Arash Solid Fuel Engine & Its TVC System

تصویر حرارت موتور فضایی آرش و تخریب دیفیوزر مافوق صوت فلزی مارو وادار میکنه از منظر چند لایه فیزیکی و متالورژیکی بهش نگاه ویژه ای داشته باشیم:

در این موتور که نسخه های پیشرفته تر آن در موشک «فتاح» مشاهده می‌شود، گزارش وجود ورق تیتانیوم به‌عنوان پوسته خارجی کره و ثبت دمای نازل تا حدود ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد در تست استاتیک، الزام به تحلیل دقیق رفتار ماده، انتقال حرارت و سازوکارهای خرابی را تحمیل می‌کند.

دمای نامبرده فراتر از محدوده پایداری تیتانیوم در حالت خالص است و نشان می‌دهد که تیتانیوم صرفاً به‌عنوان پوسته بیرونی با فاصله حرارتی یا لایه‌های محافظ بین نازل و پوسته قرار گرفته است؛ در غیر این صورت در معرض ذوب، اکسیداسیون شتاب‌یافته و تغییرات میکروساختاری قرار می‌گرفت.

حضور حدود ۸ کیلوگرم عایق در بخش موتور نیز نشان‌دهنده تلاش برای کاهش شار حرارتی هدایتی و تابشی به پوسته است، اما نسبت جرم عایق به جرم کل و توزیع آن در نواحی با گرادیان حرارتی تند (گردن نازل، گلوگاه، و نواحی اتصال دیفیوزر) تعیین‌کننده کارایی واقعی حفاظت حرارتی است.

در سطح جریان و آیرودینامیک داخلی، دیفیوزر مافوق صوت در معرض ترکیبی از بارهای فشاری ناپایدار، شوک‌های محلی و تعامل لایه مرزی با موج‌های شوک است؛ این پدیده‌ها باعث تمرکز گرمایی و نوسانات فشار می‌شوند که در حضور فلزات با رسانایی حرارتی بالا می‌تواند منجر به نقاط داغ موضعی و تسریع خوردگی حرارتی-مکانیکی شود.

تخریب دیفیوزر فلزی معمولاً با ترکیبی از خستگی حرارتی ناشی از چرخه‌های گرمایش و سرمایش، خزش در دماهای بالا، و اکسیداسیون/واکنش‌های سطحی با اجزای اگزوز همراه است.

در جریان‌های با آنتالپی بالا، واکنش‌های شیمیایی بین گونه‌های فعال در پلاسمای شعله و سطح فلز می‌تواند لایه‌های اکسیدی شکننده یا پوسته‌های لایه‌ای ایجاد کند که به‌عنوان نقاط شروع شکست عمل می‌کنند.

از منظر انتقال حرارت، در چنین شرایطی تابش حرارتی از ناحیه نازل غالب می‌شود و سهم تابشی نسبت به هدایتی و جابجایی افزایش می‌یابد؛ بنابراین پارامترهایی مانند تابندگی سطحی (emissivity)، ضخامت و چگالی عایق، و فاصله حرارتی تا پوسته بیرونی تعیین‌کننده شار حرارتی وارد به ساختار هستند.

گرادیان‌های حرارتی شدید منجر به تنش‌های حرارتی بزرگ و در نتیجه به‌وجود آمدن ترک‌های حرارتی و جداشدگی لایه‌های عایق می‌شود که خود سیکل معکوس افزایش شار حرارتی را تسریع می‌کند. همچنین، حضور گونه‌های شیمیایی فعال در پلاسمای خروجی می‌تواند باعث کاتالیز سطحی و افزایش نرخ اکسیداسیون یا واکنش‌های بین فلز و محصولات احتراق شود که در بلندمدت خواص مکانیکی سطح را تضعیف می‌کند.

در تحلیل خرابی و ارزیابی پس از تست، ترکیب روش‌های تشخیصی اهمیت دارد.

تصویربرداری حرارتی طیفی و دوربین‌های مادون قرمز برای نقشه‌برداری توزیع دما و نرخ افزایش دما، فیلم‌برداری با فریم‌ریت بالا و شلیرن برای آشکارسازی ساختار موج‌های شوک و جداشدگی جریان، طیف‌سنجی اپتیکی برای شناسایی گونه‌های فعال در پلاسمای خروجی، و آنالیز متالورژیکی پس از تست (میکروسکوپ الکترونی، EDS، نقشه‌برداری سختی و بررسی ترک‌های بین دانه‌ای) برای تعیین مکانیزم‌های میکروساختاری خرابی، همگی اطلاعات تکمیلی حیاتی فراهم می‌آورند. تغییرات میکروساختاری مانند رشد دانه، رسوب فازهای بین‌فلزی یا تردی ناشی از اکسیداسیون می‌توانند به‌وضوح در نمونه‌های برش‌خورده و پولیش‌شده مشاهده شوند و نشان‌دهنده مسیرهای خرابی طولانی‌مدت باشند.

