เครื่องยนต์จรวด

ถาม - ตอบ ปัญหาฟิสิกส์ ระดับมหาวิทยาลัย

Moderator:

User avatar
nokroo
Posts: 188
Joined: 01/01/1970 7:00 am
Location: วัดตะคร้ำเอน ต.ตะคร้ำเอน อ.ท่ามะกา จ.กาญจนบุรี

เครื่องยนต์จรวด

Postby nokroo » 21/11/2011 8:35 am

เครื่องยนต์จรวด

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

เครื่องยนต์จรวด หรือเรียกสั้น ๆ ว่า จรวด คือ เครื่องยนต์เจ็ต ซึ่งใช้เพียงเฉพาะมวลสารขับเคลื่อนสำหรับรูปแบบการขับเคลื่อนด้วยพลังเจ็ตอัตราเร็วสูง เครื่องยนต์จรวดคือ เครื่องยนต์แห่งแรงปฏิกิริยาและได้รับแรงผลักดันที่สอดคล้องกับกฏข้อที่สามของนิวตัน นับตั้งแต่ที่มีความต้องการวัสดุภายนอกที่ไม่ใช่รูปแบบเครื่องยนต์เจ็ต เครื่องยนต์จรวดสามารถนำไปใช้ได้กับการขับเคลื่อนยานอวกาศและใช้เกี่ยวกับภาคพื้นโลก เช่น ขีปนาวุธ เครื่องยนต์จรวดส่วนใหญ่เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายใน แม้ว่าจะไม่ใช่รูปแบบของการสันดาปหลักอย่างที่มีอยู่ก็ตาม

คำศัพท์

จรวดเคมี (Chemical rockets) คือจรวดที่ขับเคลื่อนโดยปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดจากการคายความร้อนของเชื้อเพลิงจรวด

เครื่องยนต์จรวด (Rocket motor) (หรือเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงแข็ง) เป็นคำที่ตรงกันกับเครื่องยนต์ที่มักจะหมายถึงเครื่องยนต์จรวดที่เป็นของแข็ง

จรวดของเหลว (Liquid rockets) (หรือเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลว) ใช้เชื้อเพลิงเหลวจำนวนหนึ่งหรือมากกว่านั้นที่เก็บไว้ในถังก่อนที่จะมีการเผาไหม้

จรวดไฮบริด (Hybrid rockets) ที่มีเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงที่เป็นของแข็งในห้องเผาไหม้และเป็นของเหลวที่สองหรือเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงก๊าซจะถูกเพิ่มเติมเข้าไปและยอมให้มีการเผาไหม้มัน

จรวดความร้อน (Thermal rockets) คือ จรวดที่ถูกกระตุ้นด้วยแรงเฉื่อยจากความร้อน แต่เป็นความร้อนโดยใช้แหล่งพลังงานต่างๆ เช่นพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานนิวเคลียร์หรือการเปล่งลำพลังงานรังสี (beamed energy) อื่น ๆ

จรวดเชื้อเพลิงเดี่ยว (Monopropellant rockets) เป็นจรวดที่ใช้เพียงหนึ่งเชื้อเพลิง, สลายตัวไปด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) เชื้อเพลิงเดี่ยวที่พบมากที่สุดคือไฮดราซีน (hydrazine) และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (hydrogen peroxide)

หลักการทำงาน

เครื่องยนต์จรวดจะให้ส่วนหนึ่งของแรงผลักดันของมันเนื่องจากความดันในด้านตรงกันข้ามในห้องเผาไหม้เครื่องยนต์จรวดสร้างแรงขับดันโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงเหลวให้กลายเป็นของไหลไอเสียที่มีอัตราความเร็วสูง ของเหลวนี้เกือบจะเป็นแก๊สได้ตลอดเวลา ซึ่งสร้างแรงดันสูง (10 ? 200 บาร์) จากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงแข็งหรือเชื้อเพลิงเหลว อันประกอบไปด้วยส่วนประกอบของเชื้อเพลิงและตัวอ๊อกซิไดส์ (ตัวช่วยในการเผาไหม้) ภายในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ ของไหลไอเสียนั้นจะถูกส่งผ่านไปยังหัวฉีดแรงขับ (propelling nozzle)ด้วยความเร็วเหนือเสียงที่ใช้พลังงานความร้อนของก๊าซเพื่อเร่งไอเสียให้มีอัตราเร็วที่สูงมากและแรงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นนี้จะผลักดันเครื่องยนต์ไปในทิศทางตรงกันข้าม ในเครื่องยนต์จรวด อุณหภูมิและความดันสูงคือสิ่งที่ต้องการสูงสุดสำหรับสมรรถนะที่ดีที่ยอมให้มีหัวฉีดขนาดยาวได้ถูกติดตั้งเข้ากับเครื่องยนต์ ซึ่งจะให้ไอเสียที่มีอัตราเร็วสูงและมีค่าสัมประสิทธิ์ทางอุณหพลศาสตร์ที่ดีกว่า

