رفتن به مطلب

مرجع:انواع موتور هواپیما و فضا پیما


EN-EZEL

ارسال های توصیه شده

Lycoming R-7755 بزرگترين موتور پيستوني

 

Lycoming R-7755 بزرگترين موتور پيستوني اي است كه براي هواپيماها ساخته شده است. اين موتور داراي 36 سيلندر با حجم 7750 اينچ مكعب (127 ليتر) و قدرتي حدود 5000 اسب بخار مي باشد. اين موتور به منطور استفاده در بمب افكن Convair B-36 طراحي و ساخته شد. تا سال 1946 كه سال پاياني اين پروژه بود فقط دو نمونه از اين موتور ساخته شد.

405px-

 

 

شركت Lycoming در آن سال ها در طراحي و ساخت موتورهاي پرقدرت به توفيق آنچناني نرسيده بود. آنها ورود به عرصه موتورهاي عظيم الجثه (Hyper Engines) را با ساخت موتور O-1230 شروع كردند. O-1230 قدرتي حدود 1200 اسب بخار داشت اما اين قدرت نيازهاي هواپيماهاي آن زمان را ارضا نمي كرد و نياز به قدرت هاي بالاتر احساس مي شد. Lycoming با ادغام كردن دو موتور O-1230 و توليد يك موتور H-type با نام H-2470 توانست يك قدم جلوتر گام بگذارد. اين موتور در هواپيماي Vultee XP-54 به كار گرفته شد. با پايان ساخت اين هواپيما، ساخت موتور H-2470 هم متوقف شد.

 

مدتي بعد Lycoming تصميم به ساخت بزرگترين موتور دنيا گرفت. در تابستان 1943 آنها با تشكيل يك تيم تحت سرپرستي Engineering Clarence Wiegman در مقر اصلي خود يعني كارخانه Williamsport كار خود را شروع كردند.

 

در طراحي نهايي به اين نتيجه رسيده شد كه يك موتور ستاره اي 4 رديفه با 9 سيلندر در هر رديف ساخته شود. بر خلاف ساير موتورهاي ستاره اي كه به وسيله هوا خنك مي شدند، R-7755 به وسيله آب خنك كاري را انجام مي داد. از نظر ظاهري R-7755 شبيه به موتور Junkers Jumo 222 بود، اما Junkers Jumo يك موتور V-type بود.

R-7755 حدود 10 پا (3 متر) طول داشت. قطر آن چيزي حدود 5 پا (1.5 متر) بود. وزني حدود 6050 پوند (2740 كيلوگرم) نيز داشت. حداكثر قدرت موتور 5000 اسب بخار در دور موتور 2600 rpm بود.

 

در اين موتور از سيستم Overhead Camshaft استفاده مي شد. سوپاپ ها نيز از نوع Poppet Valve بودند. سيستم Camshaft در اين موتور داراي دو رديف Cam بود، يكي براي حالت Full takeoff power و ديگري براي حالت كروز كه خلبان مي توانست بين اين دو حالت سوييچ كند. در طراحي موتور تعدادي از متعلقات (Accessories) در جلوي Camshaft نصب مي شدند كه از آن جمله مي توان به دو Magneto و چهار Distributor اشاره كرد. از Camshaft هفتم كه در جلوي موتور قرار داشت براي سيستم روغن Reduction Gear (گيربكس كاهنده دور ملخ) استفاده مي شد.

 

مدل اوليه يعني XR-7755-1 فقط داراي يك Shaft خروجي بود و تنها يك ملخ را مي توانست بچرخاند. استفاده از يك ملخ باعث مي شود كه براي ايجاد تراست بيشتر سايز ملخ بزرگ شود كه مشكلات فراواني را به همراه دارد و عملا ساخت آن ممكن نيست. به منظور رفع اين مشكل، تصميم گرفته شد تا مدل XR-7755-3 ساخته شود. اين مدل داراي دو Shaft خروجي بود كه مي توانست دو ملخ را بر خلاف جهت هم (Contra-Rotating Props) بچرخاند. ضمنا Reduction Gear در اين سري دو حالت داشت كه مي توان با توجه به شرايط گوناگون بين اين دو حالت سوييچ كرد. در سري نهايي اين موتور يعني XR-7755-5 تنها يك تغيير انجام شد و سيستم انژكتور جايگزين كاربراتور شد.

 

در سال 1944 در اولين تستي كه بر روي XR-7755-3 انجام شد گرچه قدرت 5000 اسب بخار ثبت شد اما مشكلاتي نيز در موتور ديده شد. طبق قرار داد پس از رفع يك سري مشكلات، نمونه دوم در سال 1946 براي USAAF (United States Army Air Forces) آماده شد. اما در همين زمان بود كه نيروي هوايي رويكرد خود را به سمت موتورهاي جت تغيير داد و اين آب سردي بود بر پيكر Lycoming !

 

 

General characteristics

 

* Type: 36-cylinder turbosupercharged liquid-cooled "star"

(9 banks of 4 cylinders) aircraft piston engine

* Bore: 6 3⁄8 in (161.9 mm)

* Stroke: 6 3⁄4 in (171.4 mm)

* Displacement: 7,756.3 in3 (127.1 L)

* Length: 120 in (3,050 mm)

* Diameter: 60 in (1,525 mm)

* Dry weight: 6,050 lb (2,745 kg)

 

Components

 

* Valvetrain: Single overhead camshaft with separate cams for takeoff and economical cruise (Variable valve timing)

* Cooling system: Liquid-cooled

 

Performance

 

* Power output:

5,000 hp (3,730 kW) at 2,600 rpm takeoff

4,000 hp (2,985 kW) at 2,300 rpm cruise

* Specific power: 0.64 hp/in³ (29.3 kW/L)

* Specific fuel consumption:

0.70 lb/(hp•h) (0.43 kg/(kW•h)) at takeoff power

0.485 lb/(hp•h) (0.29 kg/(kW•h)) at 70% power

0.37 lb/(hp•h) (0.22 kg/(kW•h)) at minimum cruise power

* Power-to-weight ratio: 0.82 hp/lb (1.36 kW/kg)

/*/*]]>*/

 

منبع : www.catc.blogfa.com

لینک به دیدگاه

موتور CFM56-5A

موتور CFM56-5A

اين موتور قدرتي در حدود 22000 تا 26500 پوند توليد مي كند. اولين كاركرد موتور روي هواپيماي ايرباس A320 بوده ، اولين ETOPS روي هواپيماي ايرباس A320 بوده و به طور كل بالاترين قابليت اعتماد در ايرباس A320 بوده است و بيشترين تجربه كاركرد اين نوع موتور برروي هواپيماي ايرباس A320 بوده است.

تاريخچه : هواپيماي A320 يك طرح مخصوص براي برد Short to Medium مي باشد. موتور CFM56-5A قدرتي حدود 22000 تا 26500 پوند توليد مي كند به بسيار با ارزش است. اين موتور نوع پيشرفته اي از خانواده CFM56-2 وCFM56-3مي باشد ، كه به ترتيب قدرتي در حدود 22000 و 23500 پوند توليد مي كنند. موتور CFM56-5A براي هواپيماي ايرباس كوچكتر يعني ايرباس A319 كاملا بهينه و خوب مي باشد. اين موتور توسط راندمان اضافه شده از تمامي قطعات و گسترش دوره ترموديناميك مشخص شده است. به يك فن در سه اندازه ، با طرحي آيروديناميكي مجهز شده است و توانايي كامل در كنترل الكتريكي ، ديجيتالي كه راندمان يكسان سازي هواپيما و سيستم هاي موتور را انجام دهد دارا است. اين نوع موتور از نظر مصرف سوخت 11 تا 15 درصد در مقايسه با نمونه هاي قبلي كمتر است، در نتيجه 15 تا 17 درصد ضريب مصرف سوخت را براي ايرباس A320 دارا است.

 

منبع :http://www.enpilot.blogfa.com/post-22.aspx

لینک به دیدگاه

موتورجنرال الكتريك 90

 

موتور جنرال الکتریک 90 موتورتوربوفنی بسیار پیشرفته با کنارگذر بسیار بالا بوده که برای هواپیمای دوموتوره بویینگ 777 طراحی شده است. GE 90 موتوری کاملا توربوفن است که رکورددار بالاترین نیروی پیشران در میان موتورهای جت است که نیروی پیشران 115,000 پوند را برای آن در نظر گرفته اند. بر روی میز تست Thrust 127,900 پوند از این موتور گرفته شده است که نشان دهنده ضریب بازدهی/اطمینان عالی این موتور است.

 

 

این موتور با نسبت فشار 1 به 45 دارای بالاترین رکورد نسبت فشار کمپرسور میان موتورهای هواپیمایی است. چنانچه که فشار هوا در خروج از کمپرسور و ورود به combustion chamber چیزی در حدود 45 bar یا 661 psi می باشد.

 

 

با داشتن نیروی پیشران بالا و مصرف سوخت پایین specific fuel consumption , ایده آلی است تا جایی که SFC این موتور به اندازه یک موتور دیزلی معمولی بزرگ است. بازدهی خوب این موتور از بالا بودن نسبت فشار هوا , بالا بودن دمای ورودی توربین و ضریب کنارگذری بالا (High By-pass Ratio) می باشد که بیشتر انرژی گازهای داغ خروجی را به قدرت محوری برای چرخاندن فن بزرگ موتور با دور کم , می گیرد که بیشترین درصد نیروی پیشران را برای GE 90 پدید می آورد.

 

 

پره های تمام کامپوزوتی فن 128 اینچی موتور هوا را به درون موتور می کشاند. قطر فن و nacelle این موتور به اندازه قطر بدنه Boeing 737 است. پره های فن یک طبقه ای این موتور که کاملا از کامپوزیت های کربن ساخته شده اند دارای انحنای زیبایی است که خود در افزایش راندمان نقش به سزایی دارد. فن تنها با دور 2250 دور در دقیقه می چرخد ولی حجم هوایی که به درون خود می کشد به اندازه ای است که نیرویی باور نکردنی را درست کند.

 

 

هوا پس از گذشتن از فن دو دسته می شود. یکی که به وارد کانال کنارگذر رفته و از کنار موتور رد شده و در پایان از موتور بیرون رود. ضریب کنارگذری این موتور 1 به 9 است.

 

ge90_nacelle.jpg

 

 

هوایی که به مسیر کنارگذر نرود نخست با کمپرسور فشار پایین 4 مرحله ای محوری که پره هایی از تیتانیوم دارد و با دور فن می چرخد و در سپس در کمپرسور فشار بالای 9 طبقه ای محوری که به خاطر دمای بالای هوا از جنس آلیاژهای تیتانیوم و فولاد های پایه نیکل است فشرده می شود.

 

 

پره های ثابت متغیرکمپرسور (Variable geometry compressor stators) و دریچه های میانی موتور برای خروج هوا در میان طبقات (compressor air bleed) مکانیزمی به دور از واماندگی در همه رژیم های کاری را رقم می زند.

 

 

هوای فشرده به محفظه احتراق double annular که دارای سوخت پاش های duplex است خورانده می شود. double annular combustor (DAC) ایده نویی از شرکت جنرال الکتریک که برای بهسوزی سوخت و کاهش آسیب های گازهای خروجی است. در قدرتهای پایین سوخت فقط به محفظه سوخت بیرونی تزریق می شود. با افزایش قدرت سوخت به محفظه درونی نیز فزستاده می شود که بهسوزی سوخت را در پی دارد. دمای خنک شده گازهای احتراق 2700 درجه فارنهایت است که به توربین 2 طبقه ای پرفشار وارد می شود. پس از آن توربین کم فشار 6 طبقه ای است.

 

 

سیستم پیشرفته الکترونیکی در پره های توربین با افزایش و کاهش جریان خنک کن ار کمپرسور به توربین

 

ge90_huge.jpg tip clearance در پره های توربین را کنترل می کند air sealing و power setting بهتری را فراهم می کند.

