הנדסה של מערכות העברת דלק קריוגנית למשאבי דלק במסלול

הנדסה של מערכות העברת דלק Cryogenic עבור In-orbit Reדלק

דלק חוזר In-orbit עבר מהרעיון של סיבולת לצורך מבצעי לטווח קצר.הרחבת חיי השירות של לווינים, המאפשרת כוונונים מקיפים, ותמיכה במשימות עמוק בחלל הכל תלוי ביכולת להעביר אתגרי החלל בדלקים Cryogenic - נוזלי מימן, חמצן, וממתאן - יותר מהאימפולס הספציפי הגבוה ביותר של כל גורם כימי, אך בניגוד לטמפרטורות נוזליות קיצוניות (Kiricial) הן יכולות להיות קשות לטיפול בטמפרטורות נוזליות.

הפיזיקה הייחודית של המפיצים ה Cryogenic בחלל

דגני בוקר קיימים בטמפרטורות רחוק מתחת לסביבה הממוקדת בתוך חללית או תחנת דלק. בחלל, ללא השפעה ממתינות של אווירה, קרינה תרמית חימום סולארי לשלוט עומס חום. מימן נוזלי מתיחה בערך 20 K, חמצן נוזלי ב 90 K, ונוזל מתאן ב- 112 K, אלא אם כן ההבדל בין הטמפרטורות הללו לבין קיר הפנים של 300 K של אחסון לא מחוספס יוצר קבוע חנקן קר.

מיקרוגרפי מסבך עוד יותר את העניינים.על פני כדור הארץ, כוח הכבידה מפריד בין נוזל וחוספס בבירור: נוזל אוסף בתחתית טנק, vapor בחלק העליון.בכיוון, מתח פני השטח וכוחות רטובים הופכים דומיננטיים.ללא מכשירים ניהול דחף (תופעות PMD) - בדרך כלל כונני, ספוגים או מסכים - מהנדסים אינם יכולים למקם באופן אמין את הטנק החוצה 2-phase בקווים זורמים מוצלח, ולהפחית את רמות הפחתת לחץ בלתי צפויות, הוא בדרך כלל, ולהפחית את רמות לחץ, או לחץ יעיל.

אתגרים הנדסיים מרכזיים

ניהול תרמי ו-Boil-off

האנתרופולוגיה המתמדת ביותר של דחף Cryogenic היא חום.ללא קירור פעיל או בידוד מעולה, מיכל של מימן נוזלי יכול להרתיח כמה אחוזים של המסה שלה ליום.עבור חודשים או שנים (כגון מעבר למאדים), רתיחה הופכת למיסיון המשימה עבור מהנדסי ZLCD (MLI), מגן ריק-cooled, וזעקה פעילה עבור קשקשים של ZObcfcretcret) הוא נמוך (Dcupal-Op) אשר משמש רצפה של רצפה של ריצוף חום (Dct) הוא אפסית (Doutcfct) הוא אפסית (D) הוא אפסית (Doutcfct) הוא נמוך (Dcfct) הוא שימוש במטר (Dct gLTD) הוא אפסית (Dout) הוא שימוש במטר (Dol-Folt golt golt golt) הוא שימוש במטר (מחץ ריקבון קטן (מחץ ריקבון קטן (מחץ ריקבון) הוא נמוך יותר מחץ חום (מחץ חום (מחץ 1Bol-Fol-Folt) הוא ⁇ t) הוא ⁇ t) הוא שימוש בקט

מניעת Leak ו- Seal Integrity

נוזלים Cryogenic יש מאוד נמוך לחץ גבוה, כלומר אפילו דליפות מיקרוסקופיות יכול לגרום לאובדן דחף משמעותי. Seals חייב לפעול על טווח טמפרטורה עצום - מטמפרטורות מבוכות במהלך מילוי (או גבוה יותר) כאשר ריק - וחייב לשרוד שיגור רטט ורכיבה תרמית חוזרת על ידי מתכת פעמונים, eomeric Orings מיוחדים עם חום זמני נמוך, תרכובות מימן ונוכל אלה הם מוכימות על ידי מחזור גבוה יותר:

