Thảo luận cơ sở Động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng

redflag

Moderator
Qua một thời gian dài theo dõi diễn đàn mình thấy box Công nghệ khám phá vũ trụ hiếm bài viết nên lập topic này để mọi người cùng thảo luận!
 

redflag

Moderator
Trong diễn đàn đã có một vài bài viết về tên lửa nhiên liệu lỏng nhưng mới chỉ dừng ở mức giới thiệu, phân loại, ứng dụng, nguyên lý hoạt động, chúng ta cần tìm hiểu sâu hơn.
Theo suy nghĩ của mình thì 1 phi vụ phóng tàu vũ trụ mang vệ tinh, phi thuyền không hoặc có người lái, tên lửa đẩy phải có sự gắn kết của các yếu tố sau:
1. Động cơ (Cơ khí & nhiên liệu)
2. Hệ thống điều khiển
3. Hình dạng khí động

-----------------

Topic này sẽ thảo luận phần Động cơ tên lửa. Tên lửa đẩy dùng cả 2 loại nhiên liệu nhưng ở đây đề cập vấn đề "lỏng" thôi.
Thành phần của động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng (ĐCTL) bao gồm các bộ phận chính:

- Bể nhiên liệu, có thể có bể chứa khí nén cao áp
- Buồng cháy
- Thrust Chamber và Nozzle
- Các bơm turbin, van và hệ thống đường ống nạp liệu, làm lạnh,...

 

redflag

Moderator
ĐCTL gồm các bộ phận "phần cứng" (như đã nêu trên) và nhiên liệu, với mục đích duy nhất: sinh lực đẩy.
Thiết kế hệ thống động cơ nào cũng phụ thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ, tên lửa đẩy mang tải trọng lên quỹ đạo hay tên lửa phụ trợ, hành trình bay, địa điểm, bề mặt phóng, quỹ đạo chuyển động, thời gian tồn tại ngắn nhất khi lưu trữ hay trên quỹ đạo, số lượng thiết bị lắp đặt vào động cơ, ngoài ra còn tính đến giá thành, điều kiện hoạt động - lưu trữ, nguyên tắc an toàn.
Vì những lý do đó, ĐCTL có thể gồm 1 hay nhiều buồng đốt, 1 hay nhiều bể nhiên liệu và có các cơ chế khác nhau để đưa nhiên liệu từ bể chứa xuống buồng đốt, cấu trúc truyền lực đẩy và các thiết bị điều khiển hoạt động (đây là điểm khác biệt và là ưu việt của ĐCTL nhiên liệu lỏng so với nhiên liệu rắn). Áp suất buồng đốt, cách thức làm lạnh Nozzle, sự thay đổi lực đẩy (thrust modulation), sự thay đổi vector tổng đẩy (thrust vector control - TVC), chu trình động cơ,... vì thế cũng khác nhau.



------------------

Đều sử dụng ĐCTL nhiên liệu lỏng nhưng V2 (A4) - tên lửa đạn đạo đầu tiên trên thế giới "vỏn vẹn" trước 5 động cơ F1 của Saturn V - tên lửa "đất đối trăng". Cả 2 đều là "con đẻ" của W. Von Braun !>:D<
 

redflag

Moderator
Đặc trưng của 2 loại ĐCTL nhiên liệu lỏng





Tàu con thoi Atlantis với 5 động cơ chính: 2 động cơ nhiêu liệu rắn trên tên lửa đẩy và 3 động cơ nhiên liệu lỏng đưa tàu lên quỹ đạo. 2 động cơ phụ trợ (chưa hoạt động) giúp tàu hiệu chỉnh hành trình bay kết nối ISS và quay lại bầu khí quyển.
 

redflag

Moderator
Các cao thủ đâu rồi, vào tranh luận đi chứ!!!! Không lẽ đề tài này nhàm chán đến thế sao??:(:)(:)((
 

VasilyTran

Moderator
Các cao thủ đâu rồi, vào tranh luận đi chứ!!!! Không lẽ đề tài này nhàm chán đến thế sao??:(:)(:)((
Cho mình hỏi là mấy cái tàu con thoi đó, thì khi động cơ chính là 3 cái ở sau mông tàu con thoi và nó lấy nhiên liệu từ cái bình bự màu cam ?
 

