مهندسی دیوانه موتورهای مرلین اسپیس ایکس، قسمت 2: مقدمه ای بر پمپ توربو

قبل از هر چیز، برای همه خوانندگان عزیزم سال جدید 2022 بسیار شاد و موفقی آرزو می کنم. آرزو می کنم در این سال جدید همه چیزهای جدید بیاموزیم و آنها را برای بهبود بشریت به کار ببریم.

قبل از خواندن این مقاله، خواندن آن را به شدت توصیه می کنم مقاله قسمت 1 در این سری از مهندسی دیوانه در موتور مرلین اسپیس ایکس برای درک بهتر در این مقاله شما را با مفهوم اولیه توربوپمپ های مورد استفاده در موتورهای برودتی آشنا می کنم. در مقالات بعدی می توانیم از این دانش برای درک طراحی و عملکرد مرلین استفاده کنیم.

پس بیایید شروع کنیم…

حالا شما یک مخزن سوخت و پیشران ها. اما این دو چیز به تنهایی برای احتراق کارآمد در محفظه احتراق کافی نیست تا نیروی رانشی بیشتر از گرانش ایجاد کند و در نهایت موشک را بلند کند. بنابراین، برای حل این مشکل، مهندسان موشک دستگاهی به نام توربو پمپ پمپ توربو به ارسال سوخت با سرعت بالا و کارآمد به محفظه احتراق کمک می کند. موتورهای مرلین از توربوپمپ LOX و RP-1 استفاده می کنند. حدود 10000 اسب بخار یا 7500 کیلووات قدرت در 36000 دور در دقیقه تولید می کند.

حال ممکن است این سوال واضح مطرح شود که چرا از پمپ الکتریکی معمولی که در خانه استفاده می کنیم استفاده نمی کنیم زیرا ساخت آن آسان تر و ارزان تر است؟

پاسخ این است، ما از آنها استفاده نمی کنیم زیرا حجیم هستند و همچنین به مقدار زیادی انرژی به شکل باتری نیاز دارند که به نوبه خود به وزن کلی می افزاید..

بنابراین، اکنون که معنای پمپ توربو را می دانید، اجازه دهید بیشتر به جنبه های فنی آن بپردازیم.
یک توربوشارژر عمدتاً دارای دو جزء اصلی است، یک پمپ دوار و یک توربین گاز.
به زبان ساده، پمپ روتودینامیک ماشینی برای پمپاژ مایع (در اینجا پیشرانه) با استفاده از پروانه چرخان است.

اکنون هر دو جزء فوق با هم سوار شده اند. از آنجایی که کل سیستم دارای یک توربین گاز است، بنابراین برای راندن آن به گاز نیاز داریم. برای رسیدن به این، باید هیدروژن مایع را در اطراف نازل داغ موشک و محفظه احتراق به گردش درآوریم و هیدروژن گازی حاصل را به توربین برسانیم تا آن را به حرکت درآورد.. این همچنین به خنک کردن نازل و محفظه احتراق کمک می کند که می تواند به دمایی برسد 3000 درجه سانتیگراد و باعث خسارت مادی شود.

بعد از اینکه گاز کار خود را برای راندن توربین انجام داد، گاز دوباره به محفظه احتراق باز می گردد. سپس توربین دوار به حرکت در می آید پروانه ای که به افزایش جریان هیدروژن یا اکسیژن مایع کمک می کند. کل این پیکربندی an نامیده می شود چرخه گسترش.

با این حال، حتی پس از استفاده از این پیکربندی، ما نمی توانیم هیدروژن مایع را با سرعت بالایی که برای حفظ اطمینان کافی در رانش موثر لازم است پمپ کنیم. این به دلیل ویژگی ساده گاز است. همانطور که همه ما می دانیم، هر چه یک ماده را بیشتر گرم کنیم، بیشتر منبسط می شود و انرژی جنبشی بیشتری دارد. بنابراین، در اینجا از انرژی حرارتی ساطع شده از نازل داغ و محفظه احتراق برای گرم کردن هیدروژن مایع استفاده می کنیم.. اما مشکل اینجاست که این گرما نیز برای به حرکت درآوردن توربین با سرعت لازم برای پمپاژ هیدروژن مایع برای رانش موثر کافی نیست.

بنابراین، برای مقابله با این مشکل، مهندسان چیزی به نام توسعه داده اند چرخه ژنراتور گاز. در این روش، بخش کوچکی از هیدروژن مایع در a سوزانده می شود یک محفظه احتراق کوچک جدا شده و سپس از گازهای داغ حاصل برای به حرکت درآوردن توربین گاز استفاده می شود. سپس توربین پروانه را می چرخاند و جریان سوخت مایع را با سرعت بالا در اطراف نازل و در نهایت به محفظه احتراق اصلی موتور ارائه می دهد.

چرخه ژنراتور گاز

اما این طراحی ناکارآمد است زیرا مقدار کمی از گاز خروجی به طور کامل از بین می رود و منجر به از دست رفتن سوخت بالقوه می شود. اگرچه راه های مختلفی برای افزایش راندمان سیستم وجود دارد که از آن جمله می توان به انحراف گاز داغ ناشی از نازل داغ به محفظه احتراق کوچک و همچنین هدایت گازهای خروجی اگزوز که قبلا هدر می رفت به محفظه احتراق اصلی موتور اشاره کرد. این منجر به یک مخلوط غنی از سوخت نیمه سوخته می شود که هم دما و هم فشار بالایی دارد.

همچنین، باید به یاد داشته باشید که در این مقاله از هیدروژن مایع (LH2) و اکسیژن (LOH) استفاده کردم تا عملکرد توربوپمپ ها را که به طور سنتی در موتورهای مختلف استفاده می شود، برای شما توضیح دهم. اما در موتورهای مرلین ترکیبی از LOX و RP-1 استفاده می شود.

چالش اصلی در هر موتور برودتی، حفظ نسبت خاصی از اکسیژن به هیدروژن است که به آن نیز معروف است. نسبت مخلوط سوخت. این کار بسیار مهم کاملاً به طراحی کارآمد توربو پمپ بستگی دارد. همچنین، یکی از چالش‌های اصلی طراحی توربوپمپ این است که در توربوپمپ‌ها، دبی پیشرانه توسط یک توربین گازی کنترل می‌شود که با احتراق پیشرانه یا گاز پیشران داغ نیز کنترل می‌شود.. اگر این طرح با موفقیت محقق شود، در نهایت می توان یک موتور برودتی تولید کرد. اما در واقعیت اینطور نیست. تنها چند کشور با موفقیت این نوع موتور را تولید و استفاده می کنند.

در مقاله بعدی سعی می کنم شما را با نسخه های مختلف موتورهای مرلین با مشخصات و مشکلات هر کدام آشنا کنم. پس از انتشار، لینک در این مقاله در دسترس خواهد بود.

ممنون که خواندید!!!