رژيم‌هاي كاري خود ارتعاشي موتور

[EN-EZEL 13039]

رژيم‌هاي كاري خود ارتعاشي موتور

اكنون ما به يكي از مهم‌ترين پديده‌هايي كه غالبا در حين تست‌ها و مونتاژ موتورهاي موشك سوخت مايع مشاهده مي‌شود، توجه مي‌كنيم. بحث در خصوص رژيم‌هاي 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 سيستم‌هاي اتوماتيك سروكار داريم، مسايل خود ارتعاشي جايگاه خاصي دارد. بنابراين در مباحث آينده، به رژيم‌هاي 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 مي‌توان اين پديده را تحقيق و بررسي كرد و چگونه مي‌توان احتمال خطر بروز خود ارتعاشي نامطلوب را پيش‌بيني كرد. فعلا ما فقط به توضيح اين مساله مي‌پردازيم.

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 مي‌شود و مطابق با اين تغييرات، مصرف پريوديك انرژي از بعضي چشمه‌هاي خارجي صورت مي‌گيرد.

رژيم‌خاي 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. فرستنده‌هاي راديويي كه امواج با فركانس ثابت را ارسال مي‌دارند نيز نوعي از كاربرد فني فرآيندهاي خود ارتعاشي است. اين چنين مثالهايي در اطراف زندگي ما، خيلي زياد است. مجموعه‌اي از مثال‌ها وجود دارد كه خودارتعاشي بدون پيش‌بيني به وجود مي‌آيد و كار نرمال سيستم را به هم‌ مي‌ريزد و در نتيجه آن حادثه‌اي يا مشكلي ايجاد مي‌شود. بنابراين، بايد در موتور موشك‌هاي سوخت مايع به آن توچه داشت.

رژيم‌هاي احتراق ارتعاشي در حين كار با اولين موشك‌هاي جنگي سوخت جامد در جنگ جهاني دوم مشاهده شد. همچنين وقتي كه در دهه‌هاي 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 تست‌هاي 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 گزارشس‌ها و بحث‌هاي واقع‌گرايانه ارجاع شود. در ضمن تجربه به دست آمده براي آينده مفيد واقع شود.

در شروع، انواع ارتعاشهاي خود محرك، همگي به يك شكل ظاهر مي‌شدند كه درمان و چاره آن‌ها نيز با تدابير مشابه صورت مي‌گرفت. اما همان‌طور 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 اين‌جا نيز در آناليز خودارتعاشي مشاهده شد كه چندين نوع خودارتعاشي وجود داردو براي هر كدام نيز راه حل جداگانه وجود دارد.

چنين تقسيم‌بندي براي انواع خودارتعاشي و زير گروه‌هاي آن منطقي است.

رژيم‌هاي خودارتعاشي به صورت يك زنجيره توابع ديفرانسيلي نوشته مي‌شود. به عنوان مثال a تابعي از b، b تابعي از c و c از d تابعي است و فرض مي‌كينم 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 خودراتعاشي وجود ندارد، هيچ تغييري در وضعيت پارامترها مشاهده نمي‌شود و به فرم اوليه خود باز مي‌گرداند. 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 حلقه‌هاي ارتباطي كه روي يكديگر اثر مي‌كند مشكل‌تر مي‌شود. به سيكل مورد نظر مي‌توان به عنوان مثال:

همچنين حلقه‌هاي cdec و abfa را پيشنهاد كرد.البته در شرايط مشابه بروز حلقه‌هاي خودارتعاشي با يكديگر مرتبط هستند. آناليز چنين سيستم خودارتعاشي به مراتب ساده‌تر مي‌شود اگر فركانس‌هاي خودارتعاشي در هر يك از حلقه‌ها به طور محسوس با يكديگر متفاوت باشند در اين صورت مي‌توان ارتباط بين حلقه‌ها را ضغيف در نظر گرفت. در اين‌جا مي‌توان نتيجه گرفت كه اگر هنگام تست، خودارتعاشي با فركانس مشخص در يك زنج خاص به وجود آيد، مي‌توان بلافاصله گفت كه چه حلقه‌اي را كه مرتبط كننده بين پارامترها است، بايد تغيير داد كه خودارتعاشي سيستم از بين برود. رژيم‌هاي خودارتعاشي به وجود آمده در موتورهاي موشك سوخت مايع را برحسب فركانس تقسيم‌بندي مي‌كنند. نوع اول- ارتعاشات فركانس پايين. اين‌ها فقط در تست‌هاي پروازي مشاهده مي‌شوند. آن‌ها در تست استند به وجود نمي‌آيند. 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 پيش‌ران حاصل مي‌شود.

در ارتعاشات طولي پوسته به طور پريوديك، فشار سوخت و اكسيد كننده در ورود به پمپ‌ها تغيير مي‌كند و در نتيجه تزريق و پيش‌ران تغيير مي‌كنند و در نتيجه، زنجيره اثر ارتباطي در همان تغييرشكل طولي پوسته بسته مي‌شود. در چنين بررسي‌هايي لازم نيست كه عامل اوليه شروع ارتعاشات را جست‌وجو كرد(اين يك اشتباه فراگيراست) چون به سئوال بي‌جواب اول تخم‌مرغ بوده است يا مرغ بر مي‌گرديم.