 

 

پس از خروج گازها از توربین گازهای داغ با گازهایی که از کنارگذر می آیند مخلوط شده و هوایی با دمای کمتر به بیرون هدایت می شود. با این کار صدای گوش خراش نازل کم می شود.

 

 

بنابر این در موتورهای توربوفن مانند GE 90 بیشتر صدا ناشی از فن است که با انحنا دادن به فن و متمایل کردن پره های آن به عقب (swept back fan blades) صدا را کاهش می دهند.

 

ge90_overhaul.jpg

 

General Electric GE90-115B High Bypass Turbofan

 

  • Type: Ultra High Bypass Ratio Dual Shaft Turbofan
  • Bypass Ratio: 9:1
  • Low Pressure Compressor: Single Stage fan, followed by 4 stage axial booster
  • High Pressure Compressor: 9 stage axial flow compressor
  • Burner: Double annular through-flow combustor
  • Turbine: Dual spool, 2 stage axial high pressure turbine, 6 stage axial low pressure turbine
  • Exhaust: Coaxial core and bypass jet exhaust
  • Thrust Rating: 115,300 lbs. of thrust
  • Weight: 18,260 lbs.
  • Thrust/weight: 6.3:1
  • Air mass flow: Approximately 3,000 lbs/sec
  • Fan Pressure Ratio: 2:1
  • Overall Pressure Ratio: 42:1
  • Maximum Turbine Inlet Temperature: 2,700F+
  • Specific Fuel Consumption: .25 lb/lbt/hr
  • Fuel Burn at takeoff: 3,750 gallons/hr

منبع :http://www.turbokart.com/about_ge90.htm

لینک به دیدگاه

موتور AL 55 I

این موتور ساخت روسیه بوده و برای جت های سبک ساخته شده است

 

این موتور1760کیلوگرم رانش دارد

و برای جت اموزشی میگ AT و جنگنده HJT-36 ساخته شده است

 

احتمال دارد در اذرخش و صاعقه و شفق در اینده از این موتورها استفاده شود

 

 

نخستين نمونه اين موتور در سال 2006 توسط NPO-Saturn روسيه در 8 ماه ساخته شد.

al-55iathal.jpg

 

al55i.jpg

لینک به دیدگاه

موتور پیستون پراپ:

 

پراپ مخفف کلمه پروپلر (Propeller) و به معنی پروانه (ملخ) هواپیما می‌باشد.

در اینگونه موتورها نیروی پیشران (Propulsion) توسط پروانه تولید می‌شود که پروانه نیز بوسیله موتور پیستونی می‌چرخد.

محدودیت استفاده از این موتورها وزن آنهاست، زیرا درصورتی که نیروی زیادی از این موتور‌ها بخواهیم باید موتورهایی با وزن بسیار زیاد طراحی گردند.

 

منبع:daneshnameh.roshd.ir

نوشته شده توسط:حسین خادم

لینک به دیدگاه

قوي ترين موتور پيستوني دنيا

 

بزرگترين وقوي ترين موتور پيستوني دنيا موتور XR-7755 ساخت شركت هواپيمايي لايكومينگ است.اين موتور 5/1 متر قطر و 2744كيلوگرم وزن دارد و در 2600 دور بر دقيقه 5000 اسب بخار قدرت توليد ميكند.موتور 36 سيلندر ستاره اي لايكومينگ كه در 4 رديف 9 تايي ارايش يافته داراي حجم نهايي 7755اينچ مكعب است كه در مقايسه با موتورهاي فعلي 720 اينچ مكعبي لايكومينگ 10 برابر حجيم تر ميباشد.ين يل لنگ و محور پروانه يك جعبه دنده دو سرعته قرار گرفته است.

طراحي و ساخت XR-7755 در شركت لايكومينگ واقع در شهر ويليلم اسپورت در تابستان 1943 اغاز شد.پس از اتمام جنگ جهاني دوم وبا پيدايش موتورهاي توربوپراپ نيروهاي مسلح اعلام كردند ديگر هيچ احتياجي به موتوري به اين اندازه ندارند. كه متوقف شدن برنامه اين موتور در مرحله پيش نمونه را به دنبال داشت.

255rwv4.jpg

لايكومينگ براي طراحي XR-7755 تيمي به سرپرستس كلارنس ويگمن تشكيل داد.7753-1 توانايي چرخاندن تنها يك پروانه را داشت كه بعدها 7753-3 با قابليت به حركت دراوردن 2 پروانه عكس گرد ساخته شد.اخرين نمونه اين موتور 7753-5 ميباشد كه سامانه سوخترساني تزريقي در ان نصب شده است.اين موتور در بيشترين قدرت خود 580 گالن در ساعت سوخت مصرف ميكرد.

براي درك قدرت XR-7755 كافيست بدانيد كه موتور توربوپراپ اليسون T-56 كه بر روي هواپيماي لاكهيد C-130 نصب مي باشد داراي قدرتي معادل 4500 اسب بخار است.با توجه به تراكم سيلندرها در اين گونه موتورها ي چند رديفي امكان خنك كردن سيلندره با هوا وجود نداشته و توسط مايع خنك ميگردد.اين موتور هم اكنون در موسسه اسميتسونيان نگهداري ميشود.

nlzl14.jpg

 

منبع:مجله هوايي /بهمن 86

لینک به دیدگاه

ساخت يك موتور پيستوني هواپيماهاي سبك

 

متخصصان آفريقاي‌جنوبي موفق به ساخت يك موتور پيستوني هواپيماهاي سبك شدند

 

متخصصان صنعت هوايي آفريقاي جنوبي براي نخستين بار موفق به توليد موتور پيستوني هواپيماي سبك از نوع "راوين ‪ "۵۰۰‬شدند. به اين ترتيب نخستين هواپيماي ملخي كه تمامي قطعات آن در داخل اينكشور توليد شده است، به بازار عرضه خواهد شد.

 

[align=center]avia-860913-motor.jpg[/align]

 

اين نخستين بار است كه متخصصان آفريقاي جنوبي موفق به توليد قطعات كامل يك هواپيماي سبك براي مصارف غيرنظامي شده‌اند. "ريچارد شولتز" مبتكر اين هواپيما مي‌گويد، در ساخت اين هواپيما و موتور آن از پيشرفته‌ترين تكنيكهاي هواپيماسازي، شامل قطعات الكترونيكي، استفاده شده است.

صرفه‌جويي در مصرف سوخت و هزينه كم ساخت از جمله ويژ‌گيهاي اين هواپيماست كه از استانداردهاي بالاي جهاني برخوردار است.

رواين۵۰۰يك هواپيماي ملخي سبك پرواز با گنجايش چهار سرنشين مي‌باشد كه حداكثر وزن آن به هنگام برخاستن از زمين۱۶۲۰كيلوگرم است. حداكثر سرعت پروازي اين هواپيما ‪ ۲۱۳مايل در ساعت مي‌باشد و مصرف سوخت آن ‪ ۱۴گالن در هر مايل است.

 

منبع: http://www.Avia.ir , http://www.irkhabar.com

لینک اصلی

لینک به دیدگاه

راه‌اندازی فناوری جدید برای موتورهای جت

 

متخصصان کمپانی ایروجت موفق شده‌اند فناوری جدیدی را برای کنترل موتورهای جت عکس‌العملی به کارشناسان این زمینه در جهان معرفی بدارند. این موتور که با سوخت متان و اکسیژن در زمره‌ی موتورهای برودتی عکس‌العملی قرار می‌گیرد، از فناوری جدیدی بهره می‌برد که در موتورهای عکس‌العملی برای اولین بار به جهانیان معرفی می‌شود.

 

[align=center]avia-860917-aero.jpg[/align]

این موتور و فناوری که نتیجه‌ی تحقیقات طولانی مدت متخصصان این کمپانی تحت برنامه‌ی طراحی سیستم‌ پیشرانه‌ی پیشرفته‌ی برودتی صورت پذیرفته است، به استفاده در نسل جدید موتورها با سوخت‌های و خروجی‌های غیرسمی خواهند رفت.

 

منبع: http://www.Avia.ir , http://www.spacetravel.com

لینک اصلی

لینک به دیدگاه
  • 4 هفته بعد...

يونهاي کوچک و فضا پيماهاي بزرگ

 

امروزه يکي از قديمي‌ترين و در عين حال مدرن‌ترين موتورهاي فضايي غيرشيميايي، موتورهايي با پيشرانه‌هاي يوني هستند. اين موتورها که در دسته موتورهاي الکتريکي جاي مي‌گيرند در حال حاضر در چند پروژه مهم فضايي مورد استفاده قرار گرفته و به ‌خوبي پاسخگوي نيازمنديها بوده‌اند.

 

پيشرانهاي فضايي، ابزاري براي تغيير سرعت موشکها، ماهواره‌ها و فضاپيماها هستند. آنها روشهاي متفاوتي براي توليد شتاب در سيستمهاي فضايي دارند که هر کدام مزايا و معايب خاص خود را دارد که با توجه به نوع کاربرد، در سفر به فضا و يا کنترل وسيله فضايي در مدار از آنها استفاده‌هاي متفاوتي مي‌شود.

 

اکثر پيشرانهاي امروزي بر مبناي افزايش انرژي جنبشي سوخت و خروج سريع آنها از دهانه خروجي استوار مي‌باشند. در اين‌گونه سيستمها به سوخت به اصطلاح داغ شده مجال داده مي‌شود تا از مجرايي به بيرون فرار کند. سرعت بسيار زياد گازهاي خروجي طبق قانون سوم نيوتن مجموعه موتور و هرآنچه را که به آن متصل است را در جهت مخالف خروج گازها به جلو هل خواهد داد. اين نوع از پيشرانهاي فضايي را موتورهاي راکت مي‌نامند. موتورهاي راکت با توجه به فرآيند کسب انرژي توسط گازهاي خروجي به دو دسته راکتهاي شيميايي و راکتهاي غير شيميايي تقسيم مي‌شوند. اکثر فضاپيماها از راکتهاي شيميايي استفاده مي‌کنند. در اينگونه موتورها ماده شيميايي قابل اشتعالي در مجاورت اکسيدکننده مناسبي قرار گرفته و شرايط لازم براي احتراق ترکيب فراهم مي‌شود. حاصل احتراق گازهاي پرانرژي و داغي است که مأموريت توليد پيشران را به عهده دارند. اين دسته از موتورها با توجه به نوع سوخت و اکسيدکننده به دو دسته کلي تقسيم مي‌شوند. موتورهاي سوخت جامد و موتورهاي سوخت مايع که موتورهاي سوخت مايع خود دو نوع دارد. بعضي انواع موتورهاي سوخت مايع که براي عمل در اتمسفر زمين طراحي مي‌شوند مکنده بوده و اکسيد کننده خود را که همان اکسيژن هوا است از راه مکش هوا به داخل موتور به دست مي‌آورند. اين عمل نظير رفتار موتورهاي جت هواپيماهاي جنگي است. نوع دوم موتورهايي است که اکسيد کننده در داخل مجموعه حمل مي‌شود مانند بسياري از موشک‌هاي فضايي يا جنگي.

 

 

 

 

 

 

 

 

امروزه يکي از قديمي‌ترين و در عين حال مدرن‌ترين موتورهاي فضايي غيرشيميايي، موتورهايي با پيشرانه‌هاي يوني هستند. اين موتورها که در دسته موتورهاي الکتريکي جاي مي‌گيرند و در حال حاضر در چند پروژه مهم فضايي مورد استفاده قرار گرفته و به ‌خوبي پاسخگوي نيازمنديها بوده‌اند. جالب است که ايده استفاده از نيروي الکتريسيته براي توليد پيشران به سالهاي اوليه توليد و گسترش موتورهاي موشک باز‌مي‌گردد اما به دليل محدوديتهاي فناوري در آن روزگار اين ايده تا به امروز عملياتي نشده بود. در اينگونه موتورها جريان سريع محصولات داغ احتراق جاي خود را به جرياني بسيار سريعتر از يونهاي پرانرژي مي‌دهند.

