Haasteet proplellanttivarastossa avaruusoperaatioille

Pitkiä avaruusoperaatioita varten varastoidaan erilaisia teknisiä esteitä. Ilmeisen tarpeen lisäksi on tarpeen estää vuotoja ja räjähdyksiä, avaruusympäristö— mikropainovoiman, äärimmäisen lämpökierron ja korkean säteilyn— vaatii ratkaisuja paljon maanpäällisen säiliön ulkopuolelle. Yleisimmät kryogeeniset polttoaineet—nestevety (LH2), nestemäinen happi (LOX) ja nestemäinen metaani (LCH4)— niillä on matala kiehuvat pisteet ja ne ovat alttiita kiehumishäviöille, jotka voivat tehdä avaruusaluksen kykenemättömäksi suorittamaan tehtäväänsä, ellei niitä hoideta huolellisesti.

Mikropainovoima Nesteen hallinta

Mikropainovoimassa nestemäiset polttoaineet eivät asettu tankin pohjaan kuten ne olisivat maan päällä. Sen sijaan pintajännitys hallitsee, luoden arvaamattomia nestejakaumaja, jotka voivat nääntyä moottorien nääntyessä tai aiheuttaa hukkavakautta. Insinöörit ovat kehittäneet positiivisen ekspulsion rakkoja, kalvosäiliöitä ja pyörivät tai keskipakoiset settlement järjestelmät pitämään yllä vakaata neste-höyryliitäntää. Viimeaikainen tutkimus keskittyy käyttämään ultraääni- tai sähköstaattisia voimia ohjaamaan pudotusputken muodostumista ja höyryn nielemistä moottorin palovammojen aikana.

Lämpötilojen hallinta ja kiehuminen

Jopa passiivisen monikerroksisen eristeen (MLI) avulla aurinkosäteilystä ja avaruuselektroniikasta vuotavat lämpövuodot aiheuttavat kryogeenien höyrystymistä. Tyypillinen LH2-säiliö menettää 1...3% massastaan päivässä, koska se kiehuu matalalla maaradalla. Aktiivisia jäähdytysjärjestelmiä, jotka toimivat mekaanisilla kylmäjäähdyttimillä tai lämpösähköisillä laitteilla, voidaan katkaista lämpö ennen kuin se saavuttaa polttoaineen. Nollakattila (ZBO) -järjestelmät, joissa yhdistyvät eristys ja suljettu silmukkajäähdytyssykli, on osoitettu maatesteissä ja niitä nyt skaalataan lentämään. Höyryjäjäjäähdytteisten suojakilpien käyttö, jossa keksittyä kaasua ohjataan säiliön ympärille absorboimaan saapuvaa lämpöä, vähentää edelleen häviöitä.

Säteilyvaurio ja potkurin hajoaminen

Kosmiset säteet ja auringon energiset hiukkaset voivat hajottaa monimutkaisia hiilivetyjä storaamattavissa hypergolic ponneaineissa (esim. hydratsiini, MON) ja aiheuttaa radiolyyttistä hajoamista kryogeenisissä nesteissä. Vaikka vaikutus LH2:een ja LOX:iin on minimaalinen, ohjattavat ajoaineet, joita käytetään ponneaineissa ja laskeutumiskoneissa, voivat kärsiä kaasun muodostumisesta ja viskositeetin muutoksista. Edistyneet suojauskomposiitit— kuten vetyrikas polymeerit tai metallihydridit— ei ainoastaan miehistön vaan myös suojapolttoainesäiliöt. Optisten sensorien avulla tapahtuva valvonta voi havaita saastumisen ennen kuin se vaarantaa moottorin suorituskyvyn.

Innovatiiviset varastointitekniikat

Viime aikoina kehitys eri materiaalien tieteen, lämpötekniikka, ja nestedynamiikka mahdollistavat polttoaineen varastointiratkaisuja, joita pidettiin epäkäytännöllisiä vuosikymmen sitten. Nämä teknologiat tukevat suoraan matkoja Kuuhun, Marsiin ja syvä-avaruus kohteisiin.

Kryogeeniset nesteiden hallintajärjestelmät (CFM)

NASA.s ]Kryogeeninen nestehallinta[] ohjelma on edelläkävijä integroituja järjestelmiä, jotka yhdistävät eristys, aktiivinen jäähdytys, paineenhallinta, ja polttoaineen siirto mikropainovoima. Avain läpimurto on kehittää termodynaaminen tuuletusjärjestelmä (TVS), joka vapauttaa pieniä määriä kaasumaista polttoainetta hallita säiliön paine ilman tuhlaa neste. TVS-konseptia testataan tulevissa Artemis-tehtävissä, joissa Ihmisen laskeutumisjärjestelmän (HLS) on varastoitava kryogeenit viikkoja kuun pinnalla huolimatta päivän ja yön lämpötilavaihtelut yli 250 °C.

