سوخت موشک و هواپیما

مقدمه
موشکهای فضایی مانند موشکهای آتش بازی عمل می‌کنند. سوخت با ماده‌ای به نام اکسنده که حاوی گاز تسریع کننده احتراق یعنی اکسیژن است، ترکیب می‌شود. آنگاه این ترکیب که یک پیشران محسوب می‌شود، می‌سوزد و گازهای داغی را تولید می‌کند، این گازها منبسط شده ، از طریق یک دماغه خارج و باعث می‌شوند موشک به طرف بالا حرکت کند. این واکنش برای اولین بار در قرن هفدهم توسط دانشمند انگلیسی ، اسحاق نیوتن ، در قانون سوم حرکتش بیان شد. او اظهار داشت که برای هر عملی (خروج گازها در اینجا) عکس العملی است مساوی و مخالف جهت آن (در اینجا ، حرکت موشک).
موشکهایی با سوخت پیشران جامد

سوختهای پیشران از یک نوع سوخت و یک اکسنده تشکیل شده‌اند. برای روشن شدن موشک ، کافی است یک جرقه کوچک سوخت پیشران آنرا آتش بزند. سوخت آتش گرفته تا آخرین قطره می‌سوزد. گازهای حاصل از سوخت پیشران را از طریق دماغه انتهایی موشک خارج می‌شوند. اولین موشکها را احتمالا در قرن یازدهم میلادی در کشور چین ساخته‌اند. آنها موشکهایی بودند که از سوخت پیشران جامد استفاده می‌کردند. سوخت موشک یک نوع باروت بود که از مخلوطی از نیترات پتاسیم ، زغال چوب و سولفور تشکیل شده بود.

موشکهایی که از سوخت پیشران جامد استفاده می کنند، اغلب به عنوان موشکهای تقویت کننده‌ای استفاده می‌شوند که نیروی اولیه موشکهای بزرگتر را تأمین می‌کنند. موشکهای بزرگتر خود از سوخت پیشران مایع استفاده می‌کنند. بزرگترین موشکهای مصرف کننده سوخت جامد با ۴۵ متر ارتفاع جزء موشکهای تقویت کننده شاتل فضایی ایالات متحده محسوب می‌شوند. آنها حاوی ۵۸۶۵۰۰ کیلوگرم (۲/۱ میلیون پوند) سوخت پیشران هستند که بطور متوسط ۱۳ میلیون تن (۵/۳ میلیون پوند نیرو) نیروی پیشران را تولید می‌کنند.

این موشکها را طوری طراحی کرده‌اند که بعد از اتمام سوخت و افتادن در دریا ، از دریا بیرون کشیده شده ، دوباره برای مأموریتهای بعدی سوختگیری می‌شوند. ساخت موشکهایی که از سوخت جامد استفاده می‌کنند چندان دشوار نیست. آنها مقدار زیادی نیروی پیشران را در یک مدت زمان کم تولید می‌کنند. تنها ایراد این نوع موشکها این است که بعد از روشن شدن به راحتی خاموش نمی شوند. به عبارت دیگر ، نمی‌توان آن را به آسانی تحت کنترل درآورد.
موشکهای با سوخت مایع
اکثر موشکهایی که از آنها در پروازهای فضایی استفاده می‌شود، از سوخت پیشران مایع بهره می برند. سوخت و اکسنده که در مخزنهای جداگانه‌ای نگهداری می‌شوند، هر دو مایع هستند. پمپهای قدرتمندی آنها را به محفظه احتراق می‌برند؛ در آنجا آنها باهم ترکیب شده ، شروع به تولید گازهای خروجی می‌کنند. گازهای مذکور نیز به نوبه خود از دماغه انتهایی موشک خارج می‌شوند. بعضی از موشکها از یک ماده قابل اشتعال سریع برای شروع احتراق استفاده می‌کنند. سوخت پیشران سایر موشکها هگام ترکیب سوخت و اکسنده شروع به احتراق می‌کند.

فرآیند احتراق پیشران مایع
اکسنده و سوخت باهم ترکیب می‌شوند و در محفظه احتراق شروع به سوختن می‌کنند. سپس گازهای خروجی حاصل از فرآیند احتراق از دماغه خارج و به عنوان نیروی پیشران ، موشک را به طرف جلو حرکت می‌دهند.
۲۳ نوامبر سال ۱۹۳۳ ــ نخستین موشک با سوخت مایع
برخلاف تصور عمومی نخستین موشک که با سوخت مایع حرکت می کرد ۲۳ نوامبر سال ۱۹۳۳ به دست دانشمندان شوروی ساخته و آزمایش شد ؛ درست ده سال پیش از این که آلمانی ها موشک بسازند.

