی را تولید میکند، این گازها منسبط شده، از طریق یک دماغه خارج و باعث میشوند موشک بطرف بالا حرکت کند. این واکنش برای اولین بار در قرن هفدهم توسط دانشمندان انگلیسی، اسحاق نیوتن، در قانون سوم حرکتش بیان شد. او اظهار داشت که برای هر عملی (خروج گازها در اینجا) عکس العملی است مساوی و مخالف جهت آن (در اینجا ، حرکت موشک)
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. هرچه موشک سنگین تر باشد، برای رسیدن به فضا ، به نیروی پیشران بیشتری نیازمند است. تا وقتی که موتور های موشک، روشن و درحال تولید نیروی پیشران هستند، شتاب فضاپیما 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 کرده اند که از انرژی اتمی به عنوان سوخت استفاده میکنند، چرا که آنها از نظر مصرف انرژی بسیار مقرون به صرفه اند. اما ترس از خطر استفاده از سوخت اتمی مانع استفاده از این نوع موشکها شده است.
سوختهای پیشران از یک نوع سوخت و یک اکسنده تشکیل شده اند. برای روشن شدن موشک، کافی است یک جرقه کوچک سوخت پیشران آن را آتش بزند. سوخت آتش گرفته تا آخرین قطره میسوزد. گازهای حاصل از سوخت پیشران از طریق دماغه انتهایی موشک خارج میشوند. اولین موشکها را احتمالا در قرن یازدهم میلادی در کشور چین ساخته اند. 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 میکنند، اغلب به عنوان موشکهای تقویت کننده ای استفاده میشوند که نیروی اولیه موشکهای بزرگتر را تامین 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 امریکا محسوب میشوند. آنها حاوی 586500 کیلوگرم (2/1 میلیون پوند) سوخت پیشران هستند که بطور متوسط 13 میلیون نیوتن (5/3 میلیون پوند نیرو) نیروی پیشران را تولید میکنند. این موشکها را طوری طراحی کرده اند که بعد از اتمام سوخت و افتادن در دریا ، از دریا بیرون کشیده شده ، دوباره برای ماموریتهای 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 نمیشوند. به عبارت دیگر، نمیتوان آنها را به آسانی تحت کنترل در آورد.

موشکهای مصرف کننده سوخت مایع
اکثر موشکهایی که از آنها در پرواز های فضایی استفاده میشود، از سوخت پیشران مایع بهره میبرند. سوخت و اکسنده که در مخزنهای جداگانه ای نگهداری میشوند، هر دو مایع هستند. پمپهای قدرتمندی آنها را به محفظه احتراق میبرند؛ در آنجا آنها با هم ترکیب شده ، شروع به تولید گازهای خروجی میکنند. گازهای مذکور نیز به نوبه خود از دماغه انتهایی موشک خارح میشوند. بعضی از موشکها از یک ماده قابل اشتعال سریع برای شروع احتراق استفاده میکنند. سوخت پیشران سایر موشکها هنگام ترکیب سوخت و اکسنده شروع به احتراق میکنند.
بسیاری از موشکها ، از جمله موشکهای شاتل فضایی ایالات متحده از هیدروژن مایع به عنوان سوخت و اکسیژن مایع به عنوان اکسنده استفاده میکنند. تعداد موشکهای مصرف کننده سوخت پیشران مایع به مراتب بیشتر از موشکهای مصرف کننده سوخت پیشران جامد است. علت این امر کنترل آسان نیروی پیشران موتور موشکهای مصرف کننده سوخت مایع در مواقع ضروری است. با وجود این، موشکهای مصرف کننده پیشران مایع خالی از ایراد نیستند ، چرا که بعضی از پیشرانها را بایست در دمای پایین نگهداری کرد. دلیل این امر اینست که ، در دماهای جوی ، پیشرانهای مایع به گاز تبدیل شده، فضای بیشتری را اشغال میکنند. موشکهای بزرگ مانند موشکهای آریان آزانس فضایی اروپا یا شاتلهای فضایی ناسا بجای یک موتور از چند موتور مصرف کننده سوخت پیشران مایع بطور همزمان استفاده میکنند. موتورهای مذکور به کمک هم نیروی کافی را جهت پرتاب یک فضاپیما به مدار تولید میکنند

*در این قسمت ما به تشریح کلی پیشران موشک ها خواهیم پرداخت اما قبل از ورود به بحث پیشران یا موتور اطلاعاتی به شرح زیر داده می شود:

 آشنایی با عوامل موثر در موتور موشک

اتمسفر: توده گازهایی که محیط کره زمین را احاطه کرده اند هوا یا اتمسفر گفته می شود. هوا ترکیبی از گازهای مختلف به مقدار 75 درصد نیتروژن و مقادیر کمی از گازهای دیگر است.

