رژیم‌های کاری خود ارتعاشی موتور

اکنون ما به یکی از مهم‌ترین پدیده‌هایی که غالبا در حین تست‌ها و مونتاژ موتورهای موشک سوخت مایع مشاهده می‌شود، توجه می‌کنیم. بحث در خصوص رژیم‌های ارتعاشات خود محرک یا در مورد احتراق ارتعاشی است.
این سئوال نه فقط برای موتورها مهم است بکله کاربرد عمومی نیز دارد. اصول بروز خود ارتعاشی در فرآیندهای کنترلی برای از بین بردن مجموعه مشکلات مکانیکی، الکترونیکی و رادیوالکترونیکی واحد است. همچنین در تکنولوژی موشکی، جایی که ما با سیستم‌های اتوماتیک سروکار داریم، مسایل خود ارتعاشی جایگاه خاصی دارد. بنابراین در مباحث آینده، به رژیم‌های خود ارتعاشی بر خواهیم گشت.وقتی که بخواهیم حرکت موشک و اصول کنترلی آن را بررسی کنیم، در آنجا نیز در حالت کلی توضیح داده خواهد شد که به کمک چه مثالهایی می‌توان این پدیده را تحقیق و بررسی کرد و چگونه می‌توان احتمال خطر بروز خود ارتعاشی نامطلوب را پیش‌بینی کرد. فعلا ما فقط به توضیح این مساله می‌پردازیم.
در علم مکانیک، خودارتعاشی در حالت کلی مربوط به فرآیندهایی است که اثر پریودیک خارجی وجود ندارد و به تاثیر از تغییر پریودیک پارامترهای داخلی در خود سیستم ایجاد می‌شود و مطابق با این تغییرات، مصرف پریودیک انرژی از بعضی چشمه‌های خارجی صورت می‌گیرد.
رژیم‌خای خود ارتعاشی در مهندسی کاربرد فراوان دارد. بارزترین مثال خودارتعاشی کنترل شونده، موتور اتومبیل با احتراق داخلی است. مکش و تراکم مخلوط کاربراتور و بعدا احتراق، انبساط و تخلیه مثالی از فرآیند خودارتعاشی کنترلی است. فرستنده‌های رادیویی که امواج با فرکانس ثابت را ارسال می‌دارند نیز نوعی از کاربرد فنی فرآیندهای خود ارتعاشی است. این چنین مثالهایی در اطراف زندگی ما، خیلی زیاد است. مجموعه‌ای از مثال‌ها وجود دارد که خودارتعاشی بدون پیش‌بینی به وجود می‌آید و کار نرمال سیستم را به هم‌ می‌ریزد و در نتیجه آن حادثه‌ای یا مشکلی ایجاد می‌شود. بنابراین، باید در موتور موشک‌های سوخت مایع به آن توچه داشت.
رژیم‌های احتراق ارتعاشی در حین کار با اولین موشک‌های جنگی سوخت جامد در جنگ جهانی دوم مشاهده شد. همچنین وقتی که در دهه‌های چهل و پنجاه میلادی کار روی موتورهای سوخت مایع شروع شد خیلی زود متوجه شدند که در این نوع موتورها نیز مشکل وجود دارد. بروز رژیم ارتعاشی در موتور سوخت مایع باعث شگفتی طراحان شد. به خصوص وقتی که خودارتعاشی در مرحله تست‌های استند و حتی در موتورهای نصب شده روی موشک خود را نشان داد.
در آن زمان علت مشکل به طور دقیق مشخص نبود و لازم است که کم و بیش به گزارشس‌ها و بحث‌های واقع‌گرایانه ارجاع شود. در ضمن تجربه به دست آمده برای آینده مفید واقع شود.
در شروع، انواع ارتعاشهای خود محرک، همگی به یک شکل ظاهر می‌شدند که درمان و چاره آن‌ها نیز با تدابیر مشابه صورت می‌گرفت. اما همان‌طور که در تجربه کار پزشکی مشخص شد که بیماری سرماخوردگی انواع گوناگون دارد و برای هر نوع آن یک واکسن خاص مورد نیاز است، در این‌جا نیز در آنالیز خودارتعاشی مشاهده شد که چندین نوع خودارتعاشی وجود داردو برای هر کدام نیز راه حل جداگانه وجود دارد.
چنین تقسیم‌بندی برای انواع خودارتعاشی و زیر گروه‌های آن منطقی است.
