चरणबद्ध दहन चक्र

चरणबद्ध दहन चक्र (कभी-कभी टॉपिंग चक्र, प्रीबर्नर चक्र, या बंद चक्र के रूप में जाना जाता है) एक तरल-प्रणोदक रॉकेट बाइप्रोपेलेंट रॉकेट, रॉकेट इंजन का इंजन चक्र है। चरणबद्ध दहन चक्र में, प्रणोदक कई रॉकेट इंजन दहन कक्ष के माध्यम से बहता है, और इस प्रकार चरणों में दहन होता है। अन्य रॉकेट इंजन शक्ति चक्रों के सापेक्ष मुख्य लाभ उच्च ईंधन दक्षता है, जिसे विशिष्ट आवेग के माध्यम से मापा जाता है, जबकि इसका मुख्य नुकसान विश्वसनीयता इंजीनियरिंग है।

सामान्यतयः, प्रणोदक दो प्रकार के दहन कक्षों से होकर बहता है; पहले को प्रीबर्नर कहा जाता है और दूसरे को मुख्य दहन कक्ष कहा जाता है। प्रीबर्नर में, प्रणोदक का एक छोटा सा हिस्सा, सामान्यतयः ईंधन से भरपूर होता है, आंशिक रूप से दहन होता है, और बढ़ती मात्रा के प्रवाह का उपयोग टर्बोपम्पों को चलाने के लिए किया जाता है जो इंजन को प्रणोदक के साथ मिलाते हैं। फिर गैस को मुख्य दहन कक्ष में इंजेक्ट किया जाता है और रॉकेट भौतिकी का उत्पादन करने के लिए अन्य प्रणोदक के साथ पूरी तरह से दहन किया जाता है।

समझौता
मुख्य दहन कक्ष में बहने वाले सभी प्रणोदक के कारण मुख्य लाभ ईंधन दक्षता है, जो उच्च जोर के लिए भी अनुमति देता है। चरणबद्ध दहन चक्र को कभी-कभी बंद चक्र के रूप में संदर्भित किया जाता है, जैसा कि गैस-जनरेटर चक्र | गैस जनरेटर, या खुले चक्र के विपरीत होता है जहां प्रणोदक का एक हिस्सा कभी भी मुख्य दहन कक्ष तक नहीं पहुंचता है। यह नुकसान इंजीनियरिंग जटिलता है, आंशिक रूप से गर्म और अत्यधिक दबाव वाली गैस के प्रीबर्नर निकास का परिणाम है, जो विशेष रूप से ऑक्सीडाइज़र युक्त होने पर, टर्बाइन और प्लंबिंग के लिए बेहद कठोर स्थिति पैदा करता है।

इतिहास
चरणबद्ध दहन (Замкнутая схема) पहली बार 1949 में एलेक्सी मिखाइलोविच इसेव द्वारा प्रस्तावित किया गया था। पहला मंचित दहन इंजन S1.5400 (11D33) था जिसका उपयोग सोवियत ग्रहीय रॉकेट में किया गया था, जिसे इसेव के पूर्व सहायक मेलनिकोव द्वारा डिजाइन किया गया था।। लगभग उसी समय (1959), निकोलाई दिमित्रिच कुज़नेत्सोव ने कोरोलेव के कक्षीय आईसीबीएम, जीआर-1 के लिए बंद चक्र इंजन एनके-9 पर काम शुरू किया। कुज़नेत्सोव ने बाद में उस डिजाइन को असफल लूनर N1 ने धूम मचाई के लिए एनके-15 और एन.के.-33 इंजन में विकसित किया। गैर-क्रायोजेनिक डाइनाइट्रोजन टेट्रोक्साइड|एन2O4/असंतुलित डाइमिथाइलहाइड्राज़ीन इंजन RD-253 चरणबद्ध दहन का उपयोग करते हुए वैलेंटाइन ग्लुशको सर्का 1963 द्वारा प्रोटॉन रॉकेट के लिए विकसित किया गया था।

N1 (रॉकेट) के परित्याग के बाद, कुज़नेत्सोव को NK-33 तकनीक को नष्ट करने का आदेश दिया गया था, लेकिन इसके बजाय उन्होंने दर्जनों इंजनों को गोदाम में रखा। 1990 के दशक में, Aerojet से संपर्क किया गया और अंततः कुज़नेत्सोव के संयंत्र का दौरा किया। उच्च विशिष्ट आवेग और अन्य विशिष्टताओं के बारे में प्रारंभिक संदेह को पूरा करने पर, कुज़नेत्सोव ने परीक्षण के लिए एक इंजन को अमेरिका भेज दिया। ऑक्सीडाइज़र युक्त चरणबद्ध दहन पर अमेरिकी इंजीनियरों द्वारा विचार किया गया था, लेकिन संसाधनों के कारण उन्हें एक व्यवहार्य दिशा नहीं माना गया था क्योंकि उन्होंने माना था कि डिजाइन को काम करने की आवश्यकता होगी।