 

0000097-2.jpg

يک پيشران يوني در حال آزمايش. جريان آبي رنگ به دليل بازگشت از برانگيختگي اتمهاي زنون به وجود مي‌آيد

 

اين موتورها نيروي پيشران بسيار اندکي توليد مي‌کنند اما در مقابل مصرف آنها فوق‌العاده ناچيز است. از اين رو اين قبيل موتورها صرفاً براي استفاده بسيار طولاني مدت که زمان کافي جهت افزايش سرعت وجود داشته باشد، کاربرد دارند.

 

يون يک تک اتم يا مجموعه‌اي از اتمها است که با از دست دادن و يا به دست آوردن تعدادي الکترون، حالت خنثي الکتريکي خود را از دست مي‌دهد و تقارن بين تعداد پروتون‌هاي هسته و الکترون‌هاي پوسته در اين حالت به هم مي‌ريزد. اگر اتم تعداد الکترون بيشتري نسبت به پروتون داشته باشد به آن يون منفي يا آنيون گويند و در صورتي که تعداد الکترون کمتر از پروتون باشد به آن کاتيون يا يون مثبت مي‌گويند.

 

در موتورهاي الکتريکي روشهاي متفاوتي براي شتاب دادن به يونها وجود دارد که تمام آنها يک نقطه مشترک دارند و آن اين است که با تأمين نسبت شارژ به جرم بسيار زياد، يونها را تا آنجا که مي‌شود با سرعت بيشتري به بيرون پرتاب مي‌کنند. سرعت خروج گازهاي يونيده شده در اين گونه موتورها گاهي تا بيش از 10 برابر موتورهاي شيميايي مي‌باشد اما از آنجاييکه جرم گازهاي خروجي بسيار کمتر از پيشرانه‌هاي شيميايي است، پيشرانش (تراست) اين‌گونه موتورها خيلي کمتر از اسلاف شيميايي آنها است.

 

موتورهاي يوني انواع متنوعي دارد که بعضي از آنها ساخته شده و به کار گرفته شده‌اند و پاره‌اي ديگر در حد نظر و نقشه هستند. ساده‌ترين موتور يوني پيشنهاد شده تا کنون، موتور الکترواستاتيکي است که ساختمان و طريقه عملکرد ساده‌تري نسبت به همتايان مدرن خود دارد. در يک پيشرانه يوني الکترواستاتيکي، گاز نسبتاً سنگيني (نيروي پيشران موتور به حاصل‌ضرب دو عامل سرعت خروجي گازها و جرم آنها وابسته است) مانند آرگون با جرم اتمي 40 گرم بر مول يا بخار جيوه با جرم اتمي 200 گرم بر مول به عنوان سوخت مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

 

 

 

 

 

 

 

 

ابتدا اتمهاي سوخت، در حالت طبيعي خود، از روزنه کوچکي وارد محفظه موتور مي‌شوند و در آنجا توسط الکترونهاي حاصل از يک تفنگ الکتروني (مانند آنچه در لامپ تصوير تلويزيونها وجود دارد) بمباران مي‌شوند. برخورد الکترونهاي سريع به اتمهاي گاز باعث مي‌شود که اتمها يک يا چند الکترون از دست داده و به شکل يون مثبت درآيند. الکترونهاي آزاد شده خود در نقش بمبهاي جديد عمل کرده و فرآيند يون‌سازي شتاب مي‌گيرد. در ديواره محفظه موتور حلقه‌هاي مغناطيسي مخصوصي نصب شده تا با سرعت دادن به الکترونها، فرآيند بمباران را بهبود بخشند. الکترونها پس از برخورد با اتمها و از دست دادن انرژي خود، در نهايت توسط ديواره محفظه و يا شبکه توري با بار مثبت که در انتهاي موتور قرار دارد، جذب مي‌شوند و جاي خود را به الکترونهاي تازه‌نفس مي‌دهند.

 

0000098-1.gif

 

يونهاي مثبت بر اثر خاصيت پخش اتمي، سرانجام از منافذ شبکه توري با بار مثبت عبور کرده و وارد ميدان الکتريکي بسيار قوي بين دو شبکه مثبت و منفي مي‌شوند. اختلاف پتانسيل بسيار شديد بين دو شبکه باردار مثبت و منفي باعث مي‌شود که يونها به سمت توري محتوي بار منفي شتاب بگيرند. پتانسيل الکتريکي شبکه مثبت بسيار بيشتر از پتانسيل الکتريکي شبکه منفي انتخاب مي‌شود. از اين رو يونهاي مثبت بيشتر از آنکه تحت تأثير جاذبه شبکه منفي باشند، از دافعه شبکه مثبت پيروي مي‌نمايند. اين امر باعث مي‌شود که تعداد بسيار زيادي از يونها قادر به فرار از منافذ شبکه منفي شوند. فرار بسيار سريع يونهاي مثبت از انتهاي موتور بر طبق قانون سوم نيوتن باعث توليد نيروي پيشراني در جهت خلاف حرکت يونها مي‌شود.

 

اگر يک موتور يوني به اين شيوه به کار خود ادامه دهد، رفته رفته تجمع بار منفي در موتور افزايش يافته و سيستم حالت خنثي خود را از دست خواهد داد. از اين رو در اينگونه موتورها يک تفنگ الکتروني اضافي در پشت موتور به گونه‌اي نصب شده است که الکترونهاي پرتاب شده با يونهاي مثبت برخورد نموده و علاوه بر آنکه اتم را به حالت خنثي تبديل مي‌کنند، باعث تخليه بار منفي تجمعي موتور نيز مي‌شوند. چنانچه مجموعه موتور و يا سفينه فضايي حامل آن از نظر بار الکتريکي خنثي نباشد باعث ايجاد ميدان الکتريکي مضاعف در پشت شبکه مثبت، جايي بين اين شبکه و محفظه اصلي موتور خواهد شد. ايجاد چنين ميداني حرکت يونهاي مثبت به سمت خروجي موتور را مختل کرده و سيستم کار نخواهد کرد.

 

سرعت گازهاي خروجي از يک موتور نه‌چندان کارآمد يوني باز هم به مراتب از سرعت گازهاي خروجي يک موتور شيميايي بيشتر است. در موتورهاي اوليه يوني اين سرعت به حدود 30 کيلومتر بر ثانيه مي‌رسيد که امروزه تا حدود 200 کيلومتر بر ثانيه افزايش يافته است. در مقابل سرعت گازهاي خروجي يک موتور شيميايي بين 3 تا 5 کيلومتر بر ثانيه است. هرچند سرعت گازهاي خروجي بسيار زياد است اما از آنجاکه جرم مصرفي به عنوان سوخت خيلي اندک مي‌باشد، نيروي پيشران چنين موتورهاي بسيار کم است. اما در مقابل اين گونه موتورها مي‌توانند مدت زمان زيادي تا حدود 2 سال مداوم کار کرده و اندک اندک سرعت سفينه را افزايش دهند. اغلب نيرويي که توسط چنين موتورهايي توليد مي‌شود در حد وزن يک برگ کاغذ است. چنين نيروي پيشران اندکي مي‌تواند يک سفينه فضايي را با توجه به جرم آن با شتابي در حد يک ده هزارم تا يک ميليونيوم شتاب جاذبه زمين به حرکت وادارد.

 

در سفرهاي اکتشافي فضا و يا ماهواره‌هاي زمين‌آهنگي که براي مدت طولاني به دور زمين مي‌چرخند، استفاده از چنين موتورهايي توجيه دارد. مدت زمان طولاني چنين مأموريتهايي به طراحان اجازه مي‌دهد که با استفاده از نيروي پيشران اندک اين موتورها، تغيرات دلخواه سرعت را به دست آورند. مصرف انرژي الکتريکي اين‌ موتورها بين 2 تا 25 کيلووات بوده که تأمين چنين انرژي زيادي نيز خود مشکل تکنيکي ديگري است.

 

اکنون سفرهاي فضايي انگشت‌شماري از موتورهاي يوني به عنوان پيشران استفاده کرده‌اند که از آن‌جمله مي‌توان به ديپ اسپيس-1 که در 24 اکتبر 1998 توسط ناسا پرتاب شد، اسمارت-1 که در 27 سپتامبر 2003 به قصد گردش به دور ماه توسط اِسا به فضا فرستاده شد و کاوشگر فضايي هايابوسا که توسط آژانس فضايي ژاپن در 9 مي 2003 به قصد کاوش خرده‌سيارک سيب‌زميني شکل ايتوکاوا راهي بيکران فضا گرديد، اشاره نمود.

 

 

 

 

 

 

 

براي نمونه مشخصات موتور يوني ديپ‌اسپيس-1 به قرار زير است:

قطر : 30 سانتي‌متر

وزن : 8 کيلوگرم

ضربه ويژه : 3100 ثانيه

پيشرانش : 20 تا 92 ميلي‌نيوتن

سرعت خروج يونها : 30 کيلومتر بر ثانيه

وزن گاز زنون به عنوان سوخت : 5/81 کيلوگرم

مدت زمان کارکرد : 20 ماه

تغيير سرعت نهايي 5/4 کيلومتر بر ثانيه

0000097-3.jpg

موتور يوني به کار رفته در ديپ اسپيس-1 هنگام آزمايش

 

در مورد کاوشگر هايابوسا که مأموريت ويژه‌اي را انجام داد وضع به ‌گونه ديگري بود. لزوم رسيدن به خرده سيارک ايتوکاوا با سرعتي معقول، قرارگيري در مدار مشابه هدف، تعقيب ايتوکاوا با سرعتي برابر سرعت مداري آن و دور و نزديک شدن به سيارک با سرعتي بسيار آرام لزوم استفاده از چنين موتور قابل کنترلي را دو چندان کرده بود. هايابوسا براي طي بيش از دو بيليون کيلومتر راه تا رسيدن به ايتوکاوا در مدت 25800 ساعت کار مداوم موتورهاي يوني خود فقط 29 کيلوگرم زنون مصرف کرد و به‌ازاي آن به اختلاف سرعتي معادل 1400 متر بر ثانيه دست‌ يافت. نزديک شدن به ايتوکاوا در مراحل نمونه‌برداري با سرعت اندک 5 سانتي‌متر بر ثانيه که به سيستم کنترل فرصت لازم براي تصحيحات ضروري را مي‌داد از ديگر کاربريهاي اين موتورهاي کم‌ مصرف بود.

 

منبع : http://www.spacescience.ir

لینک به دیدگاه

رانش یونی فضاپیماهای بزرگ

 

 

مقدمه

 

پس از گذشت تقریبا نیم سده از پرتاب نخستین موشک به فضا ، فناوری های به کار رفته در ساخت موتورهای موشک ، دست خوش دگرگونیهایی گشته است. موتورهای سوخت مایع و سوخت جامد از این جمله هستند. در حال حاضر جدیدترین فناوری بکار رفته در ساخت موتور موشک ، موتور یونی است که از حالت چهارم ماده ، یعنی پلاسما بهره می‌برد. جالب است بدانید که ایده‌ پیشرانش الکتریکی از همان ابتدا توسط وارنرفن براون در دهه 1930 شکل گرفت؛ ولی او کارش را با سامانه‌های پیشران شیمیایی آغاز کرد.

