فشار اتمسفر و جدایش جریان چگونه نازل‌های خلأ موشک را در سطح دریا متلاشی می‌کنند

مهندسان هوافضا هنگام طراحی موتورهای موشکی مراحل بالایی و آزمایش زمینی آن‌ها با یک مرز فیزیکی سفت‌وسخت روبه‌رو هستند. شلیک یک نازل ویژه خلأ در سطح دریا تنها در صورتی مقدور است که بخش شیپوری آن به‌طور مصنوعی تقویت سازه‌ای شود یا فشار محفظه احتراق در محدوده‌های مشخصی مهار گردد.[7]

هنگامی که یک موتور مخصوص خلأ در لایه‌های متراکم و زیرین جو زمین روشن می‌شود، هوای محیط ستون گازهای خروجی آن را زیر فشار له می‌کند. این وضعیت به تولید نیروهای سازه‌ای مخربی می‌انجامد که می‌توانند پیش از جدا شدن موشک از سکوی پرتاب، نازل را متلاشی کنند؛ پدیده‌ای بنیادین که شیوه ساخت و آزمایش تمام پرتابگرهای مداری را تعیین می‌کند.[7]

ریشه این چالش در «جدایش جریان» نهفته است؛ مسئله‌ای در دینامیک سیالات که هرگاه فشار داخلی نازل به میزان چشمگیری کمتر از فشار هوای بیرون افت کند رخ می‌دهد. نازل موشک با منبسط کردن گاز داغ و تبدیل فشار به سرعت، شتاب خروجی تولید می‌کند؛ انبساطی که در خلأ فضا می‌تواند تا بی‌نهایت ادامه یابد.[1]

با این حال، در سطح دریا جو با فشاری نزدیک به ۱۴٫۷ پوند بر اینچ مربع بر گازهای خروجی فشار وارد می‌کند. اگر نازل گاز خروجی را چنان منبسط کند که فشار داخلی آن به زیر حدود ۴۰ درصد فشار جو پیرامون برسد، جریان گاز به‌طور فیزیکی از دیواره داخلی نازل کنده و جدا می‌شود.[1]

معیار سامرفیلد

این آستانه ۴۰ درصدی در مهندسی هوافضا با نام «معیار سامرفیلد» شناخته می‌شود. این معیار یک قاعده سرانگشتی و محافظه‌کارانه برای پیش‌بینی زمان کنده شدن ستون گاز خروجی از شیپوره فلزی است. به‌محض جدایش جریان، فضای خالی ایجادشده میان گاز خروجی و دیواره، با هوای متلاطم و چرخشی محیط پر می‌شود.[1]

جدایش جریان هرگز در تمام پیرامون محیطی نازل به‌شکلی کاملاً یکنواخت رخ نمی‌دهد. در عوض، نقطه جداشدگی مدام نوسان می‌کند و توزیع فشاری نامتقارن درون شیپوره پدید می‌آورد. این نوسان بدین معناست که یک سمت نازل فشاری کاملاً متفاوت از سمت دیگر تحمل می‌کند و بار جانبی فوق‌العاده سنگینی را شکل می‌دهد.[2][3]

این نیروهای جانبی که با نام «ساید لود» شناخته می‌شوند، ماهیتی به‌شدت ویرانگر دارند. در جریان آزمایش استاتیک موتور اصلی شاتل فضایی در سال ۱۹۹۰، بارهای جانبی در فشار محفظه ۱۷۵۰ پی‌اس‌آی به حدود ۳۸ هزار پوند-نیرو رسید. این تکان ناگهانی به شکستن سه خط تغذیه خنک‌کننده در بخش بیرونی نازل انجامید.[2][3]

شکست‌های مشابهی در عصر آپولو نیز رخ داده بود. در آزمایش‌های زمینی موتور جی-۲ متعلق به موشک ساترن ۵، بارهای جانبی عظیم به گسیختگی کامل کششی بولت‌های سنگین گیمبال منجر شد. در واقع موتور به دلیل جدایش نامتقارن جریان ناشی از فشار جو، تلاش می‌کرد خود را از روی بستر آزمایشی بکند.[2]

