תכנון ודרגת מערכות דחף עבור כלי רכב גדולים בחלל הוא אחד האתגרים התובעניים ביותר בהנדסת אווירו-מרחב המודרנית.כפי שחללית עולה בגודל ובמסה כדי לתמוך במשימות שאפתניות - כגון משלחות מאוישות למאדים, טלסקופים גדולים או מהנדסים עמוקים של תחבורה מטען חלל - מערכות הנעה מתפתחת חייבת להיות בקנה מידה בהתאם תוך שמירה על יעילות, אמינות ובטיחות.

חוקי סקרים בסיסיים במניעה

בלב מערכות דחף דרוגניות הן העקרונות הפיזיים השולטים בביצועים.ה-FLT:0thrust-to-משקל-to-משקל 1 של מנוע הוא קריטי: כמנוע גדל יותר, המשקל שלו בדרך כלל עולה עם קוביית הממדים ליניאריים שלו (כרך), בעוד שדרונות דחף עם הכיכר של המימדים (area) עבור עיצובים רבים.

(FLT:0) אימפולסים חומריים (Isp)Figal1) – מדד של יעילות מונעת – סובלים גם במנועי כימיים בקנה מידה גבוה עקב לחץ תאי הבעירה מוגברת ודרישות קירור.בעוד שמנועי גדולים יכולים להשיג לחץ גבוה יותר תאים, העומס התרמי והמבנה של הדיילת לעתים קרובות לא מספקים פשרות עיצוב כוח להפחית את Isp.

אתגרים חומריים וחיצוניים

חומרים טמפרדומים גבוהים

(המערכות החזקות הגדולות מייצרות חום קיצוני.טמפרטורת ההבעירה במנוע טילים נוזלי יכול לעלות על 3,000 מעלות צלזיוס (5400°F), הרבה מעבר לנקודה ההיתוך של רוב רכיבי ה- Engine כגון תא ההבעירה, גרון נושל, ו להבים טורבינות חייבים להיות מגניבים או מיוצרים מחומרים אקזוטיים מורכבים (Stecrelicre) אך אינם ניתנים להחלפה עם נפח החום שנוצר, הדורשים יותר קירור גבוה יותר, אך ורק מ-41 ליטרים (R) או ממתכת (Ricercrecrecrecrecrecrecrecrecrecrecrecrecrecrecrecrecre) הם מורכבים (מחדש) אך ורק מ-F) אך אינם בשימוש באופן מלא, אך ורק על ידי חומרים מורכבים (Rate) הם מ-Rate) אך ורק חומרים ממתכתיים (R.

מתח מכני ושומן

הכוחות בתוך מערכת דחף גדולה הם עצומים.לחץ של 10-30 MPa לייצר לחצים שיכולים לגרום להניב או עייפות לאורך זמן. Scaling מרכיבים מנועים מציג ⁇ מתח גדול יותר ופוטנציאל להפצת סדקים.העומס הגמלי העצום, הרטטים במהלך ההשקה, ואנרגיה אקוסטית מן הממצה את כל הלחץ.

עיצוב אור משקל Structural

(ב) לרכב חלל גדול, כל קילוגרם של מסת מנוע חייב להיות מוקרן על ידי נוקשות ועומס. הפחתה במשקל סטרקטיבית ללא אספקת כוח הוא חיוני.מהנדסים להשתמש FLT:0integral נוקשות (FLT:1, FLT:2honeycombbbofFLT 3, ו-FLT:4aldigal ייצור של תאים גדולים כמו גם מנועים מתקדמים, אך ורקמות גבוהה של ייצור.

ניהול תרמי במערכות גדולות

ניהול תרמי הוא אחד האתגרים המיותרים ביותר במערכות דחף דרוגניות.מנוע גדול מייצר חום לא רק בתא הבעירה, אלא גם בהפרעות, נושאים, וקירות נוזלים.ללא קירור יעיל, רכיבים נכשלים בתוך שניות.