Kryogeeniset säiliöt

ZBO-teknologia käyttää kryojäähdytintä, jolla saadaan lämpöä polttoaineesta yhtä nopeasti tai yli lämpövuodon, joka pitää nesteen vakiolämpötilassa ja paineessa. Tuloksena: ei polttoainetta keksitä avaruudelle. Tähän mennessä testattu suurin ZBO-järjestelmä on []MegaFlex Cryo[] -konsepti, joka osoitti 20 kW-luokan jäähdytystä polttoainevarastolle. Kun se on yhdistetty kehittyneisiin MLI- ja höyryjäähdytteisiin, ZBO sallii toistaiseksi varastoida kryogeenit LEO:ssa, mikä mahdollistaa polttoainevarastot ja kiertoradalla tapahtuvan polttoaineen tankauksen.

Kehittyneet komposiittisäiliöt

Komposiittien ylikääretyt paineastiat (COPV) ovat jo pitkään olleet käytössä korkeapainekaasun varastoinnissa (esim. helium säiliöpaineiden paineistukseen). Nyt kaikki komposiittien kryogeeniset säiliöt ovat kelpuutettuja nestemäisille ponneaineille. SpaceX.s Starship käyttää ruostumatonta terästä, mutta monet tutkimukset osoittavat, että hiilikuituvahvistetut polymeerisäiliöt (CFRP) vähentäisivät massaa 30-40% verrattuna alumiini-litiumseihin. Airbus Cryotank käyttää termoplastista (lämpö) tehtyä vuorausta estääkseen mikromurtumien murtamisen lämpökiertoa varten, kun taas NASA.Composite Cryogenic Tank -ohjelma on onnistunut painetestaamaan 5.5 metrin halkaisijan säiliön kryogeenisissä lämpötiloissa.

Magneetti- ja sähköstaattinen potkurinhallinta

Mikropainovoimassa magneettinen leijuminen voi aiheuttaa polarisoitumista ja luoda dielectropohoreettisia voimia. Nestemäinen happi on paramagneettista, joten vahvat suprajohtavat magneetit voivat ansaan ja hallita Lox-pisaroita tai -kuplia. Sähköeristeiden nesteiden (LH2, LCH4) sähköstaattiset kentät voivat aiheuttaa polarisointia ja luoda dielectrophoreettisia voimia. Nämä tekniikat lupaavat vähentää slosh, yksinkertaistaa moottorin sisäänottoa ja mahdollistaa nopean ajoaineen siirron säiliöiden välillä ilman selkeytyviä potkureita.

Potkurien ja kiertoradalla olevien tankkaus

Sen sijaan, että kaikki ajoaineet laukaistaisiin maasta, kiertoradalla olevat varikot voisivat tankata avaruusaluksia sen jälkeen, kun ne ovat kiertoradalla, vähentää merkittävästi laukaisumassaa ja mahdollistaa korkea-Δv-tehtävät. Konsepti perustuu kykyyn varastoida kryogeenit kuukausia varikossa ja siirtää ne sitten tehokkaasti vastaanottavaan ajoneuvoon.

Esittelytehtävät

NASA.s Rapid[] (Ratausarkkitehtuuria potkurin kiertoradalla tapahtuvaa demonstrointia varten) -ohjelma kehittää pientä satelliittia, joka osoittaa kryogeenisten ajoaineiden siirron mikropainovoimassa. SpaceX Starship[ -arkkitehtuuri riippuu kiertoradalla tankkaamisesta: säiliöalus muunnelma siirtyy jopa 100 tonniin nestemäistä happea ja metaania lähtevään tähtialukseen ennen kuin se suuntaa Marsiin. Tämän saavuttaminen edellyttää paitsi varastointia myös nesteen siirtoa mahdollisimman pienellä hävikillä ja saastumisella.

Lämpöhuolto siirron aikana

Kryogeenisen nesteen siirtäminen säiliöiden välillä avaruudessa tuo mukanaan kaksivaiheisen virtauksen ja lämpöstratifiointijärjestelmän. Viimeaikainen tutkimus käyttää pumputtomia painesyötejärjestelmiä ja vastaanottavaa säiliötä aktiivisesti jäähdytystä estämään flash-höyrystymistä. Ruiskutangot ja injektorit asettavat sisään tulevan nesteen tilaan lämpöiskun välttämiseksi. [NASA Glenn Research Center on osoittanut, että huolellisesti suunniteltu siirtojohto, jossa on erityisesti muotoiltu suutin, voi vähentää kiehumista siirron aikana alle 2% kokonaistilavuudesta.

