meme

Bir meme ( memesi sevk alanında Uzay ) üreten bir motor arka değişken bir enine kesite sahip bir kanal olan gazların bir yanma bir tuzunun, sıcak dönüştüren termal enerji kinetik enerji . Bu amaca ulaşmak için ve uygulama bağlamına bağlı olarak, bir nozül yakınsak, ıraksak olabilir veya yakınsak bir bölüm ve başka bir ıraksak ( Laval nozulu ) içerebilir . Özellikle uçakları donatan jet motorlarının arka kısmında ve füze ve fırlatıcıları sevk eden roket motorlarının üzerinde nozullar bulunmaktadır .

Çalışma prensibi

Nozulun amacı, içinden geçen akışkanın kinetik enerjisini yani hızını, iç enerjisini yani sıcaklığını dönüştürerek arttırmaktır.

Bir memenin çalışma prensibi, ses altı ve ses üstü hızlarda dolaşan gazların özelliklerine dayanır. Bir gaz, çapı daralan bir borudan ses altı hızda aktığında hızı artar. Ancak gazın hızı sesin hızını aşamaz (Mach 1). Aslında, süpersonik bir akış rejiminde (hız ses hızından daha büyük) gazın davranışı tersine çevrilir: hızının artması için borunun çapının artması gerekir. Bu gaz davranışı, Hugoniot denklemi tarafından açıklanan gaz ivmesi ilkesine dayanmaktadır  :

S, kanalın kesit alanı, v hız ve M Mach sayısıdır.

Bir meme, yakınsak, ıraksak veya hem yakınsak hem de ıraksak olabilir:

Laval memenin durumu

Bir Laval ağızlığı, yukarıda açıklanan iki etkiyi birleştirerek gazları ses altı hızdan ses üstü hıza hızlandırmayı mümkün kılar. Gazlar, memenin yakınsak bölümünde Mach 1'e kadar hızlandırılır ve daha sonra ıraksayan bölümde Mach 1'in üzerine hızlandırılır. Bir Laval nozülü bu nedenle üç alt düzeneğe sahiptir:

Dışarı atılan gazların hızı: bir roket motoru durumu

İç enerjinin kinetik enerjiye dönüştürülmesi, dışarı atılan gazların hızı yüksek olduğu için daha verimlidir. Bir roket motoru durumunda, itici gazların yüksek basınç koşulları altında yakılmasıyla gazlar üretilir. Dışarı atılan gazların hızı aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanır:

ile:  
= Nozul çıkışındaki gazların hızı m/s cinsinden
=  Nozul girişindeki sıcaklık
İdeal gazların evrensel sabiti
=  Gazın moleküler kütlesi , kg / kmol
=  = Adyabatik katsayı
=  Sabit basınçta gazın termal kapasitesi
= Sabit hacimde gazın ısı kapasitesi
=  Meme çıkışındaki gaz basıncı
= Meme girişindeki gaz basıncı

Ortaya çıkan hız üç parametre ile optimize edilebilir:

Örnekler

Nozulun özelliklerine bağlı olan bu parametrelerden sadece biri basınç oranıdır. 115 bar'lık bir iç basınca sahip bir oksijen / hidrojen karışımını yakan bir motor durumunda etkisini gösterebiliriz ( Ariane 5'in Vulcain 2 motorunun durumu ): a = 1.2 ile gaz hızı, çıkış basıncı 1 bar yerine 5 bardır.

Pratikte, yanmış gazların hızları aşağıdaki aralıklar içindedir:

Ejeksiyon hızındaki farklılıklar, itici gaz seçimine (az ya da çok ekzotermik kimyasal reaksiyonlar ve dolayısıyla az ya da çok yüksek sıcaklıklar), yanma odasındaki basınca, seçilen yanma döngüsüne (az ya da çok kayıp) ve uzunlukla bağlantılıdır. ıraksak kısmın (optimum gaz genleşmesi).

