הקדמה: הדרישות הייחודיות של הדחף המידי

תכנון מנועי פעולה בתנאים האטמוספריים של מאדים מציג קבוצה של אתגרים ייחודיים למהנדסים ולמדענים שונים לחלוטין מכל דבר שנקלע לכדור הארץ, בניגוד לכוכב הלכת שלנו, למאדים יש אווירה דקה המורכבת בעיקר מפחמן דו-חמצני, עם פחות מ-1% מהלחץ האטמוספרי של כדור הארץ, דבר שמשפיע באופן משמעותי על האופן שבו מנועי הנטורינג של מערכות, לתפקד בסביבה זו.

אתגרים מרכזיים בעיצוב מנועים למאדים

לחץ אטמוספירי נמוך ומבנה

לאטמוספירה של מאדים יש לחץ על פני השטח של 6 מ"מ (0.087 psi), בהשוואה ל 1013 מ"מ של כדור הארץ בגובה פני הים, לחץ נמוך מאוד פירושו שמנועי סילון מסורתיים או כל מנוע אווירי המיועד לכדור הארץ לא יכולים לתפקד.

השלכות על הדבקה

גם אם מנוע נושא חמצן משלו, הלחץ הנמוך משתנה דינמיקת הלהבה.יציבות הלהבה הופכת קשה יותר לשמור, ואת התנהגות התפשטות הגז הממצה שונה כי הלחץ האחורי של הסביבה הוא כמעט אפס.זה יכול להשפיע על עיצוב נוזל ואימפולס ספציפי. מהנדסים חייבים מודל תא הפסקת אש לתנאי ריק דמויי אבק, הדורשים דינמיקה חישובית שונה (CFD) גישות לבדיקות טמפרטורות נמוכות על פני כדור הארץ, כמו גם לחץ נמוך.

קישור חיצוני: Mars Atmosphere

(FLT:0) כרומוזום מאדים של נאס"א עובדה שרטפל (SheetFLT) 1:1 מספק נתונים מפורטים על הרכב ועל שינויים בלחץ על פני פני השטח מאדים.

טמפרטורה קיצונית

מאדים חווה שינויים בטמפרטורה קיצונית, מנמוכים של 195 ° C (-319 ° F) בקוטבים במהלך החורף ועד גבוה של כ-20 מעלות צלזיוס (68 ° F) ליד קו המשווה בשעות היום.אפילו בתוך יום אחד של מאדים (סול), טמפרטורות פני השטח יכולות להתנדנדנד מ +20 מעלות צלזיוס ל- 80 מעלות צלזיוס.

  • (FLT:0) התרחבות וצמצום 1 של רכיבי מנוע, המוביל לעייפות, אי-צדק וכישלון פוטנציאלי של חותם ומפרקים.
  • (ב) ⁇ :0) ,בכוח חומרים בטמפרטורות מבוכות - metals כמו פלדה יכול להיות מתפתל, במיוחד אם התגלמות מימן היא דאגה.
  • (FLT:0)Fuel ו-oxidizer אחסון אחסון oxidizer:1 ;) יש לשמור על חמצן נוזלי (LOX) מתחת ל-18 ° C, אך אם הטמפרטורה הממוקדת היא הרבה יותר נמוכה, בידוד הופך קריטי למניעת הקפאת נוזלים אחרים (כמו מתאן, הקפאה ב- 182.5 ° C).
  • (FLT:0) מערכות ניהול נמרץ 1FLT יש לתכנן כדי לשמור על רכיבים קריטיים בטווחי טמפרטורה תפעוליים, לעתים קרובות דורש חימום פעיל או קירור, חומרי שינוי שלב, או צינורות חום.

מערכות ניהול תרמיות מיוחדות הן חיוניות כדי להבטיח אמינות ובטיחות במהלך זמן ארוך של משימת מאדים.לדוגמה, מנועי המעבדה של מאדים השתמשו בשילוב של תנורי חימום ו בידוד כדי לשמור על מערכות הנעה בטמפרטורות בטוחות במהלך השייט וההפליאה.

קישור חיצוני: נתוני טמפרטורה ממאדים רוג'רס

(FLT:0) נאס"א של תחנת מזג האוויר של נאס"א (Roverance Station) 1:1 מספק נתונים טמפרטורה כמעט בזמן אמת ולחצים של ג'אז אפס Crater, הממחיש את הקיצוניות התרמית היומית.

אבק וקורוזיה

האבק המורד, המורכב חלקיקים סיליקים דקים עם תוכן גבוה של תחמוצת ברזל (סליחה מאדים צבע אדום שלה), יכול לחדור רכיבי מנוע, גרימת לביבש וקורוזיון.האבק הוא טעון אלקטרוסטטי, מה שהופך אותו דבק על פני השטח.זה יוצר אתגרים מרובים:

  • (ב) ⁇ :0) ,בכוח של העברת חלקים 1 (ב) - טורפים, שסתום, וזרקות יכולים לסבול מלבוש מהיר אם אבק נכנס למערכת.
  • (FLT:0Corrosion from reactive תרכובותFLT:1) אבק מכיל perchlorates (ClO4-) שהם חמצון מאוד ויכול להגיב עם חומרים מנועים, במיוחד כאשר משולב עם לחות (שמתרחשת באופן קבוע על מאדים).
  • (ב) ,0) , פיזור קרקעי (FLT) 1 - תעשייה יכולה להתפשר על החותם שנועדו לשמור על גזי הבעירה ומזהמים.
  • (FLT:0)Optical ו- חיישן המפרשים את 1:1) – התעשייה יכולה לחבוש חיישנים ומצלמות הדרושים לניווט ולנטרול מנוע.