سازش میان بهینه‌سازی خلأ و کارایی در جو

برای درک علت اصرار مهندسان بر ساخت نازل‌هایی با چنین آسیب‌پذیری، باید به مکانیک مداری نگاه کرد. راندمان پیشرانش موشک با معیار تکانه ویژه سنجیده می‌شود که به‌شدت به «نسبت انبساط» نازل وابسته است. یک شیپوره بزرگ‌تر تکانه بیشتری از گازهای خروجی استخراج کرده و به ازای هر پوند سوخت مصرفی، نیروی پیشران بیشتری تولید می‌کند.[5]

موتورهای بهینه‌سازی‌شده برای خلأ، مانند رپتور خلأ اسپیس‌ایکس، از دهانه‌های شیپوری بسیار عظیمی بهره می‌برند. رپتور خلأ دارای نازلی به قطر ۲٫۴ متر است که گاز را در فشار نزدیک به صفر مدار منبسط می‌کند. این نسبت انبساط فوق‌العاده در سطح دریا، پدیده جدایش شدید جریان را اجتناب‌ناپذیر می‌سازد.[6]

در یکی از اسناد فنی اسپیس‌ایکس پیرامون موتور رپتور خلأ آمده است: «این موتور در سطح دریا خودش را متلاشی می‌کند».[6]

برای مقاومت در برابر این پدیده حین آزمایش‌های استاتیک زمینی، تیم‌های فنی ناچارند مهارها و تسمه‌های فولادی مستحکمی دور امتداد نازل نصب کنند. بدون این سازه‌های مهارکننده موقت، امواج شوک نامتقارن پوسته فلزی نازک شیپوره را مچاله کرده و در هم می‌شکنند.[6]

موتورهای مرحله اول با انتخاب نسبت‌های انبساط کوچک‌تر از این سرنوشت در امان می‌مانند. نازل‌های آن‌ها به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که فشار خروجی گاز تقریباً با فشار جو سطح دریا هماهنگ باشد تا جریان به دیواره‌ها بچسبد. البته این مصالحه طراحی به قیمت از دست رفتن بخشی از راندمان موتور پس از عبور موشک از لایه‌های غلیظ جو تمام می‌شود.[5]

پدیده‌های گذرا حین احتراق اولیه

حتی موتورهای بهینه‌شده برای سطح دریا نیز کاملاً در برابر جدایش جریان مصون نیستند. در لحظات گذرا و کوتاه روشن شدن و خاموشی، فشار محفظه احتراق افزایش یا کاهش می‌یابد. در کسری از ثانیه، فشار داخلی برای چسبیده ماندن جریان به دیواره بسیار ناکافی است و بارهای جانبی گذرایی تولید می‌کند.[3]

بر پایه داده‌های اندازه‌گیری سال ۱۹۷۳ در برنامه جی-۲، جدایش تصادفی جریان زمانی رخ می‌دهد که فشار روی دیواره دقیقاً به یک‌سوم فشار محیط برسد. ارزیابی‌های ناسا روی موتور اصلی شاتل فضایی نیز نقطه جدایش را به‌طور پیوسته بین ۲۸ تا ۳۸ درصد فشار محیط تخمین زدند.[2][3]

با بالا رفتن دور موتور و افزایش گاز محفظه، نقطه جدایش جریان در امتداد طول نازل حرکت می‌کند و موج شوک خشن و شدیدی را روی سطح فلزی آن می‌کشد. مهندسان موظفند این بارهای گذرا را حین طراحی پایه‌های موتور و جک‌های هیدرولیکی گیمبال لحاظ کنند.[3]

سازه تعلیق موتور باید چنان صلب باشد که تکان‌های جانبی حین استارت را مهار کند، و در عین حال به اندازه کافی انعطاف داشته باشد تا بردار رانش موشک را حین پرواز هدایت کند؛ تعادلی مکانیکی و ظریف که به‌تمامی از دینامیک سیالات تحمیل می‌شود.[3]

تدابیر مهندسی برای سازگاری با فشار اتمسفر

برای آزمایش نازل‌های با نسبت انبساط بالا بدون نابودی آن‌ها، مراکز پیشرانش از اتاقک‌های ویژه شبیه‌سازی ارتفاع بالا استفاده می‌کنند. تأسیساتی نظیر جایگاه آزمایش پی۸ مرکز هوافضای آلمان، موتور را درون یک محفظه خلأ مهروموم‌شده روشن می‌کنند. یک سیستم قدرتمند تزریق بخار به‌طور پیوسته گازهای خروجی را تخلیه کرده و فشار محیط اطراف نازل را به‌طور مصنوعی کاهش می‌دهد.[4]