آناليز خودارتعاشي فركانس پايين در موشك كاملا مشكل است. جرم سوخت و اكسيد كننده در مخازن كه به وسيله درپوش‌هاي خم شونده الاستيك تحمل مي‌شود، تعداد زياد از جرم‌هاي معلق و پيچيدگي تابع تبديل فشار در ورود به پمپ برحسب تغييرات پيش‌ران 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 آن‌ها 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. آن‌ها براي تغييرات نسبتا ملايم پيش‌ران و دبي جرمي كاربرد دارند. سيستم كنترل خود محرك، استعداد ايجاد فركانس طبيعي با ارتعاشات فركانس پايين‌تر را دارد كه اين سئال در مرحله مطالعه طراحي هر سيستم كنترلي بررسي مي‌شود.

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 لوله‌هاي سوخت و اكسيد كننده همراه با مخازن(حجم‌هاي) بسته‌اي نصب مي‌شود. هنگام شارژ سوخت و اكسيد كننده در اين مخازن، حباب‌هاي هوا توليد مي‌شود. در اين صورت سيال غير قابل تراكم با خواص تغيير يافته شبيه تراكم‌پذير مي‌شود كه مشخصه‌هاي ديناميكي سيستم ارتعاشي به اين صورت تغيير مي‌يابد. با تغيير حجم اين دمپرها مي‌توان سهم بالايي از اين فركانس‌هاي خطرناك خود تحريك را از بين برد.

نوع دوم ارتعاشات در رنج فركانسي 50 تا 300 هرتز قرار مي‌گيرد. اين نوع ارتعاشات، در تست استند موتور ايجاد مي‌شود و غالبا بر اثر فشار معكوس در محفظه روي سيستم شارژ اتفاق مي‌افتد. اگر در محفظه به دليلي فشار بالا رود، در اين صورت سيستم تزريق، آن را به صورت يك مقاومت حس مي‌كند.

در نتيجه، تزريق سوخت و اكسيد كننده كم و محدود مي‌شود و به نوبه خود با يك تاخير زماني باعث كاهش فشار در محفظه مي‌شود. بدين ترتيب يك حلقه ارتباطي بسته شده بين محفظه و سيستم تزريق ايجاد مي‌گردد كه در اين صورت خودراتفاشي ممكن است ايجاد شود. به اين صورت فشار بالا مي‌رود، در نتيجه دبي جرمي كاهش مي‌يابد و در اثر كاهش دبي جرمي فشار كم مي‌شود، بنابراين دبي جرمبي افزايش مي‌يابد. اثر مدت زمان پاشش سوخت و اكسيد كننده تا تبديل آن‌ها به محصولات احتراق كه به شكل يك تاخير زماني ظاهر مي‌شود، نقش حلال را بازي مي‌كند. با افزايش افت فشار روي انژكتور به خودارتعاشي فركانس متوسط مي‌توان غلبه كرد. اين كار باعث ضعيف شدن اثر معكوس(برگشت) تغيير فشار سريع داخل محفظه روي كار سيستم تزريق مي‌شود. گاهي اوقات براي مبارزه با اين ارتعاشات و تغيير فاز اترعاشات، دبي جرمي و فشار طول يك يا چند تاز از لوله‌هاي شارژ سوخت و اكسيدكننده به محفظه را تغيير مي‌دهند.

بالاخره سومين نوع خودارتعاشي، ارتعاشات فركانس بالا است كه ارتعاشات داخل محفظه‌اي با فركانس‌هاي بالا 500هرتز هست. اين پديده از نوع گاز ديناميكي و خطرناك‌ترين نوع خودارتعاشي است. اين ارتعاشات ارتباطي به سيستم تزريق و محفظه ندارد و بيشتر در موتورهايي با پيش‌ران بالا ظاهر مي‌شود. مكانيزم بروز آن‌ها 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 مي‌شود) گاز با شدت بيشتري توليد مي‌شود و در نتيجه فشار محلي بازهم افزايش مي‌يابد و موجي با سرعت صوت توزيع مي‌شود. با انعكاس موج از طرف ديواره مقابل، موج به صفحه انژكتور بر مي‌گردد و مجددا توليد گاز شديد‌تر مي‌شود. پريود چنين ارتعاشي برحسب زمان مورد نياز موج به طوري كه طولي برابر با طول مشخصه محفظه را طي كند، تعيين مي‌شود. مدهاي ايجاد شده ارتعاشي به مدهاي طولي و عرضي تقسيم مي‌شود.

در مدهاي طولي موج‌ها از صفحه انژكتور به سمت نازل محفظه احتراق حركت مي‌كنند. در مدهاي عرضي يا شعاعي موج‌ها متقارن و غير متقارن هستند و از ديواره‌هاي عرضي محفظه منعكس مي‌شوند.

شكل خود ارتعاشي فركانس بالا نه تنها باعث اثر رزونانسي در سازه ديواره‌هاي نازك محفظه مي‌شود، بلكه در تغيير ساختار لايه گاز كناره ديواره و بر هم زدن رژيم خنك‌كاري مؤثر است. اگر خودارتعاشي فركانس بالا به وجود بيايد، محفظه حتي ثانيه‌اي نمي‌تواند 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 مي‌توان قطعا تاكيد كرد كه در زمان حاصر، تجربه كافي براي مبارزه با اين پديده به دست آمده است و در فن موشك‌سازي امروزي مشكلي در اين خصوص وجود ندارد.