دورة التوسيع

دورة التمدد هي دورة طاقة لمحرك صاروخي ثنائي الوقود السائل . في هذه الدورة، يُستخدم الوقود لتبريد غرفة احتراق المحرك، حيث يكتسب حرارة ويتحول إلى الحالة الغازية. ثم يُشغل الوقود الساخن والغازي التوربين الذي يُدير بدوره مضخات الوقود والمؤكسد في المحرك قبل حقنه في غرفة الاحتراق واحتراقه.

بسبب التغير الطوري الضروري، فإن قوة الدفع في دورة التمدد محدودة بقانون التربيع والتكعيب . عند تغيير حجم فوهة على شكل جرس، تزداد مساحة سطح الفوهة المخصصة لتسخين الوقود مع مربع نصف القطر، بينما يزداد حجم الوقود المراد تسخينه مع مكعب نصف القطر. وبالتالي، عند تجاوز قوة دفع تبلغ 3000 كيلونيوتن (670,000 رطل-قوة ) تقريبًا ، لا تكفي مساحة الفوهة لتسخين كمية كافية من الوقود لتشغيل التوربينات، وبالتالي مضخات الوقود. ^{[ 1 ]} يمكن تحقيق مستويات دفع أعلى باستخدام دورة تمدد جانبية، حيث يتجاوز جزء من الوقود التوربين أو ممرات تبريد غرفة الاحتراق ويتجه مباشرةً إلى حاقن غرفة الاحتراق الرئيسية. لا تخضع محركات الاحتراق الهوائي غير الحلقية لقيود قانون التربيع والتكعيب لأن الشكل الخطي للمحرك لا يتناسب تناسبًا طرديًا مع الأبعاد: يتناسب تدفق الوقود ومساحة الفوهة تناسبًا طرديًا مع عرض المحرك. جميع محركات دورة التمدد تحتاج إلى استخدام وقود مبرد مثل الهيدروجين السائل أو الميثان السائل أو البروبان السائل الذي يصل بسهولة إلى نقطة غليانه .

قد تستخدم بعض محركات دورة التمدد مولد غاز من نوع ما لبدء تشغيل التوربين وتشغيل المحرك حتى يزداد مدخل الحرارة من غرفة الدفع وحافة الفوهة مع تراكم ضغط الغرفة.

من الأمثلة على محركات دورة التمدد محرك RL10 من شركة Aerojet Rocketdyne ومحرك Vinci الخاص بصاروخ Ariane 6. ^{[ 2 ]}

دورة تصريف غازات التمدد (المعروفة أيضًا بدورة فتح التمدد أو تصريف سائل التبريد) هي تعديل لدورة التمدد القياسية، حيث يتم توجيه جزء فقط من الوقود الساخن عبر التوربين ثم تصريفه إلى الخارج بدلاً من دخوله غرفة الاحتراق. أما الوقود المتبقي فيُحقن في غرفة الاحتراق. يُمكن لتصريف غازات عادم التوربين أن يزيد من كفاءة المضخة التوربينية عن طريق تقليل الضغط الخلفي وزيادة انخفاض الضغط عبر التوربين. بالمقارنة مع دورة التمدد القياسية، فإن المقابل هو زيادة قوة دفع المحرك على حساب الكفاءة، لأن جزءًا من الوقود يُهدر بعد مروره عبر التوربين. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

طورت شركة ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة اليابانية عدة محركات تعمل بنظام دورة التمدد. وكان محرك LE-5A أول محرك من هذا النوع يدخل الخدمة التشغيلية عندما تم استخدامه على متن صاروخ H-II عام 1994. ^{[ 5 ]} وأصبح محرك LE-9 أول محرك من هذا النوع مصمم للاستخدام في المرحلة الأولى من الصاروخ يدخل الخدمة عندما تم استخدامه لأول مرة على متن صاروخ H3 عام 2023. ^{[ 6 ]} وفي عام 2026، أصبح صاروخ H3-30 أول مركبة إطلاق يتكون نظام دفعها بالكامل من محركات تعمل بنظام دورة التمدد.

اختارت شركة بلو أوريجين دورة تفريغ الهواء من المحرك BE-3U المستخدم في المرحلة العليا من مركبة الإطلاق نيو جلين . ^{[ 7 ]}