  • (FLT:0) Regenerative קירורFLT:1: דחף מופצת דרך ערוצים בתא הבעירה ו nozzle לפני הזריקה, סופג חום. as מנוע עולה, אורך הנתיב הקריר גדל, המוביל טיפות לחץ גבוה יותר ופוטנציאל עבור רתיחה בערוצים הקרניים.
  • (FLT:0)סרט קריורפל 1 (FLT: 1) כמות קטנה של דחף מוזרקת לאורך קירות התא כדי ליצור שכבת מגן. Scaling מעלה את כמות הקרנית הסרט צורך, אשר מפחיתה את סך Isp.
  • (FLT:0)Radiative קירורFLT:1: עבור הרחבות נוזל ורכיבים רחוק מאזור ההבעירה, קרינה לחלל היא האפשרות היחידה.משטחים קורנים גדולים מוסיפים מסה ומורכבות. בחלל, חוסר זיהום הופך את קירור רדיואקטיבי פחות יעיל, כך מנועים גדולים עשויים לדרוש קרינה פורמולטורים עבור מערכות עזר.

רקטות תרמיות גרעיניות (NTRs) מציגות אתגרים תרמיים גדולים יותר, שכן הליבה הכור פועלת בטמפרטורות מעל 2,500 מעלות צלזיוס ודורשות דחייה נרחבת וחום. Scaling NTR כדי דחף גבוה דורש הליבה הכור גדול יותר עם אלמנטים דלק יותר, אשר מסבך זרימה קרירה ו נייטוטרינוניקה.

אחסון דלק ומשלוח

כלי רכב גדולים בחלל דורשים כמויות עצומות של דחף.עבור טיל כימי למאדים, השבריר ההמונית של הדחף יכולה לעלות על 80% מסך המסה הכולל של הרכב.

  • (FLT:0Cryogenic דחף ניהול ניהול:1 ; מימן נוזלי (LH2) וחמצן נוזלי (LOX) חייב להיות נשמר בטמפרטורות נמוכות מאוד (- 25 °C ו- -18 °C, בהתאמה) ככל שגודל הטנק עולה, משטח-area-to-volume מופחת, אשר מפחית שיעורי בית- off-offally. עם זאת, טנקים גדולים יותר הם לעתים קרובות יותר כדי לבודד את הגמישות שלהם (עבורת) ביעילות רבה יותר, 000).
  • (FLT:0) זחלים בלחץ שליטה על ההרחבה: ברכב גדול, מסה דחף יכול להשתנות במהלך תמרונים, המשפיע על יציבות.Swiosh baffles ו diaphragms להוסיף משקל. ניהול לחץ ב ullage הוא קריטי לשמור על ראש חיובי נטו (NPSH) עבור turbumopal up דורש גדול יותר ויותר לחץ מערכות לחץ או לחץ מורכב יותר.
  • (FLT:0) מערכות האכלה מתקדמות (Propellant Feed SystemsFLT:1: מנועים גדולים דורשים שיעורי זרימה בנפח גבוה. Turbopumps חייב לספין במהירות עצומה (עשרות אלפי RPM) כדי לספק דחף. Scaling a turbopump כדי להגדיל את קצב זרימת המטענים, חסימת אתגרים, סיכון של אריזות, לפעמים שימוש במשאבתים קטנים יותר או שלב נוסף לניהול מורכבות זו, אך מוסיף מורכבות זו.

מערכת ההנעה מסוגים לרכבים גדולים

המונחים: Chemical Propulsion

רקטות כימיות (licquid, היברידית או היברידית) מספקות את דחף גבוה הדרוש לשיגור ואסטנט פלנטרי.מנועי נוזל Scaling דורשים חוסר יציבות של הבעירה - בעיה ידועה לשמצה כי פגעה בפיתוח המנוע F-1.תאים גדולים יותר של דגנים יש יותר תקופות רסציה אקוסטית, מה שהופך אותם רגישים לחדירה של המנוע.

חשמלאי

דחף חשמלי (ion, Hall Effect, magnetoplasmadynamic) מציע Isp גבוה (1,500-5,000 שניות) אבל דחף נמוך מאוד. עבור כלי רכב גדולים בחלל, הגדלה של הנעה חשמלית לדחף גבוה יותר דורש רמות כוח עצומות - מאגאטים או ג'יגהוואטאטים.זה אומר שערכים סולאריים גדולים או כור גרעיניים.