Nozulların uygulama alanları

Nozullar çeşitli uygulama türleri bulur:

Roket motoru nozulu

Roket motoru memesinin rolü ve çalışması

Roket motoru bu tahrik sistemidir roketler atmosferden oksidan çekmek zorunda kalmadan söylemek bir vakumda işletmek mümkün olurken hipertonik hızlarda hızlandırmak için kullanılır. İticiler tahta üzerinde depolanmış bir yanma , yanma odasının ve üretilen gazların hızlandırıldıkları Laval memesi . Momentumun korunumu yasasına göre roketin hızını artıran bir itki üretirler . Nozul , yanmadan kaynaklanan termal enerjiyi ve gaz basıncını kinetik enerjiye dönüştürerek bu tahrikin verimliliğinde merkezi bir rol oynar . Gazlar, 2000 ila 4000 m / s'ye kadar bir hızda püskürtülürken, yanma odası ile memenin uzaklaşan kısmının çıkışı arasında sıcaklık ve basınç keskin bir şekilde düşer.

Uyarlanmış nozul: tavizler

Bir roket motoru memesinin gaz ivmesine en iyi şekilde katkıda bulunması için ( uygun meme ), uzunluğunun dış ortamın basıncına uyarlanması gerekir. Nozul ne kadar uzun olursa, çıkıştaki basınç o kadar düşük olur. Fırlatıcıların üst kademelerini tahrik eden motorların birbirinden ayrılan kısımları özellikle uzun olmalıdır, çünkü dış basınç neredeyse sıfırdır ve yer seviyesinde, gazların yetersiz genleşmesine neden olmamak için nozül daha kısa olmalıdır. Nozulun uzunluğu, fırlatıcının uzamasına ve dolayısıyla genel performansa zarar veren daha ağır bir yapıya yol açar. Dış ortamın basınçları uçuş sırasında hızla değişir ve bu nedenle memelerin uzunluğu, mümkün olan en iyi verimi elde etmek için bir uzlaşmadır.

Iraksak şekil

Iraksaklığın şekli, duvarı, dışarı atılan gazların akışının mevcut hattı ile birleşecek şekilde olmalıdır. Bu profil genellikle Euler denklemlerinin özellikle karakteristik yöntem kullanılarak çözülmesiyle hesaplanır . Plazma jetleri alanında kullanılan nozüller durumunda, sıcaklıklar ve dolayısıyla çok yüksek viskoziteler , Navier-Stokes denklemlerinin çözümüne başvurulmasını gerektirir . Optimal profil, 15 ° 'nin üstünde yarım açılı bir konininkidir. Uzaklaşan parçanın uzunluğunu kısaltmak ve böylece fırlatıcının uzunluğunu ve dolayısıyla kütlesini azaltmak için iki çözüm uygulanmaktadır:

Uzaklaşan kısmın uzunluğunu azaltmanın bir başka yolu, tek bir yanma odası ile bağlantılı memelerin sayısını çarpmaktır. 4 nozulu olan RD-171 de dahil olmak üzere birçok Sovyet / Rus sıvı yakıtlı roket motoru bu tekniği kullanır . Her bir memenin akış hızı, toplam akış hızının dörtte biri olduğundan, boğazın boyutu ve buna bağlı olarak, uzaklaşan parçanın çapı ve uzunluğu azalır. Uzunluk kazancı %30 olarak değerlendirilir ve buna karşılık olarak tek bir meme konfigürasyonundan daha fazla karmaşıklık ve şüphesiz daha büyük bir kütle elde edilir.

Nozulun soğutulması

Yanma odasından çıkan yanma gazları çok yüksek bir sıcaklığa sahiptir. Çok yüksek sıcaklıklarda (yaklaşık 3000  °C ) çalışan roket motoru memelerinde, hiçbir alaşım yüksek sıcaklığa ve ayrıca yüksek termal strese dayanamayacağından memenin duvarlarını soğutmak için bir işlem sağlanmalıdır. Nozulun boynu, ısı alışverişinin en yoğun olduğu yerdir, uzaklaşan kısmın sonu ise en soğuk gazların dolaştığı yerdir. Birkaç soğutma tekniği kullanılır:

Farklı roket motorlarına uygulanan farklı soğutma tekniklerinin karşılaştırılması
roket motoru Tür itme Geometri Iraksak bölüm Iraksak malzeme Soğutma tekniği
Vinci Üst kademe tahrik Kesit oranı: 240
sapma yüksekliği 3,2  m
çıkış çapı: 2,2  m
Üst parça Bakır ve nikel alaşımı Çift duvarda sıvı hidrojen sirkülasyonu
Alt parçası karbon kompozit Pasif radyant soğutma ( 1,800  Kelvin)
Vulkan 2 İlk aşama tahrik Kesit oranı: 58
sapma yüksekliği 2,3  m
çıkış çapı: 2,1  m
Üst parça Nikel alaşımı Çift duvarda hidrojen sirkülasyonu
Alt parçası Nikel alaşımı Gaz türbini egzoz gazlarından ve soğutma sisteminden gelen hidrojenden oluşan gazlı film

Katı yakıtlı roket motorlarının durumu

Gelen katı yakıtlı iticileri , boyun kısmı “katı yakıt” blok yanmasını düzenler. Nozulun boynu, yanma gazlarının itme yaratarak kaçabileceği kadar geniş, ancak itici gazın tek bir patlamada yanmayacağı kadar dar olmalıdır.

İtme yönlendirme sistemi

Yönlendirilebilir bir meme, bir veya iki eksen etrafında eklemlenen ve itme yönünü değiştirmeyi mümkün kılan bir memedir .

Nozul tipi

Uzatılabilir farklı meme

Üst kademe roket motorları, vakumda çalıştıkları için çok uzun nozullar gerektirir. Çok uzun bir nozülün getireceği yapısal kütleyi sınırlamak için , Delta IV fırlatıcının ikinci aşamasını iten RL-10 B-2 gibi belirli motorlar , yalnızca alt aşama kapatıldığında tamamen açılan genişletilebilir bir ıraksamayı içerir. düştü.

Harici akış nozulu / merkezi gövde (örn. aerospike)

Dış akış veya merkezi gövde nozulu, küçük bir ayak izine sahipken uçuş sırasında karşılaşılan basınç değişikliğine otomatik olarak uyum sağlar. Farklı geometriler test edilmiştir:

  • Kesik olmayan dairesel nozul
  • Kesik merkezi gövdeli çoklu dönüş nozulu
  • Aerospike gibi kesik merkezi gövdeye sahip doğrusal çoklu nozul

Konsept prototipler üzerinde test edilmiştir, ancak aerospike nozullara özgü spesifik problemler ve özellikle soğutma problemleri ve bunların karmaşıklığı (halka veya dağıtılmış yanma odası) nedeniyle hiçbir zaman operasyonel bir fırlatıcıda kullanılmamıştır.

Çift eğri meme

Çift kavisli nozül, boyundan uzaklaşan parçanın çıkışına kadar art arda iki farklı profile sahiptir. İkinci bölüm bir bırakma ile başlar. Bu tip bir nozul, birinci kademe roket motorunun çalışmasının başlangıcı ile bitişi arasında karşılaştığı basınç değişikliğine uyum sağlamayı mümkün kılmalıdır. Düşük irtifada, nozülün sadece üst kısmı kullanılırken, dış basınç büyük ölçüde azaltıldığında, uzaklaşan kısmın tamamı gaz akışının kanalize edilmesine katkıda bulunur. Bu konfigürasyon, bir mekanizma olmadan akışın kendi kendine adapte olmasına izin verir, ancak iki akış rejimi arasındaki geçiş sırasında yanal yüklere neden olur.

turbojet meme

Turbojetlerin memeleri farklı koşullar altında kullanılmaktadır. İki tip meme vardır: yanma gazlarını genişletmeye yönelik itici meme ve yakınsak veya farklı olabilen hava girişini kanalize eden meme. Jet motoru ayrıca memelerinin tasarımını etkileyen aşağıdaki özelliklere sahiptir:

  • Yanma sonrası veya yanmasız birkaç motor devri
  • Nispeten düşük genişleme oranı
  • İkincil akış çıkışı (soğuk akış)
  • Gizli savaş uçakları için termal imzayı maskelemeniz gerekir
  • Bazı savaş uçakları için, itici jetin önemli ölçüde sapması (yönlendirilebilir meme, dikey kalkış)
  • Çok değişken hava giriş hızları. Süpersonik hızda uçan uçaklar için, sıkıştırma odasına girmeden önce havanın ses altı hıza düşürülmesi gerekir.

itici meme

Genel durumda, meme basitçe ıraksaktır.

