הנדסה גבוהה של הדחף Cryogenic

כל רכב שיגור מקיף בשירות היום - בין אם הוא פלקון SpaceX 9, ULA וולקן, אריאן 6, או מערכת שיגור החלל של נאס"א - מתפרסים על מדחף מבוהג על שלבים הליבה שלה חמצן נוזלי (LOX) ומימן נוזלי (LH2), מאוחסן בטמפרטורות הרבה מתחת ל- 150 מעלות צלזיוס, לספק את הדחף הספציפי הגבוה ביותר זמין עבור רקטות כימיות, המאפשרות גיאו-לייטק, מעבר לטמפרטורות קרות, אך ורקמות, אך ורקמות, יש צורך בטמפרטורות גבוהות יותר, אך ורקמותקטיביות, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, כי הן יכולות לגרום לטמפרטורות קרות, אך ורקמות, לטמפרטורות גבוהות יותר, לטמפרטורות גבוהות יותר, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמותקטיביות, הן יכולות להתרחש, אך הן יכולות להתרחש, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, אך הן יכולות להיות טמפרטורות גבוהות יותר, אך ורקמות, עד כה גבוהות יותר, עד לטמפרטורות גבוהות יותר, אך ורקמות, אך ורקמות, הן יכולות להתרחש, אך ורקמותרפיות, הן יכולות להיות טמפרטורות קרות, הן יכולות להיות טמפרטורות גבוהות יותר, אך ורקמות

שילוב מערכות דלק מבוכות לתוך רכב שיגור הוא לא עניין פשוט של הצבת טנק בתוך מבנה. מהנדסים חייבים לנהל העברה חום, התכווצות חומרית, דינמיקות נוזליות, עומסים מבניים בו זמנית, לעתים קרובות תחת דרישות סותרות של מסה נמוכה ואמינות קיצונית. מאמר זה בוחן את המכשולים הטכניים העיקריים ואת החידושים המתמשכים המאפשרים רקטות מודרניות בבטחה לטפל נוזלים סופר-קרנים אלה.

מערכות הנטומנטציה של Cryogenic Propulsion Systems

מדחף Cry מוגדר על ידי נקודות הרהורים שלהם: חמצן נוזלי רותח ב -183 מעלות צלזיוס, מימן נוזלי ב -253 ° C. בטמפרטורות אלה, כמעט כל החומרים הנפוצים הופכים לבירה, חותמות מאבד גמישות, וכל דליפת חום גורמת לנפיחות מיידית.מערכת שיגור טיפוסית קליוגנית מורכבת מטנקים אחסון (לעתים משולבת כמרכיבים מבניים של הבמה), קווי העברה, שמפומה, משאבות, מדחף ברגע זהה, לחץ אווירי לחץ אווירי, או מכווץ, או מלחץ אווירי, יש צורך, לאחר מכן, לחץ אווירי לחץ אוויריעת, או לחץ אווירי, או מכווץ, לאחר מכן, לחץ אווירי, יש צורך להפעיל לחץ אווירי לחץ על ידי נוזל, או לחץ על ידי נוזל, או לחץ אווירי, או לחץ אווירי תיבות של לחץ אווירוגני, או לחץ אווירי, או לחץ אווירי, או לחץ אווירי תיבות של לחץ אווירי, יש צורך, או לחץ אווירי, או לחץ אווירי, מכיל, או לחץ אווירוגניבה, או לחץ אווירי תיבות של לחץ אווירוגני, מופעל, או לחץ על ידי נוזל, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, הוא מופעל על ידי נוזל מכווץ, לאחר מכן, לחץ אוויר

צפיפות האנרגיה של דלקים מבוהלים אינה תואמת. הידרוגן מספק 142 MJ / ק"ג כאשר נשרף עם חמצן, יותר מפי שניים האנרגיה של kerosene עם זאת, צפיפותו היא רק 71 ק"ג / m3, הדורשת גדול מאוד, מיכלי חמצן נוזלי הוא צפוף (1,141 ק"ג / m3) אבל עדיין דורש ניהול זהיר כדי למנוע החמצן באזור שמסביב, אשר יוצר התנגשות מימן הוא אסון; כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם, כמו גם, כמו גם, כמו גם כן, כמו כן, כמו גם כן, כמו גם, כמו גם, כמו גם, כמו גם, כמו גם, כמו כן, כמו גם כן, כמו כן, 141 ק"ל, כמו כן, כמו כן, 1 ק"ל, אם כן, מערכת ניקוי אלומיניום יכול להוביל אסון נפץ.