บทนำเรื่องเชื้อเพลิงขับเคลื่อนสู่ห้องเผาไหม้

เชื้อเพลิงขับเคลื่อนจรวดคือ มวลสารที่ได้ถูกเก็บไว้ มักจะอยู่ในรูปของถังเก็บเชื้อเพลิง ก่อนที่จะถูกพ่นออกมาจากเครื่องยนต์ในรูปแบบของเปลวไอพ่นซึ่งจะทำให้เกิดแรงผลักดัน เชื้อเพลิงขับเคลื่อนจรวดเคมีเป็นสิ่งที่ถูกใช้กันโดยทั่วไปมากที่สุด ซึ่งต้องประสบสิ่งผิดปกติธรรมดากับปฏิกิริยาทางเคมีซึ่งจะสร้างแก๊สร้อนให้กับจรวดสำหรับแรงขับเคลื่อนตามที่ต้องการ ทางเลือกหนึ่ง คือ มวลแห่งปฏิกิริยาความเฉื่อยทางเคมีสามารถสร้างให้เกิดความร้อนขึ้นได้โดยการใช้แหล่งกำเนิดกำลังพลังงานสูงโดยผ่านทางตัวแลกเปลี่ยนความร้อน และดังนั้นจึงไม่ต้องใช้งานห้องเผาไหม้แต่อย่างใด
Attachments
200px-Rocket_engine_svg.png
เครื่องยนต์จรวดทำงานอย่างไร
200px-Rocket_engine_svg.png (5.05 KiB) Viewed 2824 times
210px-Viking_5C_rocketengine.jpg
เครื่องยนต์จรวด ไวกิ้ง 5c (Viking 5C)
210px-Viking_5C_rocketengine.jpg (24.57 KiB) Viewed 2824 times
220px-RS-68_rocket_engine_test.jpg
เครื่องยนต์ RS - 68 ถูกทดสอบที่ศูนย์อวกาศสเตนนิสของนาซา ไอเสียมองเห็นได้เกือบโปร่งใสนี้เกิดจากไอเสียของเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลว คือ ไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจนเหลว ไอเสียส่วนใหญ่จะถูกเปลี่ยนเป็นไอน้ำร้อนยวดยิ่ง (ไอน้ำจากการขับเคลื่อนของไฮโดรเจนและออกซิเจน)
220px-RS-68_rocket_engine_test.jpg (22.33 KiB) Viewed 2824 times
Last edited by nokroo on 08/05/2012 8:26 am, edited 3 times in total.

User avatar
nokroo
Posts: 188
Joined: 01/01/1970 7:00 am
Location: วัดตะคร้ำเอน ต.ตะคร้ำเอน อ.ท่ามะกา จ.กาญจนบุรี