 

موشکهای مرسوم همان موشکهایی هستند که وقتی به صحنه پرتاب شاتل فضایی یا مأموریت آپولو فکر می‌کنید در ذهنتان نقش می‌بندد. دود شعله بسیار بسیار عظیمی از گازها بر می‌خیزد. موشکهای مرسوم مقادیر بسیار عظیمی نیروی پرتاب تولید می‌کنند تا اجسام را در فضا قرار دهند و مانند هواپیمای جت ، آتش بازی و یا بادکنک رها شده ، از پدیده‌ای موسوم به پیشرانش استفاده می‌کنند. در اصل موشک به دلیل خروج مواد با فشار زیاد همچون گازهای داغ از عقب آن ، به سمت جلو حرکت می‌کند. گازها از سوختن در مجاورت اکسیژن یا ماده دیگری به نام اکسید کننده شکل می‌گیرند. یون ، یک اتم یا مولکول باردار است. علت باردار بودن ، آن است که تعداد الکترونها در اتم یا مولکول با تعداد پروتونها برابر نیست.

 

 

 

nasa-sys_shuttle_sts071-741_200X250.jpg

پیشران چیست؟

 

اساس کار موشکها قانون سوم نیوتن است: هر کنشی ، واکنشی برابر و در جهت مخالف دارد. برای اینکه موشکها به سمت جلو خیز بردارند، باید چیزی به سمت عقب خیز بردارد. آن چیز، پیشران است. پیشران ماده است که از عقب راکت فضاپیما با فشار خارج می‌شود و باعث رانش به سمت جلو یا نیروی پرتاب می‌شود. غالبا ، پیشران نوعی سوخت است که با یک اکسید کننده می‌سوزد تا حجم زیادی از گازهای بسیار داغ تولید کند. این گازها منبسط می‌شوند؛ تا جایی که با شدت از عقب موشک خارج شوند و نیروی پرتاب یا پیشرانش تولید کنند. گاهی اوقات پیشران نمی‌سوزد، و بطور مستقیم از فضاپیما خارج می‌شود و تولید نیروی پرتاب یا پیشرانش می‌کند. در رانش یونی ، پیشران از اتمهای باردار الکتریکی ساخته شده است که بر اساس خاصیت مغناطیسی از عقب فضاپیما خارج می‌شوند. برای پیشرانه‌های کوچکتر ، یک گاز متراکم از عقب فضاپیما خارج می‌شود.

یونها چگونه شتاب می‌گیرند؟

 

یونها رفتار مغناطیسی دارند. مانند یک آهنربا جذب چیزهایی با بار مخالف می‌شوند و از چیزهایی که بار موافق دارند دفع می‌شوند. سامانه الکتریکی پیشرانش یونی در دی اس 1 از این اصل جهت شتاب دادن به یونها بهره می‌برد. یک یون مثبت به سمت یک شی با بار منفی شتاب می‌گیرد و از شی با بار مثبت دور می‌شود. مقدار نیروی جاذبه و دافعه بستگی به اختلاف بار اشیای جذب شونده و دفع شونده دارد. هر چه این اختلاف -که اختلاف پتانسیل خوانده می‌شود- بیشتر باشد، یونها سریعتر حرکت می‌کنند و هر چه شی بار بیشتری داشته باشد، یون سعی می‌کند سریعتر به سمت آن حرکت کند.

پیشرانش الکتریکی خورشیدی یا پسرانش یونی چگونه کار می‌کند؟

 

پیشرانش الکتریکی خورشیدی از خاصیت الکتریسیته و مغناطیس جهت راندن یک سفینه در فضا بهره می‌برد. الکتریسیته از صفحه‌های خورشیدی سفینه حاصل می‌شود و به اتمهای داخل محفظه ، بار الکتریکی مثبت می‌دهد. این اتمهای باردار توئسط میدان مغناطیسی به سمت عقب سفینه رانده و سپس توسط دافعه مغناطیسی به خارج از سفینه پرتاب می‌شوند. این مانند اتفاقی است که وقتی شما دو قطب هم نام دو آهنربا را نزدیک یکدیگر می‌کنید رخ می‌دهد؛ آنها همدیگر را دفع می‌کنند. این رگبار منظم خارج شونده از سفینه ، نیروی پرتاب لازم برای حرکت به جلوی سفینه را در فضا ایجاد می‌کند.

چرا از پیشرانش الکتریکی خورشیدی استفاده می‌شود؟

 

هر وسیله برای حرکت باید سوخت حمل کند، موتورهای یونی روشی ارائه می‌کنند که در آن سفینه‌های فضایی برای حرکت در فضا ، برخلاف موشکهای مرسوم نیازی به حمل مقادیر زیاد سوخت ندارند. این روش مزایای زیادی دارد. یکی این که هر چه سفینه سوخت کمتری حمل کند، سبکتر خواهد بود و راحت‌تر به فضا می‌رود. مزیت دیگر این است که چون سفینه به سوخت کمتری نیاز دارد، خیلی زود سوختش تمام نمی‌شود تا از کار بیفتد. بیشتر انرژی داخل موشک یونی توسط الکتریسیته تأمین می‌شود که می‌تواند توسط صفحه‌های خورشیدی در حین پرواز تولید شود.

خلا برای موتورهای یونی

 

موتورهای پیشران یونی به این دلیل کار می‌کنند که در محفظه احتراق موتور می‌توان پلاسما بوجود آورد. یعنی الکتریسیته باید در داخل محفظه جریان داشته باشد. همانطور که می‌دانید هوا عایق است؛ یعنی از جریان الکتریسیته جلوگیری می‌کند. پیشرانش یونی زمانی رخ می‌دهد که هیچ فشار هوایی در محفظه وجود نداشته باشد و با اینکه فشار هوا خیلی ناچیز باشد. فشار هوا مهم است؛ زیرا یک گاز تنها در فشارهای پایین یونیزه یا باردار می‌شود. این به آن دلیل است که هر چه هوا یا گاز بیشتری در درون محفظه باشد، الکترونهایی که باید اتمها را یونیزه کنند به جای برخورد با اتمها ، به مولکولهای هوا برخورد می‌کنند. خلا یک فضای کاملا تهی است. اگر هوایی وجود نداشته باشد، هیچ فشار هوایی نیز وجود ندارد تا الکترونها را متوقف سازد. پیشرانش یونی زمانی رخ می‌دهد که هیچ فشار هوایی در محفظه وجود نداشته باشد و یا این که فشار هوا خیلی ناچیز باشد. فشار هوا مهم است؛ زیرا یک گاز تنها در فشارهای پایین یونیزه یا باردار می‌شود. هر وسیله برای حرکت سوخت حمل کند، موتورهای یونی روشی ارائه می‌کنند که در آن سفینه‌های فضایی برای حرکت در فضا ، برخلاف موشکهای مرسوم ، نیازی به حمل مقادیر زیاد سوخت ندارند.

 

 

 

Nightime_Shuttle.jpg

موتورهای یونی ، هسته‌ای نیستند.

 

موتور یونی بر اساس اصل باردار شدن ذرات کار می‌کند و هسته‌ای نیستند. موتورهای یونی با کنده شده الکترون از اتم کار می‌کنند، بنابراین اتمها تبدیل به ذرات باردار (یون) می‌شوند، ولی ساختار هسته آنها تغییری نمی‌کند. سپس یونها را با ایجاد یک میدان الکتریکی شتاب می‌دهند تا با سرعت زیاد از عقب موتور موشک خارج شوند. موتورهای یونی نسبت به موتورهای الکتریسیته ساکن ، بسیار ساده‌تر هستند. درست همانطور که ذرات غبار تمایل دارند که به سطوح باردار جذب شوند، در موشکهای یونی ، یونها به سمت یک میله باردار که در عقب موتور قرار دارد جذب می‌شوند و سپس به سمت بیرون به فضا شلیک می‌شوند. موتورهای یونی مقداری گاز را آن قدر گرم می‌کنند تا کاملا داغ شود و الکترونها بتوانند از اتم جدا شوند. این ماده بسیار داغ دیگر گاز نیست؛ بلکه همانطور که پیش از این گفته شد، به آن پلاسما گفته می‌شود.

 

در گازها کلیه اتمها ذرات جدایی هستند که به صورت نامنظم به هر سو پرواز می‌کنند و با یکدیگر برخورد می‌کنند؛ ولی در پلاسما اتمها از تعدادی و یا همگی الکترونهای خود کنده شده‌اند و توده‌ای از یونهای مثبت هستند که در محیطی مشترک با الکترونها شناور هستند. در این محیط الکترونی ، اتمهای با بار مثبت به سمت میله‌های باردار عقب ، با شتاب به فضا پرتاب می‌شوند. موتورهای یونی به مقدارهای بسیار کم گاز ، شتابی اعمال می‌کند که با سرعت بسیار بالایی خارج شوند. برعکس ، موتورهای شیمیایی مقدارهای فراوان گاز را با سرعت کمتری به بیرون می‌رانند. در پیشرانش یونی ، مقدار ماده‌ای که از عقب موتور خارج می‌شود بسیار کوچک و ناچیز است، ولی با سرعت بسیار بالایی خارج می‌شوند. اما در پیشرانش مرسوم ، مقادیر بسیار زیادی ماده با سرعت کمتری خارج می‌شوند.

موتورهای یونی و خاصیت رادیواکتیویته

 

خاصیت رادیواکتیوی به معنی این است که یک اتم پایدار نباشد و به مرور زمان ذرات زیر اتمی خود یا همان اجزای کوچک خود را از دست بدهد. واپاشی رادیواکتیو زمانی اتفاق می‌افتد که ذرات زیر اتمی در اتم ، برای تغییر ماهیت کامل اتم به اندازه کافی واپاشیده شوند که به اصطلاح به آن "ایزوتوپ دختر" گفته می‌شود.

رانش یونی بر اساس باردار شدن الکتریکی اتمها کار می‌کند؛ نه تجزیه آنها. زمانی که اتمی باردار شود، به عنوان مثال الکترون بدست بیاورد یا از دست دهد، رفتارش عوض می‌شود؛ اما ماهیت خود اتم عوض نمی‌شود. این اتم پایدار است، فقط با اتمها یا یونهای دیگر واکنش کمتر یا بیشتری نشان می‌دهد. بنابراین، موتورهای یونی رادیواکتیو هم نیستند.

تفاوت موتور یونی با موتورهای مرسوم

 

هر دو نوع موتور ، سفینه را توسط تولید نیروی پرتاب به جلو می‌رانند. این نیروی پرتاب توسط ماده‌ای پیشران که از عقب سفینه خارج می‌شود بوجود می‌آید. موتورهای یونی با موتورهای شیمیایی (موتورهایی که با سوخت مایع یا جامد کار می‌کنند)، در چگونکی تولید نیروی پرتاب و بدست آوردن انرژی متفاوتند. موتورهای شیمیایی توسط مخلوط سوخت با یک ماده اکسید کننده کار می‌کنند. این کار باعث می‌شود که گاز منبسط شود و با فشار از عقب موتور خارج شود و نیروی پرتاب تولید کند. موتورهای شیمیایی موتورهایی با جرم محدود هستند. به این معنی که مقدار توان و نیرویی که یک موتور شیمیایی تولید می‌کند، بستگی به این دارد که موشک چه مقدار سوخت و مواد اکسید کننده بتواند حمل کند. وقتی ماده پیشران تمام شود، موشک نمی‌تواند سریعتر حرکت کند.

 

با وجود این ، موتورهای یونی متفاوت از موتورهای شیمیایی کار می‌کنند. موتورهای یونی به مقدار بسیار کوچک گاز شتابی اعمال می‌کند که با سرعت بسیار بالایی خارج شوند. برعکس ، موتورهای شیمیایی مقدارهای فراوان گاز را با سرعت کمتری به بیرون می رانند. این به آن معنی است که موتورهای یونی سوخت بسیار کمتری استفاده می کنند. موتورهای یونی ، موتورهایی با انرژی محدود هستند؛ نه با جرم محدود. بنابراین تمام شدن گاز مسأله‌ای زیاد مهمی برای آنها به حساب نمی‌آید. محدودیتی که برای موتورهای یونی وجود دارد این است که بطور معمول ، تمام برق صرف تغذیه موتور یونی می‌شود. موتورهای یونی محدود به این هستند که یک موشک چه مقدار انرژی یا برق می‌تواند حمل کند، یا اینکه صفحه‌های خورشیدی آن چه مقدار انرژی می‌توانند جمع آوری کنند.