redflag

Moderator
Cho mình hỏi là mấy cái tàu con thoi đó, thì khi động cơ chính là 3 cái ở sau mông tàu con thoi và nó lấy nhiên liệu từ cái bình bự màu cam ?
Bạn nói đúng 1 phần, khi phóng tàu con thoi sử dụng 2 tên lửa đẩy nhiên liệu rắn đồng thời 3 động cơ chính trên tàu cũng hoạt động, 3 động cơ này lấy nhiên liệu từ bể chứa màu cam đó, nhiên liệu lỏng sử dụng ở đây là LOX và LH2. 2 động cơ nhiên liệu rắn sẽ tách khỏi tàu+bể chứa, con tàu và bể chứa tiếp tục bay 1 thời gian nữa, khi tàu sử dụng hết nhiên liệu lỏng thì bể chứa (rỗng) mới tách ra. Cấu tạo bể chứa như sau:



Đường ống tiếp liệu nằm phía mặt trên, phần cuối có 2 thanh gờ lên nối với tàu đó, nhìn bên ngoài sẽ như này:


Nhưng sau khi lắp ráp với trạm, tàu muốn quay về Trái đất thì sao?? Phải có nhiên liệu chứa trong tàu chứ, hình vẽ đây:


Hình vẽ trên nhìn rất rõ hệ thống Nozzle của động cơ chính và phụ

Cấu hình bay của tàu con thoi như sau:
 
Các cao thủ đâu rồi, vào tranh luận đi chứ!!!! Không lẽ đề tài này nhàm chán đến thế sao??:(:)(:)((
Đề tài rất hay, nhưng thời điểm này toàn bộ thành viên chủ chốt không còn sức để gõ phím nữa. Có lẽ sau 10/10 thì chủ đề này sẽ sôi động hơn.
Bạn redflag tổng hợp và viết thêm bài nữa nhé. Các thành viên mới cũng tích cực thảo luận vào.
 

tnt

New member
hic, em công nhận là đề tài này cực kì hay nhưng mà cũng hơi bị khó ^^. Sau zụ 10/10 đúng như anh Tuấn nói, gõ bàn phím hết nổi luôn, nằm quay lơ từ tối đó tới gần 12h sáng thứ sai mới tỉnh được.
Còn zụ động cơ tên lửa này, bác chủ xị cho em thêm tí thông tin về cái ống phụt nhé, chỗ cái ông già già trên đang đứng ấy. Theo như em biết, nó có cấu tạo là 1 parablic, nhiên liệu được phụt ra ngay tại tiêu cự của parabolic này để khi chạm vào thành của parabol thì tất cả đề có phương phản xạ song song với trục của động cơ---> ta thu được động lượng MAX---> có lợi về lực và nhiên liệu :)
 

redflag

Moderator
@TNT: "Ông già già" là W.Von Braun đó!!! Uh, bạn nói đúng, nhưng cái Nozzle này xin được tìm tài liệu rồi trả lời rõ ràng cho bạn biết sau.
----------------
Sau thời gian tiếp thu ý kiến của bác Admin, em xin tiếp tục trình bày nội dung chủ đề. "Trước khi đi vào rừng thì cần tìm hiểu bản đồ rừng" nên em đã có một vài liệt kê dưới đây giúp chúng ta phần nào hình dung được các loại Động cơ dùng cho các loại tên lửa tiêu biểu:


RP-1: Rocket Propellant-1 or Refined Petroleum-1 (Kerosene)


Từ trái qua phải: Sputnik, Vostok, Molniya, Voskhod, Soyuz (R7), N1, Buran

Em xin đưa ra câu hỏi thảo luận: Tại sao Liên Xô lại thất bại trong cuộc đua đưa người lên mặt Trăng với Mỹ, và 2 thằng Saturn V với N1 liên quan như nào trong chuyện này?
 

tnt

New member
em sẽ tham gia thảo luận với bác " cờ đỏ" trong topic này cho vui nha, em chỉ biết chút chút thôi, còn nông cạn lắm, có ji` bác đừng trách trẻ người non dạ.
Hiện tại thì thông tin là Mỹ đưa người lên mặt trăng vẫn còn đặt nhiều câu hỏi nghi vấn quá. Em thì em tin là Mỹ đã làm được nhưng có quá nhiều thông tin hiện nay làm em phải phân vân.
Còn câu hỏi của bác đưa ra thì Mỹ thắng được nhờ cuộc vận động toàn dân, toàn quân tham gia công tác vũ trụ, và muốn chiến thắng trong chiến tranh lạnh nên toàn bộ lực lượng của nó tham gia nghiên cứu về vấn đề làm sao đưa người lên mặt trăng trước Nga. Nhớ không nhầm thì có một nhân vật Việt Nam khá nối tiếng nghiên cứu ra được hằng số chuyển quỹ đạo đó là Giáo sư Nguyễn Xuân Vinh:sm (74):. Còn Nga thì mặc dù có " tuyên chiến" về chiến tranh lạnh với Mỹ nhưng hồi đó Nga vẫn đang còn " bao đồng" lo quá nhiều chuyện với lại đồng minh các nước XHCN nên việc tập trung cao cho công tác đưa người lên mặt trăng là điều khó có thế cạnh tranh với Mỹ. Sau thất bại đó, dường như nền khoa học kĩ thuật Nga về Vũ Trụ đi xuống dần và hiện nay thì chìm hẳn, chỉ phát triển thầm lặng.
Còn 2 chú tên lửa kia thì em không nắm rõ cho lắm nên không đưa ra trả lời ở đây.:D. Em sẽ tìm hiều sau.
 