در شوروی آن زمان که از انقلاب بلشویکی ۱۹۱۷ فاصله ای زیاد نگرفته بود ، به کسانی که اختراع و اکتشاف می کردند و از خود خلاقیت نشان می دادند و یا این که بازده بیشتری داشتند و نسبت به همنوع فداکاری از خود نشان می دادند عنوان « قهرمان سوسیالیست » ، « قهرمان خلق » و مدال مربوط داده می شد که دلگرمی و تشویق بزرگی بود و در همه ایجاد انگیزه به پیشبرد جامعه و خدمت عمومی می کرد که از دهه ۱۹۷۰ این تشویق هم که دریک جامعه سوسیالیستی کلید بسیاری از پیشرفتهاست به تدریج به صورت تشریفات و غیر واقعی (پاتی بازی و تحت تاثیر توصیه) در آمد و اهمیت خودرا از دست داد . در جوامع غیر سوسیالیستی ، عمدتا «پول » مشوق خلاقیت است .

عوامل موثر در مصرف سوخت هواپیما
گستردگی سرزمین ، بعد مسافت ، پراکندگی مراکز جمعیتی و ناهمواریهای طبیعی و مشکلات دسترسی خطوط حمل و نقل زمینی و دریایی از جمله عواملی هستند که موجب شده اند جابجایی هوایی مسافر و کالا در ایران به عنوان یکی از سریع ترین ، ایمن ترین و مناسب ترین اشکال حمل و نقل شناخته شود و مورد توجه قرار گیرد.

گستردگی سرزمین ، بعد مسافت ، پراکندگی مراکز جمعیتی و ناهمواریهای طبیعی و مشکلات دسترسی خطوط حمل و نقل زمینی و دریایی از جمله عواملی هستند که موجب شده اند جابجایی هوایی مسافر و کالا در ایران به عنوان یکی از سریع ترین ، ایمن ترین و مناسب ترین اشکال حمل و نقل شناخته شود و مورد توجه قرار گیرد.

در گرایش تدریجی به مسافرت های هوایی نسبت به دیگر شیوه های حمل و نقل ، تاثیر عوامل مختلفی نظیر افزایش جمعیت ، رشد درآمد سرانه و مزایای ترجیحی هزینه سفرهای هوایی را نباید نادیده گرفت .
بنابراین از آنجا که حمل و نقل هوایی ، سهمی عمده در توسعه اقتصادی کشورها دارد، راهکارهای اجرایی برای کاهش مصرف سوخت بخش هوایی کشور مورد مطالعه و بررسی قرار خواهد گرفت.

فرودگاه ها به عنوان محل ورود و خروج مسافر در پروازهای داخلی و مرزهای خروجی و ورودی در پروازهای بین المللی همواره از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده اند. در حال حاضر تعداد ۷۲ فرودگاه در حال بهره برداری وجود دارد و تعداد ۱۳ فرودگاه نیز در مرحله مطالعه و ساخت هستند یا هنوز به بهره برداری نرسیده اند.
طبق تحقیقات مکتوب در اولین همایش بهینه سازی مصرف انرژی در بخش حمل و نقل ، عوامل موثر بر کاهش مصرف سوخت بخش هوایی به شرح زیر است:
۱) ترافیک هوایی
۲) وزن هواپیما
۳) مسافت و برد پروازی
۴) تعمیر و نگهداری
۵) مشخصات عملکرد و دینامیک پرواز
۶) مشخصات آیرودینامیکی
۷) به روز رسانی سیستم های پیشرانه هواپیما
۸) نوسازی ناوگان
● نقش فناوری طراحی هواپیما در کاهش مصرف سوخت :
افزایش روز افزون جمعیت و بالا رفتن تقاضای سفر در کشور، موجب رشد مصرف سوخت در بخشهای مختلف حمل و نقل از جمله حمل و نقل هوایی شده است .
همچنین با توجه به تاثیر مستقیم پارامترهای اصلی طراحی هواپیما بر میزان مصرف سوخت ، به بررسی نقش فناوری طراحی هواپیما در کاهش مصرف سوخت هواپیماها پرداخته شده است.
● بررسی اثر طراحی هواپیما بر میزان مصرف سوخت:
از جمله پارامترهای اصلی در طراحی هواپیما، برد پروازی ، وزن کل برخاست ، وزن بار حمل شده ، نیروی رانش ، بارگذاری بال ، ارتفاع پروازی ، مصرف سوخت ویژه موتور و سرعت مسیر قابل ذکر است.