ضربه ویژه

 

ضربه ویژه به معنی تغییرات اندازه حرکت بر واحد جرم برای سوخت موشک است. به عبارت دیگر زمانی که سوخت استفاده شود، میزان فشار جلو برنده چقدر است. سرعت یک موشک در مقایسه با وزنش به نیروی پرتاب بستگی دارد که تقریبا مقدار ماده پیشرانی است که از عقب موشک با سرعت خارج می‌شود. هر چه سرعت خروج پیشران از عقب موشک بیشتر باشد، موشک با سرعت بیشتری حرکت می‌کند یا بار بیشتری را می‌تواند حمل کند.

ضربه ویژه پیشران موشک ، میزان تقریبی سرعت پیشرانی است که از عقب موشک به بیرون می‌جهد. موشکی با ضربه ویژه زیاد ، نسبت به موشکی با ضربه ویژه کم ، به سوخت کمتری احتیاج دارد. هر چه ضربه ویژه زیادتر باشد به ازای مقدار سوختی که به بیرون می‌جهد، فشار بیشتری تولید می‌شود. یا به بیانی دیگر ، ضربه ویژه مشخص می‌کند که چه مقدار سوخت باید مصرف شود تا فشار مناسبی بدست آید.

وقتی یونها فضاپیما را ترک می‌کنند، چه اتفاقی برایشان می‌افتد؟

 

شلیک یونهای مثبت به بیرون از عقب فضاپیما ، آن را به جلو حرکت می‌دهد. در همین زمان پرتوی از الکترون با بار منفی از یک خنثی کننده کاتدی به بیرون شلیک می‌شود. چون بارهای مثبت و موتورهای گاز سرد از نظر قابلیت کنترل شبیه به سوخت مایع ، اما سبکتر و ساده‌تر هستند. این موتورها در اصل مخزنهای فشار بالایی هستند که بین حالت باز و بسته تغییر وضعیت می‌دهند. عملکرد آنها کمی شبیه اسپری رنگ است، زمانی که دریچه آن باز است، مواد تحت فشار داخل آن به بیرون می‌جهند. موتورهای یونی با موتورهای سوخت جامد و سوخت مایع تفاوت دارند. آنها موتورهایی با نیروی پرتاب پایین محسوب می‌شوند که می‌توانند برای مدتهای بسیار طولانی کار کنند. عمر موشکهای شیمیایی بطور معمول از چند ثانیه تا چند روز است، در حالی که طول عمر موتورهای یونی در هر کجا می‌تواند از چند روز تا چند ماه متغیر باشد.

 

 

نوعکاربردمزایامعایب پیشرانه سوخت جامد

بوستر اصلی ساده ، قابل اطمینان ، اجزای متحرک کم ، نیروی پرتاب بالافاقد قابلیت روشن شدن دوباره پیشرانه سوخت مایعبوستر اصلی ، کنترل محدودقابلیت روشن شدن دوباره ، قابل کنترل ، نیروی پرتاب بالاپیچیده پیشرانه گاز سردکنترل محدودقابلیت روشن شدن دوباره ، قابل کنترلنیروی پرتاب کم پیشرانه یونیبوستر در فضاقابلیت روشن شدن دوباره ، قابل کنترل ، ضربه ویژه بالاپیچیده

لینک به دیدگاه

مقدمه

 

پس از گذشت تقریبا نیم سده از پرتاب نخستین موشک به فضا ، فناوریهای بکار رفته در ساخت موتورهای موشک ، دست خوش دگرگونیهایی گشته است. موتورهای سوخت مایع و سوخت جامد از این جمله هستند. در حال حاضر جدیدترین فناوری بکار رفته در ساخت موتور موشک ، موتور یونی است که از حالت چهارم ماده ، یعنی پلاسما بهره می‌برد. جالب است بدانید که ایده‌ پیشرانش الکتریکی از همان ابتدا توسط وارنرفن براون در دهه 1930 شکل گرفت؛ ولی او کارش را با سامانه‌های پیشران شیمیایی آغاز کرد.

 

 

space_shuttle_launch.gif

 

 

 

موشکهای مرسوم همان موشکهایی هستند که وقتی به صحنه پرتاب شاتل فضایی یا مأموریت آپولو فکر می‌کنید در ذهنتان نقش می‌بندد. دود شعله بسیار بسیار عظیمی از گازها بر می‌خیزد. موشکهای مرسوم مقادیر بسیار عظیمی نیروی پرتاب تولید می‌کنند تا اجسام را در فضا قرار دهند و مانند هواپیمای جت ، آتش بازی و یا بادکنک رها شده ، از پدیده‌ای موسوم به پیشرانش استفاده می‌کنند. در اصل موشک به دلیل خروج مواد با فشار زیاد همچون گازهای داغ از عقب آن ، به سمت جلو حرکت می‌کند. گازها از سوختن در مجاورت اکسیژن یا ماده دیگری به نام اکسید کننده شکل می‌گیرند. یون ، یک اتم یا مولکول باردار است. علت باردار بودن ، آن است که تعداد الکترونها در اتم یا مولکول با تعداد پروتونها برابر نیست.

پیشران چیست؟

 

اساس کار موشکها قانون سوم نیوتن است: هر کنشی ، واکنشی برابر و در جهت مخالف دارد. برای اینکه موشکها به سمت جلو خیز بردارند، باید چیزی به سمت عقب خیز بردارد. آن چیز پیشران است. پیشران ماده‌ای است که از عقب راکت فضاپیما با فشار خارج می‌شود و باعث رانش به سمت جلو یا نیروی پرتاب می‌شود. غالبا پیشران نوعی سوخت است که با یک اکسید کننده می‌سوزد تا حجم زیادی از گازهای بسیار داغ تولید کند. این گازها منبسط می‌شوند؛ تا جایی که با شدت از عقب موشک خارج شوند و نیروی پرتاب یا پیشرانش تولید کنند.

 

گاهی اوقات پیشران نمی‌سوزد، و بطور مستقیم از فضاپیما خارج می‌شود و تولید نیروی پرتاب یا پیشرانش می‌کند. در رانش یونی ، پیشران از اتمهای باردار الکتریکی ساخته شده است که بر اساس خاصیت مغناطیسی از عقب فضاپیما خارج می‌شوند. برای پیشرانه‌های کوچکتر ، یک گاز متراکم از عقب فضاپیما خارج می‌شود.

یون چیست و اتمها چگونه باردار می‌شوند؟

 

یون یک اتم یا مولکول باردار است. علت باردار یون آن است که تعداد الکترونها در اتم یا مولکول با تعداد پروتونها برابر نیست. یک اتم می‌تواند بسته به اینکه تعداد الکترونها بیشتر یا کمتر از تعداد پروتونها باشد، بار منفی یا مثبت بدست آورد. وقتی که یک اتم توسط اتمی دیگر جذب شود، چون تعداد الکترونها و پروتونهای آن برابر نیست، به آن "یون" گفته می‌شود. اگر اتم الکترونهای بیشتری نسبت به پروتون داشته باشد، یون منفی یا آنیون خوانده می‌شود.

 

یک اتم باردار الکترون اضافی یا کمبود الکترون دارد. در سامانه دی اس 1 اتمها تا زمانی که بسیتر پر انرژی و ناپایدار شوند، گرما می‌بینند. سپس با الکترونهایی که توسط یک اشعه کاتدی در محفظه پیشران تخلیه شده‌اند برخورد می‌کنند. وقتی که الکترونها در محفظه پیشران با اتمها برخورد می‌کنند باعث می‌شوند که تعدادی از الکترونهای موجود در اتم از آن جدا شوند. این توده بسیار گرم و باردار اتم همراه با الکترونهای مجزا تبدیل به پلاسما می‌شود.

 

 

 

عکس پیدا نشد

پلاسما چیست؟

 

پلاسما به عنوان چهارمین حالت ماده شناخته می‌شوند. سه نوع دیگر جامد ، مایع و گاز هستند. پلاسما ابری از پروتون ، نوترون و الکترون است که در آن الکترونها از مولکولها و اتمهای خودشان جدا شده‌اند و به پلاسما این امکان را می‌دهند که بیشتر مانند هر سه آنها (پروتون ، نوترون و الکترون) رفتار کند تا مثل توده‌ای از اتمها ، پلاسما بیشتر شبیه گاز است؛ زیرا اتمها با یکدیگر رابطه مشخصی ندارند، اما متفاوت از یک گاز رفتار می‌کند. به گفته دانشمندان پلاسما دارای رفتار جداگانه است. یعنی می‌تواند مانند یک مایع جاری شود و یا اینکه می‌تواند ناحیه‌ای را اشغال کند که در آن اتمها مانند آجرهایی به یکدیگر چسبیده‌اند.

یونها چگونه شتاب می‌گیرند؟

 

یونها رفتار مغناطیسی دارند. مانند یک آهنربا جذب چیزهایی با بار مخالف می‌شوند و از چیزهایی که بار مواق دارند دفع می‌شوند. سامانه الکتریکی پیشرانش یونی در دی اس 1 از این اصل جهت شتاب دادن به یونها بهره می‌برد. یک یون مثبت به سمت یک شیء با بار منفی شتاب می‌گیرد و از شیء با بار مثبت دور می‌شود. مقدار نیروی جاذبه و دافعه بستگی به اختلاف بار اشیای جذب شونده و دفع شونده دارد. هر چه این اختلاف -که اختلاف پتانسیل خوانده می‌شود- بیشتر باشد، یونها سریعتر حرکت می‌کنند و هر چه شیء بار بیشتری داشته باشد، یون سعی می‌کند سریعتر به سمت آن حرکت کند.

پیشرانش الکتریکی خورشیدی یا پسرانش یونی

 

پیشرانش الکتریکی خورشیدی از خاصیت الکتریسیته و مغناطیس جهت راندن یک سفینه در فضا بهره می‌برد. الکتریسیته از صفحه‌های خورشیدی سفینه حاصل می‌شود و به اتمهای داخل محفظه ، بار الکتریکی مثبت می‌دهد. این اتمهای باردار توسط میدان مغناطیسی به سمت عقب سفینه رانده و سپس توسط دافعه مغناطیسی به خارج از سفینه پرتاب می‌شوند. این مانند اتفاقی است که وقتی شما دو قطب هم نام دو آهنربا را نزدیک یکدیگر می‌کنید رخ می‌دهد؛ آنها همدیگر را دفع می‌کنند. این رگبار منظم خارج شونده از سفینه ، نیروی پرتاب لازم برای حرکت به جلوی سفینه را در فضا ایجاد می‌کند.

 

هر وسیله برای حرکت باید سوخت حمل کند، موتورهای یونی روشی ارائه می‌کنند که در آن سفینه‌های فضایی برای حرکت در فضا ، بر خلاف موشکهای مرسوم نیازی به حمل مقادیر زیاد سوخت ندارند. این روش مزایای زیادی دارد. یکی اینکه هر چه سفینه سوخت کمتری حمل کند، سبکتر خواهد بود و راحت‌تر به فضا می‌رود. مزیت دیگر این است که چون سفینه به سوخت کمتری نیاز دارد، خیلی زود سوختش تمام نمی‌شود تا از کار بیفتد. بیشتر انرژی داخل موشک یونی توسط الکتریسیته تأمین می‌شود که می‌تواند توسط صفحه‌های خورشیدی در حین پروار تولید شود.

