השימוש בכלי רכב של שיגור ברמה המקיפה את הכלכלה של גישה לחלל, בעוד תשומת לב ציבורית רבה מתמקדת בתמרוני הנחיתה הדרמטיים של מאיצים בשלב הראשון, האתגרים ההנדסים הלא-הסועיים נמצאים בפסגת הקרקע - במיוחד במהירויות הבטוחות, היעילות והאמינות של הנעת תאי דלק צועניים כמו מימן נוזלי (L2) וחמצן נוזלי (LOX).

ניהול ו בידוד

האתגר העיקרי בהעברה מבועתת הוא צמצום החום בתוקפנות.כל וואט של חום שנספג על ידי המניע גורם לחוסמת, הידוע בשם רתיחה, אשר מבזבז דלק ומייצר לחץ.עבור מערכות שניתן לתדלוק במהירות בין טיסות, בידוד תרמי יעיל אינו אופציונלי - זוהי דרישה מגובשת.

Multi-Layer Insulation (MLI)

בידוד רב-שכבות מורכב משינוי שכבות של סופה רפלקטיבית (לעתים קרובות אלומיניום Mylar) ו- low-conductivity Spacers, ערימה בתוך ואקום.מערכת זו יכולה להשיג התנהגויות תרמיות כמו נמוך כמו 10 -5 W / mK כאשר מובהן כראוי. in transfer שורות, MLI הוא בדרך כלל סגור בתוך מעיל ריק כדי למנוע העברת חום.

Vacuum Jacket & Perlite Insulation

עבור קווי קוטר גדולים יותר וכלי אחסון, מעיל ואקום עם אבקה או בידוד perlite נפוץ.המעיל שומר על ואקום גבוה, בעוד perlite (כוס געשית ידועה) ממלא את האננולוס כדי לדכא convection.שילוב זה מספק ביצועים חזקים גם אם הריק דהוייק מכווץ מעט.המשתים מודרניים משתמשים בחופי העברה כי לצר כדי להתחבר לרכב, שמירה על ריק באמצעות פעמונים גמישים ואיגודים.

Cooling Active Cooling and Subcooling

כמה מערכות הדור הבא ללכת מעבר בידוד פסיבי. קירור פעיל, באמצעות Cryocoolers או מחליף חום, יכול recondense גז רותח או אפילו subcool את הנוזל מתחת לנקודה הרתיחה הרגילה שלו. subcooling מגביר את צפיפות של המדחף, ומאפשר יותר מסה להיות מאוחסן בנפח טנק נתון ולהפחית את הפיגור תרמי במהלך ההעברה.

ניהול Bil-Off and Stress Control

גם עם בידוד הטוב ביותר, כמה דליפת חום היא בלתי נמנעת.הדור הנגרם חייב להיות מנוהל למנוע דיכוי יתר של מיכלי אחסון וטנקים רכב. ניהול Boil-off הוא קריטי במיוחד במהלך השלב הצמרר, כאשר קווי העברה חמים קרירים להתקרר לטמפרטורות Cryogenic כמויות עצומות של vapor מיוצרים.

מערכות החזרה ו-Vapor Return Systems

מיכלי אחסון קרקעיים גדולים מצוידים בשסתום הקלה בלחץ וערימות מאווררים אשר משחררים בבטחה גז רותח לאטמוספירה.עבור LH2, שהוא מאוד דליף, הגז המואר לעתים קרובות מופצ או מפוזר באמצעות אוהדי עתירה גבוהה. במערכות חוזרות, קו החזרה vapor מחבר את הרכב לקוטב, ומאפשר גז עקורים להתאושש ולהתפזר באמצעות הסתמכות על זה ולא ספוגה.

תקנות לחץ במהלך העברה

במהלך ההעברה המהירה של נוזלי Cryogenic, הלחץ במיכל המקבל חייב להיות מבוקר בקפידה.אם הלחץ הטנק יורד נמוך מדי, הנוזל יכול להבהב לתוך vapor; אם הוא עולה גבוה מדי, הזרם יכול להיפצע או מיכל יכול להיות ניזוק.מהנדסים להשתמש בשילוב של לחץ על ידי מערכת העברה מהירה יותר של מערכת ניהול משאבה.

