הפרעות בלחץ גבוה הן הלב הפועם של מנועי טילים נוזליים, האחראי על מתן דחף על לחצים עצומים לתאי הבעירה.ללא מכונות מסתובבות אלה, דחף הנדרש כדי להימלט מהכובד של כדור הארץ יהיה בלתי אפשרי.האתגר של מהנדסים תמיד היה לדחוף לחץ משאבה גבוה יותר לייצר דחף יותר, ובמקביל להבטיח שהמערכת תישאר בטוחה מהחידושים האחרונים בחומרים, קירור, עיצוב, ולהוביל אותה לאוטומציה אפשרית.

התפקיד הקריטי של טורבומפס במנועי טילים מודרניים

בכל מנוע טילים נוזלי, יש לכפות על המדחף לתוך תא הבעירה בלחץ גבוה משמעותית מהלחץ התאי עצמו.עבור מנועי גבוה, לחץ תאים לעתים קרובות מעל 100 בר, הדורש טורפומפסים שיכולים לספק דלק וחמצן בלחץ מעל 300. טורמפs להשיג זאת על ידי שילוב טורבינות (על ידי גז חם) עם דליפת גז צפיפות גבוהה או מיכליפיפות גבוהה יותר של מנועים.

אמינות היא לא ניתנת להשגה.כישלון להב יחיד בטורפומפום יכול להוביל לאובדן מיידי של דחף המנוע, ובמשימה מאוישת, אובדן החיים.ההההנים גבוהים ביותר במהלך ההשקה, כאשר הרכב הוא בלחץ דינמי מקסימלי בשוליים הם דקים.לכן, כל חידוש שמטרתו להגביר את הדחף חייב להיות מאומת נגד קריטריונים קפדניים של בטיחות.

קידום מדעי החומר

אולי הדרך הישירה ביותר להגביר את הלחץ התפעולי של טורפופ היא להשתמש בחומרים חזקים יותר שיכולים לעמוד בלחצים ובטמפרטורות גבוהות יותר. turbopumps המסורתי התבססו על Superalloys מבוסס ניקל כגון Inconel, אבל מנועי הדור הבא פונים לרכיבים מתקדמים ואבקות על superalloys.

Superalloy Evolution

אבקת מודרנית מתכת פלוגדור (PM) superalloys, כמו רנה 104 ו- ME3, מציעים נקודות תשואות מעל 1500 MPa בטמפרטורות מעל 700 מעלות צלזיוס. חומרים אלה מיוצרים באמצעות לחץ עז (HIP) ומשמשים עבור דיסקים טורבינות דיסקים ו- blisks.ההתנגדות המשופרת וחיי העייפות מאפשרים מהירויות סיבוביות גבוהות יותר - בתרגום ישיר יותר ללחץ של נאס"א-250, הם משתמשים ב-R.

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

מרפלקסים של Ceramic מטריקס מתעוררים כחלופה קלה עבור רכיבים קטנים.סיליקון סיבים עמידים בסיליקון (SiC / SiC) מורכב יכול לפעול בטמפרטורות עד 1400 מעלות צלזיוס, הרבה מעבר לגבולות של superalloys. על ידי החלפת להבים מתכתיים עם CMCs, טורבינות בטמפרטורות ניתן להעלות, להגדיל את הכוח הזמין לכונן ישירות לשרירים של מנועים גדולים יותר, אבל הם מנועים חשמליים.

טיפול פנים וכיסויים

ציפויי מחסום הרחם (TBCs) וציפויים בעלי אחריות ללבוש גם להאריך את חיי הרכיב. Ytria-stabilized zirconia (YSZ) מוחל באמצעות אלקטרון-beam פיזי vapor מספק בידוד תרמי, המאפשר טמפרטורות גז גבוהות יותר. Ceramic ציפוי על משאבה להפחית את החיכוך ולשפר את היעילות הידראולית, להגביר את התפוקה תוך צמצום הסיכון של כישלונות מושרה.

טכניקות קירור משופרות

החום העז שנוצר בטורפופפ - הן מהטורבינה והן מהחיכוך במשאבה - יש למנוע חומרים לאבד כוח.שיטות קירור מתקדמות הן אמצעי מנעול מרכזי עבור דחף גבוה יותר.