लॉकहीड मार्टिन ने एटलस III रॉकेट और बाद में एटलस वी रॉकेट के लिए RD-180 खरीदना शुरू किया। खरीद अनुबंध को बाद में 2006 के बाद यूनाइटेड लॉन्च एलायंस (यूएलए-बोइंग/लॉकहीड-मार्टिन संयुक्त उद्यम) द्वारा ले लिया गया था, और यूएलए ने 2022 तक एटलस वी को आरडी -180 इंजन के साथ उड़ाना जारी रखा।

पश्चिम में पहला प्रयोगशाला मंचन-दहन परीक्षण इंजन जर्मनी में 1963 में लुडविग बोएल्को द्वारा बनाया गया था। 1950 के ब्रिटिश गामा (रॉकेट इंजन) जैसे हाइड्रोजन पेरोक्साइड/मिट्टी के तेल से चलने वाले इंजन उचित दहन कक्ष में मिट्टी के तेल के साथ दहन से पहले टर्बाइनों को चलाने के लिए पेरोक्साइड को उत्प्रेरक रूप से विघटित करके एक बंद-चक्र प्रक्रिया का उपयोग कर सकते हैं। यह प्रमुख इंजीनियरिंग समस्याओं से बचते हुए, चरणबद्ध दहन के दक्षता लाभ देता है।

RS-25 स्पेस शटल मुख्य इंजन चरणबद्ध दहन इंजन का एक और उदाहरण है, और तरल ऑक्सीजन और तरल हाइड्रोजन का उपयोग करने वाला पहला है। सोवियत शटल में इसका समकक्ष RD-0120 था, जो RS-25 के विशिष्ट आवेग, जोर और कक्ष दबाव विनिर्देश के समान था, लेकिन कुछ अंतरों के साथ जो इंजन के वजन में वृद्धि की कीमत पर जटिलता और लागत को कम करता था।

वेरिएंट
चरणबद्ध दहन चक्र के कई रूप मौजूद हैं। प्रीबर्नर जो ऑक्सीडाइज़र के एक छोटे से हिस्से को ईंधन के पूर्ण प्रवाह के साथ जलाते हैं, ईंधन-समृद्ध कहलाते हैं, जबकि प्रीबर्नर जो ऑक्सीडाइज़र के पूर्ण प्रवाह के साथ ईंधन के एक छोटे हिस्से को जलाते हैं, उन्हें ऑक्सीडाइज़र-समृद्ध कहा जाता है। RD-180 में ऑक्सीडाइज़र से भरपूर प्रीबर्नर है, जबकि RS-25 में दो ईंधन से भरपूर प्रीबर्नर हैं। स्पेसएक्स रैप्टर (रॉकेट इंजन परिवार) में ऑक्सीडाइज़र-समृद्ध और ईंधन-समृद्ध प्रीबर्नर दोनों हैं, एक डिज़ाइन जिसे 'पूर्ण-प्रवाह चरणबद्ध दहन' कहा जाता है।

चरणबद्ध दहन डिजाइन या तो सिंगल-शाफ्ट या ट्विन-शाफ्ट हो सकते हैं। सिंगल-शाफ्ट डिज़ाइन में, प्रीबर्नर और टर्बाइन का एक सेट प्रणोदक टर्बोपंप दोनों को चलाता है। उदाहरणों में एनपीओ एनार्गोमाश आरडी-180 और ब्लू ओरिजिन बीई-4 शामिल हैं। जुड़वां शाफ्ट डिजाइन में, दो प्रणोदक टर्बोपंप अलग टर्बाइनों द्वारा संचालित होते हैं, जो बदले में एक या अलग प्रीबर्नर के बहिर्वाह द्वारा संचालित होते हैं। ट्विन-शाफ्ट डिज़ाइन के उदाहरणों में रॉकेटडाइन आरएस-25, जाक्सा एलई-7 और रैप्टर शामिल हैं। सिंगल-शाफ्ट डिज़ाइन के सापेक्ष, ट्विन-शाफ़्ट डिज़ाइन के लिए एक अतिरिक्त टर्बाइन (और संभवतः एक अन्य प्रीबर्नर) की आवश्यकता होती है, लेकिन दो टर्बोपंपों के व्यक्तिगत नियंत्रण की अनुमति देता है।