תכנון מסננים ומערכות חותם הוא חיוני לשמור על שלמות המנוע על משימות ארוכות.תוקפנות של אבק במהלך סטארט-אפים המנועים וסגורות, כאשר הלחץ שונה הם גבוהים, הוא סיכון מסוים. ארצ'רים עתידיים וכלי רכב ריכוז יצטרכו אסטרטגיות הקטנת אבק חזקות, כגון מחסנים מעבדה, תחמוצת לחץ, ומסננים רגנרטיביים מחדש.

ארכיון תגיות: Mars Dust Properties

(ב) סקירה של נאס"א על אבק המאדים 1 בינואר, מסבירה את התכונות הפיזיות והכימיקליות שהופכות אותו לבעייתי עבור ציוד.

אתגרים קריטיים נוספים

גידול נמוך ואפקטו על עיצוב הנטועה

למאדים יש כ-38 מכוח הכבידה של כדור הארץ.זה משפיע על עיצוב המנוע בכמה דרכים: כוח הכבידה התחתון מפחית את הכוחות על מבנים, אבל זה גם משנה את ההתנהגות של נוזלים בטנקים ומערכות להאכיל מונעים.

חוסר ב- In-Situ Oxidizer ודלק

בניגוד לכדור הארץ, שבו חמצן זמין בחופשיות באווירה, מאדים מציע רק פחמן דו חמצני. עבור מנועי מבוססי הדבקה, הן דלק וחמצן מתנוסס חייב להיות מועבר מכדור הארץ או מיוצר בתוך תהליכים כמו Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization (RU) הניסוי המכונה דחף באופן דרסטי את מערכת החמצן (SRU) ו-MOX הוכיח את היכולת לייצר חמצן מהאווירה מאווירה מיתנית באמצעות קומפקטית הגנה עצמית, כגון מנוע פחמן, אשר עשוי לספק כוח מכני, עם מנוע חמצן יעיל, אשר יכול לספק כוח מכני, עם מנוע הגנה מוצק, עם מערכת הגנה עצמית, עם מנועים, עם מנועים, עם מנועים, עם כוח מכני, כגון:

Power Generation for Non-Combustion Engines

מערכות הנעה חשמלית, כגון משחתים או משחתות של יון, מבטיחות ליישומים של מאדים כי הם לא דורשים חמצן אטמוספירי, עם זאת, הם זקוקים לחשמל משמעותי, בדרך כלל מפאנלים סולאריים או מקור גרעיני.על מאדים, כוח סולארי הוא פחות אינטנסיבי (כ-43% מכדור הארץ עקב מרחק) וניתן להפריע לסערות כוח גרעיניות למשך שבועות.

תקשורת ובקרת עיכובים

עם עיכוב של זמן אור עגול של 8 עד 40 דקות, ניתוח מרחוק בזמן אמת של מנועי מכדור הארץ הוא בלתי אפשרי.מנועי חייב להיות אוטונומי מאוד, עם מערכות בקרה על הסיפון שיכול להתמודד עם תקלות ולהתאים פרמטרים בזמן אמת. זה מציב דרישות מחמירות על חיישנים, אקטוטורים ואמינות תוכנה.כל רצף הפעלה מנוע, התאמה תמה, או החלפה חייב להיות preprogramed מראש והוצאה להורג ללא בדיקות אנושיות הוא מאתגר מאוד, כי הוא לחץ כבד של כדור הארץ הוא מאתגר מאוד, כי הוא מאתגר מאוד, לחץ גוף כוח הכבידה נמוכה מאוד, הוא לחץ אנושי, כי הוא מאתגר מאוד, כי הוא לחץ נמוך מאוד, לחץ גוף כוח הכבידה.

פתרונות חדשניים וכיוונים עתידיים

כדי להתגבר על האתגרים הללו, חוקרים וסוכנויות חלל בוחנים מגוון רחב של פתרונות חדשניים.העשורים הבאים צפויים לראות שילוב של טכנולוגיות החלות בהתאם לשלב המשימה - הרס, נחיתה, פעולות פני השטח ועלייה.

In-Situ Resource Utilization (ISRU) Engines

הגישה הטרנספורמציית ביותר היא לייצר דחף על מאדים עצמו.ניסוי של נאס"א, כאמור, הפיק חמצן מ- CO2. גרסה בקנה מידה יכול למלא מיכל עם חמצן לרכב ריכוז. בדומה, מתאן יכול להיות מיוצר על ידי שילוב מימן (ממושך מקרח) עם פחמן דו-חמצני.

