موتور موشک

[karkas 835]

با سلام

در زمینه موشکی و راکت ما چند نمونه موتور راکت داریم که هر کدام از ماده مختلفی برای حرکت تغذیه می کنند . برای مثال موتور سوخت مایع :
این نوع موتور برای جرکت از سوخت مایع تغذیه می کند این نمونه موتور ها به چند بخش و یا قسمت تقسیم می شوند که عبارتند از اتاقک احتراق، شیپور و گلوگاه . قسمت عقب اتاقک انفجار که محل تزریق سوخت است را اینجکتور یا تزریق کننده می‌نامند . لایه داخلی اتاقک احتراق دارای لایه ای تو خالی و تهی است که گاز های خنک کننده در آن جریان دارند . نمونه دوم که موتور سوخت جامد نام دارد همانطور که از اسمش پیداست یک نمونه موتور راکت است که از سوخت جامد تغذیه می کند شایان ذکر است که این نمونه موتور ها شکل و ساختمان ساده تر از موتور های سوخت مایع دارد . این نمونه به قسمت هایی مختلف تقسیم شده است که عبارتند از باله‌ها ، کلاهک ، محفظه احتراق و گرین سوخت . سوخت جامد بر اثر سوختن تبدیل به گاز شده و در نازل لاوال ابتدا سرعت ان در گلوگاه نازل به سرعت صوت رسیده .


با استفاده از این موتور در موشک ها سرعت موشک را چندین برابر افزایش می دهند . برای مثال موشک عاشورا ایران همانطور که اعلام شد از سوخت جامد تغذیه می کند و همانطور که اسرائیل اعلام کرد هدف گیری و انهدام این موشک غیر ممکن است چراکه از سوخت جامد تغذیه می کند و همین باعث می شود که سرعتش بیشتر شود که البته نمونه های مختلفی از این موتور وجود دارد که هر کدام از سرعتی مختلف برخوردار هستند . بیشترین موتوری که در موشک های مختلف مثل زمین به زمین ، هوا به هوا ، و حتی زمین به هوا استفاده می شود نازل نام دارد . گازهای حاصل از سوختن سوخت با فشار بالا و دمای بالا وارد قسمت همگرا می‌شود سرعت گاز زیاد می‌شود تا جایی که در دهانه موشک سرعت ان به سرعت صوت می‌رسد . برای مثال موتور موشک شهاب۳، ۲۶۷۶۰کیلوگرم نیرو ((Thrust تولید می‌کند که برای طی مسافت ۲۰۰۰کیلومتر کافی است. اگر بخواهند برد آن بیشتر شود، از کلاهک‌های کم‌ وزن‌تر استفاده می‌کنند و به همین دلیل، وزن کلاهک‌های از ۷۶۰ تا ۱۱۵۸کیلوگرم متفاوت است . شایان ذکر است که بیبشتر موشک های حمل ماهواره که به فضا فرستاده می شوند بیشتر از سوخت مایع تغذیه می کنند البته لازم به ذکر است که شاتل فضایی ایالات متحده از موشکهای تقویت کننده عظیم الجثه‌ای برخوردار است که از سوخت پیشران جامد استفاده می کنند. این پیشران از پر کلرات آمونیم به عنوان اکسنده و پودر آلومینیوم به عنوان سوخت تشکیل شده است .

[SAEID 2,833]

جالب بود. چه عجب این بخش بعد از مدتها شاهد یک مطلبی بود! :mrgreen:

[scorpion57 4,566]

چگونه موتور یک موشک را روشن کنیم

 

موتورهای موشک با سوخت مایع با جریان دادن سوخت و اکسیدکننده به داخل محفظه احتراق با فشار بالا کار می‌کنند تا جرم را با سرعت بالا از نازل موشک خارج کنند.روش‌های زیادی برای مخلوط کردن این مواد پیشران وجود دارد (که چرخه موتور نامیده می‌شوند )، همه آنها یک مانع فنی عمده دارند: چگونه یک موتور موشک به فشارهای عملیاتی می‌رسد؟ علاوه بر این، این کار چگونه در محیط نیروی( صفر-عمودی )انجام می‌شود؟روشن کردن یک موتور موشک مایع، یک فرآیند بسیار پیچیده از مدیریت فشار و دما در تمام سوپاپ‌ها و پمپ‌های موتور است که در آن کوچکترین خطا منجر به RUD (جداسازی سریع و برنامه‌ریزی نشده قطعات) موتور می‌شود.

روشن کردن یک بوستر/موتور موشک سوخت جامد

ساده‌ترین موتور موشک برای روشن شدن، بوسترهای موشک جامد هستند که به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ به ویژه، سیستم پرتاب فضایی ناسا در سیستم حمل و نقل فضایی (شاتل فضایی) از دو بوستر موشک جامد عظیم استفاده کرده‌اند. از آنجایی که سوخت جامد، سوخت و اکسیدکننده مخلوط شده در یک ژل جامد است، برای روشن کردن یک موتور جامد، مقدار کمی انرژی برای شروع احتراق لازم است.

 

    

 موتورهای موشک سوخت جامد SLS

 

در موتورهای موشک کوچک‌تر این کار معمولاً با اتصال کوتاه سیم‌ها، ایجاد گرما و احتراق سوخت انجام می‌شود. با این حال، با توجه به اینکه سطح با سرعت کمتری نسبت به حجم افزایش می‌یابد، موتورهای موشک جامد بزرگ‌تر برای شروع به انرژی بیشتری نیاز دارند و بنابراین از نوعی باروت سیاه استفاده می‌کنند که از سیم‌ها مشتعل می‌شود و باعث احتراق خودبه‌خودی می‌شود.

در مورد SRB های چهار و پنج قسمتی ناسا (که به ترتیب در شاتل فضایی و SLS استفاده می‌شوند)، آنها از چاشنی استاندارد ناسا (NSD) استفاده می‌کنند، وسیله‌ای که از زمان برنامه جمینی برای جداسازی بوستر، پیچ‌های شکننده یا شروع SRB ها استفاده می‌شود.

   

رندر چاشنی استاندارد ناسا 

 

برای روشن کردن این SRBها، سیگنالی به دو NSD (چاشنی)کاملاً اضافی ارسال می‌شود تا از روشن شدن صحیح هر دو بوستر اطمینان حاصل شود. NSDها یک لایه نازک را می‌شکنند که یک بار تقویت‌کننده آتش‌زا را مشتعل می‌کند. سپس آن بار تقویت‌کننده، سوخت را در یک آغازگر احتراق مشتعل می‌کند، که همان چیزی است که تمام طول موتور موشک سوخت جامد را روشن می‌کند و تمام سطح هسته بوستر را به طور همزمان روشن می‌کند. تمام مزایای سوخت‌های جامد: آن‌ها فوق‌العاده ساده و فوق‌العاده قابل اعتماد هستند. این موضوع معایبی نیز دارد، مانند عدم امکان خاموش کردن آن‌ها و عملکرد پایین‌تر نسبت به موتورهای موشک مایع.