בחירה והתאמה

חומרים במגע עם נוזל Cryogenic חייב לשמור על דוקטריות וכוח בטמפרטורות שבו רוב הפלדה להיות מתפתל.ה התכווצות התרמית של רכיבים יש גם להיות מאוחסן באמצעות מפרקי הרחבה ונפיחות תמיכה.

Cry Alloys and Composites

סוסי העבודה של קווי העברה מבוהלים הם פלדה אל-חלד אורנטי (304L, 316L) וסגסוגת אלומיניום (כגון 6061-T6), חומרים אלה מפגינים קשיחות רבה של שבר בטמפרטורות נמוכות. Inconel 718 משמש לרכיבים בלחץ גבוה כמו פעמונים ושסתום. לאחרונה, מטבוליות פולימרוגזמות עם חיזוק פחמן פותחו עבור קווי העברה קלים, למרות שעדיין משתמשים בקשיים של מיקרו-מפלקסים של חומר חמצן ונפיחות.

עבור חותמות, PTFE (Teflon) ותרכובות PTFE מלאות נפוצים עבור חותמות סטטיות, אבל עבור חותמות דינמיות בשסתום והפעלה של איגודים, חותמות מתכת-to-metal (כגון אלה שנעשו מ-AltedAlted או נחושת) מועדפים כי הם שומרים על התאמה תחת ⁇ טמפרטורה קיצונית. Cry O-rings לעתים קרובות להשתמש עיצוב מוקרן עם PT כדי להבטיח טמפרטורות נמוכות נשמרות.

ניהול חוזים

כאשר קו העברת פלדה הוא קריר מ- ambient (20 מעלות צלזיוס) לטמפרטורה LH2 (-25 ° C), הוא מתכווץ על ידי בערך 0.3%. עבור קו 50 מטר, כלומר 15 ס"מ של לולאות התרחבות, קידוד תומך, ועלייה גמישה משולבים כדי לספוג תנועה זו ללא גירוי יתר או תיקונים.

Valve ו- Seal Technologies

Valves בשירות Cryogenic חייב לפעול באופן אמין באמצעות אלפי מחזורים תרמיים תוך שמירה על סתום חזק. שער סטנדרטי או כדור מסתמי עם חותמות אלסטומרי נכשל במהירות בסביבות מבוכות עקב איטום והתאמה תרמית.

כדור Cryogenic ו- Butterfly Valves

משוסתום הכדור הבכי מיוחד כולל מרכיבים מורחבים המבודדים את המתיחה מאזור הקר, מונעים icing והגנת החותם. הכדור והמושב לעתים קרובות מצופים בכבדות או Stellite כדי להתנגד לגלם. כיסתמי פרפרים, בשימוש בקוטרים גדולים יותר, מעסיקים עיצוב גמיש כי מכווץ בטמפרטורות נמוכות כדי לשמור על שסתום.

פופפט ובדוק Valves

שסתום פופפט נפוצים במילוי וניקוז יישומים כי הם מספקים נתיב זרימה ישר דרך טיפות לחץ נמוך. עיצוב מועתע האביב מבטיח סגירה חיובית כאשר שינויים זרימה. לבדוק שסתום למנוע זרימה אחורית חייב להיות קל מאוד כדי למנוע אפקטים פטיש. הרבה כלי רכב מודרני ניתן להשתמש בשסתום צ'ק בעל ערך נמל כי הם בלתי נפרד הטנק.

טכנולוגיית חותם ממשיכה להתפתח. Metal C-rings ו- E-rings, לעתים קרובות עשוי איקונפל 718 עם שפע כסף, משמשים לחיבורים מעופפים שבו אמינות גבוהה היא רבת ערך.עבור הפיכה מהירה של קישורים, אשר חייב להתחבר ולנתק במהירות בין קרקע לרכב, שילוב של אפופט עצמי וטבעת מתכת משמשת, שנועד לשרוד מאות של מחזורים ללא דליפות.

מערכת העברה

התהליך האמיתי של העברת דלק מבוהגאני מאחסון קרקעי לרקטה שניתן לחזרה כרוך במספר שלבים נפרדים, כל אחד עם אתגרים הנדסיים משלו.

