ההתפתחויות האחרונות בחומרים על-מוליכים פתחו אפשרויות חדשות לשיפור רכיבי מנוע הרקטות, והתפתחויות אלה מבטיחות להפוך את נסיעות החלל יעילות יותר וחסכוניות על ידי צמצום משקל ולהגדיל ביצועים. בעוד שמוליכים סופר מוקדם דורשים קירור לא מעשי קרוב לאפס מוחלט, חומרים מודרניים מתרבים יותר למבצעי זמן החדר, שינוי מהותי של הנוף ההנדסי עבור מערכות הנעה.

הבנה של Superconductivity

מוליכות היא תופעה מכנית קוונטית שבה חומר פועל זרם ישר (DC) חשמל עם אפס התנגדות חשמלית כאשר קריר מתחת לטמפרטורה קריטית (Tc) התגלה לראשונה בשנת 1911 על ידי הפיזיקאי ההולנדי Heike Kamerlingh על כספית מוצקה ב 4.2 Kelvin (כ -269 מעלות צלזיוס) מתחת לטמפרטורה קריטית זו, אלקטרונים עד מה הם נקראים קופר, זוגות שיכולים לעבור דרך פיזור חומרים מגנטיים של מוליכים מתחומים מגנטיים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, נוגדות מגנטית של התנגדות מגנטית של מוליכים למחצה, היא בעלת השפעה שנייה של מגנטית של מגנטית של מוליכים למחצה.

סוגים של Superconductors

Superconductors מסווגים באופן רחב לשני סוגים:

  • (FLT:0)Type I SuperconductorsFLT:1, בדרך כלל מתכות טהורות כמו כספית, מוביל ו-tin, להציג מעבר חד ל- Zero Resistance וגירוש מוחלט של שדות מגנטיים.עם זאת, יש להם טמפרטורות קריטיות נמוכות (ב-30 נמוך K) ושדות מגנטיים קריטיים נמוכים, מה שהופך אותם ללא תחליף ליישומים בעלי עוצמה גבוהה.
  • (FLT:0) מוליכים העל של Type II מוליכים:1, כולל רוב מוליכים העל בטמפרטורה גבוהה (HTS), לאפשר חדירה חלקית של שדות מגנטיים במדינה מעורבת.הם יכולים לקיים הרבה יותר שדות מגנטיים וזרמים לפני לאבד מוליכות על-על.

עבור יישומי מנוע טילים, סוג II סופר-מוליכים הם הרבה יותר רלוונטיים כי הם יכולים לשאת זרמים גדולים וליצור שדות מגנטיים חזקים ללא הפסדים מנוגדים, המאפשרים מערכות אלקטרומגנטיות קומפקטיות וקלות.

קונטקסט היסטורי בחלל

מוליכות נחקרה על מנועי טילים מאז שנות ה-60.העבודה המוקדמת התמקדה בשימוש במגנטים על מוליכים על מגנטים למגן מגנטי בחלל ועל מגנטיודינמיקה (MHD) ייצור כוח, עם זאת, הצורך במהירויות נוזליות ביותר של אטומים נוזליים על ידי חנקן של 250 ליטרים (Kalf) נמוך באופן משמעותי ב- KLT10) ב-1986 על ידי Bednorz ו- Müller (עבודה עם חנקן זול יותר מ-Kernolnbide) לאחר מכן) חנקן CRMCide (K2K2KRICRICRICD) חנקן (Ricer) חנקן CRM) חנקן CRM) עם חנקן 35) עם חנקן CDRDV) חנקן CDRD.

התקדמות אחרונה ב Superconducting Technologies

Over the past decade, several breakthroughs have brought superconducting materials closer to practical use in rocket engines:

Superconductors (HTS)

הדור השני HTS חוטים המבוססים על ytrium barium נחושת תחמוצת (YBCO) המצופה המוליכים המצופה הגדלה באופן משמעותי. חברות כמו SuperPower ו- AMSC מייצרים כעת קלטות באורך של קילומטרים הנושאים מאות אמפרים לרוחב סנטימטר ב-77 K. אלה קלטות גמישות מספיק כדי להיות פצע לתוך סלילים עבור אלקטרומגנטים.

Iron-based Superconductors (IBS)

התגלה בשנת 2006, על ידי מוליכי העל מבוססי ברזל מציעים פשרה בין Tc נמוך של מוליכות מתכתית ואת הבקרות הקרמיקה של גביעים. כמה pnictides ברזל ו chalcogenides יש Tc מעל 50 K ולהציג שדות קריטיים גבוהים יותר.פוליקריסטל שלהם תכונות מכניות מעט יותר טובות יותר להפוך אותם מועמדים עבור מגבילים הנוכחיים וכבלים כוח במערכות חשמל לאחרונה לעשות אופטימיזציה של דגנים, יש שיפור של סגסוגת.

