מנוע דלק נוזלי

מנוע דלק נוזלי (מכונה גם "מנוע הודף נוזלי") הוא מנוע הפועל על דלק ומחמצן נוזלי, ומשמש רקטות, טילים ומשגרי לוויינים וחלליות. דלק נוזלי רצוי מכיוון שצפיפותו הגבוהה יחסית לדלק מוצק מאפשרת נפח ומשקל נמוך יחסית של מכל הדלק (ללא הדלק), מה שמביא ליחס מסות (mass ratio) גבוה ולמהירות סופית גבוהה של הרקטה (שכן לפי נוסחת ציאולקובסקי המהירות הסופית של הרקטה יחסית ללוגריתם של יחס המסות).

מבנה הטיל הבליסטי V-2, ניתן לראות בבירור את מנוע הדלק הנוזלי

שרפה יעילה במנוע מחייבת הזרמה מבוקרת ומתואמת של הדלק ממכל הדלק ושל המחמצן ממכל נפרד אל תא הבעירה במנוע. ההזרמה נעשית בדרך כלל באמצעות משאבה או באמצעות מכל שלישי שבו גז דחוס. החיסרון הבולט של מנוע דלק נוזלי הוא שיש לתדלק את מכל הדלק בסמוך לפני הפעלת המנוע, בשל קורוזיה חריפה בדפנות המכל שאינה מאפשרת אחסון של כלי מתודלק. הצורך בתדלוק מגדיל את החשיפה של טילים בשדה הקרב ומקטין את שרידותם. חיסרון נוסף הוא העובדה שהנוזלים שבטיל נעים במהלך המעוף ומשנים את מרכז הכובד באופן שמשפיע לרעה על דיוק מסלול הטיסה.

שני היתרונות העיקריים של מנוע דלק נוזלי, על פני מנוע דלק מוצק, הם האפשרות לשליטה על עוצמת הדחף והאפשרות לכבות ולהדליק את המנוע באופן שמאפשר דיוק ואף שינוי של מסלול הטיסה, ויעילות אנרגטית גבוהה יותר.

אחד מהדלקים הנוזליים הנפוצים למנועי דלק נוזלי הוא קרוסין.

פרמטרים שמאפיינים מנוע דלק נוזלי

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו.

תא בעירה (combustion chamber)

תא הבעירה של הטיל V-2

תהליך הבעירה שמתרחש בתוך תא הבעירה, מתחיל בכך שהדלק הרקטי והמחמצן שנשאבו בספיקה מתאימה באמצעות משאבות הטורבו (ישנן שתי משאבות טורבו; האחת לדלק הרקטי והשנייה למחמצן) מוזרקים ישירות לתא הבעירה באמצעי הזרקה, מגיבים כימית במשך זמן קצר, ומסתיים בכך שהתוצרים של התגובה - גזים לוהטים בלחץ עצום - נפלטים החוצה במהירות דרך הנחיר הרקטי. התהליך כולו אורך משך זמן לא מבוטל, ומצריך נפח סופי של תא הבעירה. הנפח התאורטי של תא הבעירה הוא פונקציה של מספר פרמטרים: קצב זרימת המסה של חומרי הבעירה (דלק ומחמצן), הצפיפות הממוצעת של תוצרי הבעירה, ומשך הזמן הנדרש בשביל בעירה יעילה. הקשר הזה ניתן במשוואה הבאה:

$V_{C}=qVt_{s}$

כאשר q היא הספיקה המסית שמוזרמת לתא הבעירה, V הוא ההופכי לצפיפות של תוצרי הבעירה (צפיפות הגז שנוצר), ו־$t_{s}$ הוא משך הזמן שאלמנט דלק שוהה בתא הבעירה. לפעמים נוח יותר אינטואיטיבית לעבוד במונחים של האורך האופייני $L^{*}$ של תא הבעירה, שמוגדר כך:

$L^{*}={\frac {V_{c}}{A_{t}}}$

כאן $V_{c}$ הוא הנפח התאורטי של תא הבעירה ו־$A_{t}$ הוא שטח החתך המינימלי של נחיר הפליטה. מושג האורך האופייני נוח יותר קונספטואלית לשימוש מאשר המושג החמקמק יותר של "משך הבעירה של אלמנט דלק", שמבוטא בשברירי שנייה.