प्रोपेलेंट टर्बोपंप के अलावा, प्रीबर्नर प्रतिवाह और टर्बोपंप पोकेशन दोनों को रोकने के लिए चरणबद्ध दहन इंजनों को अक्सर छोटे बूस्ट पंप की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, आरडी-180 और आरएस-25, टैप-ऑफ़ चक्र|टैप-ऑफ़ और विस्तारक चक्रों द्वारा संचालित बूस्ट पंपों का उपयोग करते हैं, साथ ही प्रीबर्नर में प्रवेश करने से पहले प्रणोदक दबाव को बढ़ाने के लिए प्रेशर-फेड इंजन का उपयोग करते हैं।

पूर्ण-प्रवाह चरणबद्ध दहन चक्र
पूर्ण-प्रवाह चरणबद्ध दहन (एफएफएससी) एक जुड़वां-शाफ्ट चरणबद्ध दहन चक्र है जो ऑक्सीडाइज़र-समृद्ध और ईंधन-समृद्ध प्रीबर्नर दोनों का उपयोग करता है। चक्र टर्बाइनों के माध्यम से दोनों प्रणोदकों के पूर्ण प्रवाह की अनुमति देता है; इसके कारण नाम। ईंधन टर्बोपम्प ईंधन-समृद्ध प्रीबर्नर द्वारा संचालित होता है, और ऑक्सीडाइज़र टर्बोपम्प ऑक्सीडाइज़र-समृद्ध प्रीबर्नर द्वारा संचालित होता है। पूर्ण-प्रवाह चरणबद्ध दहन चक्र के लाभों में टर्बाइन शामिल हैं जो द्रव्यमान प्रवाह में वृद्धि के कारण कूलर और कम दबाव पर चलते हैं, जिससे इंजन का जीवन लंबा होता है और उच्च विश्वसनीयता होती है। एक उदाहरण के रूप में, स्पेसलाइनर प्रोजेक्ट के फ्रेम में जर्मन एयरोस्पेस सेंटर | डीएलआर (जर्मन एयरोस्पेस सेंटर) द्वारा अध्ययन किए गए इंजन डिजाइन के लिए 25 उड़ानों तक का अनुमान लगाया गया था। स्पेसएक्स से रैप्टर (रॉकेट इंजन परिवार) के लिए 1000 तक उड़ानें अपेक्षित हैं। इसके अलावा, पूर्ण-प्रवाह चक्र ईंधन टर्बोपंप से ऑक्सीडाइज़र-समृद्ध गैस या ऑक्सीडाइज़र टर्बोपंप से ईंधन-समृद्ध गैस को अलग करने के लिए सामान्य रूप से आवश्यक इंटरप्रोपेलेंट टरबाइन सील की आवश्यकता को समाप्त करता है, इस प्रकार विश्वसनीयता में सुधार होता है।

चूंकि दहन कक्ष में प्रवेश करने से पहले ईंधन और ऑक्सीडाइज़र प्रीबर्नर दोनों के उपयोग से प्रत्येक प्रणोदक का पूर्ण गैसीकरण होता है, एफएफएससी इंजन रॉकेट इंजनों के एक व्यापक वर्ग से संबंधित होते हैं जिन्हें गैस इंजन कहा जाता है। घटकों के पूर्ण गैसीकरण से दहन कक्ष में तेजी से रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं, जिससे एक छोटे दहन कक्ष की अनुमति मिलती है। यह बदले में कक्ष के दबाव को बढ़ाने के लिए संभव बनाता है, जिससे दक्षता बढ़ जाती है।

पूर्ण-प्रवाह चरणबद्ध दहन चक्र के संभावित नुकसान में एकल-शाफ्ट चरणबद्ध दहन चक्र के सापेक्ष दो प्रीबर्नर की बढ़ी हुई इंजीनियरिंग जटिलता, साथ ही साथ भागों की संख्या में वृद्धि शामिल है।