وزن قسمتهای بالای هوا بخشهای پایین تر را تحت فشار قرار می دهند لذا مولکول ها و ذرات قسمت پایین خیلی به هم نزدیک هستند. وقتی مولکولهای جسمی در چنین شرایطی قرار بگیرند، می گوییم هوا فشرده شده و دانسیته و یا چگالی آن افزایش یافته است. بر این اساس هوا در قسمت پایین و نزدیک سطح زمین فشرده شده و تحت فشار قسمت های بالاست. به عبارت دیگر، هرقدر از سطح زمین به طرف بالا برویم از مقدار فشار کاسته می شود، (مولکول ها از هم فاصله دارند). زیرا در قسمت های بالا برای تحت فشار قرار دادن هوا فشار کمتری موجود است.

وزن هوا یا اتمسفر باعث می شود سطوح اشیا تحت فشار قرار بگیرند. فشار عبارتست از مقدار نیروی وارد شده بر واحد سطح که معمولا پوند بر اینچ مربع می باشد و به صورت PSI نشان داده می شود. مقدار فشار در سطح دریا 14.7 پوند بر اینچ مربع می باشد و هر قدر تراکم هوا کم شود مقدار آن کمتر می شود. تعداد زیادی از موتورهای کوچک برای تولید نیرو اکسیژن مصرف می کنند، این اکسیژن را ممکن است مستقیما از اتمسفری که در آن پرواز کرده اند بگیرند و یا از اکسیژن مایع (تحت فشار) که با خود حمل می کنند و یا از اکسیژن مخلوط با مواد سوختنی (سوخت جامد) دریافت کنند. بر این اساس وقتی موشک در ارتفاع خیلی زیاد در بالای جو و یا قشر خیلی نازک جو پرواز می نماید باید اکسیژن مورد نیاز را به صورت مایع و یا جامد با خود حمل کنند.

 احتراق: اکسیژن موجود در هوا در یک سری از واکنش های شیمیایی و تغییرات مربوطه به طور فعال شرکت می نمایند که به این عمل احتراق یا سوزش می گویند.

حاصل پاره ای از این سوزش ها و فعل و انفعالات در مدت کم تولید حرارت می باشد؛ بر این اساس، سوزش یا احتراق عبارتست از ترکیب اکسیژن حاصله از مواد که با سوخت می باشد.

 سیستم مولد نیروی مکانیکی: نیروی حاصله از احتراق گاز با فشار دادن پیستون در داخل سیلندر یا به حرکت درآوردن توربین به نیروی مکانیکی تبدیل می شود. سوزش هوا با مواد سوختنی درون سیلندر بسته ای انجام و گازهای خاصله از سوخت و انبساط آنها باعث می شود سیلندر به طرف پایین حرکت نماید و میلنگ را به حرکت درآورد. از چرخش میلنگ می توان برای انجام کار مفید استفاده نمود. در سیستم توربین گازهای منبسط به طرف چرخ توربین هدایت شده به لبه پره های داخل توربین برخورد نموده و باعث می شود چرخ و محور مربوط حرکت نمایند. نیروی حاصله از محور چرخ ها برای مصرف توان مورد نیاز به کار گرفته می شود.

محرکه های سیستم جت: نیروی محرکه جت کاربردی عملی از قانون سوم حرکت نیوتن می باشد که اظهار می دارد: «برای هر نیروی فعال برروی جرم عکس العملی مخالف و برابر وجود دارد.»، برای نیروی محرکه هواپیما «جرم» یک جریان جوی است و زمانی که از میان پیشرانه عبور می نماید سبب می گردد شتاب یا سرعت افزایش یابد.

نیروی لازم بری رسیدن به این شتاب در مسیر مخالف عمل، بر روی وسیله ای که شتاب را بوجود می آورد دارای اثری یکسان است.

یک پیشرانه ی جت در مقایسه با ترکیب موتور ملخ دار از نیروی برابر برای ایجاد کشش استفاده می نماید، با در نظر گرفتن این مطلب که پروان? موتور به نسبت وزن زیاد هوا شتابی پائین فراهم می آورد اما شتابی بالا به نسبت وزن کم هوا تولید می نماید.

در واقع این همان اصل عکس العمل است که در تمامی شکلهای حرکت رخ می دهد و بطور قابل استفاده ای در بسیاری از روشها بکار گرفته شده است.