از منظر جرم و طراحی سیستم حفاظت حرارتی، اختصاص حدود ۸ کیلوگرم صرفاً برای عایق در بخش موتور باید در نسبت با انرژی آزادشده، زمان پالس احتراق و توزیع شار حرارتی سنجیده شود؛ جرم عایق نه تنها بار حرارتی را کاهش می‌دهد بلکه بر جرم کل مرحله و نسبت پیشران به جرم ساختار تأثیر می‌گذارد، بنابراین انتخاب ماده عایق با ظرفیت گرمایی ویژه، چگالی، هدایت حرارتی و پایداری شیمیایی مناسب، و نیز نحوه تثبیت مکانیکی آن در برابر بارهای ارتعاشی و شوک، از جنبه‌های کلیدی است. همچنین، اتصال بین لایه‌های عایق و پوسته تیتانیومی باید از منظر انتقال حرارت موضعی و جلوگیری از ایجاد پل‌های حرارتی بررسی شود، زیرا پل‌های حرارتی موضعی می‌توانند نقاط ضعف حرارتی ایجاد کنند که منجر به تمرکز تنش و شروع خرابی می‌شوند.

در نهایت، ثبت دمای نازل تا ۳۰۰۰ درجه و مشاهده تخریب دیفیوزر فلزی، الزام به بازنگری در انتخاب مواد نازل و لایه‌های محافظ، ارزیابی دقیق توزیع شار حرارتی و دینامیک موجی داخل دیفیوزر، و برنامه‌ریزی برای آزمون‌های تکرارشونده با پایش‌های میدانی و آزمایشگاهی را نشان می‌دهد؛ داده‌های تجربی از تست استاتیک باید با تحلیل‌های حرارتی-ساختاری و شبیه‌سازی‌های جریان آنتالپی بالا هم‌راستا شوند تا مکانیزم‌های خرابی تفکیک‌پذیر شوند و راهکارهای مهندسی (در قالب تغییرات مواد، هندسه یا استراتژی‌های محافظتی) بر پایه شواهد تجربی و نه صرفاً حدس و گمان اتخاذ گردند.

در محیطی که دمای نازل در تست‌های استاتیک تا چند هزار درجه گزارش شده، اولویت با موادی است که هم نقطه ذوب/تجزیه بسیار بالا داشته باشند و هم در برابر خزش، اکسیداسیون و شوک‌های حرارتی مقاوم بمانند.

خانوادهٔ UHTC (Ultra‑High‑Temperature Ceramics) مثل کاربیدهای هافنیوم و تانتالوم (HfC, TaC) و کاربیدهای زیرکونیوم (ZrC) به‌خاطر نقاط ذوب بسیار بالا و پایداری در دماهای فراتر از محدودهٔ کاربید سیلیکون، گزینه‌های مرجع برای بخش‌های رو به شعله هستند؛ این مواد به‌تنهایی شکننده‌اند، بنابراین در عمل از آن‌ها به‌صورت کامپوزیت‌های چندفازی یا پوشش‌های ضخیم روی زیرساخت‌های فلزی استفاده می‌شود تا هم مقاومت حرارتی و هم مقاومت مکانیکی تأمین شود.

کاربید سیلیکون (SiC) در بسیاری از کاربردهای دما بالا عالی است اما در محدودهٔ ۲۵۰۰–۳۰۰۰°C وارد ناپایداری و تجزیه می‌شود، بنابراین برای ناحیهٔ مستقیم تماس با شعله در دمای ۳۰۰۰°C به‌تنهایی مناسب نیست.

از منظر ساختار لایه‌ای، راهکارهای موفق ترکیبی معمولاً شامل سه مؤلفهٔ هم‌زمان‌اند:

یک لایهٔ رو به شعله از UHTC یا پوشش‌های اکسیدی مقاوم که تابش و خوردگی شیمیایی را تحمل کند.

یک لایهٔ میانی با قابلیت جذب انرژی و جلوگیری از انتقال سریع حرارت (عایق سرامیکی متراکم یا متخلخل با چگالی کنترل‌شده)

و یک زیرساخت فلزی یا کامپوزیتی با قابلیت تحمل بارهای مکانیکی و اتصال به سازه.

فلزات تیتانیومی برای پوستهٔ بیرونی خوب‌اند چون نسبت استحکام به وزن مناسب و مقاومت خوردگی دارند، اما در تماس مستقیم با دماهای چند هزار درجه نیاز به فاصلهٔ حرارتی و عایق دارند.

