موتور راكت

موتورهاي از نوع راكت ها با موتورهاي جت گرمايي ديگر از نظر اينكه سوخت و اكسيد كنندة خود را حمل مي كنند متفاوت مي‌باشند. در نتيجه در حاليكه موتورهاي جت گرمايي ديگر براي احتراق خود به اكسيژن اتمسفر نياز دارند موتورهاي راكت از آن مستقل مي باشند. از اين رو موتورهاي راكتي جذاب‌ترين نوع هستند.
گرچه حقيقتهاي عملي ديگر نيز وجود دارد كه از مفيد بودن اين موتور مي كاهد. بنابراين هدف از اين متن بحث در مورد پايه و اساس ساختار و عمل و كاربرد آن با در نظر گرفتن ساير انواع موتورهاي گرمايي به خصوص آنهايي كه در اين متن آمده اند مي باشد.

همچنين موتورهاي از نوع راكت از نظر نوع سوخت به كار رفته در آنها طبقه بندي شده اند.
بنابراين با روشن كردن اين موضوع تمام اين نوع موتورها به دو گروه اصلي تقسيم مي‌شوند. يكي از آنها گروهي است كه از سوخت مايع و ديگري از سوخت جامد استفاده مي كنند.
تئوري ساختاري كه حاكي بر دستور العمل موتور راكتي مي باشد ممكن است به صورت مساوي توسط هر دو نوع سوخت جامد و مايع موتور راكت تامين شود.
تئوري دستورالعمل اين موتور در ابتدا به منظور فهم روشنتر از بعضي از پارامترهاي عملي كه بعداً از آنها در اجزايي كه انواع گوناگون موتورهاي راكتي را توضيح مي‌دهند، توسعه پيدا خواهد كرد.

(۱ـ۱۸) مختصري از تاريخچه
عمل رانش جت راكت براي قرنهاست كه تشخيص داده شده است. تاريخچه ثبت شده حاكي از اين است كه راكتها ابتدا توسط چيني ها و عربها در قرن ۱۳ و۱۴ مورد استفاده قرار گرفتند. از اوايل شروع استفاده از راكتها بين استفاده در زمان جنگ به عنوان اسلحه و در زمان صلح براي علامت دادن و آتش بازي نوسان پيدا كرده است.
جالب به ذكر است كه راكتهايي كه مواد منفجره آتش‌زا را به مسافت ۲ مايل حمل مي‌كردند در جنگ سال ۱۸۱۲ استفاده شدند.

گرچه به كارگيري آنها به عنوان اسلحه عملاً حذف شده است در اواخر قرن ۱۹ توسط پيشرفتهايي كه در ساخت توپخانه ها به عمل آمد از راكت با دقت بيشتري استفاده شد. همچنين راكت به مقدار جزئي در جنگ جهاني اول توسط پيشرفتهاي چشمگير كه توسط تحقيقاتي كه درآن زمان به كار مي رفت به كار گرفته شد.
در جنگ جهاني دوم راكت به عنوان اسلحة تهاجمي عمده توسط همه قدرتهاي جنگ به كار گرفته شد.

موشكها و اسلحه هاي نشأت گرفته از راكت در نقطه اي كه ممكن است به طور موثري در عمليات نظامي به كار روند پيشرفت كرده اند.
(۲ـ۱۸) كاربردهاي موتور راكت:

رانش راكت، در اين زمان نبايد به عنوان رقيب هواپيماهاي ملخ دار در نظر گرفته شود. ولي به عنوان منبع قدرت براي دستيابي به مقاصد دست نيافتني با روشهاي ديگر رقابت مي كند.
آلمانيها از رانش راكت براي دستيابي با سرعت بالاي مادون صوت، كوتاه برد(ME.163)حائل و (V-2) موشك انداز استفاده كردند.
در اين كشور هم اكنون از موتور راكت استفاده مي شود و تحت آزمايشهايي براي افزايش ميزان كاربرد آنها مي باشد.
برخي از اين كاربردها عبارتند از:

۱ـ راكتهاي توپخانه
۲ـ راكتهاي ضد تانك( بازوكا)
۳ـ همه نوع سلاحهاي هدايت شونده
۴ـ راكتهاي پرتاب شونده از هواپيما
۵ـ موتور جت براي برخاستن لحظه أي هواپيما

