Työntö pienoiskoossa rakettien moottoreita mikropainovoimakokeita varten on noussut kriittiseksi rajaksi avaruustutkimuksessa. Tutkijoiden ja insinöörien pyrkiessä kehittämään pienempiä ja tehokkaampia propulsiojärjestelmiä, he kohtaavat erillisiä teknisiä esteitä, jotka liittyvät skaalaukseen, lämpödynamiikkaan, materiaalitieteeseen ja tarkkuustuotantoon. Näiden moottoreiden on toimittava luotettavasti mikrogravitaation ainutlaatuisessa ympäristössä, jossa nestekäyttäytyminen, lämmönsiirto ja palaminen eroavat huomattavasti maalla vallitsevista olosuhteista. Näiden haasteiden ratkaiseminen on olennaista materiaalien tieteen, nestefysiikan, polttotutkimuksen ja biolääketieteen tutkimusten edistämiseksi kiertoradalla. Tässä artikkelissa tarkastellaan keskeisiä teknisiä ongelmia ja innovatiivisia ratkaisuja, joita kehitetään niiden voittamiseksi.

Skalpeeraus alas työntövoima ja tehokkuus

Perustava haaste pienoisrakettimoottoreiden on säilyttää työntövoima ja propulsioteho, kun koko järjestelmä on pienennetty murto-osaa sen alkuperäisestä koosta. Tavanomaiset rakettimoottorit riippuvat suurista polttokammioista ja laaja suutin geometria saavuttaa täydellinen polttoaineen palaminen ja optimaalinen spesifinen impulssi. Kutistuminen nämä komponentit muuttaa pinta-alue-volyymisuhde, lisää viskoosia häviöitä, ja häiritsee herkkä tasapaino lämmönsiirron ja kemiallisen kineettisen.

Pienikokoisten palovakaus

Miniatyyrin polttokammiossa liekki tulee erittäin herkäksi virtauksen häiriöille ja lämpöhäviöille.Polttoaineiden viipymisajan lyhentäminen voi johtaa epätäydelliseen palamiseen, noen muodostumiseen ja palamisvammojen heikkenemiseen, jotka heikentävät suorituskykyä ja uhkaavat laitteiston eheyttä. Insinöörit käyttävät korkean uskollisuuden laskentaa koskevaa nestedynamiikkaa (CFD) mallin reagoiviin virtauksiin mikrokanavissa ja suunnittelusuutingeometrioissa, jotka edistävät nopeaa sekoittumista ja vakaita liekinankkurointia. Esimerkiksi NASAn mikrogravity Combustion Research Program[] on osoittanut, miten rajoitetut liekit käyttäytyvät eri tavalla matalapainoisissa ympäristöissä, ja antanut tietoa, joka injektoroi injektorisuunnittelua pienoisedistäjille.

Polttoaineen toimitus ja sekoittaminen

Myös pienissä mitta- ja sekoitusmomenttien massavirta on pienissä mitta-asteikoissa miinuskule, mikä edellyttää erittäin tarkkoja venttiilejä ja injektoreja. Nestemäiset polttoaineet eivät ehkä onnistu atomoimaan kunnolla, kun taas kaasumaiset järjestelmät kohtaavat haasteita yhtenäisten seossuhteiden saavuttamisessa. Mikromekaaniset järjestelmät (MEMS) teknologia tarjoaa polun, jossa on silikoni-etikkaiset mikroventtiilit ja sähköstaattiset ruiskutusjärjestelmät, jotka tuottavat polttoainetta tarkasti valvotuissa murtumissa. [ESA.ESA.s mikrogravity research platform[] on testannut MEMS-pohjaisia työntömoottoreita asemanpitosovelluksiin, validoinut niiden kyvyn ylläpitää johdonmukaisia työntövoimatasoja.

Lämpötilojen hallinta Compact-järjestelmissä

Miniatyyrirakettimoottorit tuottavat voimakasta lämpöä suljetussa tilavuudessa, ja ilman riittävää lämmönhallintaa komponentit voivat epäonnistua katastrofaalisesti. Samat skaalausvaikutukset, jotka haastavat palamisen, rajoittavat myös perinteisten jäähdytysmenetelmien tehokkuutta. Passiivinen säteilyjäähdytys on riittämätön pienissä mittakaltevuusasteikoissa johtuen korkeista lämpökaltevuusasteikoista ja rajallisesta pinta-alasta, mikä pakottaa insinöörit ottamaan käyttöön aktiivisia mikrojäähdytysstrategioita.