redflag

Moderator
Theo 1 số nguồn tài liệu thì:

Về chính trị:
Liên Xô đã có kế hoạch đưa người lên Mặt Trăng trước khi J.F.Kenedy công bố chương trình Apollo, kế hoạch này do S.P.Korolyov khởi xướng từ cuối thập niên 1950, bằng việc thiết kế các tên lửa hạng nặng N1, N2. Theo kế hoạch, tên lửa N1 có thể đưa một tải trọng khoảng 40-50 tấn lên quỹ đạo LEO vào khoảng năm 1962-1965 và N2 với tải trọng 60-80 tấn vào khoảng 1963-1970. Tuy nhiên, chương trình N1 đã gặp vô số khó khăn:

- Tham gia vào chương trình có V.Chelomei, tổng công trình sư nổi tiếng của LX, Chelomei muốn dùng tên lửa của mình thay cho N1 nhưng tên lửa do Chelomei thiết kế là loại tên lửa đạn đạo (sau này trở thành tên lửa Proton) không phù hợp cho tên lửa vũ trụ. Tuy nhiên Chelomei có mối quan hệ thân mật với Tổng bí thư Đảng cộng sản LX lúc bấy giờ là N.Khrushchev nên năm 1961 được chỉ định đứng đầu chương trình đưa người lên Mặt Trăng của LX.
N.Khrushchev muốn có một trạm quân sự trên không gian và ưu tiên phát triển các loại tên lửa quân sự nên chương trình N1 bị đình trệ và luôn rơi vào tình trạng thiếu tiền. Khrushchev là người không quyết đoán, có lúc tuyên bố "Không có kế hoạch đưa người lên Mặt Trăng" nhưng khi Kenedy công bố kế hoạch của Mỹ thì lại đổi ý và thúc giục dự án N1. Yếu tố thời gian gấp gáp cũng là nguyên nhân dẫn đến thất bại của cả 4 lần phóng thử nghiệm N1.

- Bất đồng giữa 2 Tổng công trình sư S.P.Korolyov và V.P.Glushko, Glushko là tổng công trình sư hàng đầu về động cơ tên lửa của LX, Glushko muốn sử dụng động cơ RD-270, động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng là UDMH và N2O4 - đây là loại nhiên liệu có thể tự bắt cháy khi tiếp xúc với nhau (hypergolic). Mục đích của Glushko là làm giảm tính phức tạp của 1 động cơ loại lớn (bớt được các thành phần, vd như hệ thống đánh lửa,...) và việc thiết kế, sử dụng RD-270 cũng đã có nhiều kinh nghiệm.
Tuy nhiên nhiên liệu trên lại là loại có Isp thấp (Isp, Specific Impulse - lực đẩy sinh ra trên 1 đơn vị khối lượng nhiên liệu) và độc hại, Korolyov muốn sử dụng RP-1/LOX, là loại nhiên liệu có Isp cao và không độc hại cho tên lửa trong một nhiệm vụ mang người. Bất đồng giữa 2 người xảy ra, thêm nữa giữa 2 Tổng công trình sư này vốn đã không mấy thiện cảm với nhau từ lâu nên Glushko không hợp tác. Korolyov đã phải nhờ đến sự giúp đỡ của N.Kuznetsov, nhưng Kuznetsov có ít kinh nghiệm trong chế tạo tên lửa mà chuyên về thiết kế động cơ cho máy bay phản lực, vì các động cơ nhỏ nên ý kiến đề ra là phải tăng số động cơ các tầng. Kết quả là tầng 1 của N1 có đến 30 động cơ NK, tầng 2: 8NK, tầng 3: 4NK, tầng 4: 1NK, tầng 5: 1 RD58.