به طوری که بروز تغییرات در هر یک از این پارامترها می تواند موجب اختلاف بسیاری در عملکرد هواپیماها شود.
آنچه در طراحی هواپیما باید مورد توجه قرار گیرد، آن است که انتخاب هواپیماهایی با سرعت پروازی بالا، مدت زمان سفر را تقلیل می دهد، اما ممکن است در زمان خاصی ، هواپیمایی با قدرت کمتر مطلوب تر باشد.

از پارامترهای اساسی در طراحی هواپیما، انتخاب صحیح نوع موتور براساس ملزومات طراحی و تامین مشخصات مطلوب و خواسته های مشتری است.
▪ برای مقایسه موتورها باید روی برخی مشخصات مطالعه و بحث صورت گیرد.
ـ این مشخصات عبارتند از:

۱) قدرت تولید شده موتور هنگام برخاستن و حالت اضطراری نسبت به دمای محیط
۲) قدرت تولید شده به وسیله موتور در حالت حداکثر سرعت افقی
۳) مصرف سوخت ویژه موتور
۴) وزن موتور

۵) مشخصات توربین و کمپرسور
▪ هواپیماهای تجاری امروزه به طور کلی با سه نوع موتور ساخته می شوند:
ـ موتورهای توربوپراپ ، توربوفن ، و توربوجت.
اصولا موتورهای توربوپراپ ، مصرف سوخت کمتری نسبت به دو نوع موتور دیگر دارند.
حتی موتورهای توربوفن نیز مصرف سوخت کمتری نسبت به موتورهای توربوجت دارند، البته در مقابل ، موتورهای توربوفن و توربوجت قابلیت تولید تراست های بالاتر و پرواز در ارتفاع و سرعتهای بیشتر را نیز دارند که در این ارتباط نباید از صدای تولید شده به وسیله موتورهای توربوپراپ در مقایسه با موتورهای توربوجت و توربوفن صرف نظر کرد.
امروزه به دلیل اهمیت کاهش مدت زمان پرواز و راحتی مسافران ، مسافرت با هواپیماهای جت ترجیح داده می شود.
در ناوگان هوایی کشور ما، تنها کمتر از ۲۰درصد هواپیماهای ناوگان هوایی که شامل کمتر از ۱۰درصد صندلی های موجود می شود، از نوع توربوپراپ هستند.
علاوه بر نوع موتور، عوامل دیگری ازجمله مشخصات ماموریت مثل ارتفاع پرواز، تعداد صندلی ، طول باند و غیره روی کارآیی کلی هواپیما از نظر مصرف سوخت تاثیر می گذارند.
● انتخاب هواپیمای مناسب با طول مسیر:
حدود هشتاد درصد کل پروازهای مسافری به پروازهای داخلی اختصاص دارد.
از نظر سوخت مصرفی در پروازهای داخلی نیز می توان گفت تقریبا ۶۵درصد کل سوخت هوایی در پروازهای داخلی مصرف می شود.
بنابراین بررسی شیوه مصرف سوخت و ارائه روشهای کاهش میزان آن در پروازهای داخلی از اولویت خاص برخوردار است.
یکی از ویژگی های پروازهای داخلی از نظر مصرف سوخت ، تطابق نوع و مدل هواپیما با طول مسیر (برد) است. مجموعه عوامل مختلف موثر در طراحی هواپیما باعث میشود به ازای افزایش برد (تا سقف برد هواپیما) میزان مصرف سوخت کاهش یابد.
ـ روشهای اجرایی برای کاهش مصرف سوخت در حمل و نقل هوایی بدین شرح است :
۱) استفاده از هواپیماهای توربو پراپ برای مسیرهای کوتاه
۲) مدرنیزه و به روز کردن مدیریت ترافیک هوایی
۳) تشویق خلبانان در صورت داشتن پروازی کم مصرف
۴) کاهش مناطق ممنوعه در مسیر پرواز هواپیما
در نتیجه ، استفاده از هواپیماهای متوسط و دوربرد در مسافتهای کوتاه می تواند منجر به افزایش سوخت مصرفی به ازای هر صندلی تا حدود ۵/۱برابر شود.
بنابراین استفاده از هواپیمای مناسب می تواند مصرف سوخت را به میزان قابل ملاحظه ای کاهش دهد.
ازجمله راهکارهای اساسی در کاهش مصرف سوخت بخش هوایی ، هدایت شرکتهای هواپیمایی به استفاده از هواپیماهای توربوپراپ در مسیرهای کوتاه و کمک به تولید داخلی و ارتقای کیفیت طراحی آنهاست که می تواند موجب صرفه جویی قابل ملاحظه ای در مصرف سوخت شود.
همچنین در صورت نداشتن امکان طراحی قویتر و مدرنتر، توجه به فناوری موتور به عنوان یکی از عوامل مهم در مصرف سوخت هواپیما حائز اهمیت است.