در مقابل، آلیاژهای پایهٔ نیکل یا سوپرآلیاژهای پایهٔ کبالت/نیکل در دماهای بالا استحکام بهتری نشان می‌دهند اما وزن و حساسیت به اکسیداسیون متفاوت است.

بنابراین انتخاب نهایی همیشه یک مصالحِ چندلایه و مهندسی اتصال بین لایه‌هاست تا از پل‌های حرارتی، جداشدگی لایه‌ای و تمرکز تنش جلوگیری شود.

در مورد عایق‌بندی، جرم ۸ کیلوگرم که ما به آن اشاره کردیم نشان‌دهندهٔ تلاش برای کاهش شار حرارتی است، اما کارخامت موضعی، چگالی، هدایت حرارتی و پایداری شیمیایی آن ماده بستگی دارد. عایق‌ها باید علاوه بر خواص حرارتی، مقاومت به خستگی ناشی از ارتعاش و شوک را نیز داشته باشند؛ تثبیت مکانیکی عایق‌ها و جلوگیری از جداشدگی در چرخه‌های حرارتی متعدد، به‌اندازهٔ خود ماده اهمیت دارد.

از منظر خوردگی و واکنش‌های شیمیایی، در خروجی موتور گونه‌های فعال (اتم‌های اکسیژن، هیدروکسیل، نیتروژن فعال و رادیکال‌ها) و تابش شدید می‌توانند لایه‌های سطحی را تخریب کنند یا لایهٔ محافظ را تبخیر کنند؛ بنابراین پوشش‌های چندلایه‌ای که یک لایهٔ تبخیرکنندهٔ کنترل‌شده یا لایهٔ بازسازی‌کنندهٔ اکسیدی (self‑healing oxide) داشته باشند، در طراحی‌های پیشرفته کاربرد دارند.

همچنین، برای کاهش اثر تابشی، افزایش تابندگی سطحی (emissivity) در لایهٔ رو به شعله و کاهش انتقال تابشی به لایه‌های داخلی از طریق هندسه و پوشش‌های بازتابنده نیز بررسی می‌شود.

در نهایت، از منظر طراحی مهندسی، ترکیب شبیه‌سازی‌های CFD با مدل‌های انتقال حرارت تابشی و آزمایش‌های مقیاس کوچک و تست‌های پالس/استاتیک تکرارشونده برای اعتبارسنجی مواد و هندسه ضروری است؛ داده‌های میدانی دما، توزیع فشار و تصاویر شلیر/فلوگرافی برای تشخیص نقاط شروع خرابی و بهینه‌سازی لایه‌ها حیاتی‌اند.

دربارهٔ کنترل بردار رانش (TVC):

کنترل بردار رانش به‌طور کلی چند رویکرد فنی دارد که هرکدام مزایا و محدودیت‌های مشخص خود را دارند. در سطح مفهومی، روش‌هایی مثل نازل متحرک (gimbaled nozzle)، نازل انعطاف‌پذیر با یاتاقان‌های انعطاف‌پذیر (flexible bearing)، تزریق ثانویهٔ گاز/مایع برای تغییر جهت جریان (secondary injection / fluidic TVC) و اجزای آیرودینامیک داخل جریان مثل جت‌ون‌ها شناخته‌شده‌اند.

انتخاب بین این روش‌ها تابعی از اندازهٔ موتور، زمان پالس، نیازهای کنترلی، محدودیت‌های جرم و قابلیت اطمینان است.

هر روش یک سری ملاحظات مواد و سازه‌ای دارد برای نازل‌های گیمبل، یاتاقان‌ها و مفاصل باید در برابر بارهای حرارتی و مکانیکی محافظت شوند و معمولاً نیاز به جداسازی حرارتی بین نازل و بدنهٔ سازه وجود دارد؛ برای روش‌های تزریق ثانویه یا fluidic، مواد باید در برابر تماس مستقیم با جریان پرفشار و گونه‌های فعال مقاوم باشند و سیستم تزریق باید از نظر کنترل و پاسخ دینامیکی طراحی شود؛ برای جت‌ون‌ها یا سطوح داخل جریان، مواد باید همزمان مقاومت مکانیکی و حرارتی داشته باشند و اثرات آیرودینامیکی و افت رانش را به حداقل برسانند. در همهٔ این رویکردها، سیستم کنترل (کنترلر، حسگرها، الگوریتم‌های فیدبک) و قابلیت اطمینان مکانیکی-الکترونیکی نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد TVC دارند.

اگر هدف افزایش قابلیت مانور و دقت است، معمولاً ترکیبی از یک نازل با لایه‌های مقاوم حرارتی در بخش‌های رو به شعله و یک مکانیزم TVC که کمترین تماس مستقیم با شعله را داشته باشد (مثلاً گیمبل با جداسازی حرارتی یا fluidic با اجزای محافظ) انتخاب می‌شود. هر انتخاب نیازمند تحلیل‌های سازه‌ای، حرارتی و کنترلی دقیق و آزمایش‌های تکرارشونده است.