- Ngân sách ít ỏi mà chính phủ LX dành cho chương trình này cũng góp phần đưa nó đến thất bại! Trong khi tổng kinh phí chương trình Apollo của Mỹ là 25 tỷ $ (thập niên 60) thì LX chỉ chi khoảng 4.5 tỷ rúp.

- Tại LX, không có cơ quan nào có toàn quyền tự chủ giống như NASA của Mỹ. Đã có quá nhiều can thiệp vì lý do chính trị vào chương trình. Mỗi tổng công trình sư của LX để bảo vệ kế hoạch của mình, phải tìm được một quan chức cao cấp hậu thuẫn. Thêm nữa có nhiều dự án tiến hành song song với dự án thiết kế N1 (như dự án tàu Soyuz, trạm quỹ đạo) nên N1 đã không tập trung được nhiều nguồn lực.

Về kỹ thuật:
- Vì có quá nhiều động cơ ở các tầng, đặc biệt là tầng 1 (không như Saturn V chỉ có 5 động cơ F1 ở tầng 1) nên cấu tạo cụm hệ thống động cơ cho tầng 1 của N1 rất phức tạp, đặc biệt là cơ cấu đưa nhiên liệu từ bể chứa xuống từng buồng đốt của 30 động cơ. Điều đó dẫn đến khó khăn khi kích hoạt 30 động cơ cùng lúc.

- Các tên lửa của LX sau khi lắp ráp xong, đưa ra bãi phóng hầu hết bằng phương pháp đặt nằm ngang trên tàu chuyên dụng và kéo đẩy, chứ không theo phương pháp di chuyển thẳng đứng như của Mỹ (và các nước khác). Phương pháp này có ưu điểm là nhanh, đơn giản, không đòi hỏi khắt khe trong quá trình di chuyển. Nhưng nó dường như phù hợp với các tên lửa loại nhỏ như R7 hơn là N1. Những rung động trong quá trình di chuyển có thể gây ảnh hưởng tới mối liên kết các tầng, các bộ phận của động cơ và dẫn tới thất bại khi phóng...
Còn gì nữa nhỉ????:sm (71):


Một vài hình ảnh:


Sơ đồ cấu tạo các tầng của N1


30 động cơ NK của tầng 1 N1


N1 được kéo tới bãi phóng


5 động cơ F1 của Saturn V
 

redflag

Moderator
Phân loại ĐCTL nhiên liệu lỏng theo nguyên lý hoạt động, hay nói khác theo cơ chế đưa nhiên liệu từ bể chứa xuống buồng đốt, có 2 loại chính:
- Động cơ sử dụng khí nén;
- Động cơ sử dụng hệ thống bơm tua bin.

1. ĐCTL sử dụng khí nén (Pressure Fed Cycle)



Pressure Fed Cycle

Trong cấu tạo động cơ loại này, có 1 bể chứa riêng biệt chứa khí nén, thường dùng Heli, chúng có tác dụng tạo áp lực vào bể chứa nhiên liệu, chất oxy hóa (dạng lỏng) và đưa nhiên liệu, chất oxy hóa xuống buồng đốt. Để duy trì một dòng liên tục thì yêu cầu áp suất do khí nén tạo ra trong bể chứa phải lớn hơn áp suất buồng cháy.

Nguyên lý hoạt động là khi các van của bể khí nén được mở, khí sẽ đi qua các van này nhưng được khống chế bởi các thiết bị điều chỉnh (pressure regulator), điều khiển từ xa (high pressure gas valve), và các van kiểm tra (check valve) vào bể chứa nhiên liệu. Các van bể chứa mở, do áp suất khí nén tạo ra đẩy dòng nhiên liệu và chất oxy hóa qua hệ thống đường ống xuống buồng đốt, trước khi vào buồng đốt, lượng nhiên liệu và chất oxy hóa được điều chỉnh thông qua các propellant valves. Nếu nhiên liệu và chất oxy hóa là loại hypergolic, chúng sẽ tự bắt cháy khi tiếp xúc, nếu thuộc loại khác thì phải cần hệ thống đánh lửa.

Điều lưu ý ở đây là khí nén (He) khi giãn nở đoạn nhiệt sẽ hạ thấp nhiệt độ môi trường xuống rất thấp, có thể xuống tới dưới nhiệt độ đóng băng của nhiên liệu và chất oxy hóa lỏng, điều này sẽ gây tác hại tắc nghẽn đường ống của động cơ, do vậy phải khống chế nhiệt độ ban đầu của khí nén không được quá thấp!