המונחים: Chill-Down

לפני זרימת הדלק העיקרית יכול להתחיל, קו ההעברה ואת מיכל הנעה של הרכב חייב להיות קריר למטה מטמפרטורה מזווית הסביבה לתנאי Cryogenic.זה נעשה על ידי שליחת זרימה קטנה של נוזל Cryogenic (או גז) דרך הקו. התהליך יכול לייצר כמויות גדולות של vapor - עד 10 פעמים המסה של נוזל כי בסופו של דבר נשאר אופטימיזציה של קצב זרימה קרירה למזער Vorap בעוד קו חום הוא מנטרק.

2-Phase Flow ו- Cavitation

במהלך הצמרון הראשוני וגם במהלך מילוי מהיר, זרימה דו-phase (מחוייב עם vapor) יכול להתרחש.זה יוצר תנודות לחץ, להפחית את יעילות ההעברה, ויכול לגרום נזק קליטה למשאבת ושסתום. כדי להפחית את זה, מערכות קרקע להשתמש באספקת נוזל "מעורבת" (באור מתחת לטמפרטורה) כדי לדכא היווצרות vorap, בנוסף לזרימת נוזל.

שיעורי העברה מועדים וזמניים

מערכות שיגור מושכות נועדו לסיבוב מהיר, על סדר השעות.עבור רכב כמו ספינת הכוכבים של SpaceX, הדורשת בערך 1200 טון של דחף, שיעור זרימת ההעברה חייב להיות על סדר של כמה טון לדקה.זה דורש קווי דימטר גדולים (300-400 מ"מ) ומשאבות חזקות.המשאבות עצמן חייבות להיות שקועות בזעקה או נוזליות במיוחד כדי למלא את התדרים המדויקים של בקרת טנקים.

בטיחות ואמינות

מדחף Cryogenic הם מסוכנים - LOX הוא חמצון חזק, LH2 הוא מאוד דליף, שניהם יכולים לגרום כיפור חמור או asphyxiation. מערכות בטיחות משולבים עמוק לתוך פעילות העברה.

מערכות חוצות ו Fault Tolerance

כל הרכיבים הקריטיים - משאבות, שסתום, חיישנים ומערכות בקרה - יש לפחות כפולות ונדוניות.במקרים רבים, משולש אדמוניות מועסק עבור פונקציות קריטיות בטיחות כמו השבת חירום.מערכת הבקרה לפקח על מצב כל רכיב ובאופן אוטומטי יתחולל העברה אם כל אנמליה מזוהה. לדוגמה, חיישן דליפה במעיל הריק יגרום לסתום אם הוא עשה עקבות (מכוסים בשימוש) כמו עקבות גז מזוהה).

גילוי וחירום

בדיקת דליפת הדלפות של Helium מבוצעת על כל המפרקים והחתימות לפני כל פעולה.במהלך ההעברה, גלאי גז קבועים ומצלמות אינפרא אדום כדי לברוח מחוספס.אם דליפה מזוהה, סדרה של שסתום בידוד אוטומטי קרוב ברצף כדי לפרט את המערכת ולצמצם את שחרור מערכות דלק חירום, באמצעות מחסנים זרימה גבוהים, יכול לרוקן את הטנקים של הרכב בתוך דקה אם יש צורך.

שיטות ואימון הם קריטיים באותה מידה, מפעילי הכשרה מבוססת סימולציה כדי להתמודד עם תרחישים לא דומיננטיים.תרבות הבטיחות בפעולות Cryogenic מתועדת היטב על ידי ארגונים כגון FLT:0ANASA Cryid Management סטנדרטי.

מערכות בקרה ובקרה

העברה מבוכת מודרנית מנוהלת על ידי מערכת בקרה מבוזרת (DCS) המשלבת מאות חיישנים ומבצעים. נתונים בזמן אמת מוצגים למפעילים שיכולים להתערב, אך המערכת נועדה לטפל בפעילות שגרתית באופן אוטונומי.

טכנולוגיית חיישן

הטמפרטורה נמדדת באמצעות חיישנים דיודי סיליקון ותרמוסקופים (Type E for Cryogenics) לחץ טרנסנדנדנטים עם diaphragms צג צג צג ולחצים קו. Flow מטרים המבוססים על אפקט Coriolis או מטורבינה Cryogenic לספק קצב זרימה המונית.עבור LH2, חיישני רמה נוזלי קיבולנס משמשים כי הם פועלים באופן אמין בנוכחות של בועות אופטיות הם לחיישנים מופץ.