تفاوت موتور یونی با موتورهای مرسوم

 

هر دو نوع موتور ، سفینه را توسط تولید نیروی پرتاب به جلو می‌رانند. این نیروی پرتاب توسط ماده ای پیشران که از عقب سفینه خارج می شود به وجود می آید. موتورهای یونی با موتورهای شیمیایی (موتورهایی که با سوخت مایع یا جامد کار می کمنند)، در چگونکی تولید نیروی پرتاب و به دست آوردن انرژی متفاوتند. موتورهای شیمیایی توسط مخلوط سوخت با یک ماده ی اکسید کننده کار می کنند. این کار باعث می شود که گاز منبسط شود و با فشار از عقب موتور خارج شود و نیروی پرتاب تولید کند.

 

موتورهای شیمیایی موتورهایی با جرم محدود هستند. به این معنی که مقدار توان و نیرویی که یک موتور شیمیایی تولید می‌کند، بستگی به این دارد که موشک چه مقدار سوخت و مواد اکسید کننده بتواند حمل کند. وقتی ماده پیشران تمام شود، موشک نمی‌تواند سریعتر حرکت کند. با وجود این ، موتورهای یونی متفاوت از موتورهای شیمیایی کار می‌کنند. موتورهای یونی به مقدار بسیار کوچک گاز شتابی اعمال می‌کند که با سرعت بسیار بالایی خارج شوند. برعکس ، موتورهای شیمیایی مقدارهای فراوان گاز را با سرعت کمتری به بیرون می‌رانند.

 

این به آن معنی است که موتورهای یونی سوخت بسیار کمتری استفاده می‌کنند. موتورهای یونی ، موتورهایی با انرژی محدود هستند؛ نه با جرم محدود. بنابراین تمام شدن گاز مسأله‌ای زیاد مهمی برای آنها به حساب نمی‌آید. محدودیتی که برای موتورهای یونی وجود دارد این است که بطور معمول ، تمام برق صرف تغذیه موتور یونی می‌شود. موتورهای یونی محدود به این هستند که یک موشک چه مقدار انرژی یا برق می‌تواند حمل کند، یا اینکه صفحه‌های خورشیدی آن چه مقدار انرژی می‌توانند جمع آوری کنند.

 

 

 

Shatel.jpg

ضربه ویژه

 

ضربه ویژه به معنی تغییرات اندازه حرکت بر واحد جرم برای سوخت موشک است. به عبارت دیگر زمانی که سوخت استفاده شود، میزان فشار جلو برنده چه قدر است. سرعت یک موشک در مقایسه با وزنش به نیروی پرتاب بستگی دارد که تقریبا مقدار ماده پیشرانی است که از عقب موشک با سرعت خارج می‌شود. هر چه سرعت خروج پیشران از عقب موشک بیشتر باشد، موشک با سرعت بیشتری حرکت می‌کند یا بار بیشتری را می‌تواند حمل کند. ضربه ویژه پیشران موشک ، میزان تقریبی سرعت پیشرانی است که از عقب موشک به بیرون می‌جهد.

 

موشکی با ضربه ویژه زیاد ، نسبت به موشکی با ضربه ویژه کم ، به سوخت کمتری احتیاج دارد. هر چه ضربه ویژه زیادتر باشد به ازای مقدار سوختی که به بیرون می‌جهد، فشار بیشتری تولید می‌شود. یا به بیانی دیگر ، ضربه ویژه مشخص می‌کند که چه مقدار سوخت باید مصرف شود تا فشار مناسبی بدست آید.

عاقبت یونها پس از ترک فضاپیما

 

شلیک یونهای مثبت به بیرون از عقب فضاپیما ، آن را به جلو حرکت می‌دهد. در همین زمان پرتویی از الکترون با بار منفی از یک خنثی کننده کاتدی به بیرون شلیک می‌شود. چون بارهای مثبت و موتورهای گاز سرد از نظر قابلیت کنترل شبیه به سوخت مایع ، اما سبکتر و ساده‌تر هستند. این موتورها در اصل مخزنهای فشار بالایی هستند که بین حالت باز و بسته تغییر وضعیت می‌دهند. عملکرد آنها کمی شبیه اسپری رنگ است، زمانی که در یچه آن باز است، مواد تحت فشار داخل آن به بیرون می‌جهند.

 

موتورهای یونی با موتورهای سوخت جامد و سوخت مایع تفاوت دارند. آنها موتورهایی با نیروی پرتاب پایین محسوب می‌شوند که می‌توانند برای مدتهای بسیار طولانی کار کنند. عمر موشکهای شیمیایی بطور معمول از چند ثانیه تا چند روز است، در حالی که طول عمر موتورهای یونی در هر کجا می‌تواند از چند روز تا چند ماه متغیر باشد.

پیشرانه یون زنون

 

یک موتور از همان اصل مرسوم کنش و واکنش استفاده می‌کند، اما نوآوری بزرگی که صورت گرفته ، بازده بالای آن است. گاز زنون که از هلیوم یا نئون سنگینتر است، به داخل موتور یونی جریان پیدا می‌کند و در آن جا باردار می‌شود و اتمهایش تبدیل به یون می‌گردند. به محض انجام این عمل ، یونهای زنون در معرض یک ولتاژ الکتریکی قرار می‌گیرند. با برقدار شدن یک جفت میله در حدود 1300 ولت که در داخل موتور تعبیه شده‌اند، یونها به بیرون پرتاب شدند، نیرویی در جهت عکس حرکت خود به موتور وارد می‌کنند و باعث راندن آن به جلو می‌شوند.

 

یونهای زنون با سرعت 35 کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند. این سرعت 10 برابر سرعت گازهای خروجی از موتور موشکهای مرسوم است، بنابراین موتورهای یونی می‌توانند تا 10 برابر بیشتر فشار تولید کنند. بکار گیری موتورهای یونی به دلیل نیاز کمتر به سوخت ، راهی برای انجام مأموریتهای مهیج و بلند پروازانه در پهنه بی‌کران منظومه شمسی و فضا به حساب می‌آید. موتورهای یونی در هر لحظه مقدار بسیار کمی گاز زنون مصرف می‌کنند. به آن معنی که نیروی پرتاب بسیار کمی تولید می‌شود.

 

اگر یک ورق کاغذ بر روی دستتان قرار دهید، همان فشاری را حس خواهید کرد که موتور یونی آن فشار را برای راندن یک فضاپیما تولید می‌کند. تقریبا چهار روز یا بیشتر طول می‌کشد تا تنها یک کیلوگرم زنون به مصرف برسد. دی اس 1 با مصرف کمتر از 74 کیلوگرم زنون سرعتی در حدود ¾ کیلومتر بر ثانیه پیدا می‌کند. این مقدار در میان سایر موشکها یک رکورد محسوب می‌شود. دی اس 1 می‌تواند سرعت بیشتر از این هم بدست آورد؛ ولی مأموریت آن این نیست که تندتر و تندتر برود. بنابراین از بیشینه سرعت خود استفاده نمی‌کند. کارکرد آن 678 روز است؛ یعنی بسیار طولانی‌تر از هر سامانه موشکی دیگر. پروژه داون در هر دوی این موارد یعنی سرعت و ماندگاری می‌تواند از دیگر سامانه‌ها پیشی بگیرد. در آینده سرعت و ماندگاری موتورهای یونی بیشتر هم خواهد شد.

لینک به دیدگاه

موتورهای یونی سرعت سفرهای فضایی را افزایش می‌دهد

محققان شرکتی تحت قرارداد سازمان ناسا در حال تولید موتورهایی است که از ذرات باردار به عنوان سوخت استفاده کرده و می تواند طول زمان سفر به مریخ را از 6 ماه به 39 روز کاهش دهد.

 

به گزارش سرویس علم و فن آوری پایگاه اطلاع رسانی صبا به نقل از خبرگزاری مهر، زمزمه های رفتن انسان به سیاره مریخ طی سالهای اخیر بسیار افزایش یافته و از برنامه های سفر به کره ماه نیز پیشی گرفته و از اهمیت بیشتری برخوردار است. اما نقطه قابل تامل درباره چنین سفری مسافت طولانی آن است که به 6 ماه زمان نیاز خواهد داشت.

اما اکنون دانشمندان در حال آزمایش موتور یونی جدیدی هستند که روزی می تواند این سفر 6 ماهه را به سفری 39 روزه تبدیل کند. در حال حاضر راکتهای رایج از سوختهای شیمیایی برای ایجاد احتراق استفاده می کنند که بیشتر میزان این سوخت در زمین و در هنگام پرتاب راکت مصرف می شود.

موتورهای یونی یا اتمهای الکتریکی باردار پرسرعت، در یک میدان مغناطیسی فضاپیما را به جهت مخالف هدایت خواهند کرد. این موتورها نسبت به راکتهای شیمیایی در لحظه جداشدن از زمین فشار کمتری تولید می کنند که به همین دلیل نمی توانند به تنهایی خود را از میدان گرانشی زمین رها کنند. اما در هنگام قرار گیری در فضا، این موتورها می توانند نیروی مورد نیاز حرکت فضاپیما را برای سالهای مداوم تامین کنند و مشابه عملکرد باد در پشت بادبان قایقهای بادی، به تدریج به سرعت فضاپیما بیافزایند تا حدی که سرعت آنها از سرعت فضاپیماهایی که از سوخت شیمیایی استفاده می کنند، بیشتر خواهد شد.

تا کنون از این موتورها در چندین ماموریت فضایی استفاده شده است که از آن جمله می توان به فضاپیمای داون ناسا که در راه رسیدن به شهابسنگ وستا و سرس قرار دارد و همچنین فضاپیمای هایابوسای ژاپنی که در سال 2005 با شهابسنگ ایتوکاوا ملاقات کرده، اشاره کرد.

اما موتور یونی جدیدی که در دست تکمیل قرار دارد از توانایی و جاذبه بیشتری برخوردار است زیرا این موتور با نام VASIMR از ژنراتورهای فرکانسهای رادیویی برای حرارت دادن به یونها استفاده می کند. این پروژه توسط شرکتی به نام Ad Astra Rocket در حال تکمیل و توسعه است.

موتور VASIMR در مرحله اول با فرایندی مشابه جوشاندن آب به منظور ایجاد بخار، عملکردی مشابه موتورهای بخار دارد. ژنراتور امواج رادیویی گازی متشکل از اتمهای آرگون را به اندازه ای تحت تاثیر قرار می دهند که الکترونهای آن به حالت جوشیدن درآمده و پلاسمایی را به وجود می آورند.

در مرحله دوم عملیاتی این موتور، یونهای پلاسما تحت تاثیر حرارت یک میلیون درجه، حرارتی مشابه آنچه در مرکز خورشید وجود دارد قرار خواهند گرفت. سپس ژنراتور فرکانسهای رادیویی با فرکانسی مشابه مرحله اول، انرژی مازادی را به یونها وارد می آورد. در نهایت میدان مغناطیسی قدرتمندی که در نتیجه حرارت و حرکت سریع یونها به وجود آمده است، پلاسمای یونی را به پشت موتور هدایت کرده و باعث تولید نیروی فشار و جلو رانده شدن فضاپیما خواهد شد.

با کمک این فرکانسها موتور VASIMR به انرژی صدها بار قوی تر از انرژی موتورهای دیگر دست خواهد یافت. در حال حاضر محققان Ad Astra در حال آزمایش مرحله دوم عملیاتی این موتور هستند تا بتوانند به حداکثر قدرت موتور دست یابند.

این موسسه با ناسا به توافق رسیده است تا یکی از راکتهای مجهز به این موتور را در سال 2012 یا 2013 به سمت ایستگاه فضایی بین المللی پرتاب کند تا این راکت به صورت دوره ای بتواند قرار گرفتن ایستگاه در مدار را تضمین کند. در سطح کنونی انرژی، موتور VASIMR می تواند با کمک انرژی خورشیدی حرکت کند. به گفته محققان از این موتور می توان به عنوان قایقی مدارگرد استفاده کرد که ماهواره ها را به سطوح مختلف مدار کشیده و یا محموله های مختلف را به پایگاهی در ماه انتقال دهد. در عین حال این موتور می تواند شهابسنگهای خطرساز را از مدار خارج کند.

