مهندسی دیوانه موتورهای مرلین اسپیس ایکس قسمت 1: مقدمه

در دنیای هوافضای امروزی، SpaceX نیازی به معرفی ندارد. به عنوان بزرگترین شرکت خصوصی فناوری فضایی، اسپیس ایکس ثابت کرد که همه اشتباه می کنند اما برای این که در وهله اول این اتفاق بیفتد، آنها به یک موتور محکم و قابل اعتماد برای موشک های خود نیاز دارند و در اینجا آنها را معرفی کرده اند. موتورهای مرلین.

SpaceX که به دلیل قدرت و قابلیت اطمینان محض، همراه با ماهیت قابل استفاده مجدد راکت ها شناخته شده است، تحویل داده شد. هزینه های پرتاب به طور چشمگیری کمتر از نسل های قبلی موشک ها است.

ایلان ماسک – بنیانگذار، مدیر عامل و مهندس ارشد SpaceX

برای اینکه شما را با مهندسی دیوانه‌واری که در توسعه موتورهای مرلین انجام شد، آشنا کنم، تصمیم گرفتم مجموعه‌ای از مقالات را انجام دهم که در آن مکانیک پشت آن را به روشی بسیار ساده توضیح می‌دهم.

موتور مرلین

برای درک مکانیسم، باید برخی از اصطلاحات فنی و عملکرد قطعات واقعا مهم را بدانید. پس بیایید با آن شروع کنیم.

اصطلاحات مهم

قبل از شروع، می خواهم برخی از اصطلاحات مهم را که برای درک علم موشک در پشت این ماشین های باشکوه بسیار مهم هستند، معرفی کنم.
به یاد داشته باشید که از این قطعات در کاربردهای مختلفی در مهندسی مکانیک استفاده می شود، اما در اینجا فقط کاربرد آنها را در مهندسی هوافضا توضیح می دهم. بنابراین، بیایید شروع کنیم.

1) برودتی

برودتی شاخه ای از مطالعه است تولید و رفتار مواد در دمای بسیار پایین. بنابراین، موتور برودتی به معنای موتوری است که از فناوری برودتی برای عملکرد خود استفاده می کند. من در اینجا کلمه تکنولوژی برودتی را بیش از حد ساده کرده ام. بنابراین، اجازه دهید کمی عمیق تر برویم.

در اینجا، فناوری برودتی شامل سوخت برودتی و مواد و مهندسی برای مقابله با آنها است. برای به حرکت درآوردن موشک ها، ما به سوخت های کارآمد نیاز داریم. ترجیحاً اکسیژن و هیدروژن هستند. چرا؟؟؟…. بعدا بهش می پردازیم. فعلا فقط این سوخت ها را به خاطر بسپارید.

هیدروژن مایع

مشکل اکسیژن و هیدروژن این است که در دمای اتاق گازی هستند. از آنجایی که آنها در حالت گازی هستند، بنابراین ما نمی توانیم اکسیژن و هیدروژن کافی را در یک مخزن سوخت فشرده برای کل سفر موشک ذخیره کنیم. برای حل این مشکل از دانش کرایوژنیک استفاده می کنیم. ما می توانیم آنها را به صورت مایع نگهداری کنیم و برای این کار باید آنها را در یخچال و در یک مخزن تحت فشار نگهداری کنیم. در کنار این، موادی که برای ساخت این مخازن استفاده می شود باید برای این منظور تخصصی باشد.

تاسیسات ذخیره سازی اکسیژن مایع

2) پیشران

به عبارت ساده، پیشران ماده ای است که وسیله نقلیه را در جهت خاصی به حرکت در می آورد. همانطور که قبلاً در مورد قبل بحث کردیم هیدروژن مایع (LH2) و
اکسیژن مایع (LOX)آنها سوخت یا از نظر فنی پیشران موشک هستند. در ترکیب LH2 و LOX، LH2 جزء سوخت موشک و LOX به عنوان اکسید کننده شناخته می شود.

لازم به ذکر است که
موتورهای مرلین از ترکیب هیدروژن مایع و اکسیژن مایع برای سوخت استفاده نمی کنند، بلکه از ترکیبی از اکسیژن مایع (به عنوان اکسید کننده) و RP-1 (به عنوان سوخت موشک) به عنوان سوخت استفاده می کنند.. RP-1 مخفف Rocket Propellent-1 یا Refined Petroleum-1 است. این یک نسخه بسیار تصفیه شده از نفت سفید است که در درجه اول به عنوان سوخت موشک استفاده می شود. بزرگترین مزیت آن ارزان تر و پایدار بودن آن در دمای اتاق در مقایسه با هیدروژن مایع است. اما در عین حال، از هیدروژن مایع نیز تکانه ویژه کمتری دارد (برای جزئیات به نقطه 6 مراجعه کنید). همه این ویژگی ها RP-1 را به سوخت مطلوب برای موتورهای مرلین و موشک های فالکون تبدیل کرده است، زیرا هدف اصلی آنها کاهش هزینه هر پرتاب، حتی با حفظ راندمان بالا است.