رژیم‌های خودارتعاشی به صورت یک زنجیره توابع دیفرانسیلی نوشته می‌شود. به عنوان مثال A تابعی از B، B تابعی از C و C از D تابعی است و فرض می‌کینم که D تابعی از A است. اگر به یکی یا چند تا از پارامترهای شمرده شده، اغتشاشی اعمال گردد، همه آن پارامترها به شکلی برحسب زمان تغییر خواهند کرد. در شرایط معمولی، زمانی که خودراتعاشیوجود ندارد، هیچ تغییری در وضعیت پارامترها مشاهده نمی‌شود و به فرم اولیه خود باز می‌گرداند. اما ممکن است که تغییر دامنه در هر یک به وجود آید و نسبت به زمان افزایش یابد.
سیکل بسته تغییرات ABCDA برای چنین سیستمی، مانند موتور موشک به جهت حلقه‌های ارتباطی که روی یکدیگر اثر می‌کند مشکل‌تر می‌شود. به سیکل مورد نظر می‌توان به عنوان مثال همچنین حلقه‌های CDEC و ABFA را پیشنهاد کرد.
البته در شرایط مشابه بروز حلقه‌های خودارتعاشی با یکدیگر مرتبط هستند. آنالیز چنین سیستم خودارتعاشی به مراتب ساده‌تر می‌شود اگر فرکانس‌های خودارتعاشی در هر یک از حلقه‌ها به طور محسوس با یکدیگر متفاوت باشند در این صورت می‌توان ارتباط بین حلقه‌ها را ضغیف در نظر گرفت. در این‌جا می‌توان نتیجه گرفت که اگر هنگام تست، خودارتعاشی با فرکانس مشخص در یک زنج خاص به وجود آید، می‌توان بلافاصله گفت که چه حلقه‌ای را که مرتبط کننده بین پارامترها است، باید تغییر داد که خودارتعاشی سیستم از بین برود.
رژیم‌های خودارتعاشی به وجود آمده در موتورهای موشک سوخت مایع را برحسب فرکانس تقسیم‌بندی می‌کنند. نوع اول- ارتعاشات فرکانس پایین. این‌ها فقط در تست‌های پروازی مشاهده می‌شوند. آن‌ها در تست استند به وجود نمی‌آیند. فرکانس این نوع ارتعاشات در رنج 10 تا 100 هرتز قرار دارد. علت بروز این نوع خودارتعاشی به خود از ارتباط بین تغییر شکل الاستیک طولی پوسته موشک و تغییر پیش‌ران حاصل می‌شود.
در ارتعاشات طولی پوسته به طور پریودیک، فشار سوخت و اکسید کننده در ورود به پمپ‌ها تغییر می‌کند و در نتیجه تزریق و پیش‌ران تغییر می‌کنند و در نتیجه، زنجیره اثر ارتباطی در همان تغییرشکل طولی پوسته بسته می‌شود.

در چنین بررسی‌هایی لازم نیست که عامل اولیه شروع ارتعاشات را جست‌وجو کرد(این یک اشتباه فراگیراست) چون به سئوال بی‌جواب اول تخم‌مرغ بوده است یا مرغ بر می‌گردیم.
آنالیز خودارتعاشی فرکانس پایین در موشک کاملا مشکل است. جرم سوخت و اکسید کننده در مخازن که به وسیله درپوش‌های خم شونده الاستیک تحمل می‌شود، تعداد زیاد از جرم‌های معلق و پیچیدگی تابع تبدیل فشار در ورود به پمپ برحسب تغییرات پیش‌ران از جمله مسایلی است که باید بررسی شود. هدف کاملا روشن است و توفق آن در مرحله مطالعه طراحی است. در نتیجه لازم است که از بروز خودارتعاشی جلوگیری کرد و تدابیر لازم براری از بین بردن آن‌ها را به کار برد.
سیستم کنترلی که قبلا بررسی شد در مقابله با این نوع از خودارتعاشی ناتوان است. رگولاتور دبی جرمی و شیر دارای اینرسی نسبتا زیادی هستند. آن‌ها برای تغییرات نسبتا ملایم پیش‌ران و دبی جرمی کاربرد دارند. سیستم کنترل خود محرک، استعداد ایجاد فرکانس طبیعی با ارتعاشات فرکانس پایین‌تر را دارد که این سئال در مرحله مطالعه طراحی هر سیستم کنترلی بررسی می‌شود.
هنگام بروز ارتعاشات فرکانس پایین طولی، خارج کردن پارامترهای سیستم از ناحیه خطر ناپایداری مشکل است. تغییر سختی پوسته یا تغییر قانون محوه توزیع جرم، عملا غیر ممکن است. بنابراین در شرایط خیلی ضروری، یک از تدابیر، نصب دمپرهای هوایی است که نزدیک به لوله‌های سوخت و اکسید کننده همراه با مخازن(حجم‌های) بسته‌ای نصب می‌شود. هنگام شارژ سوخت و اکسید کننده در این مخازن، حباب‌های هوا تولید می‌شود. در این صورت سیال غیر قابل تراکم با خواص تغییر یافته شبیه تراکم‌پذیر می‌شود که مشخصه‌های دینامیکی سیستم ارتعاشی به این صورت تغییر می‌یابد. با تغییر حجم این دمپرها می‌توان سهم بالایی از این فرکانس‌های خطرناک خود تحریک را از بین برد.