Re: เครื่องยนต์จรวด

Postby nokroo » 21/11/2011 8:52 am

เชื้อเพลิงของจรวดเชื้อเพลิงแข็งถูกตระเตรียมให้อยู่ในรูปของส่วนผสมของเชื้อเพลิงและตัวอ๊อกซิไดซ์เรียกว่า เกรน และเชื้อเพลิงที่ถูกบรรจุไว้ภายในสิ่งหุ้มห่อนี้ได้กลายมาเป็นห้องเผาไหม้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ จรวดเชื้อเพลิงเหลว จะใช้เครื่องปั๊มแยกส่วนกันระหว่างเชื้อเพลิงเหลวและตัวอ๊อกซิไดซ์ อันจะเป็นส่วนประกอบกันภายในห้องเผาไหม้ ที่ซึ่งพวกมันจะผสมรวมตัวกันและเกิดการเผาไหม้ เครื่องยนต์จรวดไฮบริด (Hybrid rocket engine) ใช้การรวมกันของเชื้อเพลิงจรวดที่เป็นของแข็งและของเหลว หรือก๊าซ ของเหลวทั้งคู่ (เชื้อเพลิงและตัวอ๊อกซิไดซ์) และจรวดไฮบริด ใช้หัวฉีดเป็นตัวเริ่มต้นของเชื้อเพลิงจรวดที่จะส่งผ่านไปสู่ห้องเผาไหม้ นี่คือ พลังเจ็ต อย่างง่าย ๆ ที่มักจะทำให้เกิดช่องว่างทะลุผ่านซึ่งเชื้อเพลิงจะหลีกพ้นผ่านไปได้ภายใต้ความกดดัน แต่บางครั้งก็อาจจะมีปัญหาซับซ้อนมากกว่านั้น เมื่อหัวฉีดเชื้อเพลิงตั้งแต่สองอันหรือมากกว่านั้นมักจะเกิดการพุ่งมาชนกันของเชื้อเพลิงทำให้เกิดการเผาไหม้ได้ยาก ทางแก้คือ การทำให้หัวฉีด ๆ เชื้อเพลิงให้เป็นฝอยขนาดเล็กทำให้เผาไหม้ได้ง่ายขึ้น

ห้องเผาไหม้

สำหรับจรวดเคมี ห้องเผาไหม้ปกติเป็นเพียงทรงกระบอกธรรมดา และหัวพ่นเปลวไอพ่นเป็นสิ่งที่ถูกใช้ที่ไม่ธรรมดา ขนาดของห้องเผาไหม้ที่เป็นรูปทรงกระบอกนั้น เป็นสิ่งที่ทำให้เชื้อเพลิงขับเคลื่อนจรวดสามารถถูกเผาไหม้ได้อย่างสมบูรณ์ ความแตกต่างของชนิดของเชื้อเพลิงจรวดที่ใช้นั้นจึงทำให้เกิดความแตกต่างของขนาดของห้องเผาไหม้ด้วย สิ่งนี้จึงทำให้เกิดจำนวนที่เรียกว่า L * :

Image

เมื่อ

Vc คือ ปริมาตรความจุของห้องเผาไหม้
At คือ พื้นที่หน้าตัดของส่วนที่มีลักษณะป็นคอคอดของส่วนหัวฉีดไอพ่น
L* จะมีค่าประมาณ 25 ถึง 60 นิ้ว (0.63 ถึง 1.5 เมตร)

การรวมกันของอุณหภูมิและความดันเป็นตัวอย่างที่มักจะแสดงถึงความสุดขั้วในห้องเผาไหม้ตามมาตรฐานที่กำหนด ซึ่งแตกต่างจากอากาศหายใจในเครื่องยนต์เจ็ท ไม่มีไนโตรเจนในบรรยากาศที่เป็นปัจจุบันเพื่อการเผาไหม้ที่เจือจางและเย็น และอุณหภูมิที่สามารถบรรลุถึง ภาวะสตอยชิโอแมทริก (stoichiometric) อย่างแท้จริง นี่จะเป็นการรวมกันกับแรงกดดันสูง, ซึ่งหมายความว่าอัตราการนำความร้อนผ่านผนังมีค่าสูงมาก
Attachments
220px-Nozzle_de_Laval_diagram.svg.png
อุณหภูมิโดยทั่วไป (T) ความดัน (p) และความเร็ว (v) ในหัวฉีดเดอลาวาล
220px-Nozzle_de_Laval_diagram.svg.png (17.99 KiB) Viewed 2374 times
300px-SolidRocketMotor_svg.png
เครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงแข็ง
300px-SolidRocketMotor_svg.png (22.64 KiB) Viewed 2821 times
200px-Rocket_engine_svg.png
เครื่องยนต์จรวดจะให้ส่วนหนึ่งของแรงผลักดันของมันเนื่องจากความดันในด้านตรงกันข้ามในห้องเผาไหม้
200px-Rocket_engine_svg.png (31.26 KiB) Viewed 2821 times
Last edited by nokroo on 08/05/2012 8:22 am, edited 1 time in total.

