رژيم*هاي كاري خود ارتعاشي موتور

[EN-EZEL 13039]

 

اكنون ما به يكي از مهم*ترين پديده*هايي كه غالبا در حين تست*ها و مونتاژ موتورهاي موشك سوخت مايع مشاهده مي*شود، توجه مي*كنيم. بحث در خصوص رژيم*هاي ارتعاشات خود محرك يا در مورد احتراق ارتعاشي است.

اين سئوال نه فقط براي موتورها مهم است بكله كاربرد عمومي نيز دارد. اصول بروز خود ارتعاشي در فرآيندهاي كنترلي براي از بين بردن مجموعه مشكلات مكانيكي، الكترونيكي و راديوالكترونيكي واحد است. همچنين در تكنولوژي موشكي، جايي كه ما با سيستم*هاي اتوماتيك سروكار داريم، مسايل خود ارتعاشي جايگاه خاصي دارد. بنابراين در مباحث آينده، به رژيم*هاي خود ارتعاشي بر خواهيم گشت.وقتي كه بخواهيم حركت موشك و اصول كنترلي آن را بررسي كنيم، در آنجا نيز در حالت كلي توضيح داده خواهد شد كه به كمك چه مثالهايي مي*توان اين پديده را تحقيق و بررسي كرد و چگونه مي*توان احتمال خطر بروز خود ارتعاشي نامطلوب را پيش*بيني كرد. فعلا ما فقط به توضيح اين مساله مي*پردازيم.

در علم مكانيك، خودارتعاشي در حالت كلي مربوط به فرآيندهايي است كه اثر پريوديك خارجي وجود ندارد و به تاثير از تغيير پريوديك پارامترهاي داخلي در خود سيستم ايجاد مي*شود و مطابق با اين تغييرات، مصرف پريوديك انرژي از بعضي چشمه*هاي خارجي صورت مي*گيرد.

رژيم*خاي خود ارتعاشي در مهندسي كاربرد فراوان دارد. بارزترين مثال خودارتعاشي كنترل شونده، موتور اتومبيل با احتراق داخلي است. مكش و تراكم مخلوط كاربراتور و بعدا احتراق، انبساط و تخليه مثالي از فرآيند خودارتعاشي كنترلي است. فرستنده*هاي راديويي كه امواج با فركانس ثابت را ارسال مي*دارند نيز نوعي از كاربرد فني فرآيندهاي خود ارتعاشي است. اين چنين مثالهايي در اطراف زندگي ما، خيلي زياد است. مجموعه*اي از مثال*ها وجود دارد كه خودارتعاشي بدون پيش*بيني به وجود مي*آيد و كار نرمال سيستم را به هم* مي*ريزد و در نتيجه آن حادثه*اي يا مشكلي ايجاد مي*شود. بنابراين، بايد در موتور موشك*هاي سوخت مايع به آن توچه داشت.

رژيم*هاي احتراق ارتعاشي در حين كار با اولين موشك*هاي جنگي سوخت جامد در جنگ جهاني دوم مشاهده شد. همچنين وقتي كه در دهه*هاي چهل و پنجاه ميلادي كار روي موتورهاي سوخت مايع شروع شد خيلي زود متوجه شدند كه در اين نوع موتورها نيز مشكل وجود دارد. بروز رژيم ارتعاشي در موتور سوخت مايع باعث شگفتي طراحان شد. به خصوص وقتي كه خودارتعاشي در مرحله تست*هاي استند و حتي در موتورهاي نصب شده روي موشك خود را نشان داد.

در آن زمان علت مشكل به طور دقيق مشخص نبود و لازم است كه كم و بيش به گزارشس*ها و بحث*هاي واقع*گرايانه ارجاع شود. در ضمن تجربه به دست آمده براي آينده مفيد واقع شود.

در شروع، انواع ارتعاشهاي خود محرك، همگي به يك شكل ظاهر مي*شدند كه درمان و چاره آن*ها نيز با تدابير مشابه صورت مي*گرفت. اما همان*طور كه در تجربه كار پزشكي مشخص شد كه بيماري سرماخوردگي انواع گوناگون دارد و براي هر نوع آن يك واكسن خاص مورد نياز است، در اين*جا نيز در آناليز خودارتعاشي مشاهده شد كه چندين نوع خودارتعاشي وجود داردو براي هر كدام نيز راه حل جداگانه وجود دارد.

چنين تقسيم*بندي براي انواع خودارتعاشي و زير گروه*هاي آن منطقي است.