Regenerative Cooling

קירור מחדש הוא טכניקה מבוססת היטב שבו חלק של הדלק הוא מעוקל דרך ערוצים בחשש המשאבה לפני הזריקה לתוך תא הבעירה.דינמיקה המודרנית של נוזל חישובי (CFD) מאפשר למהנדסים לייעל את הגיאומטריה של הערוץ עבור העברת חום מקסימלית עם ירידה מינימלית לחץ.על ידי שימוש בדחפורים מבוקשים כמו מימן נוזלי או מתאן, נוזל הקירור עצמו סופג חום משמעותי, אשר מגביר את האנרגיה הכוללת של מנוע זה אפילו בטווחים מאובטח.

סרט הקולנוע Turbine Blades

עבור הקטע טורבינות, קירור הסרט מזרקת שכבת גז דקה לאורך פני הלהב, הפחתת גלי חום פלוקס. חידושים אחרונים להשתמש בקפידה להציב חורים קרירים שעוצבו עם CFD ו 3D הדפסה כדי להשיג כיסוי אחיד.זה מאפשר לטורף לפעול בטמפרטורות גז 200-300 מעלות צלזיוס גבוה יותר ממה שהבסיס יכול לסבול, הגדלת הכוח מופק מאותה כמות של גז חם.

מקור: Cooling

מחקר חדש לתוך מעברים קירור פנימיים בתוך מאבי משאבה הוא חלוצי.על ידי הפצת זרימה קטנה של דלק דרך ערוצים פנימיים בתוך להבים של רבי המכר, הסיכון של כיווץ מופחת - מצב כשל מפתח. Cavitation מתרחשת כאשר לחץ מקומי טיפות מתחת לחץ vapor, גרימת התמוטטות בועות כי התמוטטות מתכת. Cooling את נוזל מדכא מקומי מדכא היווצרות, המאפשר את המשאבה לפעול במהירות גבוהה יותר.

עיצוב משאבה חדשנית ו- hydroulics

שיפורים בתכנון הידראולי של turbopumps הובילו לרווחים משמעותיים בתפוקה בלחץ תוך צמצום הרטט והעייפות.

אדריכלות: Multi-Stage Pump

רבים מתחזים בלחץ גבוה משתמשים כעת בשני שלבים או יותר של רבי מכר בסדרה.כל שלב מוסיף עלייה בלחץ, ועל ידי התאמה קפדנית של השלבים, מהנדסים יכולים להשיג סך של לחץ על מעל 500 בר. מנוע RD-170 השתמש משאבת ארבעה שלבים עבור חמצון שלה, ייצור לחץ פלט של 600 בר.

עקבו אחרי Blade Geometries

כלים אופטימיזציה של Computational, כולל אלגוריתמים גנטיים ושיטות אדנג'וינט, משמשים לתכנון משככי חומרים וגורמים עם הפסדים מינימליים של החלמה. Backswept blades להפחית את הסיכון של גל, בעוד 3D ערימה של שליטה זרמי משנית.התוצאה היא שיפור משאבה של 2–4%, אשר עשוי להיראות קטן אך מתורגם ישירות לדחף גבוה יותר עבור אותה משאבה אחת היא דוגמה עבור נפח של לחץ אחד מתוכנן מחדש של 2D.

עיצוב Inducer לביצועים גבוהים

הגורם הראשון הוא הרכיב המסתובב כי ה-Motlant מפגשים.תפקידו העיקרי הוא להעלות את לחץ הנוזלי גבוה מספיק כדי למנוע משיכה במערש הראשי.חידושים האחרונים כוללים גורמים הליקליים עם סט משתנה ו להבים מפוצלים המאפשרים הפעלה יציבה במהירויות סיבוביות של מעל 20,000 ריאל.זה קריטי עבור מנועי דחיפה כי חייב לפעול בלחץ נמוך במהלך המרומם של נאס"א הוא דוגמה מוקדמת של אופטימיזציה כזו של מנועים.