In-Situ Propellant Storage Kuussa ja Marsissa

Pitkän aikavälin tehtävät poimivat ajoaineita paikallisista resursseista (ISRU). Kuussa vesiesiintymiä voidaan sähköistetty vedyksi ja hapeksi; Marsissa ilmakehä tuottaa hiilidioksidia, joka voidaan muuntaa metaaniksi ja hapeksi. Näiden ponneaineiden varastointi pinnalla aiheuttaa ainutlaatuisia haasteita pölyn, lämpötilan ääriainesten ja alhaisen painovoiman vuoksi.

Lunar-ajosuojavarasto

Kuun pinta kokee 14 Maan-päivän pitkiä yöjaksoja, joissa lämpötila on jopa -180 °C. Passiivinen lämmönsäätö on vaikeaa, joten aktiivisia kryojäähdyttimiä tarvitaan pitämään Lox ja LH2 kiehumasta pois. Yksi innovatiivinen konsepti käyttää regoliittia lämpömassana: hautaussäiliöiden hautaaminen usean metrin alle kuun maaperästä eristää ne ja vähentää tarvittavaa jäähdytystehoa suuruusmäärin. Artemis III -laskeutuja testaa pienen mittakaavan haudatun kryogeenisen säiliön.

Mars-ajosuojavarasto

Marsin ilmakehä (95% CO2) voidaan käsitellä kiinteän oksidin elektrolyysillä hapen ja hiilimonoksidin tuottamiseksi. Kuitenkin, varastoimalla tuloksena olevan nestemäisen hapen ja metaanin Marsin ympäristöpaineessa (noin 6 mbar) tarvitaan säiliöitä, jotka kestävät suuren paine-eron samalla kun minimoidaan massaa. Ohutseinäisiä alumiinisäiliöitä, joissa on sisäverkkoja ja komposiittiverhouksia, tutkitaan. Toinen lähestymistapa: varastoidaan ponneaineet tiheinä ylikriittisinä nesteinä kohtuullisissa paineissa, vähennetään säiliön tilavuus- ja eristysvaatimuksia.

Tulevat suuntaviivat ja tutkimuksen painopisteet

Avaruusalan toimistojen ja yksityisten yritysten edetessä kohti kestävää toimintaa Maan kiertoradan ulkopuolella, polttoaineen varastointiteknologia kehittyy edelleen.

  • ] Korkean lämpötilan suprajohtavat kryojäähdyttimet, jotka toimivat vähintään 77 K:n lämpötilassa ja vähentävät ZBO-järjestelmissä tarvittavaa tehoa.
  • ] Itsestään parantavat komposiittisäiliöt[, joissa on sulautettuja mikrokapseleita, jotka korjaavat lämpökierron aiheuttamia mikromurtumia.
  • Automaattinen nesteenhallinta AI, joka ennustaa polttoaineen vaimennusta ja säätää säiliön painetta reaaliaikaisesti anturijärjestelmien avulla.
  • ]Laserpohjainen vuotojen havaitseminen[, joka voi tunnistaa neulanreikiä säiliön seinissä tai hitsaa metrin päästä.
  • Multitoiminnalliset rakenteet[, jotka yhdistävät säiliön seinät jäähdytinpaneelien ja lämpökilpien kanssa massan säästämiseksi.

Nämä innovaatiot ovat kriittisiä paitsi miehistön tehtäville Kuuhun ja Marsiin myös robottitutkimuksen ulkoaurinkokunnan, jossa polttoaineen varastointi kestää vuosia eikä kuukausia.

Päätelmä

Tässä hahmoteltujen polttoaineen varastointitekniikoiden kehitys on muuntamassa pitkän aikavälin avaruuslentojen visiota tekniseksi todellisuudeksi. Nollakattilasta kryogeenisiin säiliöihin, komposiittipaineastioihin ja magneettisten nesteiden hallintaan jokainen läpimurto käsittelee tiettyä vikatilaa, joka on historiallisesti rajoitettu tehtävä. Yhdessä kiertoradalla tankkaamisen ja ISRU-järjestelmien kanssa nämä teknologiat mahdollistavat sen, että avaruusalus voi kuljettaa Marsiin suuntautuville kierroksille tarvittavaa polttoainetta, perustaa pysyviä kuuvarastoja ja lopulta uskaltautua ulommille planeetoille. Seuraava vuosikymmen Artemis-ohjelman, Tähtilaivan ja muiden alustojen lentokokeissa validoida nämä järjestelmät todellisessa avaruusympäristössä, tasoittaen tietä ihmiskunnalle.