ניהול פלויד במיקרוגרפי

(הופנה מהדף טואלט-ג דורש שליטה זהירה של ממשק נוזלי-האפורה (נוזלים) אם שני הטנקים מאולץ לשווי לחץ, vapor יכול לסווג את השלב הנוזלי אם נעשה שימוש בהעברה בלחץ של ה- 3DVicola) כדי ליצור כלי נזילה נוזליים ו- 1Folating כדי ליצור באופן פעיל: 4Folating (מתקני ניקוי) ל-Followerlium (מפרקים) ל-Folating) כדי לספק את ה-Folating: 4, 4, 4Folating) ל-Folating:

צ'ילה-למטה-No-vent Fill

לפני שניתן להעביר את הנוזל, את קווי הטנקים וההעברה יש להתקרר מטמפרטורה גמישה עד למצבים בוהוגניים. על פני כדור הארץ, זה נעשה על ידי היכרות איטית של נוזל ומאפשר evaporation פלאש כדי לקרר את החומרה, venting את גלן ה-Valfing הוא בלתי רצויה בגלל שה-Fight דוחף את החללית (מדחף לא רצוי) ובגלל שהוא מבזבז את הפתרון הזה הוא מרוקן: 0Fight) הוא בלתי רצוי, הוא בלתי רצוי, ללא הפרעה: 1Fvt, הוא פתרון זה הוא מחץ, 000: 0.

מערכות ניהול ו בידוד

העיצוב של מיכל אחסון Cryogenic בחלל הוא למעשה בעיה הנדסית תרמית.כל טיפוסי עבור מימן נוזלי עשוי להיות מעטפת אלומיניום פנימי (לכוח בטמפרטורה Cryogenic ומסה נמוכה) מוקף בעשרות שכבות של MLI - aluminized Mylar או Kapton מופרד על ידי Dacron נטוting. בין מיכל ומאלי, מגן ריק (VCS) תנורי חימום ושימוש ב-fcoffrefcreus de la ; 000 מוגבל של קירור, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מוגבל, 000 מוגבל, 000, 000 מוגבל, 000 מוגבל, 000, 000 מוגבל, 000 מוגבל, 000, 000, 000, 000 000 000, 000, 000 000, 000, 000, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 זמין עד כדי מחסנים משמש מחסנים זמין עד כדי מחסנים, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 זמין עד כדי מחסנים זמין, 000 000 000 זמין, 000 זמין, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

Zero-boil-off Technologies

מערכות Zero-boil-off משלבות שמיכה פסיבית עם ראש קר של Cryocooler פעיל שמוציא מספיק חום כדי לשמור על דחף בטמפרטורת השכונה שלו ללא נפיחות נטו.ראשו הקר של ה Cryocooler רכוב ישירות לקיר הטנק או לאוטובוס תרמי כי גם קירור של אחסון מחסנים ארוכים הם משמעותיים: 100 m3 מימן (מטווח 7) עשוי להיות מוגבל של חשמל חם, אבל לא יכול להיות מוגבל של נפח סולארי, אבל הוא יכול להיות מוגבל של נפח אווירי, אבל הוא רק עבור נפח חשמלי ארוך (R) קשה יותר, אבל הוא דורש נפח אווירי של 5B5) קשה יותר, 000 ליטר, 000 ליטרים, אבל הוא יכול להיות מוגבל של חשמל כהה, אבל הוא יכול להיות מוגבל של נפח חשמלי ארוך, 000 ליטר, 000 ליטר, אבל הוא יכול להיות מוגבל של נפח אווירי, 000 ליטרים, 000 ליטרים, 000 ליטרים, 000 ליטרים, 000 ליטרים, אבל יכול להיות דורש קירור ארוך, אבל יכול להיות מוגבל של נוזל ארוך טווח קשה יותר, 000 ארוך, אבל יכול להיות מוגבל של חשמל כהה, אבל יכול להיות מוגבל של נוזל קשה, 000 ליטרים, 000 ליטרים, 000 ליטרים, 000 ליטר, אבל יכול להיות מוגבל של נוזל קשה,