احتراق موتورهای موشک مایع

پیش آماده سازی موتور

قبل از اینکه یک موتور موشک با سوخت مایع بتواند روشن شود، موتور باید برای دماهای بسیار پایینی که قرار است با سوخت‌های مایع تجربه کند، آماده شود، موتورهای موشک مداری نه تنها سوخت را از طریق دیواره‌های موتور عبور می‌دهند تا از ذوب شدن محفظه احتراق جلوگیری کنند، بلکه خود پمپ‌ها نیز هزاران لیتر در ثانیه سوخت‌های برودتی را به سمت بالا جریان می‌دهند که باعث می‌شود فلزات، سوپاپ‌ها و یاتاقان‌ها شکننده و مستعد خرابی شوند. این امر به ویژه در مورد موتورهایی که با RP-1 و اکسیژن مایع (به نام کرولوکس) کار می‌کنند و در مورد هیدروژن و اکسیژن مایع (به نام هیدرولوکس) یا متان و اکسیژن مایع (به نام متالوکس) صادق است.

اکثر موشک‌های سوخت مایع، یکی از ترکیبات سوخت ذکر شده در بالا را دارند. نمونه‌هایی از RP-1 و LOx عبارتند از: Merlin شرکت SpaceX، موتور قدرتمند F1 موشک Saturn V، Rutherford شرکت Rocket Lab، RD-180 موشک Atlas V، موتورهای RD-107 و RD-108 موشک Soyuz، موتورهای Reaver و Lightning موشک Firefly و غیره.

صنعت به آرامی به سمت نسل بعدی سوخت موشک یعنی متالوکس حرکت می‌کند، CH 4 (متان)یک ماده‌ی میانی خوب بین کرالوکس و هیدرولوکس است که مقدار متوسطی از نیروی رانش را با یک ضربه‌ی ویژه‌ی متوسط تولید می‌کند. اکثر موتورهای موشک‌های آینده از متالوکس استفاده می‌کنند، از جمله Raptor شرکت SpaceX، Blue Origins BE-4 (که هم روی موشک Vulcan شرکت ULA و هم روی موشک New Glenn شرکت Blue Origin پرواز خواهد کرد)، موتور Aeon شرکت Relativity، TQ-12 شرکت Zhuque-2 و موتور Archimedes روی موشک Neutron شرکت Rocket Lab.

     

       مقیاسی از دمای سوخت

بسیاری از موتورهای موشک برای رساندن دما به درجات بسیار پایین از هیدرولوکس استفاده می‌کنند. روشن شدن این موتورها به دلیل نقطه جوش هیدروژن که -۲۵۲ درجه سانتیگراد است و چگالی بسیار پایین آن، فوق‌العاده دشوار است. برخی از این موتورها عبارتند از RS-۲۵ در شاتل فضایی و SLS، انواع RL-۱۰ که در موشک‌های اطلس، دلتا، SLS و به زودی ولکان پرواز می‌کنند، J-۲ در موشک ساترن ۵، RD-۰۱۲۰ در موشک انرگیا یا RS-۶۸A در موشک دلتا هستند. علاوه بر این، موتور آینده استوک اسپیس نیز با هیدرولوکس کار خواهد کرد.

با این حال، قبل از اینکه موتور بتواند با جریان دادن پیشران‌ها، تهویه شود، باید آن را پاکسازی کرد. این فرآیند عموماً شامل دمیدن نیتروژن گازی در سراسر موتور، پاکسازی خطوط لوله و از بین بردن حباب‌های هوا و رطوبت است. این امر مهم است زیرا هرگونه بخار آب در خطوط لوله قبل از ورود مواد سرمازا منجمد می‌شود و باعث آسیب به موتور، گرفتگی احتمالی منافذ و آسیب به سطوح آب‌بندی می‌شود

      

    فرآیند تخلیه موتور

 

در مورد موتور هیدروژنی، این مشکل با این واقعیت تشدید می‌شود که هیدروژن مایع به اندازه کافی سرد است که نیتروژن را منجمد کند، بنابراین هرگونه نیتروژن باقی مانده در سیستم می‌تواند باعث این مشکلات شود. بدتر از آن، بررسی این نوع خرابی‌ها بسیار دشوار است، زیرا  قبل از اینکه هر انسانی بتواند از محل بازدید کند، ذوب می‌شود.

خنک سازی

خنک‌سازی بسته به نوع موتور، در زمان‌های بسیار متفاوتی شروع می‌شود. برای مثال،  موتورهای مرلین در فالکون ۹ در هفت دقیقه به پرتاب شروع به خنک‌سازی می‌کنند، در حالی که RS-25 در SLS ساعت‌ها قبل از پرتاب شروع به خنک‌سازی می‌کند. این رویداد معمولاً با اعلانی در شبکه‌ها با عنوان «خنک‌سازی موتور» یا «سردسازی موتور» همراه است.

نزدیک‌تر به دمای پرتاب، موشک از حالت گاز بی‌اثرخارج شده و مقداری از پیشران‌ها را با سرعت جریان کم از طریق سیستم به جریان می‌اندازد، جایی که شروع به تنظیم دمای موتور برای رساندن آن به دمای برودتی می‌کند. این فرآیند به طرز شگفت‌آوری آسان است، زیرا مخازن موشک، پیشران را در فشار نسبتاً بالایی، معمولاً سه تا شش بار، ذخیره می‌کنند. به همین دلیل، برخی از دریچه‌ها می‌توانند به راحتی باز شوند و فشار مخازن، جریان پیشران را از مخازن به موتور تضمین می‌کند.

بسته به موتور موشک و سیستم‌های زمینی، سوختی که از موتور عبور کرده است ممکن است به هوا تخلیه شود. این امر به ویژه در مورد اکسیژن مایع صادق است البته زمانی که تخلیه به جو هیچ خطری ندارد. با این حال، برای CH4 (متان)و H2(هیدروژن) ، معمولاً یا دوباره مایع می‌شوند یا در یک دودکش شعله‌ور سوزانده می‌شوند تا اثرات آنها بر جو کاهش یابد.

موتور نه تنها برای محافظت از خود در برابر پیشران سرد، بلکه برای محافظت از پیشران در برابر موتور گرم نیز خنک می‌شود. اگر پیشرانه قبل از رسیدن به پروانه‌های پمپ‌ها بجوشد، می‌تواند باعث کاویتاسیون (حباب‌های کوچک در مایع) شود. این حباب‌ها می‌توانند مواد را از پمپ‌ها جدا کرده و به پره‌ها آسیب برسانند.این حباب‌ها نه تنها می‌توانند با خرد کردن پمپ‌ها به آنها آسیب بزنند، بلکه می‌توانند باعث افزایش سرعت پمپ‌ها نیز شوند، به این معنی که مقدار نادرستی از سوخت را به محفظه احتراق می‌رسانند. این امر می‌تواند باعث شود موتور در شرایط استوکیومتری(واکنش شیمیایی تعادلی) بسوزد که بیشترین گرما را به موتور آزاد می‌کند و به آن آسیب می‌رساند یا حتی آن را از بین می‌برد.