המונחים: Mars Ascent Vehicle (MAV)

MAV, חלק מרכזי של קמפיין החזרה של נאס"א מאדים, הוא רקטה קטנה כי להרים דגימות משטח מאדים למסלול.זה עומד בפני כל האתגרים שנדונו: לחץ נמוך, אבק, קיצוניות טמפרטורה, ואת הצורך של פעולה אוטונומית.עיצובים הנוכחיים משתמשים בשני שלבים מוצק או היברידית, אבל בעתיד MAVs עשויים להשתמש במנועי methane-oxygen שניתן לתדלוק מחדש מ- ISRUFIRR: 1.

חשמל ופלסמה Propulsion

מנועים המופעלים מבחינה חשמלית שאינם דורשים חמצן אטמוספירי הם אטרקטיביים עבור כוונונים לטווח ארוך או משימות מטען למאדים. Ion דחף להשתמש בשדות חשמליים כדי להאיץ את הסטיות, השגת דחף ספציפי גבוה (אלפי שניות) אבל דחף נמוך מאוד.האפקט הול מציע קרקע בינונית.

גירוש גרעיני

(NTP) שימוש בכור גרעיני לדחף מימן חום, אשר לאחר מכן מתרחב דרך נוש לייצור דחף. NTP מציע בערך פי שניים את הדחף הספציפי של רקטות כימיות ניתן להשתמש הן עבור מעבר למאדים והן פוטנציאלי לריכוז אם הכור קומפקטי מספיק.האתגרים העיקריים הם המסה של הכור והמגן, כמו גם טיפול מימן (אשר קשה בשל מחסנים נמוכים ונקודת הרדאר של נאס"א) הוא נמוך יותר לכדי פיתוח של פחמן נמוך של פחמן (DDR).

חומרים מתקדמים עמידים לטמפרטורות קיצוניות ואבק

חומרים חדשים הם קריטיים עבור עמידות המנוע.דוגמאות כוללות מטבוליות קרמיקה (CMCs) עבור להבים טורבינות עתירי זמן גבוהה, superalloys עם ציפויים עמידים חמצון, ואת החותם העצמי-healing עצמי. עבור הקטנת אבק, החוקרים מחפשים ציפויים הידרופוביים המונעים הדבקה חלקיקים, הסרת אבק פעיל באמצעות שדות אלקטרוסטטיים, ומטמים אופטיקה כי הם בקלות חיתוך מגנטית (ד) כי הם יכולים להפחית את נוגדי חמצון מגנטיים מגנטיים (דנציה נמוכה) כי הם נוגדנים מגנטיים).

מערכות ההנעה ההיברידיות

שילוב טכנולוגיות מרובות יכול לזרז חולשות בודדות.לדוגמה, מקרקעין עשויים להשתמש ברקטה היברידית (דלק פתור עם נוזל חמצון) כי הוא פשוט ויכול להיות מאוחסן לתקופות ארוכות.או שילוב של נטייה חשמלית לשילוב של ההנעה למסלול ומנוע כימי לנטייה.מעבדת מדע מאדים השתמש בשלב עלייה קרנית עם דחף hydrazine - פתרון מוכח אך לא ניתן למדידה של פתרונות גדולים של Bluenertling-x, עם מנועי פחמן עמוק של מאדים, או מ-x, עשויים להשתמש במנועי שטח.

מסקנה: The Path Forward

ככל שהטכנולוגיה מתקדמת, הפיתוח של מנועי אמין המסוגלים לפעול ביעילות בסביבה הייחודית של מאדים יהיה חיוני לחיפוש עתידי ולמאמצים של סיבולת אפשרית.תגברות על אתגרים אלה יפתח גבולות חדשים לנוכחות האנושות מעבר לכדור הארץ.העבודה שנעשתה כיום על ISRU, נטיות גרעיניות, דחף חשמלי, וחומרים מתקדמים לא רק אקדמיים - הוא משולב במושגים של משימות שיכולות לשגר בתוך העשור הבא - לחץ אווירי, איטי, עלול להוביל אותנו לטמפרטורות חשמליות, ואוויריות, באמצעות אטומיות, ואוויריות, עלולות, עלולות, עלולות, למולכותרות, למול אוטונומיה מקומית, ואוויריות, ואוויריות, ואוויריות, הן יכולות להיות משולבות, הן יכולות להיות משולבות, ותעשיות מתקדמות, הן יכולות להיות משולבות, הן יכולות להיות משולבות, ואוויריות, ואוויריות, הן יכולות להיות משולבות, דרך טכנולוגיות טבעיות, ואוויריות, הן יכולות להיות משולבות, ואוויריות, הן יכולות להיות משולבות, באמצעות אטומיות, ואוויריות, הן יכולות להיות משולבות, הן יכולות להיות משולבות, הן יכולות להיות משולבות, הן יכולות להיות משולבות, וטכנולוגיות מהירות, הן יכולות להיות משולבות, הן יכולות להיות משולבות, הן יכולות להיות משולבות, ואוויר