على غرار إمكانية تنفيذ الاحتراق المرحلي بشكل منفصل على المؤكسد والوقود في دورة التدفق الكاملة ، يمكن تنفيذ دورة التمدد على مسارين منفصلين كدورة تمدد مزدوجة . إن استخدام غازات ساخنة ذات تركيب كيميائي مماثل للسائل في جانبي التوربين والمضخة في المضخات التوربينية يُغني عن الحاجة إلى عمليات التنظيف ويقلل من بعض حالات الأعطال. إضافةً إلى ذلك، عندما يكون الفرق في كثافة الوقود والمؤكسد كبيرًا، كما هو الحال في نظام الهيدروجين / الأكسجين _السائل ، تختلف سرعات المضخات التوربينية المثلى اختلافًا كبيرًا لدرجة أنها تتطلب وجود علبة تروس بين مضخات الوقود والمؤكسد. ^{[ 8 ] [ 9 ]} إن استخدام دورة التمدد المزدوجة، مع توربينات منفصلة، ​​يُغني عن هذا الجزء من المعدات المعرضة للأعطال. ^{[ 9 ]}

يمكن تطبيق دورة التمدد المزدوجة إما باستخدام أقسام منفصلة في نظام التبريد التجديدي للوقود والمؤكسد، أو باستخدام سائل واحد للتبريد ومبادل حراري لغلي السائل الثاني. في الحالة الأولى، على سبيل المثال، يمكن استخدام الوقود لتبريد غرفة الاحتراق ، والمؤكسد لتبريد الفوهة . أما في الحالة الثانية، فيمكن استخدام الوقود لتبريد المحرك بأكمله ومبادل حراري لغلي المؤكسد. ^{[ 9 ]}

تتميز دورة التمدد بعدد من المزايا مقارنة بالتصاميم الأخرى:

درجة حرارة منخفضة

بعد تحولها إلى الحالة الغازية، تكون المواد الدافعة عادةً قريبة من درجة حرارة الغرفة، ولا تُلحق ضرراً يُذكر بالتوربين، مما يسمح بإعادة استخدام المحرك. في المقابل، تعمل توربينات محركات توليد الغاز أو محركات الاحتراق المرحلي عند درجات حرارة عالية.

تسامح

أثناء تطوير محرك RL10، انتاب المهندسين قلقٌ من احتمال انفصال رغوة العزل المثبتة داخل الخزان وتسببها في تلف المحرك. ولإجراء اختبار، وضعوا رغوة سائبة في خزان وقود وشغلوا المحرك. وقد اجتاز محرك RL10 هذه العملية بنجاح دون أي مشاكل أو تدهور ملحوظ في الأداء. تُعد مولدات الغاز التقليدية، عمليًا، محركات صواريخ مصغرة، بكل ما يترتب على ذلك من تعقيد. ويمكن أن يؤدي انسداد حتى جزء صغير من مولد الغاز إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل كبير، مما قد يتسبب في توقف المحرك بشكل مفاجئ. كما أن استخدام غطاء المحرك كمولد للغاز يجعله مقاومًا جدًا لتلوث الوقود نظرًا لاتساع قنوات تدفق الوقود المستخدمة.

السلامة المتأصلة

نظرًا لأن محرك دورة التمدد من نوع الجرس محدود الدفع، فإنه يُمكن تصميمه بسهولة لتحمل أقصى ظروف الدفع. في أنواع المحركات الأخرى، قد يؤدي تعطل صمام الوقود أو مشكلة مماثلة إلى خروج دفع المحرك عن السيطرة بسبب أنظمة التغذية الراجعة غير المقصودة. تتطلب أنواع المحركات الأخرى وحدات تحكم ميكانيكية أو إلكترونية معقدة لضمان عدم حدوث ذلك. أما دورات التمدد، فهي مصممة بطبيعتها بحيث لا يمكن أن تتعطل بهذه الطريقة.

أداء فراغي أعلى

بالمقارنة مع المحركات التي تعمل بالضغط ، تتميز المحركات التي تعمل بالمضخات، وبالتالي محركات دورة التمدد، بضغوط أعلى في غرفة الاحتراق. تسمح زيادة ضغط غرفة الاحتراق بتقليل مساحة عنق الاحتراق (A_{_th)} ، مما يؤدي إلى زيادة نسبة التمدد (e = A_e _/ A_{_th)} لنفس مساحة مخرج الفوهة (A_{_e}) ، وهو ما يُحسّن في النهاية أداء الفراغ.

تشمل محركات دورة التمدد ما يلي:

• Aerojet Rocketdyne RL10 ^{[ 10 ]}
• برات آند ويتني RL60
• أريان جروب فينشي
• CADB & Pratt & Whitney RD-0146
• طائرة YF-75D الصينية
• ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة LE-5A / 5B
• ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة LE-9
• ايروجيت روكيتدين و MHI MARC-60 (MB-60)
• بلو أوريجين BE-3U و BE-7
• Avio M10
• صاروخ تجريبي للعمليات السريعة في الفضاء القريب من القمر (DRACO) بمحرك حراري نووي

• دورة توليد الغاز
• دورة فصل الاحتراق
• دورة الاحتراق المرحلية
• محرك يعمل بالضغط
• محرك يعمل بمضخة كهربائية

• دورات الطاقة الصاروخية