با این حال برای سفر به مریخ در 39 روز، این موتور به انرژی 1000 برابر انرژی که توسط خورشید تولید می شود نیاز خواهد داشت. به همین منظور VASIMR برای تامین این انرژی نیازمند راکتورهای خارجی بر سطح فضاپیما خواهد بود.

بر اساس گزارش نیوساینتیست، در صورتی که موتور VASIMR به گونه ای تکمیل شود که بتواند فضانوردان را در طول 39 یا 40 روز به مریخ برساند این ابداع در گروه تجهیزاتی قرار خواهد گرفت که می تواند آینده بشر را متحول سازد.

لینک به دیدگاه

vasimr.jpg

دور مریخ در هشتاد روز؟

 

دانش - موتورهای یونی، می‌تواند در آینده‌ای نزدیک، سفر رفت یا برگشت 7 ماهه به مریخ را تا 39 روز کاهش دهد. آیا این موتور می‌تواند انسان را بر سطح مریخ بنشاند؟

بهنوش خرم‌روز: مریخ، دومین سیاره نزدیک به زمین در منظومه شمسی است و از آن‌جایی‌که در لبه خارجی کمربند سبز خورشید قرار دارد ( کمربند سبز، منطقه‌ای در اطراف هر ستاره است که امکان وجود آب مایع در سطح سیاره و پیدایش حیات در آن وجود دارد)، اشتیاق بسیاری برای سفر به این سیاره و کاوش آن وجود دارد. اما با توجه به فناوری فعلی بشر، سفر به سیاره سرخ در حالت معمولی 8 ماه و در بهترین حالت 7 ماه طول می‌کشد. اگر بخواهیم سفر رفت‌وبرگشت انسان را به این سیاره بررسی کنیم که 8 ماه برای سفر رفت، 16 ماه برای انتظار و 8 ماه دیگر برای برگشت باید وقت گذاشت و این زمان هزار روزه، بسیار طولانی و خسته‌کننده خواهد بود.

به گزارش نیوساینتیست، پژوهشگران موفق شده‌اند موتور یونی جدیدی را طراحی کنند که روزی می‌تواند سفر به سیاره سرخ را در تنها 39 روز امکان‌پذیر سازد.

C2866DB4A73F45A4BC32D4FE287C8DC7.jpgدر روش فعلی پرتاب فضاپیما به‌سوی مریخ از راکت‌های سوخت مایع استفاده می‌شود. با احتراق سوخت، گاز پرفشاری تولید می‌شود که با خروج از انتهای موشک، آن‌را به سوی جلو هل می‌دهد. اما بخش اعظم این سوخت زمان پرتاب از روی سطح زمین مصرف می‌شود و فضاپیما با سرعت اولیه بیش از 32 کیلومتر بر ثانیه در مدار انتقال به مریخ قرار می‌گیرد. این سرعت آن‌قدر هست تا فضاپیما بقیه مسیر را با استفاده از گرانش خورشید بپیماید.

اما موتورهای یونی با شتاب دادن به اتم‌ها یا ذرات باردار الکتریکی (یون‌ها) درون یک میدان الکتریکی، باعث می‌شوند که سفینه فضایی به سمت مخالف هل داده شود. موتورهای یونی در مقایسه با راکت‌های شیمیایی توان بسیار کمتری دارند، یعنی در یک لحظه معین فشار بسیار کم‌تری ایجاد می‌کنند و به خودی خود نمی‌توانند از جاذبه زمین رها شوند. اما برخلاف راکت‌های شیمیایی که سوختشان به‌سرعت تمام می‌شود، می‌توانند برای سال‌ها کار کنند و فشار تولید کنند. بدین‌ترتیب در مدت‌زمانی نسبتا کوتاه (از چند روز تا چند ماه) و تولید فشار ثابت، می‌توانند به سرعت‌های بسیار بیشتر از راکت‌های شیمیایی دست یابند. بدین‌ترتیب، این موتورهای یونی بهترین ابزار پیشران برای سفرهای دوردست فضایی به‌شمار می‌روند.

در بسیاری از ماموریت‌های فضایی چند سال اخیر، مانند فضاپیمای داون ناسا که در راه سیاره کوتوله سرس و سیاره وستا در فاصله بین سیارات مریخ و مشتری است، یا فضاپیمای هایابوسای ژاپن که در سال 2005/ 1384 از سیارک ایتوکاوا دیدار کرد، ‌از موتورهای یونی استفاده شده است. اما پژوهشگران توانسته‌اند موتور یونی جدیدی به‌نام راکت تکانه متغیر مگنتوپلاسما یا با اختصار VASIMR‌ را تولید کنند که در مقایسه با موتورهای یونی پیشین، جذابیت بیشتری دارد. این موتور جدید برای گرم کردن ذرات یا پلاسمای باردار از یک مولد فرکانس رادیویی استفاده می‌کند که مشابه فرستنده‌هایی است که برای مخابره برنامه‌های رادیویی استفاده می‌شوند.

شرکت اد.آسترا راکت که در سال 2005 / 1384 توسط فرانکلین چانگ دیاز، ‌فیزیکدان پلاسما و فضانورد سابق شاتل فضایی پایه‌گذاری شد،‌ در حال ساخت این موتور یونی جدید است.

به داغی خورشید

این موتور جدید شبیه به یک موتور بخار کار می‌کند که برای ایجاد بخار، ابتدا آب را به جوش می‌آورد. مولد فرکانس رادیویی، گاز متشکل از اتم‌های آرگون را آن‌قدر گرم می‌کند تا اصطلاحا الکترون‌ها به جوش بیایند و پلاسما تشکیل شود. این مرحله برای اولین بار سه هفته پیش در این شرکت آزمایش شد. اگر این پلاسما از راکت بیرون داده می‌شد،‌ خودش می‌توانست فشار ایجاد فشار کند، اما این فشار کافی نبود. برای بهینه‌سازی، یون‌ها دوباره گرم می‌شوند، اما در مرحله دوم دمای آنها تا حدود یک میلیون درجه کلوین،‌ یعنی دمایی نزدیک به دمای مرکز خورشید،‌ داغ می‌شوند.

برای دست‌یابی به این دما، پژوهشکران از این واقعیت فیزیکی استفاده کردند که یون‌ها،‌ در یک میدان مغناطیسی قوی‌ مانند آن‌چه توسط مغناطیس‌های ابررسانای درون موتور ایجا می‌شود،‌ با فرکانس ثابتی می‌چرخند. سپس مولد فرکانس رادیویی با همان فرکانس تنظیم می‌شود تا پدیده تشدید روی دهد و این، انرژی فراوانی را به یون‌ها تزریق می‌کند.

vasimr_001.jpg

برای مشاهده عکس بزرگ، اینجا را کلیک کنید.

سپس میدان‌های مغناطیسی قوی،‌ این پلاسما را از پشت سفینه بیرون می‌دهند که باعث می‌شود سفینه در جهت مخالف رانده شود. به لطف مولد فرکانس رادیویی،‌ واسیمر می‌تواند به قدرتی صد برابر دیگر موتورهایی برسد که تنها با عبور پلاسما از شبکه‌های فلزی با ولتاژ متفاوت،‌ به آن شتاب می‌دهند. در آن روش،‌ برخورد یون‌ها با شبکه فلزی،‌ آن را فرسوده می‌کرد و قدرت و طول عمر موتور یونی را کاهش می‌داد؛ اما مولد فرکانس رادیویی واسیمر هرگز با یون‌ها در تماس نیست و بدین ترتیب این مشکل را برطرف کرده است. جرد اسکوییر،‌ مدیر پژوهشی شرکت اد.آسترا می‌گوید: « تا جایی که ما می‌دانیم،‌ این قوی‌ترین منبع پلاسمای ابررسانا است».

دانشمندان شرکت اد.آسترا آزمایش‌های مرحله دوم موتور، ‌یعنی داغ کردن پلاسما را هفته پیش آغاز کرده‌اند. تا کنون گروه، موتوری دو مرحله‌ای را با قدرت 50 کیلووات به کار انداخته است. آن‌ها امیدوارند در آزمایش‌های بعدی بتوانند به توان 200 کیلووات برسند که برای تولید نیم نیوتن فشار کافی است. شاید این مقدار خیلی به نظر نرسد، اما به گفته اسکوییر با آن می‌توان 2 تن بار را در فضا حمل کرد و ظرف 19 ماه از نقطه‌ای نزدیک به خورشید به سیاره مشتری رسید.

ارتقای مدار

ناسا با اد.آسترا بر سر آزمایش پرتاب این راکت به فضا برای اتصال به ایستگاه فضایی بین‌المللی در سال 2012 یا 2013/ 1391 یا 1392 به توافق رسیده‌اند. احتمال دارد که واسیمر بتواند نیاز‌های دوره‌ای نگه‌داشتن ایستگاه فضایی بین‌المللی را در مدار خودش برآورده کند.

واسیمر با سطح قدرت فعلی خود می‌تواند کاملا با انرژی خورشیدی کار کند. به عقیده اسکوییر، ‌این راکت یونی می‌تواند یدک‌کش خوبی در مدار زمین باشد که ماهواره‌ها را به مدارهای مختلف منتقل کند. همچنین می‌تواند برای پایگاه فضایی روی ماه، محموله بفرستد و چون سرعت نسبتا زیادی دارد، می‌توان آن را به سیارک‌های خطرناک فرستاد تا به کمک نیروی گرانشی، سال‌ها پیش از این که به زمین برخورد کنند، مسیرشان را تغییر دهد.

با این‌حال،‌ این موتور برای سفر 39 روزه به سیاره مریخ،‌ به نیرویی هزار برابر آن‌چه انرژی خورشیدی می‌تواند تامین کند، نیاز دارد و از این رو، واسیمر احتمالا به یک راکتور هسته‌ای نیاز خواهد داشت. اتحاد جماهیر شوروی، نسخه‌های اولیه فناوری راکتور را از دهه 1960/ 1340 تا 1980/ 1360 استفاده می‌کرد، اما این راکتورها تاکنون در فضا استفاده نشده‌اند و ساخت آن احتمالا نیاز به زمان دارد.

تغییر دهنده بازی

از سوی دیگر، چارلز بولدن، رییس جدید ناسا، ‌به تازگی از احتمال چنین سفر کوتاهی به مریخ سخن گفته است. او گفته که ناسا در ساخت واسیمر حق کوچکی دارد و این همکاری را مثال خوبی از مشارکت با صنعت خصوصی خوانده که می‌تواند ناسا را بعد از این که شاتل فضایی در سال 2010 / 1389 بازنشسته شد، ‌به اهداف خودش برساند.

جان موریتور،‌ از دانشگاه موسسه فضایی تنس و از مهندسان سابق برنامه شاتل فضایی ناسا،‌ معتقد است موتورهایی مانند واسیمر می‌توانند اولین سفر انسان به مریخ را محقق سازند. وی می‌گوید:‌ «با فناوری نیروهای محرکه فعلی،‌ سفر بشر به مریخ نشدنی است. این سفرهای طولانی در خارج از میدان مغناطیسی محافظ زمین،‌ می‌تواند فضانوردان را در معرض پرتوهای فضایی خطرناک‌تری قرار دهد. اما اگر موتوری مثل واسیمر بتواند انسان را 40 روزه به مریخ برساند،‌ این سفرها هم جزو کارهایی قرار می‌گیرد که با انجام آن توسط انسان مشکلی نخواهیم داشت. این موتور بازی را تغییر می‌دهد».

لینک به دیدگاه
  • 7 ماه بعد...
  • 1 ماه بعد...
سلام

 

ممنون از مقاله ها

 

اگه در مورد گيربكس هواپيما راهنمايم كنيد ممنون

reza_abzar@yahoo.com

 

سلام!