אוטומציה, חיישנים, ו-Time-Time Monitoring

הפרעות מודרניות אינן רכיבים מכניים מבודדים; הן מוטבעות במערכות בקרה חכמות המנטרות ומתאימות את הפעולה בזמן אמת.

רשתות חיישן

הפרעות מתקדמות משלבות כעת עשרות חיישנים, כולל מד תאוצה גבוהה, מדצי זנים, thermocouples, ובדיקות קרבה. אלה מספקים נתונים רצופים על רמות רטט, בריאות, ניקוי קצה להב, ואת פיר דה דמנציה תהליך הלמידה מכונה זה כדי לזהות aomalies כי מפעילי אנוש עלול להחמיץ, כגון סימנים מוקדמים של פירורי או מערבול בתוך סדקים של פתורים, לדוגמה, לחץ אווירי.

מערכות בקרה הסתגלות

מערכות בקרה אקטיבית יכולות להתאים פרמטרים של מנוע בהתבסס על משוב טורף.אם ספייקט פתאומי מזוהה, בקר יכול להפחית את הבקר, לשנות את יחס התערובת, או לשנות את המיקום של שסתום טורבינות כדי להעביר את המשאבה הרחק מהתחדשות קריטית.יכולות זו מאפשרת למנועים לפעול ברמות דחף גבוהות יותר כי שולי הבטיחות ניתן להפחית כאשר המערכת בריאה, מוגברת באופן דינמי אם מופיעה בעיות.

תאומים דיגיטליים ותחזוקה חיזוי

יותר ויותר, יצרני טורפופפ יוצרים מודלים תאום דיגיטליים שדמיינו את התנהגותו של הרכיב בזמן אמת. על ידי השוואת נתוני חיישן לתאום, תוכנה יכולה לחזות חיים שימושיים ותחזוקת לוח הזמנים לפני שכישלון מתרחש.גישה זו חלוצית על ידי GE עבור מנועי מטוסים וכעת מועברת לטרומה של רקטות, במיוחד עבור מערכות ניתוק כמו אלה של SpaceX ו-Blue Origin.

חידושים בייצור: שיטות חלופיות ו היברידיות

היכולת לייצר ג'ממטות מורכבות שלא היו אפשריות בעבר הייתה שינוי משחק עבור ביצועים סוערים.

ייצור תוספת (3D הדפסה)

אבקת לייזר אבקת היתוך ואלקטרון beam נמסת ומאפשר ייצור של מזרקות מונוליטיות עם ערוצי קירור פנימיים, מעברים מעוקלים, ומבנים lattice עבור קל משקל.הטרפומפוס של מנוע RL10 עכשיו משתמש גורם מיוצר באופן תוספתי עם 30% פחות חלקים.עבור מנוע Raptor, SpaceX 3D-prints את כל דיור טורפת, צמצום אנחנו יכולים להפעיל פחות נקודות דליפה.

המרקם ההיברידי והצטרפות

עבור רכיבים שלא ניתן להדפיס כיצירה יחידה (בשל גודל או מגבלות חומריות), טכניקות חדשות של הצטרפות כגון אינרציה נשתוך לייזר ודלקת לייזר עם ניטור איכות בזמן אמת להבטיח אג"ח ללא פגם.שיטות אלה קריטיות לנספח דיסקים טורבינות פירים ולנצחת ממשקים בלחץ גבוה.

פרוטוקולי בטיחות ומשטרי בדיקה

כל החידושים חייבים לעבור דרך gauntlet של בדיקות אימות לפני שהם נחשבים ערך טיסה.הפילוסופיה הבטיחות עבור טורפומפס התבגרה כדי לשלב הן גישות ⁇ סטיות ופרוביליסטיות.

המונחים: noise Testing

מהנדסים נושאים טורפים לתנאים הרבה מעבר למבצע רגיל: בדיקות מהירות עד 120% של rpm מדורג, מחזורי הלם תרמי, ותרחישים ריצה-dry. נתונים ממבחנים אלה מספק אמון שולי כישלון.מרכז החלל של מרכז סטראנס A-1 שימש במשך עשרות שנים כדי לדחוף זעזועים למגבלות שלהם.