فرآیند خنک‌سازی کاملاً حیاتی است. در واقع، تلاش برای پرتاب SLS در آگوست 2022 به همین دلیل لغو شد؛ حسگر دمای موتور 3 نشان نمی‌داد که موتور به دمای مورد نیاز رسیده است و پرتاب را برای آن روز لغو کرد. بعداً معلوم شد که این داده‌ها به دلیل یک حسگر معیوب بوده و نه به دلیل عدم رسیدن موتور به دمای عملیاتی.

استثناها

با این اوصاف، استثناهایی در فرآیند سرد کردن وجود دارد: هایپرگولیک‌ها. پیشرانه‌های هایپرگولیک آن‌هایی هستند که در تماس با یکدیگر می‌سوزند. هایپرگولیک‌هایی که در موشک‌سازی استفاده می‌شوند، نقطه جوش بالایی دارند، به این معنی که می‌توان آن‌ها را در دمای اتاق نگهداری کرد. به همین دلیل، موتورها نیازی به سرد شدن ندارند.

بدیهی است که این امر برای بسیاری از موشک‌های بالستیک قاره‌پیما و موشک‌های مشتق‌شده از آنها که عموماً با هیدرازین کار می‌کنند، مزایایی دارد. سوخت می‌تواند دی‌متیل‌هیدرازین نامتقارن، هیدرازین یا مونومتیل‌هیدرازین باشد و اکسیدکننده آن تتراکسید نیتروژن است.

استفاده ایالات متحده از موشک‌های مبتنی بر هایپرگولیک محدود بوده است. LR87 در موشک تایتان ۲ و AJ-10 در مرحله بالایی موشک دلتا ۲ از نوع هایپرگولیک بودند. با این حال، موشک‌های هایپربولیک در اتحاد جماهیر شوروی بسیار محبوب بودند. علاوه بر این، بسیاری از موشک‌های پرتاب چین با هایپرگولیک کار می‌کنند، اما به آرامی در حال تغییر از این روش هستند.

 

   

 سوخت‌های فوق‌سنگین که در دمای اتاق نگهداری می‌شوند

چرخش بالاSpin Up

پس از اینکه موتور برای روشن شدن آماده شد، هدف بعدی چرخاندن پمپ‌ها است. برای انجام این کار، مهندسان باید یکی از اساسی‌ترین قوانین جهان را در نظر بگیرند: فشار از  بالا به فشار پایین جریان می‌یابد. برای اطمینان از اینکه شعله از طریق سیستم به عقب فرستاده نشود، که منجر به خرابی فاجعه‌بار می‌شود، فشار بالادست یک موتور باید بسیار بالا باشد. در واقع، برای برخی از موتورها مانند Raptor شرکت SpaceX، فشار بالادست می‌تواند به ۱۰۰۰ بار نزدیک شود!

ساده‌ترین چرخه موتور برای چرخش، موتور تحت فشار است. از آنجا که سوخت از قبل در فشار بالا ذخیره شده است، باز کردن ساده سوپاپ‌ها به سوخت اجازه می‌دهد تا با فشار عملیاتی لازم وارد محفظه احتراق شود.

  

  نموداری از یک موتور دو پیشران با تغذیه فشاری

 

با این اوصاف، موتورهای تحت فشار برای رساندن اجسام به مدار از سطح زمین کافی نیستند. به همین دلیل، موتورهای فشار قوی با قدرت بالا که دارای توربوپمپ هستند، مورد نیازند. در اکثر موتورها، توربین صدها هزار اسب بخار از تنها یک توربین تولید می‌کند. البته آن توربین توسط یک ژنراتور گاز یا پیش‌سوز که توسط پمپ‌ها تغذیه می‌شود، می‌چرخد. این امر یک دینامیک سخت ایجاد می‌کند که توربین باید بچرخد تا پیشران‌ها را به پیش‌سوز/ژنراتور گاز منتقل کند، اما پیش‌سوز/ژنراتور گاز باید در حال احتراق باشد تا توربین را بچرخاند.

ساده‌ترین راه برای دور زدن این مشکل، که توسط موتور Rutherford شرکت Rocket Lab انجام می‌شود، استفاده از یک موتور الکتریکی برای چرخاندن توربین است.اما این برای موتورهای بزرگتر، مانند RS-25، که برای چرخاندن توربین خود در حالت گاز کامل به ۱۰۰۰۰۰ اسب بخار نیاز دارد، امکان‌پذیر نیست.

علاوه بر این، پیش‌سوز سوخت RS-25 به ازای هر کیلوگرم، ۲۰۰ اسب بخار نیرو تولید می‌کند که نشان می‌دهد چرا موتورهای الکتریکی کاربردی نیستند.

چرخاندن یک پیش‌سوز/ژنراتور گاز معمولاً با استفاده از گاز پرفشار برای چرخاندن پمپ‌ها انجام می‌شود. این گاز می‌تواند توسط یک سیستم داخلی، مانند هلیوم ذخیره شده در COPVها، یا توسط تجهیزات خدمات زمینیGSEتأمین شود. چرخاندن موتورها با GSE مزیت دارد زیرا جرم و پیچیدگی را از موشک حذف می‌کند.

در هر دو حالت، هلیوم یا نیتروژن با فشار بالا به ژنراتور/پیش‌سوزکننده گاز پمپ می‌شود تا توربین را با سرعت عملیاتی به چرخش درآورد. برای مدت کوتاهی، پمپ‌های موتور توسط چیزی که اساساً یک رانشگر گاز سرد است، تغذیه می‌شوند که بسیار ناکارآمد است. از طرف دیگر، برخی موتورها از یک موتور کوچک توپر یا هایپرگولیک استفاده می‌کنند که برای مدت کوتاهی به عنوان ژنراتور گاز عمل می‌کند.

 

 توربینی که توسط پراکسید هیدروژن تجزیه شده می‌چرخد

 

 به دلیل پایین بودن ضربه ویژه این سیستم‌ها، شما نمی‌خواهید موتور را بیش از حد لازم روشن نگه دارید، بنابراین این کار فقط تا زمانی انجام می‌شود که موتور بتواند احتراق خود را تثبیت کند. این بدان معناست که برای موتورهایی که نیاز به چندین بار روشن شدن دارند (مانند موتورهای مراحل بالایی که ممکن است برای رسیدن به مدار مورد نظر یا برای فرود پیشران مجبور به چندین بار سوختن باشند)، موشک باید هلیوم کافی برای چرخاندن موتورها حمل کند.