در موتورهای جت خروج سریع هوا از قسمت نازل موتورهای جت باعث می شود که موتور به طرف جلو حرکت نماید؛ نیروی وارده به سطوح مختلف یکسان است و به علت اینکه همه نیروهای وارده برابر و در جهت عکس هم است؛ لذا موشک ثابت مانده و حرکت نمی کند. گازهای موجود در داخل سیلندر بسته نیز همان مقدار فشار را به بیرون اعمال می نمایند و باز به علت اینکه فشارهای ایجاد شده نسبت به هم برابر است لذا سیلندرها به طور ثابت می ایستد، زیرا نیروی حاصله در همه طرف یکسان است و نیروهای برابر و مخالف به جسم، باعث حرکت نمی شود.

• تراست عبارتست از نیرویی که باعث حرکت چیزی شود، ولی در سیستم های موتور یا جت مخصوصا به نیروی حاصله از گازهای در حال احتراق اطلاق می شود.

انواع سوختها و اكسيدكننده هاي موشكهاي

سوخت مايع

 سوخت  TG-02در زبان آلماني با مشخصه تونكا-250 معروف است. اين سوخت نوعي هيدروكربن است كه اساس آن را مواد نفتي تشكيل ميدهدو از 50 درصد زايليدين  و 50 درصد تري اتيل آمين تشكيل شده است.
اكسيدكننده AK-20 نيزمتشكل از مخلوط 80 درصد HNO3 يا IRFNA و 20 درصد N2O4 ميباشد.
N2O4 در دوفاز مايع و گاز داراي رنگ قهوه اي مايل به قرمز و اكسيدكننده HNO3 يا IRFNA در مجاورت هوا رنگي زرد روشن مايل به قرمز دارد.

اولین سابقه ورود موشکهای سوخت مایع بالستیک به زمان اوج جنگ ایران و عراق (جنگ شهرها) برمیگردد. ایران در سال 1985 حدود20 فروند موشک و 2 دستگاه سیستم پرتاب موشکهای اسکاد را از لیبی خریداری کرد. در ادامه این برنامه اندکی بعد توانست دهها فروند موشک اسکاد-بی را از کره شمالی وارد کند و برنامه های گسترده ای را برای تولید و بومی سازی فناوری تولید این موشکها را تدارک ببیند.

موتور پیشران مایع، موتوری است که عمل احتراق شیمیایی در آن با استفاده از یک یا چند ماده اکسیدکننده و احیاشونده مایع، انجام می‌پذیرد. مجموعه این احیاشونده (سوخت) و اکسیدکننده، در اصطلاح پیشران نامیده می‌شوند.

. این پیشران به صورت تفکیک‌شده، در مخازنی در موشک پرتابگر ذخیره و نگهداری می‌شود و هنگام روشن شدن راکت، به محفظه احتراق تزریق شده و باعث ایجاد احتراق و تولید نیروی رانش می‌شود. موتورهای سوخت مایع در دهه‌های ۶۰، ۷۰ و ۸۰ پیشرفت بسیار زیادی کردند و نوع پیشران آنها دچار تغییر و تحولات عمده‌ای شد. اما امروزه با پیشرفت فناوری، موتورهای پیشران جامد توانسته‌اند به دلیل مزایای نسبتاً زیادی که دارند، تا حد زیادی جای موتورهای پیشران مایع را در صنایع فضایی بگیرند.

تاریخچه

کنستانتین تسیلکوفسکی روسی، پدر علوم راکتی، اولین کسی بود که اصول راکت‌های پیشران مایع را در کتاب خود تحت عنوان تحقیق و بررسی پیرامون فضای بین‌سیاره‌ای با استفاده از وسایل عکس‌العملی، در سال ۱۸۹۶، مطرح کرد.

سال‌ها بعد و بر پایه همین تئوری‌ها برای اولین بار رابرت گودارد آمریکایی در ۱۶ مارس ۱۹۲۶، یک راکت سوخت مایع را آزمایش کرد که توانست طی ۵/۲ ثانیه پرواز، حدود ۴۰ پا از زمین بلند شودموشک وی۲ ارتش آلمان (تصویر۲) در جنگ جهانی دوم اولین نمونه عملیاتی و کاربردی یک راکت پیشران مایع به عنوان موتور یک موشک بود. سوخت این راکت ساده، الکل و ماده اکسیدکننده آن، اکسیژن مایع بود
آغاز عصر فضا را می‌توان ثمره پیشرفت بشر در طراحی و ساخت راکت‌های سوخت مایع دانست. اولین پرتابگرهای قدرتمند تاریخ مانند ساترن-۵ آمریکایی و انرگیای روسی با سامانه راکتی پیشران مایع کار می‌کردند. در این سامانه‌ها معمولاً از کروسین یا هیدروژن به عنوان سوخت و از اکسیژن مایع به عنوان اکسیدکننده استفاده می‌شد.