« « הצצה למכניקה וחיזוי החיים

ניתוח בטיחות מודרני משתמש מכניקה שבר כדי לחשב גודל סדק אפשרי מרווחי בדיקה.על ידי הנחת פגמים ראשוניים של גודל מסוים (מבוסס על יכולת ייצור), מהנדסים יכולים להוכיח כי טורפומפוס יכול לשרוד טיסות מרובות אפילו אם סדק מופיע.זה חיוני עבור מנועי הניתנים להחלפה כמו הסמכה לאחר של RS-25 לאחר של RS-25.

רדיפת וכישלון סובלנות

כמה עיצובים טורפומפס כוללים תכונות מקודמות, כגון שורות דו-צדדיות, מעגלים קירור נפרדים עבור כל נושא, ואת שלבים חותם עצמאי. RD-180 טורפומפוס משתמש עיצוב חותם טבעת צף ייחודי השומר על אפילו עם פיר אי-השפיר. עבור מנועי גבוה, את הלהבים טורבינות מעוצבים כך שכשל יחיד אינו מסוגל לשאת את הלהבים עדיין.

שילוב עם מחזורי מנוע

לא ניתן לראות את ה- turbopump בבידוד; הביצועים שלה חייבים להתאים את מחזור המנוע.חידושים אחרונים במחזורים של התבוסות ומחזורי מרחיבים פיתחו לחץ מערכתי גבוה יותר תוך שמירה על בטיחות.

פיתוח מעגל הבמה

במנוע של בעירה ממולא, פרבורן מייצר גז חם כדי להניע את הטורבינות, וכי גז מוזרק לתוך התא הראשי.מנועי מודרני כמו Raptor לפעול עם טרום שור עשיר מאוד דלק כדי לשמור על טמפרטורות טורבינות לנהל. על ידי בדיוק לשלוט תערובת טרוםבורן ושימוש בהפרעות חמצן עשיר (כמו ב RD-170), מהנדסים יכולים להשיג לחץ קיצוני - על ידי בדיוק לשלוט בטמפרטורה גבוהה של 300 מחוספסת חומרים מכובשים, אשר יש לחץ גבוה.

מעגל רחב יותר טורבומפs

מנועי מחזור רחב יותר, כגון RL10 ו-Be-7, להשתמש בחום נספג מן הנורה להרחיב את הדלק לפני שהוא מניע את טורבינת ההקררה החדשה, שיפורים אחרונים בערוצי קירור מחדש מאפשרים לשטף חום גבוה יותר, העלאת טורבינות בלחץ ובכך פלט משאבה.מחזור זה בטוח מטבעו כי אין לו צרבת מוקדם יותר ויש לו פחות רכיבים חמים.

תחזית עתיד

העשור הבא יביא חידושים טורפים שדוחפים את הגבולות של דחף ובטיחות.מחקר לתוך משאבות מכניות היברידיות יכול להדוף את טורבינות המשאבה, המאפשר לכל אחד לפעול במהירות האופטימלית שלו.הפיתוח של מנועים חשמליים בעלי עוצמה גבוהה עבור מנועי אוויר נמוך (למשל, עבור קרקעות) עשוי בסופו של דבר בקנה מידה גדול יותר של דבר למערכות גדולות יותר.

Another promising avenue is the use of cryogenic hydrogen as a coolant for magnetic bearings, eliminating the risk of oil contamination. Magnetic bearings already allow operation at much higher speeds than mechanical bearings by eliminating friction and the need for lubrication. Blue Origin has filed patents for magnetically levitated turbopumps that could run at over 100,000 rpm.

לבסוף, דחיפה לרכבי שיגור ניתנים לחזרה באופן מלא דורשת הפרעות שיכולות לשרוד עשרות או אפילו מאות טיסות ללא תחזוקה.זה ידרוש המשך ההשקעה בחומרים חזקים, ציפויים מתקדמים, ניטור בריאותי צפוי.החידושים המתוארים כאן מניחים את התשתית למנועי שהם חזקים ובטוחים יותר מאי פעם, מה שיאפשר לאנושות להגיע לחלל לעתים קרובות יותר ובאופן אמין.