ניהול תרמי: לשמור על קור בעולם חם

אדריכלות אינסטלציה

קו ההגנה הראשון נגד חום insulation. Launch כלי רכב להשתמש בשכבות מרובות, מ insulation קצף ריסוס-און (SOFI, בדומה לזה המשמש את מיכל חיצוני של מעבורת החלל) ל בידוד רב-שכבות (MLI) עשוי לשנות שכבות של משקעים של חומר רפלקטיבי ומרחבי.הבחירה תלויה בסביבה: קצף מספק ביצועים טובים באווירה ומתנגד לשחיקה, בעוד MLITS בתוך משטחים קטנים, אך ורק על פני השטח.

גם עם בידוד המדינה- of-the-art, כמה גלי חום הוא בלתי נמנע. טנק רגיל LH2 עשוי לחוות שיעור רותח של 2–5% ליום על הקרקע, הדורש התחדשות מתמשכת או venting. במהלך ה- Ascent, חימום אווירודינמי יכול להציף את בידוד אם לא תוכנן כראוי.

מערכות הפעלה ו- Zero-Boil-Off

כדי להפחית את ה-Verre-off עבור משימות ארוכות טווח, מערכת קירור פעילה משמשת יותר ויותר. Cryocoolers, נפוץ בכלי לווייני, הם מוגדלים עבור יישומי שיגור.A אפס-boil-off (ZBO) מערכת להפיץ קירור Cryogenic בוכה באמצעות חילופי חום בתוך הטנק הראשי, הסרת חום ודכא היווצרות של vapor. NASAs Cryid Management (FM) הוא הוכיחהמרכז לבדיקות קרקעיות, נחשב לבדיקות קרקעיות חיוניות עבור c-C.

אתגר תרמי נוסף הוא stratification: החלק העליון של מיכל דחף גדול הופך חם יותר מאשר החלק התחתון בשל לחץ הידרוטי ודליפה חום דרך הקירות משטחים השמש.ללא ערבוב, השכבה העליונה יכולה להגיע לטמפרטורה רותחת בעוד החלק התחתון נשאר שקוע, המוביל ללחץ ספוי כאשר הרכב מאיץ ואת השכבות החמות.

אינטואיציה ובקרת לחץ

כמו דחפוט נפיחות, לחץ בתוך הטנק עולה.כדי למנוע קרע, טנקים מבוהלים מצוידים בשסתום הקלה כי vent גז overboard.עם זאת, venting פירושו לאבד דחף. עבור מיכל 100 טון LH2, אפילו כמה אחוזים מתרגמת ללא כמות של קילוגרמים של ביצועים אבודים. מהנדסים חייב לאזן בידוד המוני נגד ventlant, לעתים קרובות באמצעות מודלים אנליטיים ולהפחית את רמות של לחץ על מנת למנוע את רמות לחץ על מנת למנוע את רמות לחץ גבוה, כמו לחץ על מנת למנוע רמות לחץ על מנת למנוע גירוי, 000 של כלי רכבי לחץ על פני כדוריות, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של לחץ דם גבוה, 000, 000 של לחץ על מנת למנוע את רמות לחץ על מנת למנוע את רמות לחץ על מנת למנוע ניקוי גבוה, 000 של כלי רכב לחץ דם נמוך יותר, 000 של כלי רכב לחץ דם נמוך יותר, 000 של כלי רכב לחץ דם נמוך יותר, 000 של כלי רכב בלחץ גבוה, 000 של לחץ על מנת למנוע ניקוי נמוך יותר, 000 של כלי רכב בלחץ גבוה, 000 של לחץ על מנת למנוע חניכיים, 000 של כלי רכב, 000 של לחץ על מנת למנוע חניכיים, 000 של לחץ על מנת למנוע את רמות לחץ על מנת למנוע חניכיים,

אינטגרליות מתחת למתח Cryogenic

בחירה חומרית

כל חומר במגע עם נוזל Cryogenic חייב להישאר דוקטרי וחזק בטמפרטורות נמוכות מאוד. Quenched ומזג סגסוגת אלומיניום (למשל, 2219, 2195) הם סוסי העבודה עבור מימן וחמצן כי הם שומרים על חוזק רבנים ושבר קשה עד 250 מעלות צלזיוס, פלדות ללא תשלום (למשל, 304L21) משמשים עבור קווי חמצן וקווים תרמיים, אבל הם חזקים יותר כי הם עלולים מגנטיים מגנטיים גבוהים, אבל הם עלולים מגנטיים, במיוחד, אבל הם חזקים יותר, אבל הם עמידים מגנטיים מגנטיים מגנטיים.

