מנוע דלק נוזלי

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
מבנה הטיל הבליסטי V-2, ניתן לראות בבירור את מנוע הדלק הנוזלי

מנוע דלק נוזלי (מכונה גם "מנוע הודף נוזלי") הוא מנוע הפועל על דלק ומחמצן נוזלי, ומשמש רקטות, טילים ומשגרי לוויינים וחלליות. דלק נוזלי רצוי מכיוון שצפיפותו הגבוהה יחסית לדלק מוצק מאפשרת נפח ומשקל נמוך יחסית של מיכל הדלק (ללא הדלק), מה שמביא ליחס מסות (mass ratio) גבוה ולמהירות סופית גבוהה של הרקטה (שכן לפי נוסחת ציאולקובסקי המהירות הסופית של הרקטה יחסית ללוגריתם של יחס המסות).

שריפה יעילה במנוע מחייבת הזרמה מבוקרת ומתואמת של הדלק ממיכל הדלק ושל המחמצן ממיכל נפרד אל תא הבעירה במנוע. ההזרמה נעשית בדרך כלל באמצעות משאבה או באמצעות מיכל שלישי שבו גז דחוס. החסרון הבולט של מנוע דלק נוזלי הוא שיש לתדלק את מיכל הדלק בסמוך לפני הפעלת המנוע, בשל קורוזיה חריפה בדפנות המכל שאינה מאפשרת אחסון של כלי מתודלק. הצורך בתדלוק מגדיל את החשיפה של טילים בשדה הקרב ומקטין את שרידותם. חסרון נוסף הוא העובדה שהנוזלים שבטיל נעים במהלך המעוף ומשנים את מרכז הכובד באופן שמשפיע לרעה על דיוק מסלול הטיסה.

שני היתרונות העיקריים של מנוע דלק נוזלי, על פני מנוע דלק מוצק, הם האפשרות לשליטה על עוצמת הדחף והאפשרות לכבות ולהדליק את המנוע באופן שמאפשר דיוק ואף שינוי של מסלול הטיסה, ויעילות אנרגטית גבוהה יותר.

אחד מהדלקים הנוזליים הנפוצים למנועי דלק נוזלי הוא קרוסין.

פרמטרים שמאפיינים מנוע דלק נוזלי[עריכת קוד מקור | עריכה]

תא הבעירה (combustion chamber)[עריכת קוד מקור | עריכה]

תא הבעירה של הטיל V-2.

תהליך הבעירה שמתרחש בתוך תא הבעירה, מתחיל בכך שהדלק הרקטי והמחמצן שנשאבו בספיקה מתאימה באמצעות משאבות הטורבו (ישנן שתי משאבות טורבו; האחת לדלק הרקטי והשנייה למחמצן) מוזרקים ישירות לתא הבעירה באמצעי הזרקה, מגיבים כימית במשך זמן קצר, ומסתיים בכך שהתוצרים של התגובה - גזים לוהטים בלחץ עצום - נפלטים החוצה במהירות דרך הנחיר הרקטי. התהליך כולו אורך משך זמן לא מבוטל, ומצריך נפח סופי של תא הבעירה. הנפח התאורטי של תא הבעירה הוא פונקציה של מספר פרמטרים: קצב זרימת המסה של חומרי הבעירה (דלק ומחמצן), הצפיפות הממוצעת של תוצרי הבעירה, ומשך הזמן הנדרש בשביל בעירה יעילה. הקשר הזה ניתן במשוואה הבאה:

 V_C = qVt_s

כאשר q היא הספיקה המסית שמוזרמת לתא הבעירה, V הוא ההופכי לצפיפות של תוצרי הבעירה (צפיפות הגז שנוצר), ו-t_s הוא משך הזמן שאלמנט דלק שוהה בתא הבעירה. לפעמים נוח יותר אינטואיטיבית לעבוד במונחים של האורך האופייני L^{{*}} של תא הבעירה, שמוגדר כך:

L^{{*}} = \frac {{V_c}} {{A_t}}

כאן V_c הוא הנפח התאורטי של תא הבעירה ו-A_t הוא שטח החתך המינימלי של נחיר הפליטה. מושג האורך האופייני נוח יותר קונספטואלית לשימוש מאשר המושג החמקמק יותר של "משך הבעירה של אלמנט דלק", שמבוטא בשברירי שנייה.