کنترل بردار رانش (TVC) به‌معنای تغییر جهت بردار نیروی رانش برای ایجاد گشتاورهای کنترلی روی وسیلهٔ پروازی است.

در سامانه‌های راکتی که در ارتفاعات بالا و فضای بیرون جو، سطوح آیرودینامیک کارایی ندارند یا کارایی لازم را ندارند، TVC نقش اصلی در کنترل جهت و مانور را بر عهده دارد و طراحی آن باید هم‌زمان الزامات کنترلی، سازه‌ای، حرارتی و قابلیت اطمینان را برآورده کند.

نازل گیمبل‌شونده (Gimbaled Nozzle):

در این رویکرد کل مجموعهٔ نازل یا موتور حول یک یا چند محور مفصلی می‌چرخد تا بردار رانش را تغییر دهد. مزیت اصلی سادگی مفهومی و حفظ جریان خروجی بدون وارد کردن اجسام به داخل جت است؛ اما چالش‌ها شامل طراحی مفاصل و یاتاقان‌هایی است که باید بارهای محوری و برشی بزرگ را در حضور دماهای بالا و ارتعاشات تحمل کنند، و همچنین جداسازی حرارتی بین نازل و بدنهٔ سازه تا از انتقال حرارت مضر جلوگیری شود. از منظر دینامیکی، گیمبل بزرگ باعث ایجاد لنگرهای ساختاری و تغییر در توزیع فشار‌های محوری می‌شود که باید در تحلیل‌های سازه‌ای و کنترل در نظر گرفته شود؛ سیستم محرک (هیدرولیک، الکتریکی یا پنیوماتیک) باید پاسخ دینامیکی سریع، دقت موقعیت‌گیری و قابلیت تحمل بارهای ضربه‌ای را داشته باشد.

وقتی از «مفاصل و یاتاقان‌ها» در سیستم گیمبل نازل یا هر مکانیزم TVC حرف می‌زنیم، در عمل با سه خانوادهٔ راه‌حل و مجموعه‌ای از ملاحظات مهندسی روبه‌رو هستیم

مفاصل انعطاف‌پذیر (flexure pivots)، یاتاقان‌های غلتشی/سوزنی/توپی (rolling‑element bearings) و راهکارهای ویژه مثل یاتاقان‌های هیدرواستاتیک/مغناطیسی یا ترکیب‌های مهندسی برای محیط‌های دما و بار بالا.

هر کدام مزایا و محدودیت‌های مشخصی دارند و انتخاب بین آن‌ها تابعی از بارهای استاتیکی و دینامیکی، دما، نیاز به دقت، عمر سرویس و قابلیت نگهداری است.

مفاصل انعطاف‌پذیر یا flexure pivot در طراحی‌های مدرن گیمبل به‌خاطر حذف تماس لغزشی و در نتیجه تقریباً صفر شدن نیاز به روانکاری و سایش، جذاب‌اند؛ این مفاصل با برش و خم کنترل‌شدهٔ یک المان الاستیک، حرکت دورانی محدود و دقیق فراهم می‌کنند.

مزیت عملیاتی آن‌ها این است که پیچیدگی مکانیکی و نیاز به آب‌بندی در محیط‌های داغ را کاهش می‌دهند و رفتار دینامیکی خطی‌تری نسبت به یاتاقان‌های غلتشی نشان می‌دهند، اما محدودیت اصلی‌شان در دامنه حرکت محدود و حساسیت به خستگی ماده است؛ طراحی موفق نیازمند تحلیل تنش‌های چرخه‌ای، انتخاب هندسهٔ مناسب برای افزایش سختی جانبی و کاهش تمرکز تنش، و آزمایش‌های خستگی برای اطمینان از عمر مفید است.

یاتاقان‌های غلتشی (توپی، مخروطی، سوزنی) در گیمبل‌های بزرگ‌تر هنوز رایج‌اند چون می‌توانند بارهای محوری و شعاعی بزرگ را منتقل کنند و دامنهٔ حرکت بیشتری فراهم آورند؛ برای مثال در برخی توسعه‌ها از یاتاقان‌های سوزنی تک‌ردیفه با طراحی ویژه و نصب پرس‌خورده استفاده شده تا بارهای بالا و عدم‌هم‌محوری را تحمل کنند. اما این یاتاقان‌ها نیازمند روانکاری، آب‌بندی و مدیریت اصطکاک‌اند و اصطکاک گیمبل می‌تواند رفتار کنترلی را تحت تأثیر قرار دهد.