این روش به مهندسان اجازه می‌دهد عملکرد واقعی موتور در شرایط خلأ را بدون مواجهه با معیار سامرفیلد اندازه‌گیری کنند. با این حال، اتاقک‌های شبیه‌سازی ارتفاع بسیار پرهزینه بوده و ابعاد محدودی دارند. از این رو موتورهای در ابعاد واقعی معمولاً ناچارند در فضای باز آزمایش شوند، که تیم‌ها را ملزم به استفاده از سازه‌های تقویتی یا نازل‌های کوتاه‌شده می‌کند.[4]

پژوهشگران در حال توسعه هندسه‌های نوینی در نازل‌ها هستند تا این چالش ارتفاعی را به‌طور ریشه‌ای حل کنند. یکی از این راهکارها نازل «دو شیپوری» است که در میانه خط کانتور خود شکست و زاویه‌ای مشخص دارد. این شکستگی هندسی، جریان گاز را ناچار می‌کند در سطح دریا به‌صورتی کاملاً متقارن و تمیز جدا شود و بارهای جانبی مخرب را از بین ببرد.[5]

با صعود موشک و کاهش فشار هوای محیط، ستون گاز خروجی به‌طور طبیعی از نقطه شکستگی فراتر رفته و تمام بخش دوم نازل دوشیپوری را پر می‌کند. مرکز هوافضای آلمان در تحلیلی دقیق برآورد کرد که پیاده‌سازی طرح دوشیپوری روی آریان ۵ می‌تواند ظرفیت حمل محموله به مدار زمین‌ایستا را تا ۲۱۹ کیلوگرم افزایش دهد.[5]

تا پیش از فراگیر شدن چنین الگوهایی، آستانه فشاری ۴۰ درصدی همچنان یک مرز فیزیکی سرسخت باقی خواهد ماند. مهندسان هوافضا پیوسته باید میان دستیابی به حداکثر راندمان در خلأ و واقعیت خردکننده اتمسفر زمین تعادل برقرار کنند. هر پرتاب مداری با نبردی مکانیکی علیه پدیده جدایش جریان آغاز می‌شود.[7]

فیزیک شکل‌گیری الماس‌های شوک

شاخصه بصری این رویارویی فشاری، پدیده «الماس‌های شوک» است که در رد گازهای موتور موشک‌های در حال اوج‌گیری دیده می‌شود. وقتی گازهای خروجی با فشاری کمتر از هوای محیط از دهانه نازل بیرون می‌آیند، اتمسفر پیرامون ستون گاز را به سمت داخل فشرده می‌کند و زنجیره‌ای از امواج شوک مایل پدید می‌آورد.[1]

این امواج شوک درون جریان گاز بازتاب یافته و هنگام متراکم کردن و داغ ساختن گاز، درخشش روشنی به خود می‌گیرند. هرچند الماس‌های شوک منظره‌ای چشم‌نواز خلق می‌کنند، اما نمایانگر هدررفت انرژی پیشرانش هستند؛ چرا که موتور بخشی از رانش خود را صرف مبارزه با فشار جو می‌کند نه بالا بردن موشک.[1]

در خلأ فضا، رفتار ستون گاز خروجی کاملاً متفاوت است. در غیاب هرگونه فشار جوی برای مهار جریان، گاز بلافاصله پس از خروج از لبه نازل با زاویه‌های باز که گاه از ۹۰ درجه می‌گذرد به اطراف منبسط می‌شود؛ در این شرایط، گاز خروجی به‌شکل یک بادبزن وسیع و پراکنده درمی‌آید و هیچ اثری از الماس‌های شوک باقی نمی‌ماند.[1]

طراحی موتور موشک همواره سازشی ناگزیر با مشخصات سیاره‌ای است که موشک از آن برمی‌خیزد. آستانه جدایش ۴۰ درصدی، شکل هندسی شیپوره، توان مهندسی گیمبال‌ها و شیوه‌های آزمایش زمینی را تعریف می‌کند؛ قید و سرعتی حاکم از سوی دینامیک سیالات در مسیر رسیدن به مدار زمین.[7]