رژيم*هاي خودارتعاشي به صورت يك زنجيره توابع ديفرانسيلي نوشته مي*شود. به عنوان مثال A تابعي از B، B تابعي از C و C از D تابعي است و فرض مي*كينم كه D تابعي از A است. اگر به يكي يا چند تا از پارامترهاي شمرده شده، اغتشاشي اعمال گردد، همه آن پارامترها به شكلي برحسب زمان تغيير خواهند كرد. در شرايط معمولي، زماني كه خودراتعاشيوجود ندارد، هيچ تغييري در وضعيت پارامترها مشاهده نمي*شود و به فرم اوليه خود باز مي*گرداند. اما ممكن است كه تغيير دامنه در هر يك به وجود آيد و نسبت به زمان افزايش يابد.

سيكل بسته تغييرات ABCDA براي چنين سيستمي، مانند موتور موشك به جهت حلقه*هاي ارتباطي كه روي يكديگر اثر مي*كند مشكل*تر مي*شود. به سيكل مورد نظر مي*توان به عنوان مثال همچنين حلقه*هاي CDEC و ABFA را پيشنهاد كرد.

البته در شرايط مشابه بروز حلقه*هاي خودارتعاشي با يكديگر مرتبط هستند. آناليز چنين سيستم خودارتعاشي به مراتب ساده*تر مي*شود اگر فركانس*هاي خودارتعاشي در هر يك از حلقه*ها به طور محسوس با يكديگر متفاوت باشند در اين صورت مي*توان ارتباط بين حلقه*ها را ضغيف در نظر گرفت. در اين*جا مي*توان نتيجه گرفت كه اگر هنگام تست، خودارتعاشي با فركانس مشخص در يك زنج خاص به وجود آيد، مي*توان بلافاصله گفت كه چه حلقه*اي را كه مرتبط كننده بين پارامترها است، بايد تغيير داد كه خودارتعاشي سيستم از بين برود.

رژيم*هاي خودارتعاشي به وجود آمده در موتورهاي موشك سوخت مايع را برحسب فركانس تقسيم*بندي مي*كنند. نوع اول- ارتعاشات فركانس پايين. اين*ها فقط در تست*هاي پروازي مشاهده مي*شوند. آن*ها در تست استند به وجود نمي*آيند. فركانس اين نوع ارتعاشات در رنج 10 تا 100 هرتز قرار دارد. علت بروز اين نوع خودارتعاشي به خود از ارتباط بين تغيير شكل الاستيك طولي پوسته موشك و تغيير پيش*ران حاصل مي*شود.

در ارتعاشات طولي پوسته به طور پريوديك، فشار سوخت و اكسيد كننده در ورود به پمپ*ها تغيير مي*كند و در نتيجه تزريق و پيش*ران تغيير مي*كنند و در نتيجه، زنجيره اثر ارتباطي در همان تغييرشكل طولي پوسته بسته مي*شود.

 

در چنين بررسي*هايي لازم نيست كه عامل اوليه شروع ارتعاشات را جست*وجو كرد(اين يك اشتباه فراگيراست) چون به سئوال بي*جواب اول تخم*مرغ بوده است يا مرغ بر مي*گرديم.

آناليز خودارتعاشي فركانس پايين در موشك كاملا مشكل است. جرم سوخت و اكسيد كننده در مخازن كه به وسيله درپوش*هاي خم شونده الاستيك تحمل مي*شود، تعداد زياد از جرم*هاي معلق و پيچيدگي تابع تبديل فشار در ورود به پمپ برحسب تغييرات پيش*ران از جمله مسايلي است كه بايد بررسي شود. هدف كاملا روشن است و توفق آن در مرحله مطالعه طراحي است. در نتيجه لازم است كه از بروز خودارتعاشي جلوگيري كرد و تدابير لازم براري از بين بردن آن*ها را به كار برد.

سيستم كنترلي كه قبلا بررسي شد در مقابله با اين نوع از خودارتعاشي ناتوان است. رگولاتور دبي جرمي و شير داراي اينرسي نسبتا زيادي هستند. آن*ها براي تغييرات نسبتا ملايم پيش*ران و دبي جرمي كاربرد دارند. سيستم كنترل خود محرك، استعداد ايجاد فركانس طبيعي با ارتعاشات فركانس پايين*تر را دارد كه اين سئال در مرحله مطالعه طراحي هر سيستم كنترلي بررسي مي*شود.

هنگام بروز ارتعاشات فركانس پايين طولي، خارج كردن پارامترهاي سيستم از ناحيه خطر ناپايداري مشكل است. تغيير سختي پوسته يا تغيير قانون محوه توزيع جرم، عملا غير ممكن است. بنابراين در شرايط خيلي ضروري، يك از تدابير، نصب دمپرهاي هوايي است كه نزديك به لوله*هاي سوخت و اكسيد كننده همراه با مخازن(حجم*هاي) بسته*اي نصب مي*شود. هنگام شارژ سوخت و اكسيد كننده در اين مخازن، حباب*هاي هوا توليد مي*شود. در اين صورت سيال غير قابل تراكم با خواص تغيير يافته شبيه تراكم*پذير مي*شود كه مشخصه*هاي ديناميكي سيستم ارتعاشي به اين صورت تغيير مي*يابد. با تغيير حجم اين دمپرها مي*توان سهم بالايي از اين فركانس*هاي خطرناك خود تحريك را از بين برد.