2019 तक, केवल तीन पूर्ण-प्रवाह चरणबद्ध दहन रॉकेट इंजनों ने परीक्षण स्टैंड पर परीक्षण करने के लिए पर्याप्त प्रगति की थी; 1960 के दशक में सोवियत संघ की एनपीओ एनेर्गोमाश आरडी270 परियोजना, संयुक्त राज्य अमेरिका की संघीय सरकार द्वारा वित्तपोषित ऐरोजेट राकेट डायनइंटीग्रेटेड पावरहेड डिमॉन्स्ट्रेटर प्रदर्शन परियोजना, 2000 के दशक के मध्य में, और स्पेसएक्स के उड़ान सक्षम रैप्टर (रॉकेट इंजन) इंजन का पहली बार फरवरी 2019 में परीक्षण किया गया।

फुल-फ्लो स्टेज्ड-दहन इंजन का पहला उड़ान परीक्षण 25 जुलाई 2019 को हुआ जब स्पेसएक्स ने अपने स्पेसएक्स साउथ टेक्सास लॉन्च साइट पर स्टारहॉपर परीक्षण रॉकेट पर अपने रैप्टर मैथलॉक्स एफएफएससी इंजन को उड़ाया।

आक्सीकारक युक्त चरणबद्ध दहन

 * एस1.5400—ब्लॉक एल अपर स्टेज पर इस्तेमाल किया जाने वाला पहला चरण दहन रॉकेट इंजन। *एनके-33—सोवियत इंजन एन1 (रॉकेट)|एन-1 प्रक्षेपण यान के कभी न उड़ने वाले उन्नत संस्करण के लिए विकसित किया गया। बाद में एरोजेट राकेट डायन को बेच दिया गया और एजे-26 (2013-2014 में अंतरेस रॉकेट ब्लॉक 1 लॉन्च वाहनों पर इस्तेमाल किया गया) के रूप में नवीनीकृत / रीमार्केटिंग किया गया। सोयुज-2-1वी पर प्रयोग में।
 * पी111 - बोल्को (बाद में सितारों की) में 1956 और 1967 के बीच विकसित तरल ऑक्सीजन/मिट्टी के तेल का प्रदर्शनकारी इंजन।
 * आरडी-170, आरडी-170, आरडी171| आरडी-171, आरडी-180 और आरडी-191—ऊर्जा (रॉकेट), जेनिट (रॉकेट परिवार), एटलस वी, अंगारा में प्रयुक्त सोवियत और रूसी इंजनों की एक श्रृंखला (रॉकेट परिवार) और पहले एटलस III लॉन्च वाहनों पर। आरडी-171 (और इसके आरडी-171M उत्तराधिकारी), -180 और -191 आरडी-170 के डेरिवेटिव हैं।
 * आरडी-0124- सोयूज-2.1बी रॉकेट के दूसरे चरण में और साथ ही अंगारा (रॉकेट परिवार) श्रृंखला रॉकेट के ऊपरी चरणों में उपयोग किए जाने वाले ऑक्सीजन/केरोसिन इंजनों की एक श्रृंखला।
 * वाईएफ-100—चीनी सरकार का इंजन 2000 के दशक में विकसित हुआ; लांग मार्च 5, लांग मार्च 6, और लांग मार्च 7 पर प्रयोग किया जाता है।
 * एआर1- आरडी-180 रूसी इंजन के संभावित प्रतिस्थापन के रूप में संयुक्त राज्य वायु सेना द्वारा आंशिक रूप से वित्तपोषित एक एरोजेट राकेट डायन परियोजना।
 * बीई-4—ब्लू ओरिजिन लिक्विड तरल ऑक्सीजन इंजन—ऑक्सीजन से भरपूर स्टेज्ड कम्बशन (ओआरएससी) चक्र का इस्तेमाल करते हुए—यूनाइटेड लॉन्च एलायंस वालकैन (रॉकेट) लॉन्च व्हीकल पर इस्तेमाल करने की योजना है, जो एटलस V और डेल्टा चतुर्थ रिप्लेस करेगा IV, 2021 में पहली उड़ान परीक्षण और ब्लू ओरिजिन के न्यू ग्लेन लॉन्च वाहन पर भी, पहली उड़ान परीक्षण 2021 से पहले नहीं।
 * आरडी-253—सोवियत संघ का इंजन 1960 के दशक में विकसित हुआ और प्रोटॉन (रॉकेट) प्रक्षेपण यान के पहले चरण में इस्तेमाल किया गया। बाद के वेरिएंट में आरडी-275 और आरडी-275M शामिल हैं।
 * एससीई-200—इसरो आरपी-1/एलओएक्स मुख्य चरण का इंजन विकास के चरण में है।
 * हैडली-उरसा मेजर टेक्नोलॉजीज तरल ऑक्सीजन/मिट्टी के तेल बूस्टर इंजन का विकास किया जा रहा है डेनवर, कोलोराडो के पास।
 * रॉकेट फ़ैक्टरी ऑग्सबर्ग हेलिक्स तरल ऑक्सीजन/मिट्टी के तेल का इंजन विकास के अधीन है जिसे आरएफए वन को शक्ति प्रदान करनी चाहिए ऑग्सबर्ग, जर्मनी के पास।
 * लांचर ई-2 - विकास के तहत तरल ऑक्सीजन/मिट्टी का तेल इंजन जो लॉन्चर लाइट लॉन्च वाहन को शक्ति प्रदान करे।