در موتورهای جت (توربین گازی) گیربکس ها دو وظیفه عمده رو برعهده دارن:

1-انتقال حرکت و توان از شفت موتور که معمولا از قسمت کمپرسور بدلیل اینکه محدودیت فضا کمتره و امکان جاسازی راحتتر گیربکس وجود داره به سیستمهای حانبی موتور مثل هیدرولیک-پنوماتیک و...

2- سیستم استارت موتور که باید یک گشتاور زیاد خروجی رو به شفت کمپرسور که در موتورهای multiple shaft یا چند شفتی به قسمت hp انتقال بده تا با گردش شفت موتور به آرامی به حرکت دربیاد وروشن بشه

 

درموتورهای جت کلا دونوع گیربکس وجود داره:

1-گیربکس داخلی

2-گیربکس خارجی

گیربکس داخلی مستقیما به شفت موتور از طریق یک جفت چرخدنده مخروطی یا bevel gear متصل میشه و خروجی از این گیربکس یک شفتی هست بنام radial driveshaft که باعث چرخش گیربکس خارجی میشه. سه روش اصلی برای اتصال گیربکس داخلی به شفت وجود داره که درپست بعدی مفصلا دررابطه با اونا بحث می کنیم

شکل 3-7یه گیربکس داخلی و شکل4-7 هم یه گیربکس خارجی رو نشون میده!

سعی می کنم تو چند پست یعدی بیشتر روی این زمینه توضیح بدم!

 

من البته یه چند سالی هست که در زمینه توربینهای گازی و موتورهای جت کارکردم!

از طراحی و روشهای ساحت اجزا تا تعمیرونگهداری و اورهال یا MRO

خوشحال میشم اگه بتونم مطالبی رو به دوستان انتقال بدم!

یاعلی مدد

7-3.jpg

7-4.jpg

لینک به دیدگاه

گیربکس داخلی و اتصال اون به شفت موتور

.................................................. .........................

محل قرار گیری گیربکس داخلی درون هسته موتور هستش و برای انتقال دوران از شفت موتور به گیربکس خارجی بکار میره وکلا سه نوع هستش:

1- همونطور که در شکل 2-7 مشخصه در یک روش چرخدنده های مخروطی مربوط به شفت گرداننده گیربکس خارجی و شفت موتور مستقیما با هم درگیر میشن تو این وضعیت چرخدنده مخروطی مربوط به شفت موتور رو نزدیک به بلبرینگ شفت قرار میدن.مشکلی که این روش داره حرکت محوری شفت کمپرسور می تونه باشه که باعث ایجاد اختلال درکار چرخدنده ها میشه.

2- درروش دوم از یک شفت ثانویه بنام stub shaft استفاده میشه که روی شفت کمپرسور قرار میگیره و توسط دندانه هایی به اون متصل میشه. میان چرخدنده های مخروطی مربوط به شفت رو روی اون قرار میدن والبته یه بلبرینگ اضافی هم بهش اضافه می کنن. عیب حرکت محوری شفت کمپرسوررو به همین ترتیب ازبین می برن.

3- درروش سوم از یک سیستمی بنام idler gearshaft استفاده میکنن که درحقیقت یه شفت هستش که در دوسرش دو تا چرخدنده داره. درقسمت درگیر با شفت کمپرسور از یه جفت چرخدنده ساده و درقسمت درگیر با شفت گرداننده گیربکس خارجی از یک جفت چرخدنده مخروطی استفاده میشه

 

تذکرمهم:

منظور ار گیربکس داخلی درحقیقت همون اتصال چرخدنده ها با شفت موتور هستش که یکی از این سه نوع می تونه باشه.وتصور یک جعبه دنده که دارای چرخدندهای زیادی باشه درست نیست و خروجی این سیستم شفت محرک گیربکس خارجی هستش که به صورت اریب از گیربکس داخلی خارج میشه!

7-2.jpg

لینک به دیدگاه

شفت محرک شعاعی ( radial driveshaft)

از این شفت برای انتقال توان از گیربکس داخلی به گیربکس خارجی و یا حتی مستقیما به سیستمهای جانبی و همچنین درهنگام startup موتور برای انتقال گشتاور محرک وبرای چرخاندن شفت موتور استفاده میشه و همونطور که از شکلها هم مشاهده میشه به صورت اریب یا شعاعی از گیربکس داخلی خارج شده ووارد مقصد میشه!

این شفت رو باید طوری درساختمان کمپرسور جاسازی کرد که حداقل اغتشاش را در جریان هوای کمپرسور ایجادکنه در موتورهای با جریان by-pass این شفتها رو سعی می کنن درونoutlet guide vanes قرار بدن و یا ازقسمتی استفاده بشه که خالی هستش و جریانی رو به خودش راه نمیده.

یه راه دیگه هم استفاده از شفتهای کوچکتر هستش! ولی یه مشکلی که این شفتها دارن اینه که باید درحین کوچکی باید همون توان شفتهای بزرگتر رو انتقال بدن پس درنتیجه سرعت دوران اونها باید بیشترباشه و اینهم یعنی افزایش تنشهای دینامیکی و درنتیجه افزایش ارتعاش!

درحالتی که از شفتهای بزرگتر استفاده بشه باید در نیمه طولی اونا از رولبرینگ هم استفاده بشه. سرعت چرخشی در شفتهایی که زیر 5/1 اینچ قطر دارن میتونه بدون بروز مشکلی جدی به 2500rpm برسه!

لینک به دیدگاه

گیربکس و سیستمهای جانبی-قسمت 4

انتقال دوران مستقیم-سلسله چرخ دنده ها-جعبه دنده واسطه

.................................................. .....................................

 

1-انتقال دوران مستقیم ( direct drive)

گاهی اوقات ممکنه این جور بنظر بیاد که چرا مستقیما از گیربکس داخلی شفتهایی رو برای به حرکت درآوردن سیستمهای جانبی موتور مورد استفاده قرار نمیدن؟

اینکار دو دلیل داره که اولا باید در اینصورت از گیربکس داخلی خیلی بزرگتر استفاده کرد و ثانیا با افزایش تعداد شفتها علاوه بر افزایش مشکلات مربوط به توربولانس جریان در هنگام تعمیر و نگهداری هم یعنی زمانی که باید گیربکس یا موتور و یا اجزای اون رو سوار یا پیاده کنیم بر پیچیدگی اونها اضافه شده و زمان خیلی بیشتری رو باید برای تعمیر و نگهداری درنظر بگیریم.

ولی در بعضی مواقع مجبوریم که از انتقال دوران مستقیم استفاده کنیم . مثلا درموتورهای توربوپراپ همونطور که گفتیم یک گیربکس وظیفه کاهش دور ملخ رو بعهده داره(reduction gearbox- چون نباید سرعت نوک ملخ ها از سرعت صوت فراتر بره و دلیل اون هم ایجاد ارتعاش شدید درملخ و درنهایت شکست اون هستش) پس مستقیما باید توسط یک شفت به گیربکس داخلی متصل بشه و همچنین برای دادن توان حرکتی به گیربکس خارجی که درمکانی به غیر از گیربکس کاهنده نصب میشه به شفتی دیگه نیاز داریم( شکل ضمیمه رو ببینید)

 

2-سلسله چرخ دنده ها(gear train drive)

زمانی که محدودیت فضایی در داخل موتور اجازه بده میشه برای انتقال توان به گیربکس خارجی بجای شفت محرک شعاعی از سلسه چرخ دنده ها استفاده کرد.که این چرخ دنده ها از نوع ساده یا spur gear هستن( شکل ضمیمه رو مجددا ملاحظه کنید)

 

3-جعبه دنده های واسطه(intermediate gearbox)

زمانی که امکان اتصال مستقیم از گیربکس داخلی به خارجی وجود نداشته باشه و یا لازم باشه که مسیر دوران رو تغییر بدن از این گیربکس ها استفاده میشه( شماتیکی ازاین گیربکس درشکل نشون داده شده)

7-1.jpg

لینک به دیدگاه

گیربکس و واحدهای جانبی-ادامه...

گیربکس خارجی یا external gearbox

.................................................. .....................

همانطور که در پستهای قبل بیان شد هدف از بکارگیری گیربکس خارجی انتقال دوران و توان مناسب به واحدهای فرعی موتور و دریافت توان واحد استارت خارجی و انتقال اون به گیربکس داخلی و ازطریق اون به شفت کمپرسور و موتور و درنهایت به دوران درآوردن شفت موتور هستش. همچنین باید درجایی تعبیه بشه که سطح مناسبی رو برای نصب و اتصال واحدهای فرعی فراهم کنه!

همچنین این گیربکس مجهز به یک واحد چرخش دستی هم بوده تا زمانی که نیاز به چرخش دستی موتور بود( مثل زمان تعمیرات) بشه این کار رو انجام داد.در موتورهای جت استفاده از موتوری که مساحت جلوی اون کوچک باشه برای کاهش نیروی درگ خیلی مهم هستش بنابراین گیربکس خارجی رو که دراطراف موتور قرار داده میشه توسط پوششی بصورت پیچیده شده یا wrappedقرار میگیره و معمولا در زیر موتور برای راحتی در حین تعمیرات قرار میدن ولی در توربینهای گازی که به عنوان موتور هلیکوپتر مورد استفاده قرار میگیرن این گیربکس رو بالای موتور قرار میدن.

این گیربکس ها به دوقسمت تقسیم میشن:

یه قسمت مربوط به واحدهای با دور بالا شده و یه قسمت هم مربوط به واحدهایی که بدور بالاتری نیاز دارن میشه. هنگامی که دریکی از واحدها یا چرخدنده ای که مربوط به اون واحد میشه نقصی بوجود بیاد باعث میشه که به کل سیستم چرخدنده ها لطمه وارد بشه و درنهایت موجب قفل شدن گیربکس بشه که این امر می تونه بسیار خطرناک باشه! برای جلوگیری از این مشکل میان در شفتهای محرک یه قسمت بنام گردن برش یا shear-neck درنظر میگیرن که توسط ماشین کاری ضعیفی روی شفت ایجاد میشه که در زمانی که به هر دلیلی نقصی در چرخدنده مربوط به اون پیش اومد که باعث نچرخیدن اون چرخ دنده شد این گردن برش از بین بره تا باعث بشه که اون چرخ دنده از مدار خارج بشه و درنتیجه بقیه سیستم درامان می مونه! ولی برای بعضی واحدهای حساس مثل واحد روغن کاری مجاز به استفاده از shear-neck نیستیم ودر صورتی که نقصی در این واحدها بوجود بیاد باید موتور به سرعت خاموش بشه!

یکی از پارامترهای مهم در طراحی گیربکس خارجی حداکثر گشتاور هستش که این گشتاور توسط استارتر به گیربکس تحمیل میشه. بعضی وقتها هم از دوگیربکس بنام سرعت بالا و پایین استفاده میشه که توسط دو گیربکس داخلی به دو شفت کمپرسور متصل میشن!

درضمن دو تاعکس از گیربکس خارجی هم ضمیمه این پسته!

7-4.jpg

7-5.jpg

لینک به دیدگاه
  • 10 ماه بعد...

به گفتگو بپیوندید

هم اکنون می توانید مطلب خود را ارسال نمایید و بعداً ثبت نام کنید. اگر حساب کاربری دارید، برای ارسال با حساب کاربری خود اکنون وارد شوید .

مهمان
ارسال پاسخ به این موضوع ...

×   شما در حال چسباندن محتوایی با قالب بندی هستید.   حذف قالب بندی

  تنها استفاده از 75 اموجی مجاز می باشد.

×   لینک شما به صورت اتوماتیک جای گذاری شد.   نمایش به صورت لینک

×   محتوای قبلی شما بازگردانی شد.   پاک کردن محتوای ویرایشگر

×   شما مستقیما نمی توانید تصویر خود را قرار دهید. یا آن را اینجا بارگذاری کنید یا از یک URL قرار دهید.

×
×
  • اضافه کردن...