  • Turbojet, ses hızını geçmeyen bir uçağı iterse, uzaklaşan kısım çıkıntı yapan bir koni tarafından oluşturulur. Bu sistem kendi kendine uyarlanabilir.
  • Uçak bir art yakıcı kullanıyorsa, akışı düzenlemek için değiştirilebilir çapa sahip bir boyun kullanılır.

Hava girişi

Turbojetin doğru çalışabilmesi için kompresör girişindeki hava akış hızının yaklaşık 600  km/h (Mach 0,5) olması gerekir. Uçak bu hızın altında uçarsa, hava girişi yakınsayan bir nozul olmalı, bu hızın ötesinde hava girişi ıraksak bir nozul olmalıdır.

  • Bu farklı ihtiyaçlara karşılık gelen bir geometri elde etmek için mobil elemanlar kullanılır: rampalı veya merkezi gövdeli (fare) değişken bölümler hava girişinin profilini değiştirir.
  • Uçak süpersonik hızda hareket ederken, hava girişinin geometrisi bir Laval memesininki olacak şekilde uyarlanır. Gelen hava akışı önce yakınsak bir bölümde boyunda Mach 1'e ulaşana kadar yavaşlar, ardından yavaşlama hızı Mach 0,5'e düşene kadar ıraksak bir bölümde devam eder.
  • Uçak hareketsizken, motor devrindeki artış doğal olarak hava akımlarının ayrılmasına ve dolayısıyla emme veriminin düşmesine yol açar. Bu fenomeni sınırlamak için, ilave havanın girmesine izin vermek için giriş ağzının yan tarafındaki kapaklar açılır.

Notlar ve referanslar

  1. Richard Nakka'nın Denklemi 12.
  2. Robert Braeuning'in Denklemi 1.22.
  3. (içinde) George P Sutton ve Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements: roket mühendisliğine giriş , New York / Brisbane vb., Wiley-Interscience ,19926 inci  baskı. , 636  s. ( ISBN  0-471-52938-9 )
  4. D. Marty s.  110
  5. D. Marty s.  71-72
  6. John Gary Landry, "Titreşim Dengesizliği ile Nozzle Flow", Rapor NASA-CR-199948, 1995 [1]
  7. Sutton ve Biblarz s.  75-85
  8. Philippe Reijasse (ONERA), "  Süpersonik nozulların aerodinamiği  " ,28 Kasım 2007, s.  46-48
  9. Luca Boccaletto, Meme ayırma kontrolü. TOC tipi bir memenin davranışının analizi ve yeni bir kavramın tanımı: BOCCAJET (tez raporu) ,2011, 327  s. ( ISBN  978-0-387-98190-1 , çevrimiçi okuyun ) , s.  11
  10. Philippe Reijasse (ONERA), "  Süpersonik nozulların aerodinamiği  " ,28 Kasım 2007, s.  61-66
  11. Philippe Reijasse (ONERA), "  Süpersonik nozulların aerodinamiği  " ,28 Kasım 2007, s.  9

bibliyografya

Roket motorlarına odaklanan kitaplar
  • (in) George P Sutton Oscar Biblarz, Roket Propulsion Elemanları 8 inci baskı , Hoboken, New Jersey, Wiley ,2010, 768  s. ( ISBN  978-0-470-08024-5 , çevrimiçi okuyun )
  • (tr) George P Sutton, Sıvı yakıtlı roket motorlarının tarihi , Amerikan Havacılık ve Uzay Bilimleri Enstitüsü,2006( ISBN  1-56347-649-5 )
  • (tr) NASA, Sıvı roket motoru memeleri , NASA,Temmuz 1976( çevrimiçi okuyun )
Başlatıcıların çalışması ile ilgili genel çalışmalar
  • Philippe Couillard, Fırlatıcılar ve uydular , Toulouse, Cépaduès,2005, 246  s. ( ISBN  2-85428-662-6 )
  • Daniel Marty, Uzay sistemleri: tasarım ve teknoloji , Paris / Milano / Barselona, ​​​​Masson,1994, 336  s. ( ISBN  2-225-84460-7 )

Şuna da bakın:

İlgili Makaleler

Dış bağlantılar