วงจรขยาย

วัฏจักรขยายตัว (Expander cycle ) เป็นวัฏจักรพลังงานของ เครื่องยนต์ จรวดเหลวแบบเชื้อเพลิงสองชนิดในวัฏจักรนี้ เชื้อเพลิงจะถูกใช้ในการระบายความร้อนห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ ทำให้เชื้อเพลิงดูดซับความร้อนและเปลี่ยนสถานะ เชื้อเพลิงที่ร้อนขึ้นและอยู่ในสถานะก๊าซจะไปขับเคลื่อนกังหัน ซึ่งจะขับปั๊มเชื้อเพลิงและปั๊มออกซิไดเซอร์ของเครื่องยนต์ ก่อนที่จะถูกฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้และเผาไหม้

เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเฟสที่จำเป็น วงจรขยายตัวจึงถูกจำกัดแรงขับโดยกฎกำลังสอง-กำลังสามเมื่อหัวฉีดรูปทรงระฆังถูกปรับขนาด พื้นที่ผิวของหัวฉีดที่ใช้ในการให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิงจะเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของรัศมี แต่ปริมาตรของเชื้อเพลิงที่จะต้องให้ความร้อนจะเพิ่มขึ้นตามกำลังสามของรัศมี ดังนั้นเมื่อแรงขับเกินประมาณ 3,000 กิโลนิวตัน (670,000 ปอนด์-แรง ) จะไม่มีพื้นที่หัวฉีดเพียงพอที่จะให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิงมากพอที่จะขับเคลื่อนกังหันและปั๊มเชื้อเพลิงได้^{[ 1 ]}สามารถเพิ่มระดับแรงขับได้โดยใช้วงจรขยายตัวแบบบายพาส โดยที่เชื้อเพลิงบางส่วนจะบายพาสกังหันและ/หรือทางเดินระบายความร้อนของห้องแรงขับ และไปที่หัวฉีดห้องหลักโดยตรง เครื่องยนต์ แอโรสไปค์ ที่ไม่ใช่รูปทรงวงแหวน จะไม่ถูกจำกัดโดยกฎกำลังสอง-กำลังสาม เนื่องจากรูปทรงเชิงเส้นของเครื่องยนต์ไม่ได้ปรับขนาดแบบไอโซเมตริก: การไหลของเชื้อเพลิงและพื้นที่หัวฉีดปรับขนาดเชิงเส้นตามความกว้างของเครื่องยนต์ เครื่องยนต์แบบวงจรขยายตัวทั้งหมดจำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงแช่แข็งเช่นไฮโดรเจนเหลว มีเทนเหลวหรือโพรเพน เหลว ซึ่งสามารถถึงจุดเดือด ได้ ง่าย

เครื่องยนต์แบบวงจรขยายตัวบางประเภทอาจใช้เครื่องกำเนิดก๊าซชนิดใดชนิดหนึ่งเพื่อสตาร์ทกังหันและเดินเครื่องยนต์ต่อไปจนกว่าความร้อนที่ป้อนจากห้องขับดันและกระโปรงหัวฉีดจะเพิ่มขึ้นตามแรงดันในห้องขับดันที่เพิ่มสูงขึ้น

ตัวอย่างของเครื่องยนต์วงจรขยายตัว ได้แก่RL10จากAerojet Rocketdyneและเครื่องยนต์ VinciสำหรับAriane 6 ^{[ 2 ]}

รอบการระบายเลือดออกของเครื่องขยาย

วงจรขยายไอเสีย (หรือที่รู้จักกันในชื่อวงจรเปิดขยายและวงจรระบายสารหล่อเย็น) เป็นการดัดแปลงวงจรขยายมาตรฐาน โดยที่เชื้อเพลิงที่ถูกทำให้ร้อนเพียงบางส่วนจะถูกส่งผ่านกังหันแล้วระบายออกนอกเครื่องยนต์แทนที่จะเข้าสู่ห้องเผาไหม้ เชื้อเพลิงที่เหลือจะถูกฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้ การระบายไอเสียของกังหันสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของปั๊มเทอร์โบได้โดยการลดแรงดันย้อนกลับและเพิ่มแรงดันตกคร่อมกังหัน เมื่อเปรียบเทียบกับวงจรขยายมาตรฐาน ข้อแลกเปลี่ยนคือแรงขับของเครื่องยนต์ที่สูงขึ้นแต่ประสิทธิภาพลดลงเนื่องจากเชื้อเพลิงบางส่วนถูกทิ้งหลังจากผ่านกังหันแล้ว^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