החוזה החריף

כאשר טנק קריר מ- 253 ° C, הוא מתכווץ על ידי כ 0.4% בכל הממדים. עבור טנק קוטר של 10 מטר, כלומר 40 מ"מ של התכווצות קורנת. תנועה זו חייבת להיות מאוישת ללא תמיכה מופרזת, קווים, או מבנה צמוד. התכווצות בין חומרים מטבוליים - לדוגמה, מיכל אלומיניום וחצאית מורכבת - יש צורך גמיש, פעמונים, או מכווץ, תוך כדי פעמונים משמעותיים.

עייפות ו Fracture

כלי רכב שיגור חווים מחזורי טמפרטורה חוזרים: קירור, להחזיק בטמפרטורה Cryogenic, חם עד לאחר טיסה, ואולי שימוש חוזר עבור הממריצים כמו פלקון 9. כל מחזור גורם ללחץ תרמי שיכול לנקב סדקים, במיוחד ב Welds, flanges, וחדירה. Fracture משמש כדי להגדיר מרווחי בדיקה ודרישות קשיחות חומריות.

Cryogenic Fluogenicid Dynamics and Transfer

משאבות וקפאה

קבלת הדחף מהכלי למנוע בשיעורי זרימה גבוהים (המכונים ק"ג / s) תוך שמירה על נוזל זה משימה בלתי אפשרית. טורבומפs חייב להיות נועד למנוע קוויטציה - היווצרות של בועות vapor עקב לחץ נמוך על המזרק או על מתכת "התחתוך" (Cavitation s stoltolt) לפני הפעלת מנועים ראשיים (במטר) או לחץ על מנת להגביר את נפח ה-ה) כדי להגביר את ה-ה.

Valves ו- Seals

כל שסתום השולט בזרימת Cryogenic חייב לפעול באופן אמין בקור קיצוני דרך מחזורים רבים.סומים Solenoid, כדור שסתום, ושסתוםי פופפט נפוצים, אבל הם חייבים להשתמש בחומרים שישמרו על גמישות קיצונית - כגון elastomers פלואורופחמי או חותמות מתכת מעיינות באביב (K-seals, C-seals) הם prescribed ב טיפות סטנדרטיות לדקה, אבל עבור מימן, כדי להפחית תפקוד כפול, גם את תפקודים, עם תאים חשמליים (דלקתיים), עם תאים חשמליים).

צ'ילה ומילוי תהליכים

לפני שכל Cryogenic מלא זה חייב להיות קריר לאט כדי למנוע זעזוע תרמי ולהימנע מזרימה מוגזמת שתי-phase. הליך טיפוסי כרוך helium קר או Cryogenous לתוך הטנק הריק, ואחריו טריק של נוזל כי הבזקים גז עד המתכת מגיע ליד טמפרטורה מבוזרת. רק אז יכול גבוה למלא את הזרם הדו-phase במהלך לאחור יכול לייעל את הדינמיקה של נוזל אפילו רצף נוזל (Crosttompic) ו-Frosstotancetation) כדי למלא את הטמפרטורה חישובית.

במהלך ההשקה, את הדחף חייב להיות נשמר ללא גירוד. a geyser מתרחשת כאשר בועות vapor בקו התמוטטות קו אנכי, משרטט את העמודה הנוזלית בחזרה עם כוחות גבוהים. Antigeyser, כגון "standpipe" המאפשר vapor לברוח למעלה, הם נפוצים במערכות LOX.

תמיכה ואינטגרציה בטיחות

טעינה בולטת וסגנית

על המשחתת, טעינה בוכה היא פעולה כוריאוגרפיה בקפידה.מתקן אחסון הקרקע (לעתים קרובות כדור המכיל עד מיליון ליטר) להאכיל את הרכב באמצעות צינורות נגני אבק-מטופש.תהליך הטעינה משתמש קצב מילוי "מרוצה" שמתאים ליכולת של המכונית לטפל בזרימת חמצן אוטומטית, עד לדרגה של 2 פעימות, לחץ הטנק עולה תחת פיקוח באמצעות מ"מ"מ מימן, ומשך 9 שניות כדי להק לאחור, עד ל-Tomus, למשך 2 שניות, כדי לחץ פתאומי, עד לדלקת חמצן למשך 2 שעות.

בטיחות חמצן

חמצן נוזלי עצמו אינו ניתן לחול, אבל הוא תומך בבעירה.כל חומר אורגני – רפי, שמן, אפילו בגדים – יכול להצית באלימות באווירה עשירה בחמצן.תהליכי ניקוי עבור מערכות LOX הם נוקשים מאוד, וכל הרכיבים חייבים להיות "נקייה" חמצן מגיב גם עם מתכות רבות בלחץ גבוה, גרימת שריפה ופיצוץ אם מערכת דוליפה מתרחשת עם חומרים לא תואמים (מדבקות), ניקוי, ניקוי קפדני).

