چرا نازل های موشک شعله ور می شوند؟

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamavation

نام: roham hesami radرهام حسامی راد

محل اقامت: 100 مایلی شمال لندن جاده آیلستون، لستر، لسترشر. LE2

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 3222

سپاس: 5492

جنسیت:

تماس:

چرا نازل های موشک شعله ور می شوند؟

پست توسط rohamavation »

یک موتور جت با داشتن این چیز شگفت انگیز به نام محفظه احتراق کار می کند. محفظه احتراق هوا را مشتعل می کند تا هوا را منبسط کند و در نتیجه باعث رانش بیشتر می شود. و اکثر موتورهای جت (مانند موتورهای توربوفن) به سادگی با باریکتر کردن موتور هرچه عقب می‌روید، میزان نیروی رانش را افزایش می‌دهند. (یعنی سوراخ کوچکتر می شود).
اما برای موشک ها، نازل بزرگتر و بزرگتر می شود.آیا از نظر تئوری کارآمدتر نیست که انتهای نازل مانند موتور جت کمی باریکتر شود تا نیروی رانش بیشتر به دست آید؟ من فرض می‌کنم که خیلی ها قبلاً به این ایده فکر کرده‌اند، زیرا به نظر یک مفهوم اساسی است. با این حال، نمی توانم پاسخی بیابم/به این فکر می کنم که چرا.تصویر
..هدف این نازل دستیابی به حداکثر شتاب جریان برای به دست آوردن بالاترین سرعت خروجی ممکن است.
شکل نازل های همگرا / واگرا (de Laval) توسط خواص ترمودینامیکی گازها تعیین می شود.
برای یک جریان گاز مادون صوت، یک گذرگاه همگرا جریان را تسریع می کند. فیزیک برای جریان های مافوق صوت مخالف است: آنها توسط یک گذرگاه واگرا شتاب می گیرند. بنابراین بخش همگرای نسبتا کوتاه نازلی که می بینید جایی است که جریان به سرعت مافوق صوت در گلو شتاب می گیرد، سپس بخش واگرای طولانی جریان مافوق صوت را تسریع می کند.
محل قطع نازل بستگی به این دارد که می خواهید فشار صفحه خروجی نازل چقدر باشد.گاز در باریک ترین قسمت (گلو) نازل همگرا-واگرا که در موتور موشک استفاده می شود، در حالت ایده آل با سرعت 1 ماخ، یعنی سرعت صوت حرکت می کند. این یک شرایط جریان خفگی ایجاد می کند. پس از گلو، گاز منبسط می شود، دما کاهش می یابد و به دلیل اثر ونتوری، سرعت آن به بیش از 1 ماخ می رسد. بنابراین یک نازل همگرا-واگرا مقداری از انرژی حرارتی در اگزوز را به انرژی جنبشی تبدیل می کند.
محدودیت هایی در مورد میزان تبدیل یک موشک به انرژی حرارتی به انرژی جنبشی وجود دارد. موشکی که در خلاء کار می کند، از نظر تئوری می تواند تقریباً تمام آن انرژی حرارتی را به انرژی جنبشی تبدیل کند. اگزوز نازل را نزدیک به صفر کلوین رها می کند و اگزوز تقریباً کاملاً ستونی است. با این حال، این به یک نازل بی نهایت طولانی نیاز دارد. در برخی مواقع، افزودن به نازل به جای سود، به ضرر خالص تبدیل می شود. موشکی که در اتمسفر عمل می کند، فشار خروجی را به طور ایده آل برابر با محیط است. افزایش نازل بیش از این ایده آل منجر به فشار معکوس جو در برابر موشک می شود، در حالی که کاهش نازل زیر این ایده آل منجر به کاهش سرعت خروج می شود.
در مورد هواپیما چطور؟ هواپیماهای مادون صوت از نازل همگرا-واگرا استفاده نمی کنند زیرا جریان خفه نمی شود. جریمه عملکردی برای جریان هایی که از سرعت صوت فراتر می روند باید پرداخت شود. این بهایی است که باید برای فرار از جو زمین و رفتن به مدار پرداخت کرد. برخی از هواپیماهای مافوق صوت از یک نازل همگرا-واگرا استفاده می کنند، اما اغلب در داخل موتور پنهان می شود. نازل یک شکل مخروطی است که در گلو گسترده تر است و به سمت عقب موتور مخروطی می شود. اگزوز به جای جریان از طریق نازل، در یک موتور جت در اطراف نازل جریان می یابد.