User avatar
nokroo
Posts: 188
Joined: 01/01/1970 7:00 am
Location: วัดตะคร้ำเอน ต.ตะคร้ำเอน อ.ท่ามะกา จ.กาญจนบุรี

Re: เครื่องยนต์จรวด

Postby nokroo » 08/05/2012 8:21 am

หัวฉีดจรวด

ดูบทความหลัก : หัวฉีดเครื่องยนต์จรวด Rocket engine nozzle

รูปร่างลักษณะรูปทรงระฆังขนาดใหญ่หรือหัวฉีดที่มีรูปร่างทรงกรวยจะมีผลต่อการขยายตัวขณะเกิดการสันดาปของเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์จรวด

ในจรวด ก๊าซร้อนที่ผลิตได้ในห้องเผาไหม้จะได้รับอนุญาตที่จะหนีจากห้องเผาไหม้ผ่านช่องเปิด ("ลำคอ"), ภายในหัวฉีด มีอัตราส่วนการขยายตัว 'เดอลาวาล' ที่สูง (high expansion-ratio 'de Laval' nozzle)

ความดันที่เพียงพอที่มีให้กับหัวฉีด (ประมาณ 2.5 ถึง 3 เท่าของบรรยากาศ) โช้คหัวฉีด (nozzle chokes) และเจ็ทความเร็วเหนือเสียงจะเกิดขึ้น, ก๊าซจะถูกเร่งให้มีความเร็วอย่างรวดเร็ว, ส่วนใหญ่จะถูกแปลงจากพลังงานความร้อนให้กลายเป็นพลังงานจลน์

อัตราเร็วของไอเสียแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับอัตราส่วนการขยายตัวในหัวฉีดที่ถูกออกแบบขึ้น, แต่อัตราเร็วของไอเสียสูงถึงสิบเท่าของความเร็วของเสียงในอากาศที่ระดับน้ำทะเล (speed of sound of sea level air) อย่างไม่ได้ผิดปกติแต่อย่างใด
แรงผลักดันจรวดมีสาเหตุจากความดันที่กระทำในห้องเผาไหม้และหัวฉีด จากกฎข้อที่สามของนิวตันความดันที่กระทำโดยไอเสียที่เท่ากันและตรงกันข้ามและนี่จะช่วยเร่งจรวดให้มีอัตราเร็วสูง

ประมาณครึ่งหนึ่งของแรงผลักดันในเครื่องยนต์จรวดมาจากความดันที่ไม่สมดุลภายในห้องเผาไหม้และส่วนที่เหลือมาจากความดันที่กระทำอยู่ภายในหัวฉีด (ดูแผนภาพ) โดยที่ก๊าซที่ขยายตัวออก เรียกว่า แอเดียแบติก (adiabatically) เกิดเป็นความดันที่กระทำกับผนังหัวฉีดของแรงในเครื่องยนต์จรวดในทิศทางหนึ่งขณะที่มีความเร่งของก๊าซในทิศทางอื่น ๆ

ประสิทธิภาพเชื้อเพลิงขับดัน

สำหรับเครื่องยนต์จรวดที่จะเป็นเชื้อเพลิงขับดันจรวดที่มีประสิทธิภาพ, เป็นสิ่งสำคัญที่ความดันสูงสุดที่เป็นไปได้ที่จะถูกสร้างขึ้นบนผนังของห้องเผาไหม้และหัวฉีดตามจำนวนที่เฉพาะเจาะจงของเชื้อเพลิงขับดันจรวด; จึงเป็นแหล่งที่มาของแรงผลักดัน นี่สามารถทำได้โดยทั้งหมดคือ:

ความร้อนที่เกิดจากเชื้อเพลิงขับดันจรวดจะมีอุณหภูมิสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (การใช้เชื้อเพลิงพลังงานสูงที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนและคาร์บอนและบางครั้งก็เป็นโลหะเช่นอะลูมิเนียม, หรือแม้กระทั่งการใช้พลังงานนิวเคลียร์)
Attachments
220px-Rocket_thrust.svg.png
แรงผลักดันจรวดมีสาเหตุจากความดันที่กระทำในห้องเผาไหม้และหัวฉีด จากกฎข้อที่สามของนิวตันความดันที่กระทำโดยไอเสียที่เท่ากันและตรงกันข้ามและนี่จะช่วยเร่งจรวดให้มีอัตราเร็วสูง
220px-Rocket_thrust.svg.png (4.76 KiB) Viewed 2373 times


Return to “ระดับมหาวิทยาลัย”

Who is online

Users browsing this forum: No registered users and 1 guest