Hydride Superconductors

אולי ההתפתחות המרגשת ביותר היא התגלית של מוליכות כמעט-מסלולרית בתרכובות עשירות מימן תחת לחץ גבוה.ב-2024, חוקרים מאוניברסיטת רוצ'סטר דיווחו על מוליכות ב-21 מעלות צלזיוס (294 K) בתרכובות חנקן-דופדוחות של מערכת הליכות על-טבעית (Ticoltium coltium hydrors) באופן דרסטי עבור חומרי קירור (Tc) ו-Ticial C).

Flux Pinning ו-Coated Conductors

התקדמות ב pinning flux - היכולת ללכוד קווי פלוקס מגנטיים בטיפוס II superconductors - שיפרו את הביצועים של שדה שדה של קלטות HTS. על ידי הצגת מרכזי סיכה מלאכותיים (למשל, חלקיקים של BaZrO3 או BaHfO3), יצרנים יכולים להשיג זרמים קריטיים גבוהים אפילו בתחומים מגנטיים חזקים (abo 30 T).

תגיות: Rocket Engine Components

חומרים מוליכים על-ידי שימוש משולבים במספר מערכות משנה קריטיות של מנועי טילים כדי לשפר את הביצועים, להפחית את המסה ולשפר את האמינות.

מערכות לוויה מגנטיות עבור Turbopumps

רוקט טורפומפס מסתובב בעשרות אלפי RPM כדי לספק מדחף בלחץ גבוה.כדור מסורתי נושאות דורשות סיכה קירור וקירור, והם לובשים לאורך זמן.על מוליכים מגנטיים (SMB) להציף את הרוטור באמצעות זרם מתמשך במהירויות HTSL (R) נבדקו לחץ כבד על דלק YB (מפרקים יש אפס התנגדות, השדה המגנטי יכול להיות נשמר ללא כוח חיצוני - תופעה הנקראת לחיכוך פסיבי) לשרירים כבדים, כלומר, לחץ כבד, לחץ על פני השטח, לחץ כבד, ללא לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ כבד, לחץ אווירי, לחץ כבד, לחץ אווירי, לחץ אווירי, לחץ אווירי, ללא לחץ כבד, לחץ כבד, לחץ על פני השטח (B), יש צורך לחץ כבד, לחץ כבד, לחץ כבד, לחץ כבד, לחץ כבד, לחץ כבד, לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי, ללא לחץ אווירי, לחץ אווירי, ללא לחץ אווירי לחץ כבד, 000 לחץ אווירי, לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ כבד, 000 לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ אווירי לחץ

חשמל כוח Transmission and Distribution

מנועי רקטות מסתמכים על מערכות חשמל מורכבות לבקרי חשמל, חיישנים, שסתום, והציתים.ביוט נחושת ארכיט מייצר חום ו טיפות מתח, אשר מוסיפים מסה כחוטים חייב להיות גדול מדי עבור יכולת הנוכחית. כבלים מורכבים מ קלטות HTS יכול לשאת עד 10,000 כבל להפסדים של אפס DC. על ידי החלפת ברים נחושת עם כבלים על ידי הכבלים, מהנדסים יכולים להפחית את ההשפעה של כוח דומה יותר מ- 60% כדי להפעיל יותר ויותר.

מערכות קירור מתקדמות

מנועי רקטות מייצרים עומסי חום עצומים, במיוחד בחדר ההבעירה וצלילה. Cryogenic קירור באמצעות מימן נוזלי או מתאן נוזלי כבר קיים. Superconductors יכול להיות משולב בלולאות קירור פעיל על ידי שימוש ב מוליכות תרמית גבוהה שלהם (כמו בטמפרטורות נמוכות) להפיץ חום. לחלופין, superconducting thermoelectrics מבוסס על אפקט Pel-Seeage ב צומת YBCO יכול לספק קפסולת רגישה של רכיבי HTS) רק כדי להפחית את ה-H המובילים הנוכחי.

עריכת דין ו-Valves

שסתום במהירות גבוהה עבור הזרקת דחף ובקרת דחף תועלת מן צפיפות הכוח הגבוהה של אלקטרומגנטיות על מוליכים אלקטרומגנטיות. a superconducting solenoid מפעילה כוח מגנטי גדול יותר מאשר מגנטי נחושת קונבנציונלי של אותו נפח כי אין גבול התנגדות.זה מאפשר קטן יותר, ממריצים קלים יותר.בנוסף, טבע אפס-resistance פירושו כי המפעיל יכול להחזיק מעמד ללא הגבלת זמן, אידיאלי עבור מנועי בקרה קצרים, במקום זה היה 10 מנועים זעירים.