تجربهٔ SLS نشان داد که اصطکاک یاتاقان‌ها می‌تواند فرکانس‌های دینامیکی و پاسخ کنترلی را تغییر دهد و باید در طراحی کنترل و انتخاب یاتاقان لحاظ شود. بنابراین در طراحی یاتاقان غلتشی برای نازل، باید به انتخاب نوع (توپی برای سرعت و دقت، مخروطی برای ترکیب بار محوری/شعاعی، سوزنی برای فضای محدود و بار بالا)، روش پیش‌بارگذاری، و روش نصب توجه ویژه شود.

در محیط‌های دمایی بالا و حضور شار حرارتی، دو چالش اصلی پیش می‌آید:

پایداری روانکاری و آب‌بندی و انتقال حرارت به اجزای حساس.

روانکارهای معمولی در دماهای بالا تجزیه می‌شوند؛ راهکارهای مهندسی شامل استفاده از روانکارهای جامد (گرافیت، MoS₂) در نواحی با دما متوسط، یا طراحی جداسازی حرارتی (Thermal Isolation) بین نازل و بلوک گیمبل است. در برخی طراحی‌ها، یاتاقان‌ها در یک محفظهٔ خنک‌شده یا با جریان خنک‌کنندهٔ جداگانه قرار می‌گیرند تا دمای کاری آن‌ها در محدودهٔ قابل‌قبول نگه داشته شود؛ این کار مستلزم مسیرهای عبور سیال، آب‌بندی‌های فشار بالا و تحلیل انتقال حرارت است تا از ایجاد پل‌های حرارتی جلوگیری شود. همچنین، پیش‌بارگذاری (preload) یاتاقان باید طوری انتخاب شود که هم از بازی مکانیکی جلوگیری کند و هم اصطکاک اضافی و گرمایش موضعی را به حداقل برساند .

این یک توازن طراحی حساس است که روی دقت کنترل و عمر یاتاقان اثر مستقیم دارد.

بحث اصطکاک و رفتار کنترلی:

اصطکاک یاتاقان‌ها نه‌تنها باعث افت رانش و افزایش مصرف انرژی محرک می‌شود، بلکه می‌تواند باعث «هیسترزیس» در حلقهٔ کنترلی و ایجاد نوسانات یا تغییر در پاسخ فرکانسی گردد. مطالعات مهندسی نشان داده‌اند که حتی وقتی اصطکاک نسبتاً کوچک است، در سیستم‌های با گشتاورهای بزرگ و پاسخ کنترلی سریع (مثل گیمبل نازل) اثرات آن باید در مدل کنترل (مثلاً به‌صورت غیرخطی یا با مدل اصطکاک استاتیک/سایق) لحاظ شود تا از overshoot یا limit cycling جلوگیری شود.

برای مواد و پوشش‌های یاتاقان و مفاصل در محیط‌های راکتی , معمولاً از سوپرآلیاژهای پایه نیکل یا آلیاژهای تیتانیوم برای بلوک‌های گیمبل و قطعات باربر استفاده می‌شود، و سطوح تماس یاتاقان ممکن است با پوشش‌های مقاوم به سایش یا لایه‌های سخت (carbide coatings, nitriding, PVD/CVD coatings) محافظت شوند. در مواردی که امکان دارد یاتاقان در معرض دمای بسیار بالا قرار گیرد، طراحان یاتاقان را در محفظه‌ای با عایق یا جریان خنک‌کننده قرار می‌دهند یا از مفاصل انعطاف‌پذیر استفاده می‌کنند تا از نیاز به روانکاری در دماهای غیرقابل‌پذیر جلوگیری شود.

نگهداری، تست و اعتبارسنجی:

یاتاقان‌ها و مفاصل باید تحت آزمون‌های چرخه‌ای با بارهای واقعی و دماهای شبیه‌سازی‌شده قرار گیرند؛ آزمون‌های اصطکاک و اندازه‌گیری تغییرات فرکانسی سیستم گیمبل در طول عمر، و تست‌های خستگی مفصل (برای flexure) یا رولینگ (برای یاتاقان‌های غلتشی) از ضروریات است.

علاوه بر این، پایش سلامت در پرواز (sensing) شامل اندازه‌گیری گشتاور محرک، جریان و دما در ناحیه یاتاقان و سنسورهای موقعیت دقیق است تا هرگونه افزایش غیرمنتظرهٔ اصطکاک یا تغییر در پیش‌بارگذاری سریعاً تشخیص داده شود و در کنترل جبران گردد.