احتراق پیشرانها یک فرآیند گرمازا است و عمدتاً گرما را تأمین می کند. سرعت اولیه (به پمپ های توربو فکر کنید) و ثابت گاز ویژه تغییر یافته محصول احتراق ناچیز است. گرما همچنین از طریق قانون گاز به فشار تبدیل می شود.
هنگامی که گاز خروجی دیگر با موشک ما تعامل نداشته باشد، گرما و فشار تا حدودی بی فایده است. هنگامی که گاز با جو مخلوط می شود یا به سادگی در فضای خالی منبسط می شود، از بین می روند. این واقعیت که این فرآیندها برگشت ناپذیر هستند به عنوان افزایش آنتروپی بیان می شود.
فقط تکانه گاز نیروی رانش را فراهم می کند و این با سرعت متناسب است. وظیفه محفظه احتراق، چوک و نازل تبدیل فشار به سرعت در یک انبساط آدیاباتیک است.
برای بازده ترمودینامیکی خوب، جریان گاز باید ایسنتروپیک باشد (اما نقطه رکود بسته به فشار و سرعت محیط تغییر می‌کند، بنابراین همیشه برای مراحل صعود یک مصالحه است). این هدف طراحی، فرم مجرای اگزوز را دیکته می کند. برای یک جریان مادون صوت، یک مجرای باریک کننده باعث ایجاد فشار برگشتی می شود که به طور موثر فشار در چوک را کاهش می دهد و سرعت را افزایش می دهد (اصل بنولی).
با این حال، فشار برگشتی برای جریان های مافوق صوت کار نمی کند. فشار به سادگی به سمت عقب منتشر نمی شود، در عوض امواج ضربه ای ایجاد می شود. بنابراین پروفیل بهینه یک مجرا باریک ترین نقطه خود را دارد که در آن جریان به 1 ماخ می رسد و پس از آن چوک عریض می شود. یک اشتقاق رسمی از این واقعیت از معادله حالت برای جریان سیال تراکم پذیر را می توان در اینجا یافت. Physics.SE در زمینه تئوری نیز پاسخی دارد.
هواپیماهایی که قادر به کروز مافوق صوت هستند همچنین دارای نازل های واگرای همگرا هستند، زیرا برای حفظ سرعت خود نیاز به ایجاد جریان اگزوز مافوق صوت دارند. توجه داشته باشید که نازل های مافوق صوت را می توان برای حرکت زیر صوت استفاده کرد (همانطور که در مورد موشک در هنگام پرتاب است) اما نه برعکس.
معادله ای که واقعاً می خواهید به آن نگاه کنید، رابطه مساحت - ماخ نامیده می شود. این معادله ای است که از مفروضات جریان ایزنتروپیک 1 بعدی با سطح مقطع متغیر به دست آمده است. بدون بررسی کل اشتقاق، می توانیم به نتیجه نهایی بگذریم و مفاهیم آن را تفسیر کنیم.
رابطه مساحت - ماخ:
$\frac{dA}{A} = (M^2-1)\frac{du}{u}$
این یک معادله هر آنچه را که می خواهید در مورد اینکه چگونه تغییرات در مساحت (dA) بر تغییرات سرعت (du) در اعداد ماخ مختلف (M) تأثیر می گذارد، به شما می گوید.
برای جریان مادون صوت M<1، سپس M2-1<0. به عبارت دیگر، ضریب سمت راست منفی است. این بدان معنی است که dA و du رفتار متضادی دارند. اگر سطح مقطع نازل را کوچکتر کنیم (dA منفی)، تغییر در سرعت جریان (du) باید مثبت باشد. این همان تأثیری است که معمولاً وقتی انگشت شست را روی انتهای شلنگ باغچه قرار می دهیم مشاهده می کنیم: باز شدن کوچکتر باعث جریان سریعتر می شود. برعکس، همچنین به این معنی است که سرعت جریان با افزایش تغییر در ناحیه کاهش می‌یابد (مثلاً انگشت شست خود را از شلنگ باغچه بردارید).
وقتی جریان مافوق صوت داریم دقیقا برعکس است. اگر M>1 باشد، ضریب $M^2-1<0$ مثبت است، به این معنی که dA و du رفتار مشابهی دارند. بنابراین، اگر یک تغییر مثبت در مساحت داشته باشیم (یعنی سطح نازل را افزایش دهیم)، سرعت جریان را نیز افزایش می دهیم (du مثبت است). این پدیده‌ای نیست که ما معمولاً در زندگی روزمره تجربه می‌کنیم، بلکه نتیجه‌ای شگفت‌انگیز است که از فیزیک و ریاضیات به دست آمده است.