اجزا و نحوه عملکرد

موتورهای پیشران مایع از ۵ بخش اصلی تشکیل شده‌اند که عبارتند از

مخازن سوخت و اکسیدکننده

مخازنی هستند تعبیه شده در خارج از موتور که پیشران‌های مایع در داخل آنها نگهداری می‌شوند. در واقع این مخازن را بیشتر می‌توان جزئی از موشک پرتابگر به حساب آورد تا خود موتور پیشران مایع. از آنجایی که معمولاً پیشران‌ها فشار بسیار بالا و دمای خیلی پایینی دارند، و از طرفی وزن این مخازن لازم است تا حتی‌الامکان کمتر باشد، طراحی آنها بسیار مشکل و با ملاحظات فراوانی همراه است. معمولاً یک نوع گاز که با مایع سوخت یا اکسیدکننده به هیچ‌وجه واکنش نمی‌دهد، با فشار بالا به داخل این مخازن تزریق می‌شود تا نوعی فشار پشت‌دستی را برای هدایت هرچه بیشتر پیشران‌ها پدید آورد.

توربوپمپ

این زیرسامانه پیشران‌های مایع را از مخازن مکیده و با فشار و دبی مناسب به سمت محفظه احتراق هدایت می‌کند. به تعبیری می‌توان توربوپمپ را قلب یک موتور پیشران مایع دانست. برای هر یک از اکسیدکننده و سوخت، توربوپمپ‌های جداگانه‌ای به کار می‌رود. انرژی توربوپمپ‌ها معمولاً از یک مولد گاز و توربین تامین می‌شود. بخشی از سوخت و اکسیدکننده درمسیر محفظه احتراق وارد این مولد گاز می‌شوند و با پس از واکنش گازهایی را حاصل می‌کنند که باعث کار توربین و به تبع آن توربوپمپ‌ها می‌شود. البته لازم به ذکر است در برخی از موتورهای پیشران مایع کوچک‌تر (که البته در صنعت فضایی کاربرد ندارند)، پیشران‌ها با همان فشار پشت‌دستی مخازن به داخل محفظه احتراق تزریق می‌شوند و نیازی به توربوپمپ نیست [۱]. در موتورهای پیشران مایع که در مراحل بالایی پرتابگرها استفاده می‌شوند و همچنین در موتورهای پیشران مایع فضایی، که در ماهواره‌ها و فضاپیماها برای کنترل و تغییر مسیر استفاده می‌شوند، نیز به دلیل فشار کمتر محفظه احتراق، در بسیاری موارد توربوپمپ وجود نداشته و سامانه با فشار پشت‌دستی محفظه‌های پیشران کار می‌کند. به لحاظ مهندسی اگر فشار محفظه احتراق کمتر از ۳۰ بار باشد، استفاده از توربوپمپ توجیهی ندارد.

تزریقگر

تزریقگرها در ورودی محفظه احتراق قرار می‌گیرند و وظیفه دارند تا پیشران‌های مایع (سوخت و اکسیدکننده) را به صورت ذراتی بسیار کوچک با زاویه، سرعت و قطر کاملاً معین به داخل محفظه احتراق بپاشند. تزریقگرها انواع مختلفی دارند و یکی از پیچیده‌ترین و حساس‌ترین قسمت‌های یک موتور پیشران مایع هستند.

محفظه احتراق

محفظه احتراق محلی است که در آن سوخت و اکسیدکننده پس از عبور از تزریقگر با یکدیگر مخلوط شده و طی یک واکنش شیمیایی مشتعل می‌شوند. محفظه‌های احتراق موتورهای پیشران مایع دما و فشارهای بسیار بالایی را تحمل می‌کنند. محفظه‌های احتراق پیشرفته امروزی تا فشار ۴۰۰ بار را هم تحمل می‌کنند [۱]. در حالی که در دهه ۵۰ و ۶۰ حداکثر این مقدار حدود ۱۱۰ بار بود [۴]. فشار محفظه احتراق، پایه‌ای‌ترین عامل در طراحی و تعیین ویژگی‌های سایر قسمت‌های یک موتور پیشران مایع است.