۶ـ موتورهايي براي سلاحهاي هدايت شوندة دوربرد در سرعت بالا و هواپيماهاي بي‌خلبان
۷ـ عمده ترين كاربرد براي موتورهاي رانش هواپيماهاي transonic مانند D-558 مي باشد.
مجدداً لازم به ذكر است كه موتور راكت با ديگر موتورهاي رانش جت به دليل اينكه جرم كلي گاز توسط سوختهايي كه در موتور حمل مي شوند توليد مي شود متفاوت مي باشد.
بنابراين راكت ارتباطي با هواي اتمسفر براي تهية اكسيژن براي احتراق ندارد. از آنجايي كه راكت اكسيدايزر خود را حمل مي كند مصرف سوخت خيلي بالايي دارد.
(۳ـ۱۸) تئوري مقدماتي عمليات:

شكل (۱ـ۱۸) يك دياگرام شماتيك از اجزاي مقدماتي يك موتور راكت كه داراي سوخت مايع bi-propellant مي باشد را به نمايش مي گذارد . آن شامل يك سيستم تزريقي محفظة احتراق، خروجي نازل مي باشد.
اكسيد كننده و سوخت در محفظه احتراق مي سوزند و فشار بالا توليد مي كنند. فشار توليد شده تحت تسلط نرخ وزن، جريان سوخت، خواص شيميايي سوختها و . . . . مي باشد.
گازها با سرعت مادون صوت از شيپوره به اتمسفر پخش مي شوند. نازل انرژي فشار گازها را به انرژي جنبشي تبديل مي كند.
عكس العمل پخش شدن گازهاي با سرعت بالا نيروي جلوبرندگي (Thrust) را در موتور راكت به وجود مي آورد. تراست توسعه پيدا كرده نتيجه نيروهاي فشاري مي‌باشد كه بر مبناي سطوحهاي دروني و خارجي موتور راكت كار مي كند. نتيجة نيروهاي داخلي كه بر موتور عمل مي كنند، مطابق زير مي باشد.
نتيجه نيروهاي داخلي
كه

: نرخ وزن جريان يا نرخ وزن مصرف سوخت ( )
: سرعت خروجي يا قسمتي از جت كه به نازل نسبت دارد ( )
: فشار استاتيكي خروجي ( )
: سطح خارجي ( )

نتيجة نيروهاي خارجي كه در موتور راكت عمل مي كنند مي باشد كه فشار اتمسفر برحسب مي باشد. تراستي كه نتيجه كلية نيروهاي فشاري مي باشد از رابطة زير به دست مي آيد:
(۱-۱۸)

معادله (۱ـ۱۸) اثر فشار اتمسفر موتور راكت را نشان مي دهد. يعني هر چه فشار اتمسفريك كمتر باشد تراست زياد مي شود. بنابراين Max تراست زماني حاصل مي‌شود كه باشد.
همچنين مي توان نتيجه گرفت كه Max تراست زماني حاصل مي شود كه در يك حجم بسته عمل كند.
در آزمايش موتور راكت، تراست، كلية مصرف سوخت و مقدار زمان كل اندازه گرفته مي شود.
راحت است كه بگوييم تراست در شرايط نرخ وزن جريان سوختها و سرعت موثر جت مي‌باشد.
(۲-۱۸)

سرعت موثر خروجي جت يك سرعت فرضي است كه براي راحتي آزمايشات استفاده مي شود و از معادلات(۲ـ۱۸) و (۱ـ۱۸) مطابق زير تبعيت مي كند.

سرعت موثر جت به عنوان يك پارامتر مهم به اجراي موتور راكت محسوب شده است.
نيروي جلو برندگي(Thrust) كه توسط موتور راكت توسعه يافته است برابر حاصلضرب جلوبرندگي (Thrust) در سرعت پرواز مي باشد يا:

راندمان رانش، ، نرخ نيروي Thrust در نيروي لازمه رانش مي باشد.
نيروي رانش برابر حاصل جمع نيروي Thrust و انرژي جنبشي از دست رفته در خروجي مي باشد.