مقایسه چرخه‌های موتور موشک: بده‌بستان‌ها در نیروی رانش، بازدهی و پیچیدگی

یک موتور موشک تنها زمانی می‌تواند کار کند که پیشران مایع را با فشاری اکیداً بالاتر از انفجار مداومی که درون محفظه احتراق اصلی رخ می‌دهد، به داخل آن پمپاژ کند. اگر فشار محفظه از فشار پمپ بیشتر شود، گازهای خروجی به عقب برگشته و سیستم لوله‌کشی را از بین می‌برند. به حرکت درآوردن این توربوپمپ‌ها نیازمند توان مکانیکی عظیمی است — که اغلب به ده‌ها هزار اسب بخار می‌رسد — و این یعنی موتور باید بخشی از سوخت خود را صرفاً برای تغذیه خودش مصرف کند. اینکه موشک چگونه این نیاز به توان انگلی را تولید و مدیریت می‌کند، چرخه ترمودینامیکی آن را تعریف می‌کند.[1]

بازاریابی هوافضا اغلب هر موتور جدیدی را به عنوان یک جهش انقلابی در پیشرانش معرفی می‌کند. اما در واقعیت، فیزیک موشک‌های شیمیایی از دهه ۱۹۶۰ میلادی تاکنون به همان محدودیت‌های ترمودینامیکی وابسته مانده است. هر موتور پیشران مایع مدرنی بر یکی از سه معماری اساسی تکیه دارد: چرخه مولد گاز (Gas-Generator)، چرخه احتراق مرحله‌ای (Staged-Combustion)، یا چرخه انبساطی (Expander). هر کدام از این‌ها نشان‌دهنده یک بده‌بستان سخت بین ضربه ویژه (بازدهی)، حداکثر نیروی رانش و پیچیدگی مهندسی است.[2]

چرخه مولد گاز، که اغلب چرخه باز نامیده می‌شود، راه‌حل «نیروی خام» برای مشکل توربوپمپ است. بخش کوچکی از سوخت و اکسیدکننده به یک پیش‌سوز مجزا هدایت می‌شود. این مخلوط مشتعل می‌شود تا گاز پرفشاری تولید کند که توربین را می‌چرخاند، و گاز خروجی حاصل از طریق یک لوله اگزوز اختصاصی به بیرون ریخته می‌شود.[3]

از آنجا که این گاز خروجی هرگز به محفظه احتراق اصلی نمی‌رسد، پتانسیل رانش آن تا حد زیادی هدر می‌رود. این امر ضربه ویژه کلی موتور — معادل موشکی مصرف سوخت — را کاهش می‌دهد. با این حال، دور ریختن گاز خروجی، فشار توربین را نسبتاً پایین نگه می‌دارد و از بازگشت گازهای داغ و واکنش‌پذیر به انژکتور اصلی حساس جلوگیری می‌کند. موتور مرلین ۱دی (Merlin 1D) اسپیس‌ایکس که فالکون ۹ را به حرکت درمی‌آورد، از این چرخه استفاده می‌کند تا ۱۹۰,۰۰۰ پوند نیروی رانش در سطح دریا تولید کند، در حالی که طراحی بسیار قابل اعتماد و قابل تولید انبوه خود را حفظ کرده است.[3]

هنگامی که بازدهی در اولویت مطلق قرار دارد، مهندسان به سراغ چرخه احتراق مرحله‌ای می‌روند. به جای دور ریختن گاز خروجی پیش‌سوز، یک موتور با چرخه بسته، آن را مستقیماً به محفظه احتراق اصلی هدایت می‌کند تا فرآیند سوختن کامل شود. این تضمین می‌کند که هر گرم از پیشران به نیروی رانش اصلی کمک کند.[1]

جریمه مهندسی برای دستیابی به این بازدهی، سنگین است. برای مجبور کردن گاز خروجی پیش‌سوز به ورود به محفظه اصلی، خود پیش‌سوز باید با فشار فوق‌العاده بالایی کار کند. موتور اصلی شاتل فضایی (RS-25) از یک چرخه احتراق مرحله‌ای غنی از سوخت استفاده می‌کرد و به فشار محفظه ۲,۹۹۴ پی‌اس‌آی و ضربه ویژه خلاء ۴۵۲ ثانیه دست می‌یافت. کار کردن در این شرایط شدید، نیازمند متالورژی خاصی است تا از ذوب شدن پره‌های توربوپمپ توسط گازهای داغ غنی از اکسیژن یا غنی از سوخت جلوگیری شود. شرکت مهندسی Concepts NREC اشاره می‌کند: «انتخاب چرخه بر طراحی مجموعه توربوپمپ مرتبط، از طریق دیکته کردن دما و فشار گاز محرک توربین، تأثیر می‌گذارد.»[4]

چرخه انبساطی به طور کامل از پیش‌سوز صرف‌نظر می‌کند. در عوض، سوخت کرایوژنیک — معمولاً هیدروژن مایع — از طریق کانال‌های خنک‌کننده در دیواره‌های محفظه احتراق اصلی هدایت می‌شود. گرمای ناشی از احتراق اصلی، سوخت مایع را به گاز پرفشار تبدیل می‌کند (می‌جوشاند)، که سپس توربین را می‌چرخاند و پیش از تزریق به محفظه برای سوختن، به کار گرفته می‌شود.

این حلقه بسته و ظریف، بسیار کارآمد است و هیچ دوده یا آلودگی در توربین باقی نمی‌گذارد، که آن را برای راه‌اندازی‌های مجدد متعدد در خلاء فضا فوق‌العاده قابل اعتماد می‌سازد. موتور آر‌ال۱۰ (RL10) شرکت آئروجت راکت‌داین، که از سال ۱۹۶۲ بر روی مراحل بالایی سنتور (Centaur) پرواز کرده است، از چرخه انبساطی استفاده می‌کند تا به ضربه ویژه خلاء ۴۶۵ ثانیه دست یابد.[5]

محدودیت اصلی چرخه انبساطی، قانون مربع-مکعب است. با بزرگ شدن موتور، حجم محفظه احتراق (که نیروی رانش را تعیین می‌کند) سریع‌تر از مساحت سطح آن (که تعیین می‌کند چه مقدار گرما می‌تواند به سوخت منتقل شود) رشد می‌کند. در نتیجه، موتورهای چرخه انبساطی از نظر فیزیکی در حدود ۳۰۰,۰۰۰ نیوتن (۶۷,۰۰۰ پوند) نیروی رانش محدود شده‌اند و منحصراً به مراحل بالایی اختصاص می‌یابند، جایی که نیروی خام کمتر از بازدهی اهمیت دارد.

انتخاب چرخه موتور، کل معماری وسیله پرتاب را دیکته می‌کند. یک بوستر سنگین‌بردار به نیروی رانش خام مولد گاز یا بازدهی پرفشار احتراق مرحله‌ای نیاز دارد، در حالی که یک وسیله انتقال مداری به بازدهی تمیز و قابل راه‌اندازی مجدد چرخه انبساطی متکی است. عامل تعیین‌کننده هرگز این نیست که کدام چرخه ذاتاً برتر است، بلکه این است که مأموریت مورد نظر می‌تواند از عهده پرداخت کدام جریمه خاص — سوخت هدر رفته، فشار شدید، یا محدودیت‌های رانش — برآید.[2]