บริษัท Mitsubishi Heavy Industriesของญี่ปุ่น ได้พัฒนาเครื่องยนต์ Expander Bleed Cycle หลายรุ่น โดยเครื่องยนต์ LE-5Aของบริษัทเป็นเครื่องยนต์ Expander Bleed Cycle รุ่นแรกที่เข้าประจำการเมื่อถูกนำไปใช้กับ จรวด H-IIในปี 1994 ^{[ 5 ]}เครื่องยนต์LE-9เป็นเครื่องยนต์ Expander Bleed Cycle รุ่นแรกที่ออกแบบมาเพื่อใช้ในขั้นแรกของจรวดและเข้าประจำการเมื่อเปิดตัวกับ จรวด H3ในปี 2023 ^{[ 6 ]}ในปี 2026 จรวด H3-30 เป็นยานปล่อยจรวดลำแรกที่ระบบขับเคลื่อนประกอบด้วยเครื่องยนต์ Expander Bleed Cycle ทั้งหมด

Blue Originเลือกใช้รอบการขยายตัวแบบระบายสำหรับ เครื่องยนต์ BE-3Uที่ใช้ในขั้นบนของยานปล่อยจรวดNew Glenn ^{[ 7 ]}

ตัวขยายคู่

ในทำนองเดียวกันกับการที่การเผาไหม้แบบเป็นขั้นๆสามารถนำไปใช้แยกกันบนสารออกซิไดเซอร์และเชื้อเพลิงในวงจรการไหลเต็มรูปแบบวงจรขยายตัวสามารถนำไปใช้บนเส้นทางที่แยกจากกันสองเส้นทางเป็นวงจรขยายตัวคู่การใช้ก๊าซร้อนที่มีองค์ประกอบทางเคมีเดียวกันกับของเหลวสำหรับด้านกังหันและปั๊มของปั๊มเทอร์โบช่วยลดความจำเป็นในการไล่ก๊าซและโหมดความล้มเหลวบางอย่าง นอกจากนี้ เมื่อความหนาแน่นของเชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์แตกต่างกันอย่างมาก เช่นใน_กรณี H2 / LOXความเร็วปั๊มเทอร์โบที่เหมาะสมจะแตกต่างกันมากจนต้องใช้เกียร์ระหว่างปั๊มเชื้อเพลิงและปั๊มสารออกซิไดเซอร์^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}การใช้วงจรขยายตัวคู่ที่มีกังหันแยกกันช่วยขจัดอุปกรณ์ที่มีแนวโน้มที่จะล้มเหลวนี้^{[ 9 ]}

วงจรขยายตัวคู่สามารถนำไปใช้ได้โดยใช้ส่วนที่แยกออกจากกันในระบบระบายความร้อนแบบสร้างใหม่สำหรับเชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์ หรือโดยใช้ของเหลวเดียวสำหรับการระบายความร้อนและใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อต้มของเหลวตัวที่สอง ในกรณีแรก ตัวอย่างเช่น คุณสามารถใช้เชื้อเพลิงเพื่อระบายความร้อนห้องเผาไหม้และใช้สารออกซิไดเซอร์เพื่อระบายความร้อนหัวฉีดในกรณีที่สอง คุณสามารถใช้เชื้อเพลิงเพื่อระบายความร้อนเครื่องยนต์ทั้งหมดและใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อต้มสารออกซิไดเซอร์^{[ 9 ]}

ข้อดี

วงจรการขยายตัวมีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับการออกแบบอื่นๆ:

อุณหภูมิต่ำ: หลังจากที่เชื้อเพลิงเปลี่ยนสถานะเป็นก๊าซแล้ว อุณหภูมิของเชื้อเพลิงมักจะอยู่ใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้อง และก่อให้เกิดความเสียหายต่อกังหันน้อยมากหรือไม่มีเลย ทำให้เครื่องยนต์สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ในทางตรงกันข้ามเครื่องยนต์แบบใช้ก๊าซหรือ เครื่องยนต์ เผาไหม้แบบหลายขั้นตอนจะทำงานที่อุณหภูมิสูง
ความอดทน: ระหว่างการพัฒนาRL10วิศวกรกังวลว่าโฟมฉนวนที่ติดตั้งอยู่ด้านในถังอาจหลุดออกและทำให้เครื่องยนต์เสียหาย พวกเขาจึงทดสอบโดยการใส่โฟมหลวมๆ ลงในถังเชื้อเพลิงและเดินเครื่องผ่านเครื่องยนต์ ปรากฏว่า RL10 สามารถใช้งานโฟมได้โดยไม่มีปัญหาหรือประสิทธิภาพลดลงอย่างเห็นได้ชัด เครื่องกำเนิดก๊าซแบบดั้งเดิมนั้นในทางปฏิบัติแล้วก็คือเครื่องยนต์จรวดขนาดเล็ก ซึ่งมีความซับซ้อนมากมาย การอุดตันแม้เพียงส่วนเล็กๆ ของเครื่องกำเนิดก๊าซก็อาจทำให้เกิดจุดร้อน ซึ่งอาจทำให้เครื่องยนต์เสียหายอย่างรุนแรง การใช้ส่วนปลายของเครื่องยนต์เป็น 'เครื่องกำเนิดก๊าซ' ยังทำให้ทนต่อการปนเปื้อนของเชื้อเพลิงได้ดีมาก เนื่องจากช่องทางการไหลของเชื้อเพลิงที่กว้างกว่า
ความปลอดภัยโดยธรรมชาติ: เนื่องจากเครื่องยนต์แบบวงจรขยายตัวรูปทรงระฆังมีแรงขับจำกัด จึงสามารถออกแบบให้ทนต่อสภาวะแรงขับสูงสุดได้ง่าย ในเครื่องยนต์ประเภทอื่น วาล์วเชื้อเพลิงที่ติดขัดหรือปัญหาที่คล้ายกันอาจทำให้แรงขับของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้นอย่างควบคุมไม่ได้เนื่องจากระบบป้อนกลับที่ไม่ได้ตั้งใจ เครื่องยนต์ประเภทอื่นจึงต้องใช้ตัวควบคุมเชิงกลหรืออิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนเพื่อให้แน่ใจว่าสิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้น แต่เครื่องยนต์แบบวงจรขยายตัวนั้นถูกออกแบบมาให้ไม่สามารถทำงานผิดพลาดในลักษณะนั้นได้
ประสิทธิภาพการดูดสุญญากาศที่สูงขึ้น: เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์แบบป้อนแรงดันเครื่องยนต์แบบป้อนด้วยปั๊ม และด้วยเหตุนี้ เครื่องยนต์แบบวงจรขยายตัว จึงมีแรงดันในห้องเผาไหม้สูงกว่า แรงดันในห้องเผาไหม้ที่เพิ่มขึ้นทำให้พื้นที่คอคอด A _th ลดลง และด้วยเหตุนี้ จึงทำให้มีอัตราส่วนการขยายตัวที่มากขึ้น e = A _e /A _{th สำหรับพื้นที่ทางออกของหัวฉีด A}_eที่เท่ากันซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่ประสิทธิภาพสุญญากาศที่สูงขึ้น

การใช้งาน

เครื่องยนต์แบบวงจรขยายตัวประกอบด้วยเครื่องยนต์ประเภทต่อไปนี้:

การเปรียบเทียบเครื่องยนต์วงจรขยายตัว

	อาร์แอล10บี-2	บี-3ยู	วินชี	วายเอฟ-75ดี	วายเอฟ-79	อาร์ดี-0146ดี	ลี-5บี	ลีอี-9
ประเทศต้นกำเนิด	สหรัฐอเมริกา	สหรัฐอเมริกา	ฝรั่งเศส	จีน	จีน	รัสเซีย	ญี่ปุ่น	ญี่ปุ่น
วงจร	ตัวขยาย	เลือดออกจากเครื่องขยาย	ตัวขยาย	ตัวขยาย	ตัวขยาย	ตัวขยาย	การรั่วไหลของตัวขยาย, ตัวขยายห้อง	เลือดออกจากเครื่องขยาย
แรงขับ, สุญญากาศ	110 กิโลนิวตัน (25,000 ปอนด์)	769 kN (173,000 lbf) ^{[ 11 ]}	180 กิโลนิวตัน (40,000 ปอนด์)	88.36 กิโลนิวตัน (19,860 ปอนด์)	250 กิโลนิวตัน (56,200 ปอนด์)	68.6 กิโลนิวตัน (15,400 ปอนด์)	137.2 กิโลนิวตัน (30,840 ปอนด์)	1471 kN (330,000 lbf) ^{[ 12 ]}
อัตราส่วนการผสม	5.88		5.8	6.0	6.0		5	5.9
อัตราส่วนหัวฉีด	280		240	80	160		110	37
ฉัน_sp , สุญญากาศ (s)	462 ^{[ 13 ]}	455 ^{[ 14 ]}	457	442.6	455.2	470	447	426
แรงดันภายในห้อง (MPa)	4.412		6.1	4.1	7.0	5.9	3.58	10.0
LH ₂ TP (รอบต่อนาที)			65,000	98,180			52,000
LOX TP (รอบต่อนาที)							18,000
ความยาว (เมตร)	4.14		4.2			3.358	2.79	3.8
น้ำหนักแห้ง (กก.)	277		280	265			285	2400