אמצעי ההזרקה (injector)

מנוע הרַפְּטוֹר הוא אחד ממנועי הדלק הנוזלי המתקדמים ביותר. הוא מפיק לחץ גבוה הרבה יותר מכל מנוע אחר ומתודלק במתאן בקירור על.

המזרק, כפי שניתן להבין מהשם, הוא הרכיב במנוע האחראי על הזרקת הדלק הרקטי והמחמצן לתוך תא הבעירה בפרופורציות הנכונות ובמהירות הנכונה כדי להשיג תהליך בעירה יציב ויעיל. המזרק ניתן להשוואה לקרבורטור של מנוע מכונית. סוג המזרק בו משתמשים במנוע דלק נוזלי קובע את הנצילות התאורטית של הנחיר הרקטי שיכולה להיות מושגת. מזרק בעל ביצועים לא טובים גורם לכמות גדולה של דלק רקטי שלא בער לעזוב את המנוע, ונותן לכן נצילות לא טובה. בנוסף, מזרקים הם בדרך כלל רכיבי מפתח בהפחתת העומס התרמי על הנחיר; באמצעות הגדלת כמות הדלק מסביב לשפה של תא הבעירה, ניתן להשיג טמפרטורות נמוכות בהרבה על קירות הנחיר (הדלק הרקטי שמתווסף לא בוער, שכן התערובת בתא הבעירה ממילא מכילה את הפרופורציות המדויקות של מחמצן ודלק הדרושות לתהליך בעירה).

סוגי מזרקים

מזרקים יכולים להיות פשוטים כמו מספר של חורים בקוטר קטן המסודרים בתבנית מסוימת הנבנית בקפידה, אשר דרכם הדלק והמחמצן מחלחלים לתא. מהירות הזרימה נקבעת על ידי השורש הריבועי של ירידת הלחץ משני צידי המזרק, צורת החור ופרטים אחרים כמו הצפיפות של חומר הדלק.

המזרקים בהם נעשה שימוש בדגמים הראשונים של הטיל V-2 יצרו סילונים מקבילים של דלק ומחמצן אשר בערו בתוך התא. שיטה זאת הניבה נצילות נמוכה מאוד.

מזרקים כיום באופן טיפוסי מורכבים ממספר חורים קטנים אשר מכוונים שני סילונים של דלק ומחמצן כך שהם יתנגשו בנקודה מסוימת במרחב שנמצאת במרחק קצר מהמזרק. שיטה זאת עוזרת לשבור את הזרימה ולפרק אותה לטיפות קטנות של דלק ומחמצן אשר יחדיו בוערות בקלות יותר. השבירה של שני הזרמים לטיפות קטנות מגדילה פי עשרות מונים את שטח המגע של הדלק והמחמצן (התהליך נקרא "אטומיזציה") ולכן יוצרת תערובת הומוגנית יותר של דלק ומחמצן.

קירור המנוע

ערך מורחב – קירור רגנרטיבי

מזרקים נבנים באופן טיפוסי בצורה כזאת שיוצרת שכבה עשירה בדלק בסמוך לקיר תא הבעירה. שיטה זאת מפחיתה את הטמפרטורה של דופן תא הבעירה ואפילו את דופן מורד צוואר תא הבעירה והנחיר עצמו, ומאפשרת לתא הבעירה כולו לפעול בלחץ גבוה יותר, מה שמאפשר להשתמש בנחיר עם יחס התרחבות גבוה יותר, נותן דחף סגולי גבוה יותר וביצועים כלליים טובים יותר של המנוע. לעיתים קרובות משתמשים בקירור רגנרטיבי (שהוא שיטת הקירור הנפוצה ביותר) במנועים רקטיים המשתמשים בדלק נוזלי. קירור רגנרטיבי נעזר בדלק או במחמצן כדי לקרר את תא הבעירה ואת הנחיר.

ראו גם

• מנוע דלק מוצק
• מנוע דלק היברידי
• שיטות הנעה של חללית

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מנוע דלק נוזלי בוויקישיתוף

• How to Design, Build, and Test Small Liquid-Fuel Rocket Engines, ספר מקוון באנגלית העוסק בתכנון, בנייה, ובדיקה של מנועי דלק נוזלי
• How Fuel Efficient Is An Airplane? - סרטון הסבר על ניצול הדלק של מטוסים