הרשאה גרעינית (NTP)

NTP מציע קרקע בינונית: דחף גבוה יותר מאשר חשמלי גבוה יותר מאשר כימיקלים ( 850-1,000 שניות) Scaling NTP לרכב גדול דורש כור כוח גבוה (hunds של מגהוואט תרמי) רכיבי הדלק חייבים לעמוד בטמפרטורות גבוהות ונזקי קרינה.FLT:0NERVAFLT:1) תוכנית ב 1960s נבדק עד 1,100 שניות, אבל צורך עלייה בקנה מידה גבוה יותר של דלק (n) עבור ביצועים נמוכים יותר (n) אבל צורך יותר ויותר לחץ דם גבוה יותר עבור גודל נמוך יותר (מחץ נמוך יותר) 000) 000 000).

מערכת אינטגרציה ובדיקה

בדיקה של מערכת דחף גדולה על הקרקע היא קשה מאוד.מנועי בקנה מידה מלא לייצר זרמי מסה ממצה שיכולים לעלות על 1,000 ק"ג / , המחייבים מבחן ענק עומד עם טיהור ממצה מורכב, דיכוי אש והפחתה רעש.המרכז של FLT:0Stennis SpaceFLT:1 ו- Johnson Space Center יש בדיקות עבור מנועים עד 1 מיליון פאונד של, אבל גדול יותר עבור מנועים חשמליים קטנים.

מודלים Computational הפך חיוני. high-fidelity (FLT:0) דינמיקה נוזלית (CFD)cioFLT:1 וניתוח יסוד סופי (FEA) משמשים לחיזוי אי-ציות, העברת חום, ולחצים מבניים.עם זאת, סימולציות בקנה מידה גדול דורשות משאבים על-ידי חישוב, ואימות עם מבחנים בקנה מידה או רכיב הוא הכרחי לתאומות דיגיטליות וחיזוי כלים.

עלויות וכלכלה

פיתוח מערכת דחיפה גדולה היא מאמץ רב מיליארד דולר.הדוגמאות האחרונות - Raptor (SpaceX) ו-Be-4 (מקור כחול) - כל המעורבים מעל עשור של פיתוח.התעדות עוד יידרשו אפילו השקעות גדולות יותר.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

מפיצים מתקדמים

(ב) , (ב) ,(ה) ,(FLT:2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

FUUUS Propulsion

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אדריכלות: Modular and Distributed Thrust Architectures

במקום לבנות מנוע יחיד של הקולוסיאוש, מושגים מודרניים רבים משתמשים במנועי קטנים יותר במקבץ.גישה זו שימשה על שבתאי V (5F-1s) ו-N-1 (30 NK-15 מנועים) ניתוק מקטין את הנטל המדרג על כל רכיב, מציעה רדודה, וסימולפטפטפטציה של מנועים חשמליים רבים.

מסקנה

מערכות דחף סקלינג עבור כלי רכב גדולים הוא אתגר רב-ממדי המשתרע על פני חומרים מדע, תרמודינמיקה, דינמיקות נוזלי, הנדסה מבנית וכלכלה. המשפט מרובע-הלא-לינאריות בהבעירה וקירור פירושו שפשוט סקאלה עיצובים מוכחים היא לעתים נדירות אפשרית.התקדמות בחומרים עתירי-טמפרטורה גבוהים, ייצור, השקעה, זעקה ניהול מונע, מושגים חדשים ומניעה (נתיבים), כגון ניסויים חשמליים, עלולים, כמו גם על ידי פיתוח חשמלי, עשוי להיות משמעותי, כמו ניסויים עתידיים, אך ורק על ידי פיתוח אווירי-ידי התפתחותיים, גמישים, אך ורק על-ידי התפתחותיים, גמישים, כמו גם מודלים מתקדמים.

(ב) ◄ ⁇ ⁇

  • [ה]המאה ה-1] – ההרחבה הגרעינית של ה-Normal Propulsion MapveFLT:1
  • (ב) ESA - חשמלאי עופרת מחדש
  • (ב) ◄0 (ה-AIAA Journal) – השפעות סקרינג במנועים נוזליים