نوع دوم ارتعاشات در رنج فركانسي 50 تا 300 هرتز قرار مي*گيرد. اين نوع ارتعاشات، در تست استند موتور ايجاد مي*شود و غالبا بر اثر فشار معكوس در محفظه روي سيستم شارژ اتفاق مي*افتد. اگر در محفظه به دليلي فشار بالا رود، در اين صورت سيستم تزريق، آن را به صورت يك مقاومت حس مي*كند. در نتيجه، تزريق سوخت و اكسيد كننده كم و محدود مي*شود و به نوبه خود با يك تاخير زماني باعث كاهش فشار در محفظه مي*شود. بدين ترتيب يك حلقه ارتباطي بسته شده بين محفظه و سيستم تزريق ايجاد مي*گردد كه در اين صورت خودراتفاشي ممكن است ايجاد شود. به اين صورت فشار بالا مي*رود، در نتيجه دبي جرمي كاهش مي*يابد و در اثر كاهش دبي جرمي فشار كم مي*شود، بنابراين دبي جرمبي افزايش مي*يابد. اثر مدت زمان پاشش سوخت و اكسيد كننده تا تبديل آن*ها به محصولات احتراق كه به شكل يك تاخير زماني ظاهر مي*شود، نقش حلال را بازي مي*كند. با افزايش افت فشار روي انژكتور به خودارتعاشي فركانس متوسط مي*توان غلبه كرد. اين كار باعث ضعيف شدن اثر معكوس(برگشت) تغيير فشار سريع داخل محفظه روي كار سيستم تزريق مي*شود. گاهي اوقات براي مبارزه با اين ارتعاشات و تغيير فاز اترعاشات، دبي جرمي و فشار طول يك يا چند تاز از لوله*هاي شارژ سوخت و اكسيدكننده به محفظه را تغيير مي*دهند.

بالاخره سومين نوع خودارتعاشي، ارتعاشات فركانس بالا است كه ارتعاشات داخل محفظه*اي با فركانس*هاي بالا 500هرتز هست. اين پديده از نوع گاز ديناميكي و خطرناك*ترين نوع خودارتعاشي است. اين ارتعاشات ارتباطي به سيستم تزريق و محفظه ندارد و بيشتر در موتورهايي با پيش*ران بالا ظاهر مي*شود. مكانيزم بروز آن*ها بر اين اساس است كه زمان توليد گاز(گازي شدن) ثابت نيست و تابعي از فشار نزديك به صفحه انژكتور موتور است. با افزايش فشار محلي(مهم نيست به چه دليلي ايجاد مي*شود) گاز با شدت بيشتري توليد مي*شود و در نتيجه فشار محلي بازهم افزايش مي*يابد و موجي با سرعت صوت توزيع مي*شود. با انعكاس موج از طرف ديواره مقابل، موج به صفحه انژكتور بر مي*گردد و مجددا توليد گاز شديد*تر مي*شود. پريود چنين ارتعاشي برحسب زمان مورد نياز موج به طوري كه طولي برابر با طول مشخصه محفظه را طي كند، تعيين مي*شود. مدهاي ايجاد شده ارتعاشي به مدهاي طولي و عرضي تقسيم مي*شود.

در مدهاي طولي موج*ها از صفحه انژكتور به سمت نازل محفظه احتراق حركت مي*كنند. در مدهاي عرضي يا شعاعي موج*ها متقارن و غير متقارن هستند و از ديواره*هاي عرضي محفظه منعكس مي*شوند.

شكل خود ارتعاشي فركانس بالا نه تنها باعث اثر رزونانسي در سازه ديواره*هاي نازك محفظه مي*شود، بلكه در تغيير ساختار لايه گاز كناره ديواره و بر هم زدن رژيم خنك*كاري مؤثر است. اگر خودارتعاشي فركانس بالا به وجود بيايد، محفظه حتي ثانيه*اي نمي*تواند در چنين رژيمي كار كند. راه چاره مبارزه با خودارتعاشي فركانس بالا، انتخاب طول مناسب محفظه، نصب صفحه صليبي ميراكننده ارتعاشات بين ناحيه گسترش موج و تغيير شكل صفحه انژكتور است.

برطرف كردن كامل رژيم خودارتعاشي مشكل است، اما مي*توان قطعا تاكيد كرد كه در زمان حاصر، تجربه كافي براي مبارزه با اين پديده به دست آمده است و در فن موشك*سازي امروزي مشكلي در اين خصوص وجود ندارد.