המונחים: off mechanisms

העברה בלחץ

שיטת ההעברה הפשוטה ביותר משתמשת בלחץ: מיכל התורם הוא לחץ על גז אינרטי (בדרך כלל הליום) כדי לכפות נוזל באמצעות קו העברה לתוך מיכל מקלט בלחץ נמוך.כדי להימנע ערבוב התקשורת עם המדחף, שלפוחית השתן או piston ניתן להשתמש.לחץ על העברה מעובד היטב עבור העברות קטנות ועבור משימות שבהן פשטות עולה על יעילות, המסה של הדחף (חייב להיות מאוחסן בבקבוקים בלחץ) אשר חייב להיות מאוחסן עבור העברות גבוהות.

העברה

עבור העברות גבוהות, משאבות חשמליות מציעות יעילות גדולה יותר. משאבות Cryogenic חייב להיות מתוכנן בקפידה כדי להימנע קוויטציה: ראש הפחתת תשלום חיובי נטו חיובי (NPSH) במשאבה במיקרו-גרביטציה פירושו מהנדסים לעתים קרובות להציב את המשאבה בתוך מיכל, שקועה בנוזל. Bearings ומנועים חייב לפעול בטמפרטורות Cryogenic.

Capillary & Surface Tension Transfer

ללא משאבות פעילות, ניתן להעביר נוזל באמצעות מתח משטח בלבד. בסביבה מיקרו-גרפית, מזחל נוזלי יכול להיות מונע על ידי סגסוגת טמפרטורה (זרימת יתר) או על ידי ההבדל רטוב בין שני משטחים.בעוד ששיעורי זרימה נמוכים, טכניקה זו שימשה לדלק לוויני קטן (למשל, LT:0 Orbitalbitalreavealversementer) הוא עדיין אמצעי הגנה גדול יותר, אך מגבילה של 1 ליטר).

אוטומציה, רגישה ושליטה

כל פעולה מעשית של דלק חוזר חייב להיות אוטומטי או מטלפד.העברה Cryogenic כרוך שינויים מהירים בלחץ, טמפרטורה, ובשלב.מערכת הבקרה חייבת לנהל את הרצף הצמרון, קצב המילוי כדי להימנע מזעזוע תרמי, ואת האוורור (או ללא רכזת) פרופיל חיישן חייב למדוד רמת נוזלי (באמצעות בדיקות קיבול, או טמפרטורה תרמית), (מצטברות מימן או צבעי חמצון), או צינורות מסיביים זעירים), הוא לחץ זעירים או צינורות חמצן.

אלגוריתמי בקרה מתקדמים, המבוססים על שליטה חיזוי מודל (MPC), מפותחים לתאם את השסתום הרבים, משאבות ומחממים ברצף העברה.מערכת אוטונומית מלאה תצטרך גם לטפל בזיהוי תקלות ושיקום, כגון שסתום תקוע או דוכני משאבה.ה-FLT:0A CryoFillFLT:1 הוכיחה שליטה אוטונומית של שום vent על מסלול אחסון של מרכז דלק אוטונומי של 3F2X.

בדיקה ואימות: From Ground to Orbit

פיתוח מערכות העברה מבוכות אמינות דורשות בדיקות נרחבות בסביבות המדידות את תנאי הטיס המקיפים.המטוסים של מזהמים (מטוסי אפס-G) לספק 20-30 שניות של מיקרו-גרביטה, שימושית ללימוד התנהגות נוזלית בתאי בדיקה שקופה.תחנת החלל הבינלאומית אירחה מספר ניסויים, כולל FLT:0Zero-Boil-Off Tank (ZBOT) 1FLT:1FLT ו-F2: בדיקה ממושכת (DVal-FR) מאפשרת איסוף נתונים של מיקרו-RIGNDVREDVREDRIGNR (DR) (DRIGNR) (DVRIGNR).

