จรวด ให้ความรู้เกี่ยวกับเชื้อเพลิงแข็งและการกำหนดค่าช่องสัญญาณ

จรวด เมื่อคุณอ่านเกี่ยวกับจรวดเชื้อเพลิงแข็งขั้นสูง เช่น ตัวเร่งจรวดแบบแข็งของกระสวย คุณมักจะอ่านสิ่งต่างๆ เช่น ส่วนผสมของสารขับเคลื่อนในมอเตอร์ แต่ละตัวประกอบด้วยแอมโมเนียมเปอร์คลอเรต ตัวออกซิไดเซอร์ 69.6 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักอะลูมิเนียมเชื้อเพลิง 16 เปอร์เซ็นต์ เหล็กออกไซด์ ตัวเร่งปฏิกิริยา 0.4 เปอร์เซ็นต์ โพลิเมอร์ สารยึดเกาะที่ยึดส่วนผสมไว้ด้วยกันร้อยละ 12.04 และสารช่วยบ่มด้วยอีพ็อกซี่ ร้อยละ 1.96

ตัวขับเคลื่อนเป็นแบบเจาะรูปดาว 11 แฉกในส่วนมอเตอร์ด้านหน้า และแบบกรวยที่ตัดสองครั้งในแต่ละส่วนท้ายเรือ และการปิดท้ายเรือ การกำหนดค่านี้ ให้แรงขับสูงเมื่อจุดระเบิด และลดแรงขับลงประมาณหนึ่งในสามหลังจากออกตัว 50 วินาที เพื่อป้องกันไม่ให้รถมีแรงกดมากเกินไประหว่างแรงดันไดนามิกสูงสุด ย่อหน้านี้ไม่ได้กล่าวถึงส่วนผสมของเชื้อเพลิงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการกำหนดค่าของช่องที่เจาะตรงกลางเชื้อเพลิงด้วย

การเจาะรูปดาว 11 แฉก อาจมีลักษณะดังนี้ แนวคิดคือการเพิ่มพื้นที่ผิวของช่อง ซึ่งจะเป็นการเพิ่มพื้นที่การเผาไหม้ และแรงขับ เมื่อเชื้อเพลิงเผาไหม้ รูปร่างจะเท่ากันเป็นวงกลม ในกรณีของเซอร์เบีย มันทำให้เครื่องยนต์มีแรงขับเริ่มต้นสูง และแรงขับต่ำลงในช่วงกลางการบิน เครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงแข็งมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ 3 ประการ คือ ความเรียบง่าย ราคาถูกและความปลอดภัย

แต่พวกเขายังมีข้อเสีย 2 ประการ คือ ไม่สามารถควบคุมแรงขับได้ และเมื่อจุดระเบิดแล้ว เครื่องยนต์จะไม่สามารถหยุดหรือสตาร์ทใหม่ได้ ข้อเสียหมายความว่าจรวดเชื้อเพลิงแข็ง มีประโยชน์สำหรับงานที่มีอายุการใช้งานสั้น เช่นขีปนาวุธ หรือสำหรับระบบสนับสนุน เมื่อคุณจำเป็นต้องควบคุมเครื่องยนต์ คุณต้องใช้ระบบขับเคลื่อนของเหลว เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งเหล่านั้น จรวดขับเคลื่อนด้วยของเหลวในปี 1926 โรเบิร์ต ก็อดดาร์ดทดสอบเครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนด้วยของเหลวเครื่องแรก

เครื่องยนต์ของเขาใช้น้ำมันเบนซิน และออกซิเจนเหลว นอกจากนี้ เขายังทำงานและแก้ไขปัญหาพื้นฐานหลายประการ ในการออกแบบเครื่องยนต์ จรวด รวมทั้งกลไกการสูบน้ำ กลยุทธ์การระบายความร้อน และการจัดการบังคับเลี้ยว ปัญหาเหล่านี้คือสิ่งที่ทำให้จรวดขับเคลื่อนด้วยของเหลวมีความซับซ้อนมาก แนวคิดพื้นฐานนั้นง่าย ในเครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนด้วยของเหลวส่วนใหญ่ เชื้อเพลิง และตัวออกซิไดเซอร์ เช่น น้ำมันเบนซิน และออกซิเจนเหลวจะถูกสูบเข้าไปในห้องเผาไหม้