ذخیره سازی هیدروژن مایع و RP-1

3) پروانه

پروانه یک جزء بسیار مهم در هر موشک است، به خصوص در مورد پمپ های توربو که در مقاله بعدی به آن خواهم پرداخت. در حال حاضر سعی می کنم آن را به روشی بسیار ساده توضیح دهم. در مهندسی مکانیک، پروانه قطعه ای است که برای افزایش فشار و در نتیجه کنترل جریان سیال می چرخد. در اینجا در مورد ما مایع پیشران است. پروانه های مورد استفاده در موتورهای برودتی مانند مرلین دارای یک سری پره های منحنی هستند که در داخل صفحات کفن نصب شده اند. کل ساختار گرد است. قسمت میانی پروانه که تیغه ها به هم متصل شده اند گوش نامیده می شود.

پروانه ها

با چرخش پروانه، پیشران مایع در اطراف موشک نیز می چرخد. با توجه به پره های منحنی و چرخش پروانه، پیشرانه به دلیل نیروی گریز از مرکز به صورت شعاعی به سمت خارج حرکت می کند و در نتیجه فشار و انرژی جنبشی پیشرانه افزایش می یابد زیرا انرژی چرخشی مکانیکی از پروانه به پیشرانه منتقل می شود.. در چشم پروانه، با جابجایی پیشرانه، فشار منفی ایجاد می شود و در نتیجه به پروانه کمک می کند تا پیشرانه بیشتری را از مخزن بکشد.

4) پین انژکتور

در موتور موشک برودتی، اگر فقط پیشران داشته باشید، هیچ احتراق کارآمدی برای پیشرانه کارآمد انجام نمی شود، زیرا مخلوط کردن این پیشرانه ها بسیار دشوار خواهد بود. اینجاست که پین ​​انژکتور وارد تصویر می شود. این به اطمینان از اختلاط مناسب پیشرانه کمک می کند. از دو لوله متحدالمرکز و یک روزنه تشکیل شده است. پس از مخلوط شدن پیشرانه ها، اتمیزه می شود و سپس وارد محفظه احتراق اصلی می شود.

5) اشتعال پیروفوریک

برای درک این موضوع، ابتدا باید معنای pyrophoricity را درک کنید. پیروفوریک ماده ماده ای است که بلافاصله پس از تماس با اکسیژن مشتعل می شود. بنابراین، اشتعال pyrophoric به معنای اشتعال در محفظه احتراق با استفاده از مواد پیروفوریک است. SpaceX merlin از روش اشتعال pyrophoric TEA-TEB استفاده می کند. TEA مخفف تری اتیل آلومینیوم و TEB مخفف تری اتیل بورون است. هر دوی آنها مایعات پیروفوریک بی رنگ هستند.

6) انگیزه خاص

به عبارت ساده، ضربه خاص به معنای رانشی است که توسط یک پیشران در واحد سرعت آن ایجاد می شود. معمولا توسط من_SP.

7) محتوای کالری

ارزش حرارتی مقدار انرژی است که در واقع در نوع خاصی از سوخت یا پیشرانه ذخیره می شود. می توان آن را با اندازه گیری مقدار کل انرژی گرمایی تولید شده پس از احتراق کامل آن اندازه گیری کرد. واحد اندازه گیری آن ژول بر کیلوگرم است.

8) کنترل بردار رانش (TVC)

کنترل یک موشک کار بسیار دشواری است، به خصوص زمانی که بدانید این موشک ها برای انجام عملیات در فضا ساخته شده اند. مشکل اینجاست که در فضا چگالی هوا یا ضعیف است یا صفر. بنابراین روش‌های کنترلی که در هواپیماها با آنها آشنا هستیم در فضا عمل نمی‌کنند و کار را انجام نمی‌دهند. اینجاست که فناوری کنترل بردار رانش وارد عمل می شود. در این تکنیک، جهت، ارتفاع و یا سرعت زاویه ای موشک ها را می توان با رانش موتور کنترل کرد. این عمدتا با کنترل جهت نازل موشک به دست می آید. روش‌های پیچیده دیگری برای دستیابی به این قابلیت وجود دارد که در اینجا به آن‌ها اشاره نمی‌کنم، زیرا از حوصله این مقاله خارج هستند.

9) نازل همگرا- واگرا (CD).

همانطور که از نام آن پیداست، این نوع نازل شکل همگرا و واگرا دارد. اولین بار توسط یک مهندس سوئدی به نام اختراع شد گوستاو دی لاوال و به همین دلیل به این نوع نازل ها نیز می گویند نازل لاوال. این نوع نازل برای اولین بار در موشک از
رابرت گدارد. نازل سی دی وظیفه اصلی شتاب بخشیدن به گاز عبوری از آن به سرعت مافوق صوت با تبدیل انرژی حرارتی به انرژی جنبشی و فشار گاز است، همه اینها به دلیل شکل آن است..

پیکربندی با 9 نازل سی دی در پایه موشک فالکون-9

اگرچه جهنم های زیادی وجود دارد که قبل از حرکت به جلو باید مورد بحث قرار گیرد، در حال حاضر این دانش کافی برای درک است اصول اولیه پمپ توربوکه موضوع مقاله بعدی ما است.

ممنون که خواندید!!!