עם זאת, הפגנת מסלול כוללת נותרה האימות האולטימטיבית של ה-FLT:0anker-001igFLT 1 (התקבלה על ידי חברות מסחריות מרובות) תעמיד מחסנים בתוואי כדור הארץ נמוך ותעביר דחף אל חללית ביקור (מרכז ניהולי) עד שינוע משימה מסוג זה, הקהילה ההנדסית מסתמכת על מודלים של דינמיקה גבוהה של חומרים (CD) - FRED) ו-DVal VVal DeferfVal Define (D) אשר LT5 (D) נגד מרכז מבוזרת: DVol VVol V.

יישומים עתידיים ועתידיים

ההרחבה Satellite Life Extension

(החלל המיידי ביותר הוא גלגול לווייני תקשורת גיאוסטציונריים.הלוויינים האלה בדרך כלל נושאים מספיק דחף במשך 15 שנים של תחזוקת תחנה; שכפול יכול להאריך את חייהם ב-5-10 שנים, תוך הימנעות ממחיר ההחלפה.ה-FLT:0ropmman Mission growth (MEV)FLT:1 כבר הוכיח התחדשות ועגינה עם לוויין שפותחה לאחר מכן, אך לא ידרושה את ה-DV.

המשימה של הירח והמאדים

עבור חלל עמוק, תדלוק מבוהג הוא טרנספורמטיבי.משימה נחיתה ירחית יכולה לשגר ארצ יבש למסלול ולאחר מכן לתדלק אותו ממחסן, חיסול הצורך בארכיטקטורה מסיבית של יחיד-מזדח אחד:0ArtemisFLT:0 משלוחים מפלט 1 תלוי בדלק מערכת נחיתה אנושית (HLS) במסלול הירחי, משימה מאוישת של מאדים כנראה תדרוש מספר רב של שיגורים של כלי רכב מכוכבי הלכת של מאדים.

אוביטל מחסנים ומרחב

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

השלכות כלכליות ואסטרטגיות

בדלק מחדש של In-orbit שינויים בכלכלה של שיגור החלל כיום, תקציב הדחף של לווין קבוע בשיגור; מסת החללית כולה מומריקת מכדור הארץ.עם תדלוק מקיף, ניתן לשגר את הלוויין עם טנקים ריקים (או מלא חלקית) ולמטה למעלה למסלול.זה מקטין את שיגור המסה והעלות, או מאפשר מטענים גדולים יותר על אותה רקטות שניתן להחזיר, כמו מסלול כדור הארץ, כי הוא יכול למנוע את המסלול העליון של כלי רכב ללא הפעלתו בחלל.

מבחינה אסטרטגית, מדינות שעושות את ה-Resourceal Reroling משיגות יתרון משמעותי ביכולת לפעול נכסים מתמשכים בחלל.משרד ההגנה של ארצות הברית זיהה על לוגיסטיקה של אוביט כיכולת קריטית לביטחון החלל העתידי. מפעילי המסחר רואים זאת כגבול הבא להורדת עלות הגישה לחלל ומאפשרות מודלים עסקיים חדשים כגון הסרת פסולת ופקידה.

מסקנה

מערכות העברת דלק Cryogenic לדלק תוך-אורביט מייצגים את אחד האתגרים המהנדסים התובעניים ביותר ב- Spaceflight כיום.שילוב של טמפרטורות אולטרה-נמוכות, התנהגות נוזלי מיקרו-גרביט, מגבלות המוניות והאמינות, והצורך בהפעלה אוטונומית דוחף את המעבר הממלכתי-של האמנותי, תרמית, שולטת, בעוד שרבים מהמרכיבים המרכזיים – זוחלים, משאבות, וחות - מוכחים על פני כדור הארץ, עומדים כעת, ומופעלים, עומדים על פני כמה ממעבדות, אך ורק על פני כמה מערכות קירור פונקציונליות, אך ורקמות, אך ורקמות, יהיו למערכות של מערכת ניהוליות של מערכת ניהולית של מערכת ניהולית של מערכת ניהולית של דלקיות גדולות יותר, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, של מערכת ניהולית של מערכת ניהולית של מערכת ניהולית של דלק, אך ורקמות, אך ורקמות, של מערכות בקרה מוגבלת של מערכות בקרה, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, עם זאת, של נאס"א-ידי נאס"א-ידי נאס"א-ידי נאס"א, בעוד שעדיין, ועוד.