بوت‌استرپBootstrapping

با این حال، روش دیگری برای روشن کردن موتور موشک وجود دارد که برای رساندن سرعت پمپ‌ها به منبع جداگانه‌ای نیاز ندارد. این فرآیند که بوت‌استرپ (یا استارت با سر مخزن / استارت با سر مرده) نامیده می‌شود، جایی است که موتور با دقت و تنها با استفاده از فشار مخزن و انرژی ذخیره شده در اختلاف حرارتی بین سوخت و موتور روشن می‌شود. برای انجام این کار، پیش‌سوزنده (که توربین را تغذیه می‌کند) به دلیل جریان هیدروژن از طریق پیش‌سوزنده و جوشیدن آن، شروع به چرخش می‌کند. این امر فشار را افزایش می‌دهد و شروع به چرخش توربین می‌کند. سپس مقداری اکسیژن وارد می‌شود و پیش‌سوزنده روشن می‌شود. در ابتدا، احتراق بسیار ضعیف است، اما با افزایش فشار در پیش‌سوزنده، پمپ‌ها سریع‌تر می‌چرخند و سوخت بیشتری را برای پیش‌سوزنده‌ها فراهم می‌کنند و باعث افزایش فشار و چرخش سریع‌تر پمپ‌ها می‌شوند. این کار تا زمانی که موتور به فشار عملیاتی برسد، انجام می‌شود.

  

یک شاتل فضایی در حین پرتاب با شعله‌ور شدن هیدروژن اضافی توسط ROF

 

این فرآیند در RS-25 (هم در شاتل فضایی و هم در SLS) استفاده می‌شود، که در RS-25، توربوپمپ سوخت فشار بالا باید در عرض ۱.۲۵ ثانیه به ۴۶۰۰ دور در دقیقه برسد تا موتور جریان سوخت کافی برای احتراق محفظه احتراق اصلی (MCC) را داشته باشد. 

استارت بی‌هدف به دلیل نیاز به کنترل دقیق، فرآیندی بسیار پیچیده است. اما این موضوع با توجه به اینکه موتور در حال روشن شدن در یک حالت گذرا است، پیچیده‌تر هم می‌شود: زمان بین خاموش بودن و روشن شدن با حداکثر سرعت.

گذراهاTransients

گذراها را می‌توان به بهترین شکل به عنوان «لحظات بینابینی» خلاصه کرد. در مورد موتورهای موشک،به زمان بین یک موتور ثابت و یک موتور که با قدرت کامل کار کنداطلاق می شود. علاوه بر این، هر زمان که موتور تنظیمات دریچه گاز را تغییر می‌دهد، در یک حالت گذرا است. اما، هنگامی که موتور در حالت پایدار قرار گرفت، ادامه کار نسبتاً آسان است.

این گذراها، روشن کردن موتور را به دلیل سناریوی مرغ و تخم‌مرغ(اول مرغ بود یا تخم مرغ) بسیار دشوار می‌کنند. به عنوان مثال، با استفاده از بوت‌استرپ RS-25: مایعی که از برخورد به پیش‌سوزان موتور به صورت ناگهانی می‌جوشد، با تبدیل شدن به گاز، منبسط می‌شود. این انبساط همان چیزی است که باعث چرخش توربین می‌شود. با این حال، این فشار همچنین یک فشار معکوس بر بقیه سیستم اعمال می‌کند و جریان سوخت را کند می‌کند. سپس، با کاهش جوشش، جریان دوباره افزایش می‌یابد، جایی که جوشش می‌کند و دوباره همان اتفاق را ایجاد می‌کند. در مورد RS-25، این اتفاق هر ثانیه دو بار رخ می‌دهد.

چیزی که اوضاع را بدتر می‌کند این است که اغلب بین عمل و واکنش تأخیر وجود دارد. اگر این امواج فشار خیلی شدید باشند، گرادیان فشار می‌تواند به عقب جریان یابد و باعث توقف توالی روشن شدن یا انفجار موتور شود.

علاوه بر این، هر بار که یک شیر باز می‌شود، فشار تغییر می‌کند و بر جریان تأثیر می‌گذارد. کل فرآیند روشن شدن موتور پر از این حلقه‌های بازخورد است، و این واقعیت را که موتورهای موشک می‌توانند روشن شوند، به یک شاهکار مهندسی قابل توجه تبدیل می‌کند.

فرآیند احتراق

احتراق روی زمین

حالا که موتور برای پرتاب آماده شده است، پیشران‌ها شروع به جریان یافتن به سمت موتور می‌کنند. با این حال، این تنها دو سوم مثلث احتراق را تشکیل می‌دهد که شامل سوخت، یک عامل اکسیدکننده و یک منبع احتراق (معمولاً به شکل گرما) است. اما، برای اینکه اوضاع را حتی سخت‌تر کنیم، هر خطای جزئی در فرآیند احتراق می‌تواند منجر به «استارت سخت» شود، یعنی زمانی که پیشران‌ها با نسبت اشتباه، در زمان اشتباه یا در مکان اشتباه می‌سوزند. بدترین استارت‌های سخت می‌توانند موتور را بیش از حد تحت فشار قرار دهند و باعث انفجار پرانرژی شوند که موتور و به طور بالقوه وسیله نقلیه را از بین می‌برد.

قبل از اینکه موتور بتواند مشتعل شود، پیشران‌ها باید در محفظه احتراق مخلوط شوند. این کار از طریق انژکتورهای مخصوص طراحی شده انجام می‌شود .اگر پیشران‌ها به طور یکنواخت مخلوط نشوند، موتور نمی‌تواند احتراق پایداری داشته باشد و باعث انفجار موتور می‌شود.

ساده‌ترین موتورها برای احتراق، موتورهای هایپرگولیک هستند زیرا طبق تعریف، در اثر تماس مشتعل می‌شوند. با این حال، بدیهی است که این کار را نمی‌توان برای هیچ موتور اکسیژن مایعی انجام داد.

اولین و ساده‌ترین شکل احتراق موتور، کاری است که اتحاد جماهیر شوروی با R7 انجام داد و روسیه هنوز هم با سایوز انجام می‌دهد. آنها در داخل هر محفظه احتراق، براکت‌های چوبی بزرگی را با مواد آتش‌زا قرار می‌دهند. سپس وقتی این مواد مشتعل می‌شوند، موتور روشن می‌شود. اگرچه این روش زیبا نیست اما کاربردی است، اما یک عیب بزرگ دارد: این کار را نمی‌توان در فضا انجام داد.

 

    

  جرقه‌زن‌های چوبی سایوز

 

تعداد زیادی از موتورها از جریان الکتریکی که از طریق یک شکاف جرقه می‌زند برای احتراق موتور استفاده می‌کنند. با این حال، این امر به منبع تغذیه بزرگی نیاز دارد که یا باید توسط باتری‌های بزرگ و عظیم یا توسط GSE تأمین شود. به طور مشابه، می‌توان از جرقه‌زن‌ها استفاده کرد که فقط یک سیم‌پیچ را تا زمانی که به اندازه کافی داغ شود تا پیشرانه‌ها را مشتعل کند، گرم می‌کنند که شبیه به شمع حرارتی در یک موتور دیزل است.