یک نتیجه شگفت‌انگیز دیگر از این معادله: در نقطه‌ای که به سرعت صوت (M=1) می‌رسیم، باید تغییر مساحت صفر باشد. یعنی شیب مماس نازل در نقطه صوتی باید افقی باشد. حالا این را با دو مورد دیگر در یک نازل ترکیب کنید:
هنگامی که فشار در داخل یک محفظه احتراق موشک ایجاد می شود، با سرعت پایین و مادون صوت شروع می شود. برای اینکه سریعتر حرکت کند، ابتدا باید سطح مقطع نازل را منقبض کنیم.
یعنی تا زمانی که به سرعت صوت یعنی 1 ماخ برسیم. در این مرحله نازل باید به بیشترین ناحیه منقبض خود برسد.
پس از این نقطه، معادله به ما می گوید که باید شروع به افزایش سطح مقطع نازل کنیم تا جریان را به سمت سرعت مافوق صوت سریع تر هدایت کنیم.
نتیجه نهایی این امر نازلی است که ابتدا تا نقطه صوتی منقبض می شود و سپس منبسط می شود. این طرح کلاسیک نازل De Laval است.
چون مافوق صوت است.
جت های گازی که به سرعت مافوق صوت می رسند (که در بسیاری از موارد شامل پاشش هوا از کمپرسور هوا در تفنگ بادکن می شود) رفتار جالبی دارند.
هنگامی که گاز با فشار بالا و سرعت کم شروع به کار می کند، باریکتر کردن کانالی که در آن حرکت می کند، آن را سریعتر می کند. (ناحیه ای که در آن باریک تر می شود توسط لوله ها و لوله ها در تصویر موتور پوشیده شده است، اما آنجاست.)
در باریک ترین نقطه، جریان گاز به سرعت صوت می رسد. (با فرض اینکه سرعت جریان و/یا نسبت فشار محیط به منبع به اندازه کافی بالا باشد)
اگر می خواهید سرعت آن را افزایش دهید، باید کانال را گسترده تر کنید. این فشار (و گرما) را به سرعت تبدیل می کند - گاز سرد می شود، منبسط می شود و شتاب می گیرد. نازل موتور لازم نیست به شکل زنگ باشد - در روزهای اولیه آنها فقط مخروطی بودند، معمولاً با زاویه 30 درجه - اما این شکل بسیار کارآمدی برای ساخت آنها است.
اگر در اتمسفر هستید، در نهایت فشار گاز به فشار اتمسفر نزدیک‌تر می‌شود و نازل موشک بهتر است در آن نقطه یا قبل از آن خاتمه پیدا کند تا کارایی آن خراب نشود (کوتاهی بیش از حد بهتر از طولانی است). در خلاء، از نظر تئوری می‌تواند برای همیشه ادامه داشته باشد - به همین دلیل است که موتورهای موشک فقط خلاء دارای چنین پسوند نازل بزرگی هستند.
این قوانین در مورد موتورهای جت تا زمانی که جریان جت مافوق صوت باشد صدق می کند، که قطعاً برای موتورهایی که هواپیماها را با سرعت مافوق صوت به حرکت در می آورند صادق است -- اگر به نازل های موتور جت جنگنده که در پس سوز کار می کند دقت کنید، می توانید متوجه شوید که در حال گسترش وقتی سیالی که در جریان است یا گاز نیست یا مافوق صوت نیست و بنابراین به عنوان یک گاز تراکم پذیر عمل نمی کند، درک شهودی شما از نازل ها دقیق است. با این حال، توجه داشته باشم که فقط به این دلیل که یک نازل موتور جت به نظر می رسد که همه آن ها همگرا هستند، به این معنی نیست که واقعاً اینطور است.
همانطور که می دانم، نازل های فضاپیماها واگرا همگرا هستند، توضیح دادم، با یک محفظه بزرگ شروع می شود و کوچکتر می شود تا جایی که فشار از مافوق صوت به مافوق صوت تبدیل می شود، این همان نقطه ای است که نازل دوباره بزرگتر می شود و موشک را به حرکت در می آورد. با سرعت مافوق صوتhope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
smile072 smile072 رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضاتصویر
تصویر

ارسال پست