نازل

بخش انتهایی موتور پیشران مایع است که گازهای بسیار داغ و پر سرعتی که از محفظه احتراق خارج می‌شوند را به فضای بیرون هدایت می‌کند. انتقال مومنتوم این گازهای داغ خروجی بخشی از نیروی رانش راکت را ایجاد می‌کند. نازل نیز به لحاظ طراحی و فناوری ساخت یکی از قسمت‌های بسیار پیچیده موتور پیشران مایع محسوب می‌شود.

تصویر شماره ۶، نمایی از نحوه ارتباط این پنج بخش را نشان می‌دهد. باید توجه داشت که ده‌ها زیرسامانه دیگر در کنار این پنج بخش وجود دارند که ارتباط بین بخش‌ها و همچنین کنترل کل سامانه را بر عهده دارند. برخی از این زیرسامانه‌ها عبارتند از: لوله‌کشی‌ها، تامین‌کننده فشار پشت‌دستی مخازن، تخلیه‌کننده پسماند پیشران، آتشزنه، روغن‌کاری‌کننده (برای توربو پمپ)، تامین‌کننده توان برای توربوپمپ، خنک‌کننده‌ها، پایدارکننده‌ها، تثبیت‌گرها، کنترل‌کننده سرعت و جهت بردار رانش، کنترل سامانه و غیره

^[۵] عملکرد هر یک از اجزای یک موتور پیشران مایع، تاثیرات بسیار زیاد و پیش‌بینی‌نشده‌ای بر سایر قسمت‌ها دارد و همچنین عملکرد کلی سامانه، تاثیرات ویژه‌ای را بر هر یک زیرسامانه‌ها دارد. لذا طراحی و ساخت یک راکت سوخت مایع جدید نیازمند تعداد بسیار زیادی آزمایش و داده‌برداری است که موتور پیشران مایع را به یکی از پیچیده‌ترین مصنوعات ساخت بشر تبدیل کرده‌است.

انواع موتورهای پیشران مایع

موتورهای پیشران مایع سیکل باز

در این نوع موتورها مولد گاز بخش کوچکی از سوخت و اکسیدکننده را دریافت کرده، توربین را به گردش واداشته و در نهایت محصولات احتراق آن از یک نازل کوچک فرعی خارج می‌شوند.

موتورهای پیشران مایع سیکل بسته

در این نوع موتور، بخش بزرگی از سوخت یا اکسیدکننده وارد مولد گاز شده و توربین را به حرکت در می‌آورند. سپس گازهای خروجی از توربین که هنوز دارای مقدار زیادی سوخت یا اکسیدکننده هستند، از یک مسیر خاص وارد محفظه احتراق اصلی راکت می‌شوند. اصولاً سامانه‌های سیکل بسته بازده بیشتری دارند و موتورهای پیشران مایع پیش

 مزایا و معایب موتورهای پیشران مایع در مقایسه با موتورهای پیشران جامد

پایه‌ای‌ترین تفاوت به لحاظ طراحی- مهندسی بین موتورهای پیشران مایع و جامد در این است که در موتورهای پیشران مایع، نیروی رانش کمتر اما در مدت زمان بیشتر تولید می‌شود. اما در موتورهای پیشران جامد، نیروی پیشران بیشتری در مدت زمان کمتری تولید می‌شود. به همین دلیل است که در بسیاری از پرتابگرهای معروف (به‌ویژه در غرب)، معمولاً موتورهای پیشران جامد به صورت بوسترهایی هستند که در مرحله اول پرتاب به کمک پرواز پرتابگر می‌آیند. در این پرتابگرها موتور اصلی در واقع موتور پیشران مایعی است که بعد از بوسترها به صورت کامل و با تمام توان روشن می‌شود و پرتابگر را در طول مسیر خود می‌راند. سامانه پرتاب شاتل فضایی نمونه‌ای از این مورد است.

یکی از مزایای اصلی موتورهای پیشران مایع نسبت به پیشران جامد، قابلیت کنترل به نسبت راحت نیروی رانش در آنهاست. به بیان دیگر، در موتورهای پیشران مایع، نیروی رانش را می‌توان با تغییر نسبت اختلاط اجزای پیشران، تقریباً مشابه تغییر سرعت با استفاده از پدال گاز در اتومبیل، کنترل کرد؛ امری که در موتورهای اولیه پیشران جامد امکان‌پذیر نبود. البته در سال‌های اخیر با پیشرفت فناوری کنترل نیروی رانش در موتورهای پیشران جامد، این ویژگی موتورهای پیشران مایع قدری کم‌رنگ شده‌است.