   

 یک مشعل آتش‌زنه

 

یکی دیگر از تکنیک‌های احتراق که (تا آنجا که ما می‌دانیم) در هیچ موشک مداری استفاده نشده است، استفاده از تقویت نور گسیل القایی تابش (لیزر) برای احتراق پیشران‌ها است. این روش پتانسیل آن را دارد که از تکنیک‌های احتراق ذکر شده کارآمدتر باشد، اما پیچیدگی بیشتری نیز دارد.

اما گزینه دیگری هم وجود دارد: استفاده از سیالات آتش‌زا (معمولاً TEA-TEB، سیالی که با اکسیژن هایپرگولیک می‌شود). این روش این مزیت را دارد که جرم کمی دارند و بسیار قابل اعتماد هستند. به عنوان مثال، فالکون ۹ از TEA-TEB برای روشن کردن موتورهای خود استفاده می‌کند. این را می‌توان با چشمک زدن سبز روشن هنگام روشن کردن موتور توسط فالکون ۹ مشاهده کرد. TEA-TEB روشن کردن موتور را آسان می‌کند زیرا TEA-TEB را به موتور تزریق می‌کنید، سپس به محض شروع جریان اکسیژن، آتش می‌گیرد و موتور را روشن می‌کند.

در فالکون ۹، مایع TEA-TEB که برای روشن کردن موتورها در زمان پرتاب استفاده می‌شود، توسط GSE ذخیره می‌شود. موتور Merlin Vacuum و سه موتور فرود (E1، E5 و E9) دارای محفظه‌های TEA-TEB هستند که مایع مورد نیاز برای روشن کردن موتورها در حین پرواز را ذخیره می‌کنند.

احتراق با TEA-TEB معایبی هم دارد. اول از همه، قابل مصرف است. این بدان معناست که باید بین هر پرواز دوباره پر شود. دوم، بسیار گران است

 

  

  تماس TEA-TEB با اکسیژن و آتش گرفتن آن.              موشک MVac اسپیس ایکس در حین احتراق در فضا                  فالکون ۹ در حال روشن کردن موتور مرلین خود با TEA-TEB 

موتور جدید رپتور اسپیس‌ایکس از یک رویکرد ترکیبی با استفاده از یک مشعل اشتعال‌زا (که به آن مشعل اشتعال‌زای تقویت‌شده نیز می‌گویند) استفاده کرده است که شبیه به فندکی است که برای روشن کردن شمع استفاده می‌شود. این موتور از یک مشعل اشتعال‌زای کوچک‌تر و سپس یک منبع متالوکس برای روشن کردن مشعل استفاده می‌کند. این تقریباً مانند یک موتور موشک کوچک است که با یک مشعل اشتعال‌زا روشن می‌شود. آن مشعل در طول توالی راه‌اندازی مشتعل باقی می‌ماند.

احتراق در فضا

روشن کردن موتور در فضا دو چالش عمده دیگر نیز دارد. اول از همه، هیچ تجهیزات پشتیبانی زمینی وجود ندارد. این بدان معناست که جرم کل سیستم احتراق باید روی وسیله نقلیه باشد. دوم، و شاید مهمتر از آن، این است که وسیله نقلیه در یک چارچوب مرجع اینرسی قرار ندارد و تحت تأثیر نیروی گرانش زمین است. این بدان معناست که سوخت مایع در پایین مخازن قرار می‌گیرد و فقط بالای هر مخزن دارای گاز است.

با این حال، وقتی یک وسیله نقلیه در فضا است (و موتوری روشن نمی‌کند)، در یک چارچوب مرجع اینرسی قرار دارد (و بنابراین نیروی عمودی صفر دارد). به همین دلیل، پیشران‌ها (منظور از پیشران ها سوخت هستند)فقط در مخزن شناور هستند - بنابراین، برای روشن کردن یک موتور موشک در فضا، ابتدا باید مطمئن شد که پیشران‌ها در پایین مخازن قرار دارند. برای انجام این کار، معمولاً از پیشران‌های فضای خالی استفاده می‌شود. این زمانی است که یا از یک موتور موشک جامد کوچک یا پیشران‌های گاز سرد برای مستقر کردن پیشران‌ها استفاده می‌شود، 

برای مثال، ساترن ۱بی و ساترن ۵ از پیشرانه‌های خلأ نه تنها برای جدا کردن مراحل، بلکه برای ته‌نشین کردن پیشران‌ها نیز استفاده می‌کردند.

استفاده از پیشرانه‌های گاز سرد رایج‌ترین راه حل است زیرا به راحتی قابل راه‌اندازی مجدد هستند - که اگر یک مرحله برای رسیدن به مدار مورد نظر خود بیش از یک بار احتراق انجام دهد، ضروری است. در واقع، حتی مرحله اول فالکون ۹ نیز دارای دو پیشرانه ته‌نشین شونده سوخت است که قبل از احتراق‌های تقویت و ورود مجدد استفاده می‌شوند. 

بسیاری از فضاپیماها به دلیل استفاده از هایپرگولیک‌ها به پیشرانه‌های فوق‌عریض نیازی ندارند. به عنوان مثال، فضاپیمای دراگون اسپیس‌ایکس از پیشرانه‌های هایپربولیک ذخیره شده در فشار بالا استفاده می‌کند. به این ترتیب، دراگون می‌تواند به سرعت پیشرانه‌های خود را برای کنترل بسیار دقیق وسیله نقلیه روشن کند. هایپرگولیک‌های مایع در دستگاه‌های مدیریت پیشرانه ذخیره می‌شوند که مخازن کروی دارای مثانه هستند. اگرچه در دراگون استفاده نمی‌شوند، برخی از مخازن استوانه‌ای می‌توانند از پیستونی استفاده کنند که پیشرانه را هنگام استفاده به جلو می‌راند.

                                                                     

                                                                           مخزن استوانه‌ای با پیستونی که سوخت آن را به پایین می‌راند.                               مخزن تخلیه سوخت که تضمین می‌کند موتور موشک هنگام روشن شدن در فضا، سوخت را جذب کند

 

با این حال، هنوز یک راه نهایی وجود دارد که می‌توان بدون هیچ یک از این روش‌ها، موتور را در فضا روشن کرد: احتراق داغ. در این روش که توسط موشک‌های سایوز، پروتون و برخی از موشک‌های تایتان استفاده می‌شود، موتورهای مرحله‌ی بالا در حالی که مرحله‌ی پایین هنوز در حال احتراق است، روشن می‌شوند.