Mikrokanavaiset lämmönvaihtimet

Yksi lupaava ratkaisu on mikrokanavalämmönvaihtimien integrointi moottoriin. Nämä laitteet kierrättävät itse polttoaineen jäähdytysnesteen enint. Usein itse polttoaine on entuudestaan kanavaan kaiverrettu kymmeniä mikroneja leveä, jolloin lämpöä poistetaan polttokammion seinästä ennen kuin se saavuttaa kriittiset tasot. Tokion yliopiston tutkijat [ ovat osoittaneet regeneratiivisesti jäähdytetyn mikroruistimen, joka käyttää nestemäistä vetyä sekä polttoaineena että jäähdytysaineena, ja saavuttaneet vakaan toiminnan kammion yli 2000 K:n lämpötiloissa.

Lämpöresistanssimateriaalit

Kehittyneet materiaalit ovat myös välttämättömiä. Perinteiset superseokset eivät ehkä selviä mikromoottorin ja kurkkualueen yhdistetyistä lämpö- ja mekaanisista paineista. Insinöörit kääntyvät keraamisiksi matriksikomposiitteiksi (CMC) ja ultra-korkean lämpötilan keramiikka (UHTC), kuten zirkoniumdiboridi ja hafniumkarbidi. Nämä materiaalit pitävät yllä lujuutta äärimmäisissä lämpötiloissa ja tarjoavat pienemmän lämpölaajenemisen, mikä vähentää krakkausriskiä. Kuitenkin keramiikan yhdistäminen metallisiin polttoainejohtoihin ja tukirakenteet ovat edelleen valmistushaaste, joka edellyttää diffuusiosidonta- tai juottotekniikoita, jotka on kehitetty erityisesti mikro-populssijärjestelmiä varten.

Materiaali- ja valmistusrajoitukset

Miniaturization vaatii materiaaleja, jotka ovat paitsi lämmönkestävät myös kevyt, kestävä ja yhteensopiva mikro-valmistusprosessien kanssa. Miniature moottorin rajoitettu tilavuus jättää lähes mitään marginaalia rakenteelliseen murtumiseen, joten jokainen komponentti on optimoitava lujuus-painosuhde ja hiipiä vastus.

Keramiikka ja komposiittit

Keramiikka tarjoaa erinomaisen lämpövakauden, mutta ovat hauraita ja alttiita murtumille törmäyksessä tai tärinässä. Komposiittimateriaalit, jotka sisältävät hiilikuitua tai piikarbidikuituja keraamisessa matriisissa, voivat tarjota tarvittavan sitkeyden säilyttäen lämmönvakauden. []Saksan ilmailukeskus (DLR) mikrogravitaatiokokeilut[], tutkijat ovat testanneet komposiittikammioita, jotka vähentävät massaa 40% verrattuna metalliekvivalentteihin, vaikka valmistus monimutkaisuus ja kustannukset ovat edelleen este laajalle adoptiolle.

Lisäaine Kompleksi Geometrian valmistus

Lisäaineen valmistus (AM) on muuttunut pelinvaihtajaksi pienmoottoreille. Tekniikat, kuten selektiivinen lasersulatus (SLM) ja elektronisuihkusulatus (EBM), mahdollistavat monimutkaisen sisäisen jäähdytyskanavan, äärisuunnittimien ja integroitujen injektorien luomisen, joita ei voida koneistaa tavanomaiseen tapaan. AM mahdollistaa myös nopean prototyypin ja iteratiivisen suunnittelun, nopeuttaen kehityssykliä. Yritykset, kuten SpaceX, ovat edelläkävijöitä 3D-painetuissa rakettimoottorin osissa suuremmissa mitta-asteikoissa ja samoja periaatteita on mukautettu millikokoisiin työntövoimakoneisiin käyttäen mikro-SLM:ää, jonka jauhehalkaisija on alle 10 mikronia.

Testaus ja validointi mikropainovoimalla

Minirakettimoottorin suorituskyvyn varmistaminen siinä kunnossa, jossa se on suunniteltu .Mikrogravitaatio.Maatestaus ei voi toistaa kelluvuusvetoista konvectionia, nestekaasun rajapintojen ainutlaatuista käyttäytymistä tai kiertoradalla tapahtuvien polttoainesäiliöiden sisällä olevaa hydrostaattista painetta.

