راهبرد استفاده از ماده متخلخل در انژکتور پیشران های فضایی سوخت مایع

Document Type : Original Article

Authors

1 PhD student , tarbiat modares university

2 Professor, mechanical Engineering Department, Tarbiat Modares University (TMU), Tehran, Iran

3 Aerospace Science and Technology Research Institute, Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research and Technology

10.22034/jast.2021.126720

Abstract

در جریان پیشرفت همه‌جانبه علوم مهندسی، تحقیقات فضایی را می‌توان به‌عنوان پیشران این حرکت روبه جلو دانست. در زمینه پیشران‌های فضایی این روند را به نوعی می‌توان روبه عقب خواند، نه به معنای پس‌رفت، بلکه به معنای بهینه‌سازی طرح‌های اولیه مورد استفاده برای سیستم‌های فضایی که نتنها موجب اختراع دوباره این سیستم‌ها برپایه دست‌یابی به فناوری‌های ساخت امروزی خاص شده است، بلکه منجربه تقویت ارتباط میان علومی همچون مواد و مکانیک نیز گشته است. در این پژوهش با توجه به نقشه راه سیستم پیشران‌های فضایی و نیز بررسی طرح‌های قدیمی و مرجع، تلاش شده است تا برخی بهینه‌سازی‌های صورت گرفته در چند سال اخیر، مورد مطالعه قرارگیرد و نقاط ضعف و چالش‌های پیش‌رو بیان گردد. یکی از ایده‌هایی که بهینه‌سازی، کوچک‌سازی و افزایش ضریب اطمینان سیستم‌ پیشران‌های فضایی را درپی دارد، تزریق سوخت از ناحیه متخلخل است. مطالعه نوعی سرانژکتور دوشی، مسیر شکل‌گیری ایده کاربرد مواد متخلخل را در سیستم تزریق بیان نموده و سپس در طرحی که ماده متخلخل را با طرح انژکتور محوری پیوند می‌زند، کارایی این دو نوع تزریق مقایسه می‌گردد.

Keywords

Main Subjects


Article Title [فارسی]

راهبرد استفاده از ماده متخلخل در انژکتور پیشران های فضایی سوخت مایع

Authors [فارسی]

  • علیرضا مرادی 1
  • فتح اله امی 2
  • زهیر صبوحی 3
1 دانشجوی دکتری دانشگاه تربیت مدرس
2 استاد، دانشکده مکانیک، گروه هوافضا، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
3 پژوهشکده علوم و فناوری هوایی، پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری
Abstract [فارسی]

در جریان پیشرفت همه‌جانبه علوم مهندسی، تحقیقات فضایی را می‌توان به‌عنوان پیشران این حرکت روبه جلو دانست. در زمینه پیشران‌های فضایی این روند را به نوعی می‌توان روبه عقب خواند، نه به معنای پس‌رفت، بلکه به معنای بهینه‌سازی طرح‌های اولیه مورد استفاده برای سیستم‌های فضایی که نتنها موجب اختراع دوباره این سیستم‌ها برپایه دست‌یابی به فناوری‌های ساخت امروزی خاص شده است، بلکه منجربه تقویت ارتباط میان علومی همچون مواد و مکانیک نیز گشته است. در این پژوهش با توجه به نقشه راه سیستم پیشران‌های فضایی و نیز بررسی طرح‌های قدیمی و مرجع، تلاش شده است تا برخی بهینه‌سازی‌های صورت گرفته در چند سال اخیر، مورد مطالعه قرارگیرد و نقاط ضعف و چالش‌های پیش‌رو بیان گردد. یکی از ایده‌هایی که بهینه‌سازی، کوچک‌سازی و افزایش ضریب اطمینان سیستم‌ پیشران‌های فضایی را درپی دارد، تزریق سوخت از ناحیه متخلخل است. مطالعه نوعی سرانژکتور دوشی، مسیر شکل‌گیری ایده کاربرد مواد متخلخل را در سیستم تزریق بیان نموده و سپس در طرحی که ماده متخلخل را با طرح انژکتور محوری پیوند می‌زند، کارایی این دو نوع تزریق مقایسه می‌گردد.

