אינה זמיר

אינה זמיר

סטודנט/ית לתואר דוקטור

04-8294971

innazam@technion.ac.il

מעבדה להנעה רקטית

אלון גני
בקרה חשמלית של קצב הבעירה של הודף מוצק

אחד היתרונות הבולטים של הודף מוצק הוא פשטות השימוש בו, הודות לכך שדרושים מינימום אמצעי הכלה, קיבוע ושינוע שלו במנוע לצורך הפעלה ושימוש. מצד שני קיימים גם חסרונות, והבולטים בהם הם חוסר היכולת של בקרת קצב הבעירה, כיבוי והפעלה מחדש של ההודף בזמן אמת. בקרת קצב הבעירה אפשרית באמצעים קונבנציונליים רק בתכנון מראש של הצורה וההרכב של ההודף.

בהודפים מוצקים קיים קשר הדוק בין הדחף המתקבל לבין קצב הבעירה, ולכן יש יתרונות בולטים במציאת דרך לשלוט בקצב הבעירה.

כבר משנות ה-60 קיימות עדויות לאפשרות של שליטה בקצב הבעירה באמצעות שדות וזרמים חשמליים. מהמחקרים עולה שניתן להקטין או להגדיל את קצב הבעירה של הודף מוצק ואף ליצור כיבוי והדלקה ע"י הפעלת שדה חשמלי. יש מספר קטן של קבוצות מחקר, אשר פרסמו תוצאותיהם בנושא: Mayo et al (1964) [1] הראו בניסויים, שבעזרת הפיכת ההודף לאלקטרודה אחת והצבת אלקטרודה שנייה בקרבתה, ניתן להגביר את קצב התפשטות הלהבה על פני המשטח פי 200; Baranov et al (1976) [2] הצליחו ע"י הפעלת מתח על הודף מוצק להקטין את קצב בעירה בכ-30%; Khoruzhii et al (2007, 2008) [3],[4] בניסוייהם הציבו אלקטרודות צמודות להודף והצליחו להגדיל את קצב הבעירה עד פי 4.5; Lukin (2013) [5] ציין מפורשות את קיומה של שכבה נוזלית-צמיגה מוליכה חשמלית בבעירת הודף מוצק, בתחום הביניים בין המוצק לגז. בנוסף קיימת חברה אמריקאית מנבאדהDigital Solid State Propulsion LLC DSSP, [6], שהצליחה לייצר הודפים מיוחדים הניתנים לוויסות קצב הבעירה ואף להדלקה וכיבוי, והכל באמצעות מכשור הפועל ע"י הפעלת מתח וללא חלקים נעים. המיקרו-לוויין SpinSat, ששוגר בנובמבר 2014 מתחנת החלל הבינלאומית, מצויד במיקרו מנועים בעלי בקרה חשמלית של החברה. זו תהיה הדגמה טכנולוגית לראשונה במשימת אמת בחלל.

נראה כי בניסויים המתועדים בספרות לא ניתן למצוא מערך מוסכם, בו ניתן לחקור את התופעות השונות, והחוקרים לא הצליחו להגיע למסקנות חד משמעיות לגבי הפיזיקה והכימיה שמאחוריהן. הגורמים האפשריים שהוצעו להסבר התופעה הם: אפקט אלקטרו-כימי (חימום ג'ול), רוח יונית, היווצרות שכבת מעבר נוזלית מוליכה בין ההודף המוצק לגז או שינוי הקינטיקה של הריאקציות הכימיות.

אפיון הגורמים המשפיעים על קצב הבעירה של הודף מוצק בעת הפעלת שדה חשמלי יכול לתרום רבות לקידום ההבנה של התחום ולאפשר השתלבות במגוון של יישומים, בהם נדרשת בקרה של קצב הבעירה במנועים רקטיים. לנושא זה חשיבות רבה מאוד במנועי חלל המיועדים לשמירת מצב של חלליות. השימוש במנוע הודף מוצק לצורך זה יוכל להחליף את מנועי ההידרזין המשמשים לכך כיום וישנה מגמה להוצאתם מהשימוש בגלל הרעילות של ההידרזין.

מטרת המחקר היא לבחון את ההשפעה של שדה חשמלי על התנהגות הבעירה של הודף מוצק כדי לקבל נתונים מעשיים ולסייע בהבנת המנגנון השולט בהתנהגות זו. העבודה תהיה בעיקר ניסויית.

במסגרת המחקר יוצגו הרקע והמידע הקיים בספרות המקצועית על הנושא. חלק מהמידע סוכם בדו"ח [7]. תתוכנן מערכת ניסוי בעלת גיאומטריה נוחה לחקירה פרמטרית. יבוצעו ניסויי בעירה בהודף מוצק ללא שדה חשמלי ועם הפעלת שדה חשמלי. הודף ייעודי ייוצר במיוחד עבור המחקר ע"י קבוצה מהאוניברסיטה העברית בירושלים. בניסויים יימדדו קצבי הבעירה של ההודף כתלות במתח החשמלי שיופעל עליו בתצורה של בעירת קצה.

יצוין שנושא זה לא נחקר לפני כן בארץ, וגם בעולם הידע על הנושא חלקי בלבד. לפיכך צפויה תרומה משמעותית מהמחקר המוצע.

לצורך המחקר לא נדרשת תמיכה חיצונית ומשאבים כספיים מהפקולטה להנדסת אווירונאוטיקה וחלל בטכניון. הניסויים יערכו בטכניון, אך המחקר ממומן במלואו ע"י מפא"ת.

מקורות:

  1. 1. Mayo, P. J., Watermeier, L. A., and Weinberg, F. J., “Electrical Control of Solid Propellant Burning”, Proc R Soc A 1965 284: 488-498.
  2. 2. Baranov, A., Buldakov, V. F. and Shelukhin, G. G. , “Influence of the Electric field on the Combustion Rate of a Heterogeneous Condensed System”, Combustion, Explosion and Shock Waves, Vol. 12, No. 5, pp 618-621, Sept.–Oct. 1976.
  3. 3. Khoruzhii, I. V., Klyakin, G. F., Taranushich, V. A. and Lachin, V. I., “A study of the Electrothermal Method for Control over Combustion Velocity under Atmospheric Pressure of Energetic Condensed Systems based on Ammonium Nitrate”, Russian Journal of Applied Chemistry, Vol. 80, No. 8, pp 1295-1299, Aug. 2007.
  4. 4. Khoruzhii, I. V., Klyakin, G. F., Taranushich, V. A. and Lachin, V. I., “Electrothermal Method for Controlling the Ballistic Characteristics of Energetic Condensed Systems based on Ammonium Nitrate”, Russian Journal of Applied Chemistry, Vol. 81, No. 1, pp 61-66, Jan. 2008.
  5. 5. Lukin, N.A., “Self-Organizing of the Reactionary Zones of the Energetic Materials and Concept of the Smart Solid Micro-Propulsion System”, Proc. 5th EUCASS, Munich, Germany, July 2013.
  6. 6. Digital Solid State Propulsion LLC website www.dsspropulsion.com
  7. מיכאל פרסמן בהנחיית פרופ' אלון גני, "סקר ספרות בנושא בקרה חשמלית של קצב בעירה", הטכניון, הפקולטה להנדסת אוירונוטיקה וחלל, נובמבר 2014.