یکی دیگر از مزایای موتورهای پیشران مایع، فناوری به نسبت قابل اعتماد آنهاست. این بدین معنا نیست که سامانه آنها از پیچیدگی و حساسیت کمتری نسبت به موتورهای پیشران جامد برخوردار است. این مزیت را فقط به دلیل قدیمی‌تر بودن و آزمایش پس‌داده‌تر بودن انواع شناخته‌شده آنها می‌توان به موتورهای پیشران مایع نسبت داد. همان‌گونه که اشاره شد، موتورهای پیشران مایع با آغاز عصر فضا به کار گرفته شدند و تا سال‌های متمادی، بیشتر پرتابگرها از این نوع پیشران استفاده می‌کردند. امروزه، این ویژگی موتورهای پیشران مایع نیز دیگر منحصر به‌فرد محسوب نمی‌شود.

عیب بزرگ موتورهای پیشران مایع، بازرسی، نگهداری و عملیات آماده‌سازی بسیار مشکل آنهاست که هزینه‌های آنها را بالا می‌برد. همچنین پیچیده‌تر بودن زیرسامانه‌های این نوع موتور باعث افزایش هزینه و قیمت آنها می‌شود. از این رو، دنیای صنعت فضایی در طی چند دهه اخیر بیشتر به سمت موتورهای پیشران جامد روی آورده‌است که عموماً کم‌هزینه‌تر و دارای عملیاتی بسیار ساده‌تر هستند.

در یک موشک سوخت مایع، سوخت و اکسید کننده در مخازن مجزا نگه داری می شوند و از طریق سازو کاری که مرکب از لوله ها، شیدها و توربو پمپ ها می باشند ، به محفظه ی احتراق وارد شده و می سوزند.با احتراق پیشرانه گاز داغی تولید می شود که در هنگام عبور از محفظه به سرعت آن افزوده می شود و از دمای آن کاسته می گردد. به عبارت دیگر محفظه ی احتراق، انرژی شیمیایی سوخت را به انرژی جنبشی تبدیل می کند ، این است که نیروی پیشران تولید می شود.
موتورهای سوخت مایع از نظر پیچیدگی نقطه ی مقابل موتورهای سوخت جامد هستند، اما به هر حال به ازای پیچیدگی موتور های سوخت مایع مزایایی هم دارند که از آن جمله می توان به این موارد اشاره نمود که در موتورهای سوخت مایع با کنترل جریان پیشرانه به محفظه ی احتراق می توان کاهش یا افزایش نیروی پیشران و توقف یا استارت مجدد موتور را سبب گردید . در حالی که در موتورهای سوخت جامد در عین سادگی چنین امکانی تقریباً غیر ممکن است.
سوخت های مایعی که در موشک های حامل استفاده شده اند را می توان به ۴ دسته تقسیم کرد:
۱) مواد نفتی ۲) مواد سرمازا ۳) مواد خود مشتعل ۴) پیشران های مایع قدیم

مواد نفتی:
که از نفت خام تصفیه شده تهیه می شوند و شامل مخلوطی از هیدروکربن های پیچیده می باشند.
یکی از مواد نفتی استفاده شده برای سوخت موشک کروسین سنگین است، کروسین نسبت به سوخت های سرمازا ضربه ی ویژه ی کمتری دارد اما بهتر از سوخت های خود مشتعل شونده می باشد.ازاین سوخت به عنوان پیشرانه (به همراه اکسیژن مایع)دراولین بوسترهای یک مرحله ای موشک های اطلس و دلتا ۲ استفاده شده است.

سرمازا:
پیشرانه های سرمازا گازهایی هستندکه در دماهای بسیار پایین به صورت مایع نگه داری می شوند که معروف ترین آنها هیدروژن مایع به عنوان سوخت (LH2) و اکسیژن مایع (lox) به عنوان اکسید کننده می باشند. اکسیژن مایع و هیدروژن مایع به عنوان پیشرانه هایی با کارایی بالاتر در موتورهای شاتل های فضایی استفاده می شوند.
در دیگر سوخت های سرمازا با خواص مناسب برای سامانه های پیشران فضایی می توان به متان و اکسیژن مایع و فلورین مایع اشاره نمود.
قابل ذکر است که پیشرانه های سرمازا به دلیل مشکلاتی که در نگهداری طولانی مدت آنها موجب می شود برای استفاده در موشک های نظامی که بایستی مدت ها به صورت آماده ی پرتاب نگهداری شوند، چندان خوشایند و مطلوب نیست.

