مضخة بدون مكبس

المضخة بدون مكبس هي نوع من المضخات المصممة لنقل السوائل بدون أي أجزاء متحركة باستثناء صمامات ثلاثية الحجرات.

تحتوي المضخة على حجرة مزودة بصمام لمدخل السائل المراد ضخه، وصمام لمخرج السائل - وكلاهما في أسفل المضخة - ومدخل لمادة الضغط في أعلى المضخة. تُستخدم مادة ضغط، مثل البخار أو الهيليوم المضغوط، لدفع السائل عبر المضخة.

طورت وكالة ناسا مضخة وقود صاروخي منخفضة التكلفة، تُضاهي في أدائها المضخة التوربينية بتكلفة أقل بنسبة 80-90%. ^{[ 1 ]} ولعلّ أكبر عائق أمام دخول مجال الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل هو المضخة التوربينية. يتطلب تصميمها جهدًا هندسيًا كبيرًا، كما أن تصنيعها واختبارها مكلفان. يُعدّ تشغيل محرك صاروخي يعمل بالمضخة التوربينية عملية معقدة، تتطلب تزامنًا دقيقًا للعديد من الصمامات والأنظمة الفرعية. في الواقع، حاولت شركة بيال إيروسبيس تجنّب هذه المشكلة تمامًا من خلال بناء معزز ضخم يعمل بنظام التغذية بالضغط. لم يُحلّق هذا المعزز قط، لكنّ التصميم الهندسي له كان متينًا، ولو توفرت لديهم مضخة منخفضة التكلفة، لكانوا قادرين على منافسة شركة بوينغ. تُوفّر هذه المضخة ما يصل إلى 90% من كتلة الخزانات مقارنةً بنظام التغذية بالضغط. وقد أثبتت هذه المضخة بالفعل أنها إضافة قيّمة للصواريخ. فباستخدامها، لا يضطر الصاروخ إلى حمل حمولة ثقيلة، ويمكنه التحليق بسرعات عالية جدًا. ^{[ 2 ]}

تكون الدورة على النحو التالي:

• يدخل السائل ويملأ الحجرة من صمام المدخل. أما صمامات المخرج والضغط فهي مغلقة.
• يُغلق صمام المدخل، ويُفتح صمام المخرج وصمام الضغط. يدفع الضغط السائل عبر صمام المخرج.
• عندما تفرغ الحجرة، يغلق صمام الضغط ويفتح صمام المدخل، ثم يغلق صمام المخرج.
• تتكرر الدورة.

تتطلب محركات الصواريخ كمية هائلة من الوقود تحت ضغط عالٍ. غالبًا ما تفوق تكلفة المضخة تكلفة غرفة الاحتراق نفسها. إحدى طرق تزويد الوقود هي استخدام المضخة التوربينية باهظة الثمن المذكورة سابقًا، وطريقة أخرى هي ضغط خزان الوقود. يتطلب ضغط خزان وقود كبير خزانًا ثقيلًا ومكلفًا. ولكن، لنفترض أنه بدلًا من ضغط الخزان بأكمله، يتم تفريغ الخزان الرئيسي في غرفة مضخة صغيرة ثم ضغطها. لتحقيق تدفق ثابت، يتكون نظام المضخة من غرفتي ضخ، بحيث تزود كل منهما الوقود لنصف كل دورة. تعمل المضخة بغاز مضغوط يؤثر مباشرة على السائل. في كل نصف من نظام المضخة، تُملأ غرفة من الخزان الرئيسي تحت ضغط منخفض ومعدل تدفق عالٍ، ثم تُضغط الغرفة، ثم يُضخ السائل إلى المحرك بمعدل تدفق متوسط ​​تحت ضغط عالٍ. بعد ذلك، تُفرغ الغرفة من الهواء وتتكرر الدورة. صُمم النظام بحيث يكون معدل التدفق الداخل أعلى من معدل التدفق الخارج. يُتيح ذلك الوقت الكافي لتهوية إحدى الحجرتين وإعادة ملئها وضغطها بينما يتم تفريغ الأخرى. تم اختبار مضخة تجريبية، وقد أثبتت كفاءتها العالية. تم تصميم وبناء نسخة عالية الأداء منها، وهي تضخ بمعدل 20 جالونًا في الدقيقة وضغط 550 رطلًا لكل بوصة مربعة.

يُستخدم هذا النظام في الغالب لتزويد محركات الصواريخ بالوقود . في هذا التصميم، غالباً ما توجد مضختان تعملان بدورتين متعاكستين لضمان تدفق مستمر للوقود إلى المحرك.

تتميز المضخة عديمة المكابس عن نظام التغذية بالضغط بإمكانية استخدام خزانات أخف وزنًا بكثير. كما أنها، مقارنةً بالمضخة التوربينية، تتميز بتصميم أبسط بكثير وتفاوتات تصميم أقل صرامة.

تتكون معظم مكونات هذه المضخة من أوعية ضغط، مما يجعلها خفيفة الوزن. تحتوي على أقل من عشرة أجزاء متحركة، ولا تعاني من مشاكل في التزييت قد تُسبب أعطالاً في المضخات الأخرى. تصميمها وبناؤها بسيط ولا يتطلبان أجزاء دقيقة. تتميز هذه المضخة عن المضخات التوربينية التقليدية بوزنها المماثل تقريبًا، وانخفاض تكاليف الوحدة والهندسة والاختبار، وانخفاض احتمالية حدوث أعطال كارثية. كما تتميز عن التصاميم التي تعمل بالضغط بانخفاض وزن الصاروخ بالكامل، وزيادة أمانه لأن خزانات وقود الصاروخ لا تحتاج إلى ضغط عالٍ. يمكن تشغيل المضخة بكفاءة عالية بعد تخزينها لفترة طويلة. يمكن استخدامها كبديل للمضخات التوربينية في معززات الصواريخ، أو كبديل لخزانات الضغط العالي في أنظمة الدفع الفضائي. كما يمكن استخدامها لتغيير مدارات الأقمار الصناعية والحفاظ على مواقعها.

كما أن للمضخات بدون مكابس بعض العيوب، مثل:

1. لا يمكنهم الضخ إلى ضغط أعلى من ضغط غاز الدفع (نسبة المساحة هي 1:1).
2. لا يمكنهم استخدام دورة الاحتراق المرحلي أو دورة التمدد .
3. كما يصعب دمج دورة مولد الغاز مع المضخة بدون مكبس.
4. يجب أن يكون الغاز المتولد متوافقًا كيميائيًا مع كلا الوقودين الدافعين.
5. يُقلل مولد الغاز هذا من فترة بدء تشغيل المحرك.

• توماس سافري
• مضخة بخارية مزودة بمقياس نبضات
• مكبس هيدروليكي
• مضخة دورية

• صفحة مضخات فلوميتريكس بدون مكبس
• وثائق المضخات بدون مكابس

• توماس سافري
• مضخة قياس النبض
• مكبس هيدروليكي
• مضخة دورية