ที่นั่นพวกเขาเผาไหม้เพื่อสร้างกระแสก๊าซร้อนที่มีแรงดันสูงและความเร็วสูง ก๊าซเหล่านี้ไหลผ่านหัวฉีดที่เร่งความเร็วให้สูงขึ้น โดยทั่วไปจะมีความเร็วทางออก 5,000 ถึง 10,000 ไมล์ต่อชั่วโมง จากนั้นจะออกจากเครื่องยนต์ แผนภาพอย่างง่ายต่อไปนี้แสดงส่วนประกอบพื้นฐาน ไดอะแกรมนี้ไม่ได้แสดงความซับซ้อนที่แท้จริงของเครื่องยนต์ทั่วไป ตัวอย่างเช่น เป็นเรื่องปกติที่เชื้อเพลิง หรือตัวออกซิไดเซอร์จะเป็นก๊าซเหลวเย็น เช่น ไฮโดรเจนเหลวหรือออกซิเจนเหลว

ปัญหาใหญ่อย่างหนึ่งในเครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนด้วยของเหลว คือการทำให้ห้องเผาไหม้ และหัวฉีดเย็นลง ของเหลวจากการแช่แข็งจึงถูกหมุนเวียนไปรอบๆ ชิ้นส่วนที่มีความร้อนสูงเพื่อทำให้เย็นลง ปั๊มต้องสร้างแรงดันสูงมาก เพื่อเอาชนะแรงดันที่เชื้อเพลิงเผาไหม้สร้างขึ้นในห้องเผาไหม้ เครื่องยนต์หลักในกระสวยอวกาศ ใช้ขั้นตอนสูบน้ำ 2 ขั้นตอน และเผาผลาญเชื้อเพลิงเพื่อขับเคลื่อนเครื่องสูบน้ำ ส่วนผสมเชื้อเพลิงทุกชนิดใช้ในเครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนด้วยของเหลว

ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจนเหลว ใช้ในเครื่องยนต์หลักของกระสวยอวกาศ น้ำมันเบนซินและออกซิเจนเหลว ใช้ในจรวดในยุคแรกของก็อดดาร์ด น้ำมันก๊าดและออกซิเจนเหลว ใช้ในขั้นตอนแรกของเครื่องกระตุ้น Saturn V ขนาดใหญ่ในโครงการอะพอลโล แอลกอฮอล์และออกซิเจนเหลว ใช้ในจรวดวี-2 ของเยอรมัน ไนโตรเจนเตทรอกไซด์ โมโนเมทิลไฮดราซีน ใช้ในเครื่องยนต์แคสสินี เราคุ้นเคยกับการเห็นเครื่องยนต์จรวดเคมีที่เผาไหม้เชื้อเพลิงเพื่อสร้างแรงขับ

มีวิธีอื่นอีกมากมายในการสร้างแรงผลักดัน ระบบใดๆที่พ่นมวลจะทำ หากคุณสามารถหาวิธีที่จะเร่งลูกเบสบอลให้มีความเร็วสูงมากได้ คุณก็จะมีเครื่องยนต์จรวดที่ใช้การได้ ปัญหาเดียวของแนวทางดังกล่าวคือ ไอเสียของเบสบอล ลูกเบสบอลความเร็วสูงในตอนนั้น ไหลออกจากอวกาศ ปัญหาเล็กน้อยนี้ ทำให้นักออกแบบเครื่องยนต์จรวดชอบใช้ก๊าซสำหรับผลิตภัณฑ์ไอเสีย เครื่องยนต์จรวดจำนวนมากมีขนาดเล็กมาก ตัวอย่างเช่น เครื่องขับเจตคติบนดาวเทียมไม่จำเป็นต้องสร้างแรงขับมากนัก

การออกแบบเครื่องยนต์ทั่วไปอย่างหนึ่งที่พบในดาวเทียมไม่ใช้เชื้อเพลิงเลย เครื่องขับดันไนโตรเจน ที่มีแรงดันเพียงแค่เป่าก๊าซไนโตรเจนจากถังผ่านหัวฉีด เครื่องขับดันเช่นนี้ทำให้สกายแล็ปอยู่ในวงโคจร และยังใช้ในระบบบังคับเลี้ยวของกระสวยด้วย การออกแบบเครื่องยนต์ใหม่ กำลังพยายามหาวิธีเร่งไอออน หรืออนุภาคอะตอมให้มีความเร็วสูง เพื่อสร้างแรงขับอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ยานอวกาศของนาซา เป็นยานอวกาศลำแรกที่ใช้เครื่องยนต์ไอออนในการขับเคลื่อน

บทความที่น่าสนใจ นักบิน การอธิบายว่าทำไมชักเยเกอร์ถึงเป็นนักบินที่ยิ่งใหญ่ที่สุดตลอดกาล