                                                                     

                                                                      موشک سایوز روسکامسوس با مرحله میانی باز که امکان گرم کردن را فراهم می‌کند.              موشک تیتان ۲ با مرحله میانی باز که امکان استفاده از سیستم استیجینگ داغ را فراهم می‌کند

احتراق RS-25

برای درک هر آنچه در بالا گفته شد، توالی احتراق موتور RS-25 شاتل فضایی مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهد گرفت. 

RS-25 دو پیش‌سوزنده دارد. از آنجایی که سوخت آن غنی است، هر دو پیش‌سوزنده غنی از سوخت هستند، به این معنی که تمام سوخت از میان پیش‌سوزنده‌ها جریان می‌یابد و یکی پمپ‌های اکسیژن و دیگری پمپ‌های سوخت را تغذیه می‌کند. علاوه بر این، یک پمپ تقویت‌کننده کوچک در سمت اکسیژن وجود دارد که اکسیژن مایع با فشار بالاتر مورد نیاز برای عملکرد پیش‌سوزنده‌ها را تأمین می‌کند.

موتور دارای پیش‌سوپاپ‌هایی است که مخازن را به موتورها و شیر اصلی سوخت متصل می‌کند، که پیش‌سوزان‌ها و کانال‌های خنک‌کننده‌ی احیا را تغذیه می‌کند. سیستم احیا دارای یک شیر جداگانه به نام شیر خنک‌کننده‌ی محفظه است که می‌توان آن را برای هدایت سوخت بین MCC و سیستم‌های احیا تنظیم کرد.

سه دریچه اکسیژن وجود دارد، که یکی از آنها هر یک از سه محفظه احتراق (MCC و پیش‌سوزاننده‌ها) را تغذیه می‌کند. در نهایت، تعدادی لوله گردش مجدد وجود دارد که سوخت گازی در حال جوش را یا به مخزن برمی‌گردانند یا آن را به جو تخلیه می‌کنند.

RS-25 با تکمیل مثلث احتراق، دارای جرقه‌زن‌های یدکی تقویت‌شده (ASI) است. سه مجموعه از این جرقه‌زن‌ها وجود دارد، یکی در هر پیش‌سوزاننده و یکی در MCC. ASIها خطوط تأمین سوخت و اکسیژن مخصوص به خود را دارند و اولین سیستم‌هایی هستند که سوخت را دریافت می‌کنند.

اگرچه بدیهی است که لوله‌ها، مجاری و حسگرهای بسیار دیگری در اطراف موتور وجود دارد، اما برای درک مفاهیم اصلی احتراق موتور، این ساده‌سازی کافی است.

پیش‌شرط

همانطور که در بالا ذکر شد، اولین قدم، پاکسازی و تنظیم دمای موتور است. RS-25 وارد «مرحله آماده‌سازی برای شروع» می‌شود؛ در طول این مرحله، رطوبت سمت اکسیژن موتور با استفاده از نیتروژن و رطوبت سمت سوخت با هلیوم تخلیه می‌شود. اکنون که موتور عاری از رطوبت است، می‌توان موتور را برای پرتاب از نظر دمایی تنظیم کرد. برای انجام این کار، پیش‌شیرهای اصلی سوخت باز می‌شوند و به هیدروژن مایع اجازه می‌دهند از طریق پمپ‌های سوخت و به داخل شیر اصلی سوخت جریان یابد. مقداری از این پیشران دوباره به گردش در می‌آید به طوری که یا مقداری از هیدروژن را به بیرون می‌ریزد یا آن را دوباره به داخل ورودی سوخت پمپ می‌کند.

اکسیژن با باز کردن پیش‌شیر اکسیژن، قسمت اکسیژن موتور را پر می‌کند و به پیشران برودتی اجازه می‌دهد تا از طریق پمپ‌های اکسیژن و سه شیر جریان یابد. این شیرها باید در هنگام راه‌اندازی بسیار دقیق کنترل شوند، زیرا شیر اصلی اکسیژن، MCC، پیش‌سوزاننده سوخت و پیش‌سوزاننده اکسیژن را تغذیه می‌کند. اکسیژن دوباره به گردش در می‌آید و دارای یک شیر تخلیه در شیر اکسیژن پیش‌سوزاننده سوخت است که امکان تخلیه مقداری اکسیژن را فراهم می‌کند. پیشران‌ها بیش از یک ساعت در داخل موتور نگه داشته می‌شوند تا موتور برای راه‌اندازی کاملاً آماده شود.

در تمام این مدت، کامپیوتر اصلی موتور ۵۰ بار در ثانیه فشار و دما را رصد می‌کند. چهار دقیقه قبل از احتراق، یک تخلیه نهایی موتور با هلیوم در پایین دست شیر اصلی سوخت انجام می‌شود. با فرض اینکه همه داده‌ها برای کنترل‌کننده موتور خوب به نظر برسند، کامپیوتر وارد وضعیت «آماده برای موتور» می‌شود.

توالی احتراق

سه ثانیه قبل از روشن شدن موتور، شیرهای تخلیه اکسیژن و هیدروژن بسته می‌شوند و موتور منتظر فرمان روشن شدن می‌ماند. به محض دریافت این فرمان، اولین اتفاقی که می‌افتد این است که شیر اصلی سوخت کاملاً باز می‌شود. باز شدن کامل این شیر تقریباً 2/3 ثانیه طول می‌کشد.

     

نموداری از توالی روشن شدن RS-25

 

در این مرحله، با وجود اینکه موتور از نظر استاندارد مطلق کاملاً سرد است، جریان پایین‌دست از نظر هیدروژن مایع و اکسیژن گرم است. این بدان معناست که وقتی هیدروژن مایع به موتور جریان می‌یابد، تقریباً بلافاصله به هیدروژن گازی تبدیل می‌شود. این انرژی حاصل از گرمای نهان موتور برای شروع چرخش توربین کافی است، که اساساً مانند یک موتور چرخه انبساطی می‌چرخد. همانطور که قبلاً اشاره شد، این به عنوان بوت‌استرپ یا شروع بی‌هدف شناخته می‌شود.

این امر منجر به ناپایداری ترمودینامیکی می‌شود. با جوش آمدن شعله‌ی سوخت، نوسانات غیرقابل کنترل اما قابل پیش‌بینی ایجاد می‌شود. حل این مشکل بسیار دشوار است، زیرا همه چیز واکنش تأخیری دارد، بنابراین کنترل‌کننده‌ی موتور باید بداند چه زمانی نوسانات فشار در فرآیند راه‌اندازی رخ می‌دهد.

این نوسانات حدود ۱.۵ ثانیه طول می‌کشد تا MCC به نقطه‌ای برسد که به عنوان پرایم شناخته می‌شود. پرایم، در این مثال، زمانی است که نرخ جریان جرمی در هر طرف انژکتور پایدار باشد. این اتفاق در هر سه محفظه احتراق زمانی رخ می‌دهد که جریان پایداری بین پمپ‌ها و محفظه‌ها وجود داشته باشد.