در عمل مهندسی، راه‌حل‌های ترکیبی معمول‌اند;

برای مثال یک بلوک گیمبل با یاتاقان‌های غلتشی برای تحمل بارهای بزرگ و یک مجموعهٔ Flexure محلی برای دقت نهایی و حذف Backlash؛ یا استفاده از یاتاقان‌های غلتشی با محفظهٔ خنک‌شده و پوشش‌های مقاوم به سایش تا هم عمر و هم دقت تأمین شود. انتخاب نهایی همیشه نتیجهٔ تحلیل‌های FEA برای توزیع تنش و تغییرشکل، تحلیل‌های حرارتی برای توزیع دما و طراحی مسیرهای خنک‌کننده، و شبیه‌سازی‌های کنترل برای تضمین پایداری حلقهٔ کنترلی است.

اجسام داخل جت و پره‌های جت (Jet Vanes, Jet Flaps, Jet-Elevators):

این روش شامل وارد کردن یک یا چند جسم مقاوم در برابر حرارت به داخل جریان خروجی برای منحرف کردن آن است. مزیت این روش، سادگی مکانیکی و امکان استفاده در موتورهای سوخت جامد است که امکان گیمبل کردن کل موتور را ندارند؛ اما.......

معایب فنی جدی دارد:

قرار گرفتن جسم جامد در جریان مافوق صوت باعث ایجاد تلفات رانش قابل‌توجه، فرسایش سطحی شدید به‌دلیل اکسیداسیون و خوردگی شیمیایی، و تولید نوسانات فشار و شوک‌های محلی می‌شود.

طراحی این اجسام نیازمند انتخاب مواد با پایداری شیمیایی و حرارتی بالا، هندسه‌ای که توزیع فشار را کنترل کند، و راهکارهای خنک‌کاری یا تعویض سریع است.

تاریخچهٔ استفادهٔ موفق از این روش در موشک‌های اولیه نشان می‌دهد که برای موتورهای بزرگ و پالس‌های طولانی، هزینهٔ رانشی و استهلاک سطحی معمولاً غیرقابل‌قبول می‌شود.

جت‌وین (Jet Vane) در عمل یک سطح کنترل آیرودینامیک است که مستقیماً در جریان خروجی نازل قرار می‌گیرد تا بردار رانش را منحرف کند؛ این کار با ایجاد تغییر در توزیع سرعت و فشار در خروجی انجام می‌شود و به‌همین‌دلیل طراحی هندسی، زاویهٔ انحراف و محل قرارگیری وین تعیین‌کنندهٔ کارایی و هزینهٔ رانشی آن است.

در تحلیل‌های عددی و تجربی برای سیستم‌های TVC مبتنی بر وین، دو پارامتر کلیدی که معمولاً گزارش و مقایسه می‌شوند «نسبت نیروی رانش منحرف‌شده» (Thrust Force Ratio) و «نسبت نیروی محوری» (Axial Force Ratio) هستند که هم کارایی کنترل و هم افت رانش را کمّی می‌کنند.

این معیارها در مطالعات شبیه‌سازی و بهینه‌سازی برای تعیین هندسهٔ وین و محدودهٔ زاویهٔ عملیاتی به‌کار می‌روند.

زاویهٔ انحراف وین معمولاً در بازهٔ صفر تا حدود ۲۰–۳۰ درجه بررسی می‌شود؛ در بازه‌های کوچک (مثلاً زیر 5–10 درجه) منحرف‌سازی جریان تقریباً خطی با زاویه است و افت رانش نسبتاً کم است، اما با افزایش زاویه به‌سمت 20–30 درجه، اثرات غیرخطی ناشی از جداشدگی جریان، تشکیل موج‌های شوک و بازتوزیع فشار باعث افزایش سریع افت رانش و تولید نیروهای محوری نامطلوب می‌شود.

در شبیه‌سازی‌های CFD و آزمایش‌های تونل/استند، محدودهٔ 0–30 درجه به‌عنوان بازهٔ مرجع برای بررسی عملکرد وین‌ها و استخراج مدل‌های ریاضی غیرخطی استفاده شده است در عمل طراحان معمولاً برای حفظ نسبت رانش/کنترل، زاویهٔ عملیاتی را محدود می‌کنند و از ترکیب چند وین با انحراف‌های کوچک‌تر یا از ورنیرهای کمکی برای اصلاحات بزرگ‌تر بهره می‌برند.

از منظر آیرودینامیکی و سازه‌ای، وین‌ها در معرض ترکیبی از فشار استاتیک بالا، فشارهای ضربه‌ای ناشی از شوک‌ها و بارهای حرارتی شدید قرار دارند؛ این ترکیب باعث می‌شود که شکل مقطع وین (مثل پروفیل‌های نازک-بلند یا مقاطع الماسی) و محل لبهٔ حمله نسبت به محور نازل به‌دقت انتخاب شوند تا هم مؤلفهٔ جانبی نیروی مؤثر را افزایش دهند و هم نقاط تمرکز تنش و نوسانات فشار را کاهش دهند.