Loại động cơ này có cấu tạo đơn giản hơn nhiều so với loại 2, nhưng nhược điểm của nó là độ tin cậy không bằng loại 2, đồng thời chỉ được thiết kế cho các động cơ công suất nhỏ, thường là trên các tàu vũ trụ với mục đích định hướng quỹ đạo bay cho việc ghép nối với trạm hay đóng vai trò là tên lửa hãm (retro rocket), vd: Các động cơ điều khiển hoạt động Reaction Control RCS và động cơ gặp gỡ trên quỹ đạo Orbital Maneuvering OMS của Module phương tiện và điều khiển; các động cơ RCS và động cơ đổ bộ, trở về của Module mặt Trăng tàu Apollo,...

2. ĐCTL sử dụng bơm tuabin (Gas Generator Cycle)

Loại động cơ này dùng 1 dòng nhỏ nhiên liệu và oxy hóa lỏng, trích ra từ đường ống, đốt cháy tạo khí cung cấp cho hoạt động của tuabin, tuabin sẽ bơm nhiên liệu từ bể chứa xuống buồng đốt.



Gas Generator Cycle

Nguyên tắc hoạt động thì theo sơ đồ trên

Loại này có ưu điểm vượt trội là công suất hoạt động của động cơ lớn, độ tin cậy cao. Nhiên liệu và chất oxy hóa sử dụng thường là loại cryogenic - nhiệt độ thấp nên nên dòng nhiên liệu lỏng còn đóng vai trò là chất làm lạnh cho Nozzle, bởi khi tên lửa phóng, nhiệt độ của Nozzle rất cao, nhiên liệu lỏng làm lạnh lớp vật liệu vỏ cho phép nó có thể hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định.


Loại động cơ này được sử dụng cho các tên lửa đẩy (Booster Rocket)
 

en_bac

Moderator
Tại sao miệng phun của tên lửa thường loe rộng ra như thế nhỉ??? Thắc mắc quá đi mất
 

DeepSpace

New member
vòi phun có cấu tạo cổ thót rồi loe rông ra do khối khí đốt cháy có vận tốc thấp khi đi qua cổ sẽ được gia tốc và đạt đến vận tốc âm thanh sau đó đi qua miệng vòi loe rông khí sẽ giảm áp và hạ nhiệt cực nhanh dẫn đến thể tích dãn nở làm vận tốc tiếp tục tăng đến siêu âm
xem ảnh

vận tốc khí thoát càng cao thì tốc độ tên lửa sẽ càng lớn, theo phương trình xiôncốpxki thì v(tl)=v(kt)ln(m0/m)
góp ý với "cờ đỏ", SP là xung lực riêng-xung lực tạo ra trên đơn vị khối lượng( đơn vị m/s) hoặc trên đơn vị trọng lượng ( đơn vị s) chứ không phải lực trên đơn vị khối lượng ( đơn vị m/s^2)
 

en_bac

Moderator
Cậu giải thích rõ hơn một chút nữa không. Tại sao khi vượt qua vận tốc âm thanh lại có hiện tượng này? Rõ ràng khi ta thu nhỏ tiết diện vòi phun thì vận tốc sẽ tăng. Và bạn cần chú ý một chút vận tốc âm thanh mà ta biết là ở nhiệt độ bao nhiêu và áp suất bao nhiêu nhé. Đây không phải là một đại lượng hằng số.
 

hanniball

Moderator
Nếu như em không nhầm thì hình như tác dụng chính của nó là biến đổi dòng khí có vận tốc nhỏ, áp suất cao thành dòng khí có vận tốc lớn, áp suất thấp.
 

redflag

Moderator
Và bạn cần chú ý một chút vận tốc âm thanh mà ta biết là ở nhiệt độ bao nhiêu và áp suất bao nhiêu nhé. Đây không phải là một đại lượng hằng số.
Đối với Nozzle de Laval thì chỉ số Mach được xét ở môi trường không khí trên mặt nước biển, nhiệt độ 20 C, khi đó Mach 1 = 343m/s.
 

redflag

Moderator
góp ý với "cờ đỏ", SP là xung lực riêng-xung lực tạo ra trên đơn vị khối lượng( đơn vị m/s) hoặc trên đơn vị trọng lượng ( đơn vị s) chứ không phải lực trên đơn vị khối lượng ( đơn vị m/s^2)
Cậu có thể giải thích rõ hơn điều này, đặc biệt là thứ nguyên của các đại lượng được không, vì theo định nghĩa Isp thì chỉ có "lực" và "khối lượng", sao ở đây chỉ thấy xuất hiện "mét" và "giây" ? Có thể dẫn chứng các công thức và cho 1 vài ví dụ thực tế về Isp được chứ ?
 

Top