סוללות מימן

הידרוגן הוא המולקולה הקטנה ביותר והדלפות באמצעות פערים מיקרוסקופיים, עובר התגלמות מימן בפלדות גבוהות סטרנגות.עבור LH2, ננודות נבדקות עם ספקטרום המוני הליום, וכל החותם חייבים להיות נרקבים ואקום או מטוהרים עם גז לא מוכר.הטמפרטורה הנמוכה גם עושה את המיזוג סביב, ויוצרת ענן גלוי וסיכון של החמצן הסגור קרוב לשיטות העקומה.

חידושים שמציינים את העתיד

⁇ Multilayer ו Foams

לוחות בידוד ואקום חדשים ושמיכות מבוססות אווירל עד 0.2 מ"מ עובי מציעים מוליכות תרמית נמוכה יותר מאשר מסורתי MLI. עבור שלב העליון של המחקר, נאס"א מפתחת "קצף מבנים" עבה כי חוב לקיר הטנק, חיסול כיסים עבור הצטברות מימן.המטרה היא בידוד משולב ומבנה אשר מפחית גם את המורכבות של הרתיחת וגם ייצור.

Zero-Boil-Off (ZBO) Systems for Space

המעבר לכיוון של דלק בחלל וירח מורחב נשאר צורך ZBO. Cryocoolers המסוגל להסיר עשרות וואט ב-20 K הוכחו במסלול (למשל, על המשימה CryoCube) אינטגרטור חום ZBO בתוך מיכל גדול ללא תוספת מסה או הצגת נתיבי דליפה מוגזמת הוא אזור פעיל של חקר החלל X, אשר משתמש גם הוא קירור על פני השטח פעיל, כדי להמשיך להשתמש חמצן פעיל.

Composite Over עוטפת לחץ וסרסל (COPV)

COPVs משמשים נרחב עבור helium Pressurant ויכול להיות מותאם עבור שירות Cryogenic עם חיזוק פחמן-פיבר מתכת או פולינרית.הפגזים הדקים, גבוה סטריאנס מציעים חיסכון המוני משמעותי, אבל רכיבה תרמי יכול לגרום microcracking in the eram.עבודה אחרונה עם פרויקט פוליimide riup מורכב הראה הבטחה עבור טנקים Crysousable נאס"א / xkation של נאס"א x2Ded בהצלחה (D) של קוקאין לחלוטין.

ניטור בריאותי (SHM)

כדי לזהות סדקים, דליפות, או השפלה לפני שהם הופכים קריטיים, מהנדסים הם הטמיעו חיישני סיבים אופטיים וחיישנים פליטה אקוסטית לתוך קירות טנקי Cryogenic. חיישנים אלה יכולים למדוד טמפרטורה, מתוח, נוכחות זוה של Cryogen בזמן אמת.SHM חיוני עבור כלי רכב הניתנים לחזרה, שבו אותם טנקים לטוס פעמים רבות ויש לבדוק במהירות בין שיגורים של נתונים ממכוניות טיסה כבר מתוכנתים יותר מדויק יותר ולהפחית זמן.

אדריכלות רכב חדשה

עיצובים של טילים כמו ה-FLT:0.25SpaceX StarshipFevolved:1 ו-FLT:2ULA וולקן FLT 3 , 3 דרישות גדולות יותר על מערכות מבוכות משותפות (דום בין חמצן לטנקים מתאן / מלגן) ועל ידי דרישה ארוכה על רצף רב של צרבת.

מסקנה

הנדסת מערכות דלק מבוכות היא משמעת שנוגעת כמעט בכל ענף של טכנולוגיית חלל: מדעי תרמי, דינמיקות נוזליות, חומרים, מכניקה מבנית ואבטחת מערכות.כל רכב שיגור חדש דוחף את הגבולות של מה שניתן, דורש פחות מרתף, טנקים קלים יותר ורכיבים אמינים יותר של נאס"א: כצעדים לקראת ארכיטקטורות ניהולית מלאה ומרחב ארוך של תפוצה, שילוב של מערכות זעקה נמוכה יותר, כולל אתגרים מהירים ופתרונות מהירים יותר, כולל פתרונות קירור של טילים ופתרונות מתקדמים של טילים ופתרונות מורכבים, כולל פתרונות מדויקים יותר, כולל פתרונות מדויקים של מאדים.