هندسهٔ لبه‌ها و شعاع‌های اتصال به بدنه باید طوری طراحی شود که از ایجاد جداشدگی زودرس جلوگیری کند، چون جداشدگی موضعی نه‌تنها رانش را کاهش می‌دهد بلکه عمر سطحی وین را به‌واسطهٔ فرسایش و خستگی حرارتی به‌شدت کم می‌کند.

محاسبهٔ گشتاور و نیروی مورد نیاز برای حرکت وین، ترکیبی از مؤلفه‌های هیدرودینامیک و اصطکاک مکانیکی است؛ ممان هیدرودینامیک را می‌توان با انتگرال‌گیری فشار بر سطح وین به‌دست آورد، اما در عمل برای طراحی محرک و یاتاقان باید اثرات غیرخطی جریان فشرده، تغییرات چگالی و شوک‌های محلی را نیز وارد مدل کرد. این باعث می‌شود که انتخاب محرک (الکتروهیدرولیک، الکتریکی با گیربکس، یا پنیوماتیک) و طراحی گیربکس/پیچ‌گام‌دار بر اساس بیشینه گشتاور در بدترین حالت (زاویهٔ بیشینه، فشار محفظهٔ بالا، و وجود شوک) انجام شود؛ همچنین باید ضریب ایمنی برای افت رانش و افزایش گشتاور در اثر رسوب یا فرسایش سطحی لحاظ شود تا کنترل در شرایط میدان واقعی پایدار بماند.

مواد و حفاظت حرارتی وین‌ها یک چالش عملیاتی بزرگ است:

وین‌هایی که در جریان مستقیم شعله قرار می‌گیرند باید هم مقاومت مکانیکی در برابر بارهای ضربه‌ای و خستگی حرارتی داشته باشند و هم مقاومت شیمیایی در برابر گونه‌های فعال پلاسما و اکسیداسیون.

راهکارهای مرسوم شامل استفاده از زیرساخت‌های فلزی مقاوم (سوپرآلیاژهای پایه نیکل یا آلیاژهای تیتانیوم) با پوشش‌های UHTC یا پوشش‌های سرامیکی مقاوم به اکسیداسیون، یا استفاده از مواد کامپوزیتی با لایهٔ سطحی قابل تعویض است. در عمل، عمر سرویس وین به نرخ فرسایش سطحی و پایداری پوشش وابسته است و برای موتورهای با پالس طولانی یا دمای نازل بالا، استراتژی‌های تعویض سریع یا طراحی ماژولار وین مرسوم است تا نگهداری میدانی ممکن شود.

رفتار دینامیکی و کنترل حلقهٔ بسته وقتی وین‌ها فعال می‌شوند پیچیده می‌شود تاخیرهای محرک، غیرخطی بودن ممان‌های هیدرودینامیک با زاویه، و تغییرات رانش باعث می‌شوند که مدل کنترلی خطی ساده کافی نباشد. در عمل از مدل‌های غیرخطی یا خطی‌شده حول نقاط کاری، کنترل‌های پیش‌بینی‌کننده (MPC) یا کنترل‌های مقاوم با جبران‌سازهای اصطکاک و تاخیر استفاده می‌شود تا از نوسانات و limit‑cycle جلوگیری شود؛ همچنین فیدبک‌های شتاب‌سنج/ژیروسکوپ و حسگرهای موقعیت دقیق و مانیتورینگ گشتاور محرک برای تشخیص افزایش اصطکاک یا گیرکردن وین ضروری است تا در صورت بروز خطا، سیستم به‌سرعت به حالت ایمن برود.

در نهایت، طراحی و بهینه‌سازی وین‌ها بدون ترکیب CFD سه‌بعدی با مدل‌های انتقال حرارت و آزمایش‌های مقیاس واقعی ناقص خواهد بود. شبیه‌سازی‌های عددی باید شامل حل معادلات تراکم‌پذیر، مدل‌های آشفتگی مناسب، و در صورت نیاز مدل‌های واکنش شیمیایی/پلاسما باشند تا توزیع فشار، تشکیل شوک و الگوهای جداشدگی به‌درستی پیش‌بینی شوند؛ داده‌های آزمایشی (استند شش‌محوره، تصویربرداری شلیر، اندازه‌گیری توزیع دما و نرخ فرسایش) برای اعتبارسنجی این مدل‌ها حیاتی‌اند و معمولاً بازهٔ زاویه‌ای 0–30 درجه برای ایجاد دیتابیس عملکرد و استخراج روابط تجربی غیرخطی انتخاب می‌شود.

تزریق ثانویه و TVC سیالیک (Secondary Gas Injection / Fluidic Thrust Vectoring):

در این خانواده، جهت جریان خروجی با تزریق یک جریان ثانویه (گاز یا مایع) در بخش جانبی یا درون بخش واگرا تغییر می‌کند؛ این تزریق می‌تواند جریان اصلی را منحرف کند بدون نیاز به قطعات مکانیکی در معرض شعله.