חיישנים ובדיקות בריאות

מכשירים של התערבות קוונטית (SQUIDs) הם חיישני השדה המגנטי הרגישים ביותר הידועים.במנועי טילים, SQUIDs יכול לזהות נורמה מגנטית הנגרמת על ידי שימוש בלבוש, עייפות חומרית, או כישלונות להב טורבינות בלתי פוסקת. הרגישות שלהם מאפשרת זיהוי סדקים מיקרוסקופיים במרכיבים מתכתיים. בעוד SQUIDs כיום דורשים קירור Cryogenic, הופעת חומרים גבוהים יותר יכול לאפשר להם לפעול בטמפרטורות חנקן, מהניתוחים עבור כלי רכב אמיתי.

היתרונות של שימוש בסופר-מוליכים ב- Rocket Engines

השילוב של חומרים על-מוליכים מציע יתרונות רבים התואמים עם כונן קבוע של תעשיית האווירופייס לביצועים גבוהים יותר ועלות נמוכה יותר.

ירידה במשקל

כל קילוגרם שנשמר על טיל מתורגם לעומס מוגבר או מופחת מדחף.רכיבי Superconducting הם קלים יותר כי הם יכולים לפעול בתנודות הנוכחיות גבוהות יותר, צמצום החלקה של המוליכים.לדוגמה, כבל HTS הנושא 10 kA שוקל בערך 1 ק"ג / m, בעוד כבל נחושת עבור אותו זרם היה שוקל מעל 30 ק"ג / m, מוליכות מגנטיות להחליף את רכיבי המערכת המגנטיים של 1525%.

אנרגיה יעילה

הפסדים עמידים במשט קונבנציונלי, גנרטורים ומנועים בדרך כלל מבזבזים 5-10 אחוזים של הכוח החשמלי שנוצר.ברקטה, כי כוח אבוד חייב להיות מסופק על ידי סוללות כבדות יותר או משתנים גדולים יותר. מרכיבים מונעים את ההפסדים DC התנגדות לחלוטין.הפסדים AC הם מינימליים בתוכנות HTS שעוצבו כראוי. Aconducting turbump יכול להשיג יעילות של 99% ל-95% עבור מנוע חשמלי רגיל, על ידי שיפור חשמלי, על ידי 100 קילוואט חשמלי נדרש על ידי מנועים פחות יעיל יותר, על ידי מנועים.

ביצועים משופרים ושליטה

השליטה המדויקת המותרת על ידי superconducting מגנטית לנטיעת יתר משפרת את יציבות ה- turbopump, צמצום הרטט והלבשה.עדיף דחף וקטורת וקטורת דחף חזק יותר, באמצעות הפעלת דחפים ספציפיים של מנוע גבוה יותר (Isp) על ידי אופטימיזציה של גיאומטריה נוזל בזמן אמת.בנוסף, אחסון אנרגיה מוליכים על-על (ES) יכול לספק התפרצויות של כוח עבור שלב זר או הפרדה ללא יכולת המונית של צינורות במהירות (F) כמו מגנטיות) של מגנטיים) כגון מגנטיים (Fedmpomas) יכול לספק מגנטיות) של כוח מגנטיות (מסוגיות) יכול לספק מגנטיות (מסוגיות) יכול לספק מגנטיות) יכול לספק מגנטיות (מסוגיות) יכול לספק מגנטיות) יכול לספק מגנטיות (מסוגיות) יכול לספק מגנטיות (מסוגיות) יכול לספק מגנטיות) יכול לספק מגנטיות (מסוגד) יכול לספק מגנטיות (מסוגד) יכול לספק מגנטיות) יכול לספק מגנטיות (מסוגיות) יכול לספק מגנטיות) יכול לספק מגנטיות) יכול לספק מגנטיות) יכול לספק מגנטיות (מ

אחריות ויציבות

המוליכים עצמם הם מדינת מוצק ואין להם חלקים נעים.נושאים מגנטיים לחסל חיכוך מגע, הפחתת ללבוש ואת הצורך סיכה. היעדר חימום התנגדות גם להפחית את הלחץ התרמי על רכיבים. Cryogenic קירור, אשר כבר נדרש עבור מדחף כמו מימן נוזלי וחמצן, יכול להיות משותף עם מערכת מוליכות על.זה סינרגיה להפחית את מספר של קירור נפרד וסימולציות תרמיות עבור מחזורי זמן רב של 5,000 שעות ניהול כבל.

אתגרים וסיכויים עתידיים

למרות היתרונות ברורים, יש להתגבר על כמה אתגרים משמעותיים לפני שרכיבי מנוע טילים על פני השטח הופכים לסטנדרטיים על כלי הרכב לייצור.