نوع دوم ارتعاشات در رنج فرکانسی 50 تا 300 هرتز قرار می‌گیرد. این نوع ارتعاشات، در تست استند موتور ایجاد می‌شود و غالبا بر اثر فشار معکوس در محفظه روی سیستم شارژ اتفاق می‌افتد. اگر در محفظه به دلیلی فشار بالا رود، در این صورت سیستم تزریق، آن را به صورت یک مقاومت حس می‌کند. در نتیجه، تزریق سوخت و اکسید کننده کم و محدود می‌شود و به نوبه خود با یک تاخیر زمانی باعث کاهش فشار در محفظه می‌شود. بدین ترتیب یک حلقه ارتباطی بسته شده بین محفظه و سیستم تزریق ایجاد می‌گردد که در این صورت خودراتفاشی ممکن است ایجاد شود. به این صورت فشار بالا می‌رود، در نتیجه دبی جرمی کاهش می‌یابد و در اثر کاهش دبی جرمی فشار کم می‌شود، بنابراین دبی جرمبی افزایش می‌یابد. اثر مدت زمان پاشش سوخت و اکسید کننده تا تبدیل آن‌ها به محصولات احتراق که به شکل یک تاخیر زمانی ظاهر می‌شود، نقش حلال را بازی می‌کند. با افزایش افت فشار روی انژکتور به خودارتعاشی فرکانس متوسط می‌توان غلبه کرد. این کار باعث ضعیف شدن اثر معکوس(برگشت) تغییر فشار سریع داخل محفظه روی کار سیستم تزریق می‌شود. گاهی اوقات برای مبارزه با این ارتعاشات و تغییر فاز اترعاشات، دبی جرمی و فشار طول یک یا چند تاز از لوله‌های شارژ سوخت و اکسیدکننده به محفظه را تغییر می‌دهند.
بالاخره سومین نوع خودارتعاشی، ارتعاشات فرکانس بالا است که ارتعاشات داخل محفظه‌ای با فرکانس‌های بالا 500هرتز هست. این پدیده از نوع گاز دینامیکی و خطرناک‌ترین نوع خودارتعاشی است. این ارتعاشات ارتباطی به سیستم تزریق و محفظه ندارد و بیشتر در موتورهایی با پیش‌ران بالا ظاهر می‌شود. مکانیزم بروز آن‌ها بر این اساس است که زمان تولید گاز(گازی شدن) ثابت نیست و تابعی از فشار نزدیک به صفحه انژکتور موتور است. با افزایش فشار محلی(مهم نیست به چه دلیلی ایجاد می‌شود) گاز با شدت بیشتری تولید می‌شود و در نتیجه فشار محلی بازهم افزایش می‌یابد و موجی با سرعت صوت توزیع می‌شود. با انعکاس موج از طرف دیواره مقابل، موج به صفحه انژکتور بر می‌گردد و مجددا تولید گاز شدید‌تر می‌شود. پریود چنین ارتعاشی برحسب زمان مورد نیاز موج به طوری که طولی برابر با طول مشخصه محفظه را طی کند، تعیین می‌شود. مدهای ایجاد شده ارتعاشی به مدهای طولی و عرضی تقسیم می‌شود.
در مدهای طولی موج‌ها از صفحه انژکتور به سمت نازل محفظه احتراق حرکت می‌کنند. در مدهای عرضی یا شعاعی موج‌ها متقارن و غیر متقارن هستند و از دیواره‌های عرضی محفظه منعکس می‌شوند.
شکل خود ارتعاشی فرکانس بالا نه تنها باعث اثر رزونانسی در سازه دیواره‌های نازک محفظه می‌شود، بلکه در تغییر ساختار لایه گاز کناره دیواره و بر هم زدن رژیم خنک‌کاری مؤثر است. اگر خودارتعاشی فرکانس بالا به وجود بیاید، محفظه حتی ثانیه‌ای نمی‌تواند در چنین رژیمی کار کند. راه چاره مبارزه با خودارتعاشی فرکانس بالا، انتخاب طول مناسب محفظه، نصب صفحه صلیبی میراکننده ارتعاشات بین ناحیه گسترش موج و تغییر شکل صفحه انژکتور است.
برطرف کردن کامل رژیم خودارتعاشی مشکل است، اما می‌توان قطعا تاکید کرد که در زمان حاصر، تجربه کافی برای مبارزه با این پدیده به دست آمده است و در فن موشک‌سازی امروزی مشکلی در این خصوص وجود ندارد.