پیشرانه های خود مشتعل(هایپرگولیک):
پیشرانه هایی هستندکه سوخت واکسیدکننده به طورمجزا درون محفظه ی احتراق تزریق می شوند و بدون نیاز به آتشزنه و فقط با برخورد با یکدیگر شعله ور می شوند. که این قابلیت آن را برای سامانه های مانوری فضاپیماها که نیاز است بارها خاموش و روشن شوند ایده آل می نماید.
معمول ترین سوخت های خود مشتعل شامل هیدرازین، مونو متیل هیدرازین (MMH) و دی متیل هیدرازین نا متقارن (UDMH) می باشند.
و از اکسید کننده های خود مشتعل معروف می توان به تتروکسید نیتروژن (NTO) و اسید نیتریک اشاره نمود. در خانواده ی موشک های تیتان، موشک های ماهواره بر دلتا ۲ از آیروزین۵۰ و NTO استفاده شده است.

پیشرانه های مایع قدیمی
(الکل ها) به طور معمول به عنوان سوخت موشک طی سال های اولیه توسعه ی فناوری موشکی مورد استفاده قرار می گرفتند. موشک آلمانی v2 و همچنین موشک زمین به زمین ردستون آمریکا (با اکسیژن مایع و اتانول)کار می کردند. به هر حال در روند پیشرفت فناوری های موشکی با افزایش کارایی سوخت ها از الکل استقبال چندانی نشد. و آنها خیلی زود کنار گذاشته شدند.

پروکسید هیدروژن:
یکی از اکسید کننده های قابل توجه می باشد که در موشک انگلیسی Black Arrow استفاده شده بود.
غلظت های بالای پروکسید هیدروژن را راههای تست پراکسید یا HTP می نامند که در حضور کاتالیزور به اکسیژن و بخار فوق گرم تبدیل می شود و ضربه ویژه ای در حدود ۱۵۰ ثانیه ایجاد می کند.

پیشران جامد:
پیشران جامد از دو بخش اکسید کننده و سوخت (کاهنده) تشکیل شده است. در این پیشران دو بخش تشکیل دهنده یعنی سوخت و اکسید کننده به طور مجزا آماده می شوند و پس از آن با یکدیگر مخلوط می شوند. این کار بدان دلیل انجام می شود که اکسید کننده به صورت پودر و سوخت یک مایع با غلظت متغیر است. این دو بخش با هم ترکیب شده و سپس تحت شرایط کاملاً کنترل شده درون پوسته ی راکت ریخته می شوند، افزون به سوخت و اکسید کننده، بخش های دیگری نیز افزوده می شوند تا کارایی پیشران افزایش یابد. معمولاً در میان پیشران جامد یک فضای خالی موسوم به حفره قرار می گیرد. با تغییر شکل و اندازه ی حفره می توان سرعت و مدت سوختن، در نتجه نیروی رانش را کنترل کرد.

دسته بندی پیشران های جامد:
پیشران های چامد به دو گروه همگن و مرکب دسته بندی می شوند.پیشران های همگن نیز خود به دو گروه تک پایه و دو پایه تقسیم می شوند.پیشران های تک پایه آنهایی هستند که تنها از یک ترکیب برخوردار هستند و این ترکیب خواص و ویژگی های اکسید کنندگی و کاهندگی را یکجا دارد. پیشران های دو پایه متشکل از دو ترکیب معمولاً نیتروسلولز و نیترو گلیسیرین همراه با یک نرم کننده (که برای انعطاف افزوده می شود) هستند.برتری این پیشران آن است که دود نمی کند از این رو میزان انرژی و سرعت سوزش افزایش میابد.
پیشران های مرکب به صورت مخلوط نا همگن هستند و از نمک معدنی کریستالی یا ساییده شده نرم به عنوان اکسید کننده استفاده می کنند که بیشتر بخش پیشران را تشکیل می دهد.سوخت مورد استفاده معمولاً آلومینیم است. برای یکپارچه نگه داشتن پیشران از نگهداری پلیمری استفاده می شود.
برتری پیشران های جامد نسبت به دیگر انواع پیشران های شیمیایی در آن است که این پیشران ها پایدار بوده و انبار آنها ساده است.پیشران های جامد نیازی به پمپ های توربو یا ادوات پیچیده تغذیه کننده ندارند.
کاستی پیشران جامد در آن است که پس از روشن شدن، واکنش پیشران جامد را نمی توان متوقف کرد، بدین مفهوم که اگر پیشران مشتعل شود تا پایان م