کمی به عقب برگردیم، همزمان با باز شدن شیرهای اصلی سوخت، ASI ها روشن شده و آماده احتراق هر پیشرانی هستند که با آن تماس پیدا کنند.

حالا که سوخت به سیستم وارد شده و توربین‌ها شروع به چرخش می‌کنند، باید اکسیژن نیز وارد شود. اولین چیزی که اکسیژن دریافت می‌کند، جرقه‌زن درون پیش‌سوزاننده سوخت است. سیستم درست زمانی که شیر اکسیژن مایع شروع به باز شدن می‌کند، شروع به جریان دادن اکسیژن مایع از طریق پیش‌سوزاننده می‌کند. تنها با ۵٪ باز شدن شیر اکسیژن پیش‌سوزاننده سوخت، اکسیژن مایع مستقیماً به داخل جرقه‌زننده هدایت می‌شود.

زمان شروع باز شدن شیر و ورود اکسیژن به داخل جرقه‌زن کاملاً با اولین افت فشار در طول این نوسانات فشار همزمان است. این امر تضمین می‌کند که نسبت مخلوط اکسیژن و هیدروژن صحیح است و اولین بخش احتراق کنترل خواهد شد.

از اینجا به بعد، شیر اکسیژن پیش‌سوزاننده سوخت باید «سوار بر امواج» این نوسانات شود تا بالا و پایین سیستم را دنبال کند - این امر مستلزم حرکات کوچک زیادی از شیر است. و بار دیگر، آنها نمی‌توانند به نوسانات فشار به دلیل واکنش تأخیری بین باز شدن شیر و وقایع رخ داده در پایین دست واکنش نشان دهند، بنابراین هر نوسان باید دقیقاً ثبت شود. در واقع، برای هر حرکت شیر در این دوره، می‌توان با اطمینان فرض کرد که موتوری منفجر شده و باید تغییراتی ایجاد شود.

در این مرحله، پمپ‌ها به سرعت می‌چرخند و سیستم در هر سه محفظه به تعادل نزدیک‌تر است (به حالت پرایم می‌رسد). ۱.۲۵ ثانیه پس از احتراق موتور، کامپیوتر سرعت توربین پمپ سوخت را بررسی می‌کند. در طول آزمایش، مشخص شد که پمپ برای حرکت به سمت پیش‌سوزاننده سوخت و احتراق MCC باید بالای ۴۶۰۰ دور در دقیقه باشد، در غیر این صورت، فشار هیدروژن کافی برای غلبه بر فشار MCC وجود نخواهد داشت.

۱.۴ ثانیه پس از شروع توالی احتراق، پیش‌سوزاننده سوخت درست زمانی که افت فشار زیادی وجود دارد و به دنبال آن افزایش سریع فشار رخ می‌دهد، به حالت آماده‌باش (پرایم) می‌رسد. این باعث می‌شود توربین سوخت خیلی سریع بچرخد؛ در واقع، هنوز هیچ فشار برگشتی از MCC پس از توربین وجود ندارد، زیرا در این مرحله به حالت آماده‌باش نرسیده است، بنابراین سرعت توربین به طرز مسخره‌ای بالا می‌رود. اگر به آن رسیدگی نشود، توربین در واقع بیش از حد سرعت می‌گیرد و باعث خرابی فاجعه‌باری می‌شود. بنابراین اطمینان از اینکه MCC دقیقاً در لحظه مناسب به حالت آماده‌باش می‌رسد، برای تأمین فشار برگشتی لازم مهم است.

با چرخاندن توربین سوخت و پمپ‌ها در ابتدا، اطمینان حاصل می‌شود که کل سیستم فشار و نسبت سوخت بالاتری دارد و موتور با سوخت غنی در حالت خنک شروع به کار می‌کند. اگرچه موتور نمی‌تواند آنقدر غنی از سوخت باشد که نتواند روشن شود، اما بهتر است به جای نزدیک شدن به شرایط استوکیومتری، بیش از حد غنی از سوخت باقی بماند.

با بازگشت به 0.2 ثانیه پس از روشن شدن موتور، شیر اکسیژن MCC شروع به باز شدن می‌کند تا اکسیژن را به داخل جرقه‌زن MCC جریان دهد. شیر MCC به آرامی باز می‌شود تا کمی کمتر از 60٪ باز شود. تأخیر و سرعت پایین باز شدن، تضمین می‌کند که جرقه‌زن MCC 0.85 ثانیه پس از روشن شدن موتور، اکسیژن داشته باشد. این امر باعث می‌شود موتور از نظر سوخت غنی باشد.

موتور MCC در ۱.۵ ثانیه به حالت پرایم می‌رسد که باعث می‌شود فشار در MCC به سرعت افزایش یابد و از سرعت بیش از حد توربین سوختی به دلیل افزایش فشار برگشتی و در نتیجه مقاومت روی توربین جلوگیری شود.

کمی به عقب برگردیم، زمان اولیه باز شدن شیر پیش‌سوزاننده اکسیژن ۰.۱۲ ثانیه است، اما به گونه‌ای طراحی شده است که تنها با باز شدن اولیه، جرقه‌زن پیش‌سوزان اکسیژن روشن می‌شود. این امر باعث می‌شود که جرقه‌زن پیش‌سوزان اکسیژن در ۰.۹۵ ثانیه، تنها یک دهم ثانیه پس از جرقه‌زننده MCC، روشن شود. شیر پیش‌سوزان اکسیژن به گونه‌ای طراحی شده است که تا زمانی که پیشسوزان اکسیژن ۴۶٪ باز نشده باشد، جریان اکسیژن از طریق آن آغاز نشود.

 بسیار مهم است که جریان اکسیژن به طور کلی حساب شده باشد. این یک تعادل دقیق بین دادن اکسیژن کافی به سیستم برای شروع احتراق و تأمین قدرت لازم برای کارکرد موتور است، اما نه دادن اکسیژن بیش از حد که در آن موتور شروع به کار رقیق کرده و دمای آسیب‌زا را تجربه می‌کند. به طور مشابه، شیر پیش‌سوزاننده اکسیژن به کنترل قدرت پیش‌سوزاننده اکسیژن کمک می‌کند، که سرعت توربین پمپ اکسیژن را کنترل می‌کند، که همان چیزی است که فشار کلی در سیستم اکسیژن را کنترل می‌کند. به طوری که یک شیر در واقع تأثیر زیادی بر کل موتور دارد.

پیش‌سوزاننده اکسیژن آخرین محفظه از سه محفظه‌ای است که در ۱.۶ ثانیه به حالت آماده‌باش می‌رسد. در ۱.۷ ثانیه پس از روشن شدن موتور، کامپیوتر اصلی موتور تأیید می‌کند که هر سه محفظه احتراق احتراق مناسبی داشته‌اند و به طور عادی کار می‌کنند. در آغاز این مرحله، که در آن موتور هر سه محفظه احتراق را روشن و آماده‌باش دارد، MCC تقریباً ۲۵٪ از سطح قدرت نامی خود را دارد اما به هیچ وجه پایدار نیست.