مزیت بزرگ این روش حذف مفاصل مکانیکی در معرض دما و کاهش جرم مکانیزم است، و پاسخ دینامیکی می‌تواند بسیار سریع باشد؛ اما پیاده‌سازی فنی پیچیده است

نیاز به منبع ثانویهٔ گاز یا شیرها و لوله‌کشی با قابلیت کار در شرایط پر فشار، طراحی دقیق نازل و منافذ تزریق برای دستیابی به ضریب منحرف‌کنندگی بالا و حداقل افت رانش، و کنترل حلقهٔ بستهٔ دقیق برای جلوگیری از ناپایداری‌های آیرودینامیک. در عمل، fluidic TVC در موتورهای جت و برخی نمونه‌های راکتی آزمایشی به‌عنوان راهکاری با قابلیت اطمینان بالا و نگهداری کم مورد بررسی قرار گرفته است، اما برای موتورهای با آنتالپی بسیار بالا و حضور گونه‌های فعال شیمیایی، چالش‌های خوردگی و انسداد منافذ تزریق باید حل شوند.

ورنیرها، چندمحفظه‌ای و کنترل با اختلاف توان (Vernier, Multiple Chambers, Differential Throttling):

برای دستیابی به گشتاورهای کنترلی دقیق، رویکردی که در بسیاری از سیستم‌ها استفاده می‌شود، افزودن محفظه‌های رانش کوچک (ورنیر) یا استفاده از چند نازل/موتور با کنترل توان تفاضلی است.

این روش امکان کنترل دقیق و افزونگی را فراهم می‌کند و می‌تواند بارهای کنترلی را بدون وارد کردن تغییرات مکانیکی بزرگ به نازل اصلی تأمین کند. طراحی این سیستم‌ها مستلزم تحلیل‌های پیچیدهٔ توزیع نیروی کل، هم‌پوشانی بردارها، و مدیریت پیشران و سیستم‌های تغذیه است؛ همچنین باید اثرات تداخل جریان بین محفظه‌ها و نازل‌ها، و پاسخ دینامیکی سیستم تغذیه (پمپ‌ها، شیرها) را در حلقهٔ کنترل لحاظ کرد تا از نوسانات ناخواسته یا قفل کنترلی جلوگیری شود.

ملاحظات کنترلی، دینامیکی و مواد برای پیاده‌سازی TVC

صرفِ انتخاب مکانیزم TVC کافی نیست؛ باید یک زنجیرهٔ کامل شامل حسگرهای شتاب/زاویه، کنترلرهای با تاخیر کم و الگوریتم‌های پیش‌بینی‌کننده، محرک‌های با گشتاور و سرعت مناسب، و طراحی سازه‌ای که بارهای دینامیکی را منتقل کند، طراحی شود. از منظر مواد، هر مکانیزم‌ای که در تماس با جریان خروجی یا در نزدیکی نازل قرار می‌گیرد باید در برابر دماهای بالا، خزش، اکسیداسیون و ضربهٔ حرارتی مقاوم باشد؛ برای اجزای مکانیکی مفصلی، استفاده از سوپرآلیاژهای پایه نیکل یا آلیاژهای تیتانیوم با پوشش‌های حرارتی و عایق‌گذاری موضعی مرسوم است، در حالی که برای اجسام درون جت یامنافذ تزریق، ترکیب پوشش‌های UHTC و طراحی قابل تعویض یا بازسازی سطحی (self‑healing coatings) می‌تواند عمر سرویس را افزایش دهد.

انتخاب راهکار و ملاحظات مهندسی:

انتخاب بین گیمبل، vanes، fluidic، ورنیر یا ترکیبی از آن‌ها تابعی از پارامترهای کلیدی است.

اندازه و توان موتور، زمان پالس و پروفایل مأموریت، محدودیت جرم و حجم، نیاز به دقت و پاسخ‌دهی، قابلیت اطمینان و نگهداری، و حساسیت به افت رانش.

در عمل، سیستم‌های موفق اغلب از ترکیب‌ها استفاده می‌کنند: برای نمونه گیمبل برای کنترل‌های بزرگ و ورنیر برای اصلاحات دقیق، یا fluidic برای پاسخ سریع در کنار یک نازل گیمبل برای دامنهٔ وسیع‌تر مانور؛ هر انتخاب باید با شبیه‌سازی‌های CFD و FEA، تست‌های پالس و استاتیک، و ارزیابی‌های دوام مواد و اجزا اعتبارسنجی شود تا عملکرد واقعی در شرایط آنتالپی بالا تضمین گردد.

#AMIRZ

#ArshiaBHR

#تخصصی #اختصاصی

✈️AEROSPACE🚀