پیشرانه ی پلاسما:
در واقع پیشرانه های الکتریکی هستند که می توانند سرعت های به مراتب بیشتری برای گازهای خارج شونده از نازل فراهم کنند . بنابر این برای انجام یک مأموریت نیاز به مقدار سوخت کمتری خواهند داشت. اما این روش هم محدودیت های خودش را دارد.
نخستین نمونه ها با استفاده از المنت های مقاومت دار،انرژی الکتریکی را به حرارت تبدیل کرده و می توانستند مدار را تا ۳۰۰۰ درجه ی کلوین داغ کنند که سرعت خروج از نازل را تا ۸ کیلومتر بر ثانیه افزایش می داد.در دهه ی ۸۰ با استفاده از این روش نیروی رانش مورد نیاز برای حفظ مدار ماهواره تأمین می شد و اوایل دهه ی ۹۰دانشمندان توانستند با استفاده از قوس الکتریکی به دماهای بیشتر و در نتیجه به سرعت های بیشتر دست یابند. نمونه های بعدی پیشران های یونی بودند که توانشتند به سرعت ۱۰۰ کیلومتر بر ثانیه برسند و بر خلاف دو مورد قبلی طول عمر بسیار زیادی در حدود ۲۲۰۰۰ ساعت داشته باشند.شکل مشترک موارد ذکر شده نیروی رانش اندک آنها است که برای گریز از گرانش زمین ناچیز است.
در حال حاضر پیشرانه های الکترومغناطیسی MPD از جدید ترین فنّاوری سود می برند ولی نمی توانند نیروی رانش بسیار بیشتری را ایجاد کنند. در این مولّدها نیرو یک قوس الکتریکی دائمی به صورت شعاع بین میله های کاتد و آند برقرار می شود. تعامل بین جریان شعاعی و میدان مغناطیسی حلقوی سورکاتد نیرویی ایجاد می کندکه می تواند پلاسمای تزریق شده به مجموعه را شتاب دهد و در انتهای آند متمرکز کند ، در این حالت سرعت خروج پلاسما از نازل به بیش از ۴۰ کیلومتر بر ثانیه می رسد.

تعریف پلاسما :
پلاسما حالت چهارم ماده است و به موادی گفته می شود که در مقیاس ماکروسکوپیک خنثی می باشند، اما از تعداد زیادی الکترون های آزاد و اتم ها با مولکول های یونیزه شده و در حال بر هم کنش تشکیل شده اند.
البته به هر محیطی که حاوی ذرّات باردار باشد پلاسما گفته نمی شود و باید شرایطی برقرار باشد که یکی از این شرایط داشتن اثرات حجمی است.جالب است بدانید ۹۹% مواد موجود در جهان در حالت پلاسما است، اما در شرایط طبیعی موجود در زمین که درصد بسیار کوچکی از عالم هستی را تشکیل می دهد پلاسما یافت نمی شود.

پیشران های آینده!

پیشران های گداخت هسته ای
پیشران های ماده پادماده:
هنگامی که پادماده و ماده با هم تماس پیدا می کنند،همدیگر را خنثی می کنند ولی تصادف ذرّات مخالف ، احتراق وانتشار پرتوهایی خالص رابه همراه دارد،این پرتوها باسرعت نور از نقطه ی انفجارخارج می شوند و ماده و پادماده ناپدید می شوند. انفجاری که هنگام واکنش ماده و پادماده رخ می دهد تمامی جرم ماده و پادماده را به انرژی تبدیل می کند.
دانشمندان اعتقاد دارند که این انرژی بسیار قوی تر از انرژی های تولید شده به روش هایی است که تا به حال رایج بوده اند و می توانند نیروی پیشران بسیار زیادی فراهم سازد.
(یک فضاپیمای پاد ماده می تواند زمان مسافرت به مریخ را از ۱۱ماه به یک ماه کاهش دهد!)

پیشران های نوری
یکی از کاربردهای لیزرهای پرتوان ، در صنعت فضا است.
لیزر این امکان را به مهندسان می دهد تا فضاپیماهای سبکتری که نیاز به منبع انرژی ندارند ساخته و گسترش دهند.
این فضاپیماها بسیار سبک هستند و نامشان لایت کرفت است. خود رسانگر لایت کرفت به عنوان پیشران کار خواهد کرد و نور به عنوان یکی از منابع وافر انرژی در جهان به عنوان سوخت به کار گرفته خوهد شد.
فرضیه ی اساسی در پیشران نوری به کارگیری لیزرهای زمین پایه است تا هوا را به سوی نوک رسانگر گرم کرده تا محترق شود و فضاپیما را به جلو براند.
ی سوزد پیشران های جامد در برابر گرما نیز حساس هستند.