فشار به مینیاتور کردن موتورهای راکت برای آزمایش های کوچک گرانشی به عنوان یک مرز حیاتی در تحقیقات فضایی ظهور کرده است، زیرا دانشمندان و مهندسان تلاش می کنند تا سیستم های کوچکتر، کارآمد تر را توسعه دهند، آنها با موانع مهندسی متمایز مربوط به قوانین مقیاس پذیری، پویایی حرارتی، علم و دقیق، این موتورهای باید به طور قابل اعتماد در محیط منحصر به فرد از مطالعات میکرو گرانشی، که در آن رفتار مایع، و انتقال مواد کلیدی برای آنها، مشکلات مهندسی لوله کشی، و توسعه یافته است، به طور چشمگیری متفاوت است.

مقیاس کردن Downforce و کارایی

یک چالش اساسی در موتورهای راکت کوچک سازی حفظ بهره وری نیروی محرکه و محرک است، زمانی که کل سیستم به کسری از اندازه اصلی آن کاهش می یابد. موتورهای راکت متعارف وابسته به اتاق های احتراق بزرگ و زمین لرزه های گسترده نازل برای دستیابی به سوخت کامل و کاهش سرعت خاص، این قطعات تغییر نسبت سطح-آرتوکل، افزایش و کاهش تلفات ظریف و انتقال شیمیایی.

افزایش ثبات در مقیاس های کوچک

در یک محفظه احتراق مینیاتوری، شعله به شدت به اختلالات جریان و زیان های گرما حساس می شود.زمان کاهش اقامت گازهای ترمز می تواند منجر به احتراق ناقص، تشکیل و احتراق شود که عملکرد تحریک کننده را کاهش می دهد و یکپارچگی سخت افزاری را تهدید می کند: مهندسان از دینامیک محاسباتی بافیادل (CFD) برای واکنش به جریان در میکرو کانال ها و طراحی های جغرافیایی که به طور متفاوتی عملکرد سوخت را ترویج می دهند، استفاده می کنند: به عنوان مثال، برای مخلوط کردن داده های سرعت ثابت شده است.

تحویل سوخت و مخلوط کردن

اندازه گیری دقیق و مخلوط کردن پروانه ها یک مانع دیگر است.در مقیاس های کوچک، نرخ جریان توده ای، منککول است، نیاز به دریچه های بسیار دقیق و تزریق کنندگان مایع ممکن است به درستی اتم سازی نشود، در حالی که سیستم های گازی با چالش های در دستیابی به نسبت های یکنواخت مواجه می شوند.سیستم های میکرو مکانیکی (MEMS) یک مسیر را ارائه می دهند، با توانایی سیلیکون-ت (F) و میکروست که دقیقاً سیستم های سوخت را کنترل می کنند.

مدیریت حرارتی در سیستم های Compact

موتورهای راکت مینیاتور گرما شدید را در حجم محدود تولید می کنند و بدون مدیریت حرارتی کافی، اجزای آن می توانند به طور فاجعه بار شکست بخورند، همان اثرات مقیاسی که احتراق را به چالش می کشد، همچنین کارایی روش های خنک کننده معمولی را محدود می کند. خنک کننده رای گیری الکتریکی در مقیاس های کوچک به دلیل شیب های بالا و منطقه سطح محدود، برای پذیرش مهندسان برای اتخاذ استراتژی های فعال میکرو-cooling کافی نیست.

Microchannel Heat Converter

یک راه حل امیدوار کننده ادغام مبدل های حرارتی میکرو کانال به ساختار موتور است.این دستگاه ها خنک کننده - اغلب خود سوخت - از طریق کانال های و غیره فقط ده ها میکرون گسترده، حذف گرما از دیواره محفظه احتراق قبل از رسیدن به سطوح بحرانی از هیدروژن و دستیابی به هر دو هیدروژن خنک کننده، به عنوان جلوگیری از حرارت مایع، و جلوگیری از آن، استفاده می کند.

مواد مقاوم در برابر گرما

مواد پیشرفته نیز ضروری هستند. سوپرکارهای سنتی ممکن است از تنش های حرارتی و مکانیکی ترکیبی در منطقه گلو موتور میکرو مقاومت نکنند. مهندسان به کامپوزیت های ماتریس سرامیک (CMCs) تبدیل می شوند و سرامیک های فوق العاده بالا (UTCs) مانند دیبورید و کاربید Hafnium، این مواد قدرت اتصال شدید را در حالی که به طور خاص نیاز به اتصال لوله های حرارتی و یا خطوط پشتیبانی از کرک، به طور خاص، اتصال خطوط اتصال گاز، به خطوط اتصال ضعیف است.

تجهیزات تولیدی و Material and Manufacturing Constraints

مینیاتورسازی مواد را می طلبد که نه تنها مقاوم به حرارت بلکه با سبک، بادوام و سازگار با فرآیندهای میکروسازی است. حجم محدودی از یک موتور مینیاتوری تقریبا هیچ حاشیه ای برای قرمز شدن ساختاری ندارد، بنابراین هر جزء باید برای نسبت قدرت به وزن و مقاومت بهینه سازی شود.