ईंधन युक्त चरणबद्ध दहन

 * RS-25—US ने 1970-1980 के दशक में LH2/LOX इंजन विकसित किया, जो 2011 तक (आवधिक उन्नयन के साथ) अंतरिक्ष शटल पर उड़ाया गया, और 2020 के दशक में अंतरिक्ष प्रक्षेपण प्रणाली पर आगे उपयोग करने की योजना बनाई गई।
 * RD-0120—LH2/LOX इंजन Energia रॉकेट में इस्तेमाल किया गया।
 * LE-7—LH2/LOX इंजन का इस्तेमाल H-II रॉकेट परिवार में किया गया।
 * KVD-1 (RD-56)-सोवियत LH2/LOX ऊपरी चरण इंजन N1 (रॉकेट)|N-1 प्रक्षेपण यान के कभी न उड़ने वाले उन्नत संस्करण के लिए विकसित किया गया। जीएसएलवी पर प्रयोग किया जाता है।
 * CE-7.5—ISRO LH2/LOX अपर स्टेज इंजन, GSLV में इस्तेमाल किया गया

पूर्ण प्रवाह चरणबद्ध दहन
*RD-270- UR-700 परियोजना के लिए 1962-1970 के विकास के तहत USSR इंजन; कभी नहीं उड़ाया। *इंटीग्रेटेड पावरहेड डिमॉन्स्ट्रेटर—बिना दहन कक्ष या अन्य बैकएंड सबसिस्टम के पूर्ण प्रवाह इंजन के सामने वाले हिस्से के लिए प्रदर्शन परियोजना। संयुक्त राज्य अमेरिका की संघीय सरकार ने 2000 के दशक की शुरुआत में एक नई रॉकेट इंजन प्रौद्योगिकी का एक हिस्सा विकसित करने की परियोजना की; कोई पूर्ण इंजन कभी नहीं बनाया गया; कभी नहीं उड़ाया।
 * रैप्टर (रॉकेट इंजन परिवार)—स्पेसएक्स लिक्विड मीथेन/लोक्स इंजन विकास के दौर में है, पहली बार 2019 में उड़ाया गया

चरणबद्ध-दहन इंजनों के वर्तमान/पिछले अनुप्रयोग

 * अंतरिक्ष शटल
 * अंगारा (रॉकेट परिवार)
 * स्पेसएक्स स्टारशिप
 * एच-द्वितीय
 * एच-वहाँ
 * एच-आईआईबी
 * जीएसएलवी
 * लांग मार्च 5
 * लांग मार्च 6
 * लांग मार्च 7
 * लॉन्ग मार्च 8
 * N1 (रॉकेट)
 * प्रोटोन (रॉकेट परिवार)
 * ज़ीनत (रॉकेट परिवार)
 * अंतरिक्ष प्रक्षेपण प्रणाली

चरणबद्ध-दहन इंजनों के भविष्य के अनुप्रयोग

 * स्पेसएक्स स्टारशिप पहला चरण और दूसरा चरण एक संयुक्त 39 रैप्टर (रॉकेट इंजन परिवार) इंजनों द्वारा संचालित
 * 7 BE-4|BE-4 इंजनों के साथ न्यू ग्लेन प्रथम चरण
 * एटलस वी उत्तराधिकारी पहले चरण में 2 बीई-4 इंजन के साथ
 * 921 रॉकेट
 * लॉन्ग मार्च 9

यह भी देखें

 * विस्तारक चक्र
 * गैस जनरेटर चक्र
 * दहन टैप-ऑफ चक्र
 * प्रेशर-फेड इंजन

बाहरी कड़ियाँ

 * Rocket power cycles
 * Nasa's full flow stages combustion cycle demonstrator
 * Design Tool for Liquid Rocket Engine Thermodynamic Analysis