אמצעי ההזרקה (injector)[עריכת קוד מקור | עריכה]

המזרק, כפי שניתן להבין מהשם, הוא הרכיב במנוע האחראי על הזרקת הדלק הרקטי והמחמצן לתוך תא הבעירה בפרופורציות הנכונות ובמהירות הנכונה כדי להשיג תהליך בעירה יציב ויעיל. המזרק ניתן להשוואה לקרבורטור של מנוע אוטומובייל. סוג המזרק בו משתמשים במנוע דלק נוזלי קובע את הנצילות התאורטית של הנחיר הרקטי שיכולה להיות מושגת. מזרק בעל ביצועים לא טובים גורם לכמות גדולה של דלק רקטי שלא בער לעזוב את המנוע, ונותן לכן נצילות לא טובה. בנוסף, מזרקים הם בדרך כלל רכיבי מפתח בהפחתת העומס התרמי על הנחיר; באמצעות הגדלת כמות הדלק מסביב לשפה של תא הבעירה, ניתן להשיג טמפרטורות נמוכות בהרבה על קירות הנחיר (הדלק הרקטי שמתווסף לא בוער, שכן התערובת בתא הבעירה ממילא מכילה את הפרופורציות המדויקות של מחמצן ודלק הדרושות לתהליך בעירה).

סוגי מזרקים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מזרקים יכולים להיות פשוטים כמו מספר של חורים בקוטר קטן המסודרים בתבנית מסוימת הנבנית בקפידה, אשר דרכם הדלק והמחמצן מחלחלים לתא. מהירות הזרימה נקבעת על ידי השורש הריבועי של ירידת הלחץ משני צידי המזרק, צורת החור ופרטים אחרים כמו הצפיפות של חומר הדלק.

המזרקים בהם נעשה שימוש בדגמים הראשונים של הטיל V-2 יצרו סילונים מקבילים של דלק ומחמצן אשר בערו בתוך התא. שיטה זאת הניבה נצילות נמוכה מאוד.

מזרקים כיום באופן טיפוסי מורכבים ממספר חורים קטנים אשר מכוונים שני סילונים של דלק ומחמצן כך שהם יתנגשו בנקודה מסוימת במרחב שנמצאת במרחק קצר מהמזרק. שיטה זאת עוזרת לשבור את הזרימה ולפרק אותה לטיפות קטנות של דלק ומחמצן אשר יחדיו בוערות בקלות יותר. השבירה של שני הזרמים לטיפות קטנות מגדילה פי עשרות מונים את שטח המגע של הדלק והמחמצן (התהליך נקרא "אטומיזציה") ולכן יוצרת תערובת הומוגנית יותר של דלק ומחמצן.

קירור המנוע[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – קירור רגנרטיבי

מזרקים נבנים באופן טיפוסי בצורה כזאת שיוצרת שכבה עשירה בדלק בסמוך לקיר תא הבעירה. שיטה זאת מפחיתה את הטמפרטורה של קיר תא הבעירה, ואפילו זאת שבמורד צוואר תא הבעירה ובנחיר עצמו, ומאפשרת לתא הבעירה כולו לפעול בלחץ גבוה יותר, מה שמאפשר להשתמש בנחיר עם יחס התרחבות גבוה יותר ונותן דחף סגולי גבוה יותר וביצועים כלליים טובים יותר של המערכת. מנוע רקטי נוזלי לעתים קרובות משתמש בקירור רגנרטיבי (שהינו שיטת הקירור הנפוצה ביותר), אשר נעזר בדלק או באופן נפוץ פחות במחמצן כדי לקרר את תא הבעירה ואת הנחיר.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא מנוע דלק נוזלי בוויקישיתוף