سرامیک و کامپوزیت

سرامیک ارائه می دهد ثبات حرارتی عالی اما شکننده و مستعد شکستگی تحت تاثیر یا لرزش مواد کامپوزیتی ترکیب فیبر کربن یا الیاف سیلیکون در یک ماتریس سرامیک می تواند سخت بودن لازم در حالی که حفظ مقاومت گرما برای مرکز هوا و هوانگ آلمانی (DLR) آزمایش های میکرو گرانشی ، محققان اتاق های کامپوزیت را آزمایش کرده اند که با کاهش 40٪ از پیچیدگی های گسترده تولید، و معادل باقی مانده است.

تولید افزودنی برای Geometries Complex

تولید افزودنی (AM) تبدیل به یک تغییردهنده بازی برای موتورهای مینیاتور شده است (تکنیک هایی مانند ذوب لیزر انتخابی (SLM) و ذوب پرتو الکترون (EBM) اجازه می دهد تا ایجاد کانال های خنک کننده داخلی پیچیده، نازل های بسته شده، و تزریق یکپارچه که به طور معمول غیر ممکن است. AM همچنین باعث می شود prototyty و طراحی سریع تر از موتور توسعه (Fx) در مقیاس های کوچک تر شبیه به مقیاس های کوچک تر است:

تست و اعتبار در Microgravivity

بررسی عملکرد یک موتور راکت مینیاتوری در شرایطی که برای آن طراحی شده است - میکرو گرانش - یک چالش لجستیکی و فنی قابل توجه است. آزمایش زمین نمی تواند عدم وجود تداخل ناشی از بوخفی را تکرار کند، رفتار منحصر به فرد رابط های مایع گاز مایع یا کاهش فشار هیدرواستاتیک در داخل مخازن که در مدار رخ می دهد.

برج های کشویی و پرواز Parabolic

میکرو گرانش کوتاه مدت می تواند با استفاده از برج های قطره ای و هواپیماهای پارابولیک به دست آورد، اما این سیستم عامل ها زمان تست را به چند ثانیه محدود می کنند.برای آزمایش های احتراق پایدار، که اغلب برای رسیدن به تعادل حرارتی کافی نیست یا ارزیابی محرک های طولانی مدت، ثبات را تغذیه می کند. Bremen Drop 4.7 ثانیه ای را فراهم می کند که زمان زیادی برای مطالعه، احتراق های کوچک، استفاده می کند.

طراحی قراردادی برای آن

مهندسان با اتخاذ معماری های مدولار پاسخ می دهند.یک موتور مینیاتوری می تواند به زیرسیستم های مستقل تقسیم شود (در مسیر، محفظه احتراق، نازل و مدیریت حرارتی) که به صورت جداگانه آزمایش شده و بهینه شده اند، این ماژولار همچنین جایگزین و تعمیر در مدار را تسهیل می کند، کاهش نیاز به بازسازی کامل مقیاس، به عنوان مثال، یک محقق ممکن است ده آزمایش مختلف در ژئومتر در ترکیب بندی های مختلف (F Readying) را به یک واحد تهویه مطبوع معتبر.

مسیر های آینده و تکنولوژی های نوظهور

تلاش برای به حداقل رساندن موتورهای راکت بسیار دور از حد است در حالی که نیروی شیمیایی تمرکز اصلی بوده است، روش های جایگزین و محرک های جدید جذب کشش برای کاربردهای کوچک گرانشی می شوند که حتی مقادیر کمی آلودگی یا لرزش نیز باید اجتناب شود.

تحریک الکتریکی برای Micro-Thrust

محرک های الکتریکی، مانند موتورهای یون و محرک های هال، پیشنهاد فوق العاده بالا تکان دهنده و کنترل نیروی محرکه عالی را ارائه می دهند، مینیاتور آنها با چالش های خود همراه است - عمدتا نیاز به منابع انرژی با ولتاژ بالا و الکترودهای مقاوم در برابر فرسایش - اما پیشرفت در نور میکرو ساخته شده و اتاق های سرامیکی سیستم های x را کوچک می کنند.

سیستم های هیبریدی و نمایندگی سبز

پروکاری ترکیبی، ترکیب یک دانه سوخت جامد با یک اکسید مایع یا گاز ( اکسید کننده گاز)، ارائه می دهد ظرفیت تروازلینگ ساده تر و راه اندازی مجدد از موتورهای تمام جامد، و آن را جلوگیری از سمیت و مقابله با خطرات از محرک های مایع hypergolic 1، محرک سبز مانند هیدروکسیلامیوم (HAN) و مایع کم سمی ionic مایع است که برای تست های کوچک تر از آن استفاده می کنند؛ در حالی که آنها می توانند از مصرف کننده های رطوبت استفاده کنند.

نتیجه گیری

مینیاتور کردن موتورهای راکت برای آزمایش های کوچک گرانشی یکی از چالش های مهندسی در علوم فضایی مدرن است. مقیاس پذیری پایین و بهره وری، مدیریت گرمای شدید، انتخاب و تولید مواد پیشرفته، و انجام آزمایش های معنی دار در محیط میکرو گرانش فضا به عنوان همه نیاز به راه حل های جدید و بین رشته ای، با هر پیشرفت در میکروساخت، تولید افزودنی، و مدل سازی، فیزیک کوچک، نه تنها به پردازش مواد کوچک، کمک می کند تا به سیستم های کوچک دسترسی به سرعت پردازش و کوچک کمک کند.