به منظور افزایش پایداری و افزایش حاشیه ایمنی شیر خنک‌کننده محفظه، که تا این لحظه کاملاً باز است، تا ۷۰٪ کاهش می‌یابد. این کار سوخت بیشتری را به مدت ۰.۴ ثانیه به MCC وارد می‌کند که به جذب تغییرات فشار و دما کمک می‌کند.

در ثانیه ۲.۴ از شروع این توالی، کامپیوتر وارد کنترل حلقه بسته می‌شود، به این معنی که در طول بقیه مسیر افزایش قدرت تا سطح توان نامی، کامپیوتر اصلی موتور در واقع به فشار و دما واکنش نشان می‌دهد و تنظیمات لازم را برای دنبال کردن مسیر افزایش قدرت انجام می‌دهد. بیشتر این کار با کنترل شیر اکسیژن پیش‌سوزن‌کننده اکسیژن انجام می‌شود، زیرا همانطور که در بالا ذکر شد، این شیر تأثیرات زیادی بر موتور دارد.

در ۱.۴ ثانیه بعدی، شیر اکسیژن پیش‌سوزاننده سوخت، به سادگی از عملکرد شیر پیش‌سوزاننده اکسیژن پیروی می‌کند تا به طور متناسب مقدار مناسب اکسیژن را به پیش‌سوزاننده سوخت برساند. در ثانیه ۳.۸، سیستم به طور کامل وارد کنترل مخلوط سوخت و هوا می‌شود، به این معنی که فقط شیر پیش‌سوزاننده سوخت و شیر اکسیژن برای افزایش نسبت مخلوط صحیح در MCC یعنی ۶:۱ استفاده می‌شوند، که باید در پنج ثانیه اتفاق بیفتد، و همچنین به این معنی است که موتور به طور کامل به سطح توان عملیاتی رسیده است.

همه اینها منجر به الماس‌های شوک زیبایی می‌شود که RS-25 به داشتن آنها معروف است. با نگاهی به گذشته، مشخص می‌شود که حل این مشکل چقدر دشوار بوده است؛ در واقع، فقط برای عبور از دو ثانیه اول شروع به کار، ۱۹ آزمایش در ۲۳ هفته با هشت تعویض پمپ توربو انجام شد. ۱۸ آزمایش دیگر در ۱۲ هفته و پنج تعویض پمپ توربو دیگر طول کشید تا به قدرت کامل برسد.

کاهش سرعت و خاموش کردن سیستم

روشن شدن تنها وضعیت دینامیکی نیست که یک موتور موشک با آن مواجه می‌شود. وقتی موتور در حالت پایدار کار می‌کند، باید تقریباً پایدار باشد. اما چه اتفاقی می‌افتد وقتی موتور نیاز به کاهش سرعت دارد؟ این موضوع بسته به موتور بسیار متفاوت است، اما به طور کلی، این کار با کاهش جریان به پیش‌سوز یا ژنراتور گاز انجام می‌شود. این کار معمولاً با یکی از شیرهای کنترل و اغلب با کاهش جریان اکسیژن برای حفظ حالت غنی از سوخت انجام می‌شود.

همین امر در مورد خاموش کردن موتور نیز صادق است. این یک رویداد دینامیکی دیگر است و قانون کلی این است که هرگز اجازه ندهید موتور به شرایط استوکیومتری (واکنش شیمیایی خود بخودی)نزدیک شود. از آنجایی که موتورها معمولاً با سوخت غنی کار می‌کنند، این به معنای ابتدا کاهش جریان اکسیژن و سپس بعداً کاهش جریان سوخت است.

معمولاً موتورها در سریع‌ترین زمان ممکن خاموش می‌شوند و از بارگذاری زیاد جلوگیری می‌شود. در RS-25، حرکت اولیه‌ی دریچه‌ی اکسیژن پیش‌سوزاننده‌ی اکسیژن به ۴۵٪ در ثانیه محدود می‌شود. دریچه‌ی اصلی اکسیژن نیز با سرعت خاصی بسته می‌شود، عمدتاً برای اطمینان از وجود فشار 

برگشتی کافی روی توربین‌ها تا در طول فرآیند خاموش شدن، به‌طور تصادفی از سرعت خود فراتر نروند.

     

    نموداری از توالی خاموش شدن RS-25

موتور رپتور

در مجموع، بسیار قابل توجه است که چه تعداد احتمال برای هر ورودی و شرایط وجود دارد، به خصوص با توجه به این واقعیت که بسیاری از این درس‌ها را فقط می‌توان به سختی آموخت. همین طرز فکر است که اسپیس‌ایکس را به آزمایش سریع موتور رپتور خود سوق می‌دهد. آنها درس‌های بی‌شماری آموخته‌اند که عملیات ایمن را در طول راه‌اندازی، تنظیم گاز و خاموش شدن شکل داده‌اند. علاوه بر این، به دلیل احتراق مرحله‌ای کامل رپتور (داشتن پیش‌سوزنده غنی از سوخت و غنی از اکسیژن)، این دو پیش‌سوزنده حتی بیشتر در هم تنیده شده‌اند. تغییر سرعت یکی تأثیر بسیار مستقیمی بر دیگری دارد.

چرخش اولیه رپتور با استفاده از هلیوم یا نیتروژن انجام می‌شود، اما پس از آن مشعل‌های اشتعال در پیش‌سوزان‌ها و احتمالاً نوعی احتراق همگن در MCC وجود دارد. به همین دلیل است که اسپیس ایکس تقریباً پنج بار در روز رپتورها را روشن می‌کند تا همه مشکلات را برطرف کند.(مقاله در سال2023ارائه شد)

کلام پایانی

راه‌اندازی یک موتور موشک بسیار سخت است. در حالی که برخی از آنها آسان‌تر از سایرین هستند، به راحتی می‌توان فهمید که چرا شرکت‌ها می‌توانند به راحتی مفاهیم موتور را ارائه دهند اما تعداد بسیار کمی از آنها به تولید و بهره‌برداری می‌رسند. وقتی شرکتی اعلام می کند که با موفقیت یک موتور جدید را راه‌اندازی کرده است، بسیار شایسته تشویق است و به این معنی است که احتمالاً از یکی از بزرگترین موانع توسعه عبور کرده است.

روشن کردن موتور موشک می‌تواند به سادگی ارسال یک سیگنال الکتریکی به یک جرقه‌زن باشد که باعث شروع احتراق موتور موشک سوخت جامد می‌شود، یا به پیچیدگی داشتن سوپاپ‌هایی باشد که باید موقعیت خود را در عرض چند میلی‌ثانیه ۲ درجه تنظیم کنند تا از RUD موتور جلوگیری شود. واقعاً یک معجزه است که چگونه توانستند موتورهای موشک را تا این حد قابل اعتماد بسازند.

منبع:https://everydayastronaut.com/