]1[ امی، فتح‌اله، "تاریخچه و اصول مقدماتی طراحی راکت سوخت مایع" تهران، انتشارات ماجد، پاییز 1372.
[1]     Deeken, Jan & Suslov, D. & Haidn, Oskar & Schlechtriem, Stefan. (2010). Design and testing of a porous injector head for transpiration cooled combustion chambers. 10.2514/6.2010-1595.
[2]     "NASA Technology Roadmaps, TA 2: In-Space Propulsion Technologies," National Aeronautics and space administration, (2015).
[3]     Armbruster, W., Hardi, J. S., Suslov, D., and Oschwald, M.(2018). Experimentalinvestigation of self-excited combustion instabilities withinjection coupling in a cryogenic rocket combustor. Acta Astronautica.151, 655–667.
[4]     Börner, M., Deeken, J. C., Manfletti, C., and Oschwald, M.(2019). Experimental study of a laser ignited thruster with a porous injector head. International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion.
[5]     Börner, M., Manfletti, C., Hardi, J. S., Suslov, D., Kroupa, G., and Oschwald, M.(2018). Laser ignition of a multi-injector lox/methane combustor. CEAS Space Journal 10, 273–286.
[6]     Kim, B.-D., Heister, S. D., and Collicott, S. H.(2005).Three-Dimensional Flow Simulations in the Recessed Region of a Coaxial Injector. Journal of Propulsion and Power, Vol. 21, No. 4, pp. 728–742.
[7]     Zhaleh D, Ommi F, Saboohi Z.(2020). Numerical Investigation of Pore-Structure in Design of Catalytic Beds for Mono-Propellant Thrusters. Modares Mechanical Engineering. 20,193-202.
[8]     URL: http://mme.modares.ac.ir/article-15-27494-en.html
[9]     Gotzig, Ulrich & Schulte, Georg & Ehmann, Dieter & Riehle, Martin. (2005). New Generation of EADS Bipropellant Engines with Micro Showerhead Injector System. 10.2514/6.2005-4526.
[10]  D. Kim, K. Lee, and J. Koo, (2014). Combustion Characteristics of a Coaxial Porous Injector. Journal of Propulsion and Power, Vol. 30, No. 6, pp. 1620–1627.
[11]  U. Gotzig, E. Dargies. (2003). Development Status of Astriums New 22N Bipropellant Thruster Family. AIAA-4777
[12]  Wood ward, R.D., Pal, S., Farhangi, S., Jensen, G.E., and Santoro, R.J. (2007). LOX/GH2 Shear Coaxial Injector Atomization Studies: Effect of Recess and Non-Concentricity. AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA Paper 2007-0571.
[13]  Gill, G.S., and Nurick, W.H. (1976). Liquid Rocket Engine Injectors. NASA TR-SP-8089.
[14]  Nunome, Y., Tamura, H., Onodera, T., Sakamoto, H., Kumakawa, A., and Inamura, T. (2009). Effect of Liquid Disintegration on Flow Instability in a Recessed Region of a Shear Coaxial Injector. AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA Paper.
[15]  Bazarov, V., and Yang, V. (2004). Liquid Rocket Thrust Chambers: Aspects of Modeling, Analysis, and Design, AIAA, Reston, VA, Chap. 2.
[16]  Strakey, P. A., Talley, D. G., and Hutt, J. J. (2001). Mixing Characteristics of Coaxial Injectors at High Gas/Liquid Momentum Ratios. Journal of Propulsion and Power, Vol. 17, No. 2, pp. 402–410. doi:10.2514/2.5756.
[17]  Salgues, D., Mouis, A., Lee, S., Kalitan, D., Pal, S., and Santoro, R. (2006). Shear and Swirl Coaxial Injector Studies of LOX/GCH4 Rocket Combustion Using Non-Intrusive Laser Diagnostics. 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA Paper 2006-0757.
[18]  Glogowski, M. J., Bar-Gill, M., Puissant, C., Kaltz, T., Milicic, M., and Micci, M. M. (1994). Shear Coaxial Injector Instability Mechanisms. 30th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA Paper 1994-2774.
[19]  Ferraro, M., Kujala, R. J., Thomas, J. L., Glogowski, M. J., and Micci, M. M. (2002).Effects of GH2/LOX Velocity and Momentum Ratios on Shear Coaxial Injector Atomization. Journal of Propulsion, Vol. 18, No. 1, pp. 209–211. doi:10.2514/2.5920.
[20]  Mayer, W., and Kriille, G. (1995). Rocket Engine Coaxial Injector Liquid/Gas Interface Flow Phenomena. Journal of Propulsion and Power, Vol. 11, No. 3, pp. 513–518. doi:10.2514/3.23872.
[21]  Mayer, W., Schik, A., Vielle, B., Chauveau, C., Gokalp, I., Talley, D., and Wood ward, R. (1998). Atomization and Break up of Cryogenic Propellants Under High-Pressure Subcritical and Supercritical Conditions. Journal of Propulsion and Power”, Vol. 14, No. 5, pp. 835–842. doi:10.2514/2.5348
[22]  Taylor, G. (1956). Fluid Flow in Regions Bounded by Porous Surfaces. Proceedings of the Royal Society of London, Series A: Mathematical and Physical Sciences, Vol. 234, No. 1199, pp. 456–475. doi:10.1098/rspa.1956.0050.
[23]  Bazarov, V. G. (1993). A New Class of Porous Injectors for Combustion Chambers and Gas Generator. AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA Paper 1993-1955.
[24]  Sozer, E., Shyy, W., and Thakur, S. (2006). Multi-Scale Porous Media Modeling for Liquid Rocket Injector Applications. AIAA/ASME/SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA Paper 2006-5044.
[25]  Kim, Dohun & Lee, Keonwoong & Koo, Jaye. (2016). Effects of Wall-Injection Length on Spray and Combustion in a Coaxial Porous Injector. JOURNAL OF PROPULSION AND POWER. 32. 10.2514/1. B35575.