Laskeutumistornit ja Paraboliset lennot

Lyhyenkestoinen mikropainovoima voidaan saavuttaa pudotustorneilla ja parabolisilla lentokonelennoilla, mutta nämä alustat rajoittavat testiajat muutamaan sekunnien. Vakaassa tilassa tapahtuvissa polttokokeissa se on usein riittämätön lämpötasapainon saavuttamiseen tai pitkän aikavälin polttoaineen syötön vakauden arvioimiseen. [ Bremen Drop Tower[] tarjoaa 4,7 sekuntia korkealaatuista mikropainovoimaa, jota on käytetty pienoispotkurien sytytysdynamiikan tutkimiseen. Näiden tulosten skaalaaminen kiertoradalle jää kuitenkin epävarmaksi.

Iterointiin tarkoitettu modulaarinen suunnittelu

Pienkoneen voi jakaa itsenäisiin osajärjestelmiin, polttokammioon, suuttimeen ja lämmönhallintaan.Minikoneen toiminta on testattu ja optimoitu. Tämä modulaarisuus yksinkertaistaa myös kiertoradalla tapahtuvaa vaihtamista ja korjausta, mikä vähentää tarvetta koko mittakaavan uudelleenvalinnalle. Tutkija voi esimerkiksi testata kymmenen eri injektorigeometriaa pudotustornissa ennen parhaan yhdistelmän kokoamista lentovalmiiksi yksikköön. Tällaiset lähestymistavat on validoitu NASA.

Tulevaisuuden linjaukset ja kehittyvät teknologiat

Rakettimoottoreiden pienoiskoossa on vielä paljon tehtävää. Vaikka kemiallinen käyttövoima on ollut ensisijainen painopiste, vaihtoehtoiset propulsiomenetelmät ja uudet polttoaineet ovat saamassa vetovoimaa mikropainovoimasovelluksiin, joissa on vältettävä jopa pieniä määriä kontaminaatiota tai tärinää.

Mikro-Trustin sähkökäyttöinen käyttövoima

Sähköpotkurit, kuten ionimoottorit ja Hall-efektipotkurit, tarjoavat poikkeuksellisen korkean spesifisen impulssin ja erinomaisen työntövoiman. Miniotorisointiin liittyy omat haasteensa.Pääosin suurjännitetehon ja eroosiota kestävien elektrodien tarve.Mikrovalmisteisten ionioptiikka- ja keraamisten työntövoimakammioiden kehitys on kuitenkin kutistanut näitä järjestelmiä. 1 cm2 ionipotkuri voi nyt tarjota työntövoimaa mikronewton-alueella, joka on ihanteellinen pienten koealustojen tarkkuusasemille. Tutkijat Imperial College London :ssa ovat osoittaneet mikro-Hall-potkurin, joka toimii jodipolttoaineella, joka on tiheämpi ja helpompi varastoida kuin ksenon.

Hybridijärjestelmät ja vihreät potkurit

Hybridikäyttö, jossa yhdistyvät kiinteä polttoaineen vilja nestemäiseen tai kaasumaiseen hapettimeen, tarjoaa yksinkertaisemman kuristamis- ja uudelleenkäynnistyskyvyn kuin kaikki kiinteät moottorit, ja se välttää hypergoolisten nestemäisten ajoaineiden myrkyllisyyden ja käsittelyn. Vihreät polttoaineet, kuten hydroksyyliammoniumnitraatti (HAN) ja vähämyrkyllinen ioninesteet, on suunniteltu mikroruosteille, koska ne tarjoavat suuremman tiheyden impulssin kuin hydratsiini ja vähentävät turvallisuusvaatimuksia. []ESA:n vihreällä polttoaineella testataan tällaisia polttoaineita mikropaino-olosuhteissa, ja varhaiset tulokset viittaavat siihen, että ne voivat vastata tai ylittää tavanomaisten monopropellanttien suorituskykyä huomattavasti pienemmillä ympäristö- ja käsittelykustannuksilla.

Päätelmä

Pienoisrakettien pienpainovoimaa koskevat kokeilut ovat edelleen yksi vaativimmista nykyajan avaruustieteen tekniikkahaasteista. Hionnan vähentäminen, äärimmäisen lämmön hallinta, kehittyneiden materiaalien valinta ja valmistus sekä mielekkäiden testien tekeminen mikropainovoimaympäristössä vaativat kaikki uusia ja monitieteisiä ratkaisuja. Kuitenkin jokainen edistysaskel mikrotehostuksessa, lisäainevalmistuksessa ja laskentamallissa, visio pienistä, tehokkaista ja luotettavista mikro-propulsiojärjestelmistä tulee lähemmäksi. Nämä pienet moottorit eivät ainoastaan mahdollista uusien mikrogravity-kokeiluluokkien . Niiden avulla tutkitaan peruspolttofysiikan avulla kehittyneen materiaalin orgittiä.