הגבלות חומריות

חומרים HTS הנוכחיים כמו YBCO הם קרמיקה - ו prone לפצח תחת לחץ רבילי. מנועי Rocket לחוות רטט אינטנסיבי ורכיבה תרמית. יצרני Tape טיפלו בזה על ידי encasing את הקרמיקה ב laminate מתכתי (למשל, Hastelloy), אבל עדיין יש רק רדיוס סטרואטים מגנטיים ועייפות שלהם הם יותר דלים אבל עדיין לא חזקים כמו נחושת, כמו סגסוגת מגנטית, יותר, 000 מגנטית, 000) מעל פני שטח מגנטיים מסוימים מגנטיים (Hcide) מעל פני שטח מגנטיים).

קוהוט והגנה

אם מגנט מוליכים על quenches, האנרגיה המגנטית המאוחסנים פתאום מתפזרת כמו חום, שעלול להזיק ל סליל.ברקטה, אירוע כזה יכול להרוס את המנוע. Robust quench זיהוי ומערכות הגנה נדרשים, כולל תנורי חום פעילים כדי למקם במכוון סליל באופן מבוקר, ו לעקוף מעבורות ליישומים עכשוויים, מערכות אלה חייבות להיות ממוקדות על ידי התמקדות עצמית ללא מאמץ פנימי.

אינטגרציה Cryogenic

רוב המוליכים העל המעשיים עדיין דורשים קירור מתחת 77 K (טמפרטורת חנקן נוזלי) או אפילו 20 K (שמן נוזלי) מנועי רקטות שמשתמשים במניעים מבוהגנים כבר יש גישה מימן נוזלי (20K) וחמצן נוזלי (90 Kool), עם זאת, את הצרכים הקירור ה Cryogenic עבור מוליכות סופר יש לשלב ללא תוספת של מסה פרציטית או מורכבות.זה כולל קריאות משקל, , סגסוגת ריק, ורטיבות תרמיליאטים, אבל יכול להוסיף פולסרב, 000 בקרם של כוח קריפטים, אבל יכול להוסיף שבץ קריטי של 10 שבץ או קירור שבץ.

מערכת אינטגרציה ועלויות

מרכיבים של מוליכים הם עדיין יקרים לייצור (הקלטת של HTS עולה בערך 50 $ 100 ל kA-מטר בהשוואה לכמה דולרים עבור נחושת) עבור רקטות חד-שימוש יחיד, העלות עשויה להיות בלתי-מחייבת.עבור רקטות ניתנות להחלפה (כמו פלקון 9 או ספינת כוכבים של SpaceX), היתרונות ארוכי טווח של משקל מופחת ויעילות גבוהה יותר עשויים גם להתחיל תקנים הנדסיים חדשים, בדיקות, בדיקות, כמו רכיבי פיתוח אוויריים של נאס"א.

אפשרויות לעתיד

במבט קדימה, כמה כיוונים מרגשים יכולים לחזק את המוליכים העל במנועי טילים:

  • (FLT:0) מוליכים סופר-מדומים: אנדרל 1 (RalLT:1 ), אם חומרים מדכאים ממתחים ממושכים מתגלים, הנטל הצעקני נעלם לחלוטין.
  • מערכות הנעה של Superconducting:FLT:1 (D דחף MPD וחשמליות) נהנים מאלקטרומגנטים של אפס-resistance. Superconducting מגנטים יכולים לאפשר הנעה חשמלית בעוצמה גבוהה למשימות בין כוכביות, צמצום זמן הנסיעה למאדים עד 30 ימים.
  • (FLT:0) Space Power Networksure:FLT:1 גדול כבלים המוליכים על פני השטח יכול להפיץ כוח ממערך סולארי מבוסס חלל כדי לדחוף מערךים ללא טיפות מתח.עבור רכב שטח או העברה מסלול, זה יכול לאפשר על-ידי הדבקה מחדש של דלק ותוחלת חיי שירות מורחבים.
  • (FLT:0) על הובלת גלגלות לאחסון אנרגיה: אנדרל 1 (Subspended by מגנטים נושאים, גלגלי זבוב HTS יכולים לאחסן אנרגיה קינטית עם אובדן מינימלי, מתן כוח שיא עבור כוויות נחיתה או תיקונים מסלול.

העשור הבא צפוי לראות את בדיקות הטיסה הראשונות של נושאים מורכבים על ידי טורפים ו כבלי כוח HTS על כלי שיגור תת-ביטל או מסלול מסלול. כמו עלויות ירידה ואמינות בוגר, חומרים superconducting יהפכו לחלק בלתי נפרד של הדור הבא של מנועי רקטות, מה שהופך את החלל נסיעות יעיל יותר, בהיר יותר, יותר, בר קיימא יותר.