אוטומציה ובקרה

מערכת הבקרה משתמשת אלגוריתמים חיזוי כדי לנהל את תהליך הצמרון, התאמת שערי זרימת ואוורור למזער זמן ומניעה אובדן. במהלך מילוי, המערכת מסדירה את הלחץ הטנק על ידי שליטה בשסתום החזרה של vapor ואת שסתום המלא הראשי.זה גם לפקח על גיבסינג - תופעה מסוכנת שבה חיסון מהיר בקו האנכי יכול לגרש כמו gey-y-y-y-מערכות הפעלה קטן.

ציוד תמיכה קרקעי להעברה Cryogenic

מעבר לקווי ההעברה עצמם, נדרש צי של ציוד תמיכה קרקעית (GSE) לאחסון, מצב ולספק את המניעים.

אחסון טנקים

טנקים spherical או cylindrical, ממושמעים עם בידוד ואקום / אספרליט, לאחסן LH2 ו- LOX באתר ההשקה.יכולותיהם נעות בין כמה מאות אלפיים עד כמה מיליון ליטרים. לחץ טנק נשמר על ידי מערכת אוסטרול מבוקרת, והנוזל מופצה באמצעות תת-קולר (החלפת חום באמצעות משוחרר או חנקן) כדי להשיג את הטמפרטורה הרצויה.

קווי העברה וקישורים מהירים

קווי ההעברה של מיכל האחסון אל מדף השיגור הם בדרך כלל 8-12 אינץ 'בטר לזרם הראשי, עם קווים קטנים יותר עבור החזרה גזית וטיהור חיבורים. ניתוק מהיר (QD) משמשים בדרך כלל בממשק הרכב. אספורדים מכניים מתוחכמת אלה חייבים לנעול על נמלי הטנק של המכונית, חותם בטמפרטורות Cryogenic, ולאחר מכן לשחרר נקיה על גביית:0 מרוקנת מהירות;

חידושים עתידיים

כמו מערכות שיגור מתבשלות, טכנולוגיית העברה מבועתת חייבת להתפתח כדי לתמוך בשיעורי טיסה גבוהים יותר ופרופילי משימה חדשים, כגון דלק בחלל.

Zero Boil-Off (ZBO) Systems

הגבול הבא הוא קירור פעיל כדי להשיג אפס דום אחסון והעברה.מחקרי ZBO של נאס"א הוכיחו כי שילוב של כיגורים בכיבים עם מיכלי אחסון יכול לשמור על נוזל ללא הגבלת זמן, הסרת הזמן עבור חלונות שיגור.עבור מערכות שניתן לנזוף, ZBO יכול לחסל את הצורך עבור venting במהלך החזקת הקרקע, לפשט עיצוב רכב.

העברה אוטונומית ומפורשת

פעולות עתידיות עשויות להסתמך על העברה אוטונומית מלאה, באמצעות מערכות בקרה המונעות על ידי בינה מלאכותית המייעלות את התהליך ללא התערבות אנושית.זה יאפשר סיבוב מהיר ללא צוות קרקע גדול.פעולה מרחוק, עם מרכזי בקרה הממוקמים קילומטרים מהמרוץ, משפרת את הבטיחות.הטכנולוגיה נבחנת באתר הניסויים של FLT:0SpaceX של טקסס FLT:1 עבור ספינת הכוכבים, שבו כבר נעשה שימוש באמצעי טעינה אוטומטיים.

העברה ב-Space Cryogenic

אולי היישום השאפתני ביותר מעביר את הדחפורים המבוכים בין חלליות במסלול או על פני הירח, זה דורש אתגרים מיקרו-גרביטטיביים נוספים: ללא כוח הכבידה ליישב את המתחים היבשים וכוחות הקפילים שולטים.מהנדסים מפתחים מכשירים לניהול מונעים (PMDs) – מסכים וערוצים המשתמשים בפעולה כבירה כדי להפריד בין גז – יחד עם טכניקות חדשות באמצעות שדות מבוקרים או מגנטיים.

מסקנה

העברת דלקים מבוהלים במערכות שיגור ניתנות לחזרה היא משמעת הנדסית תובענית שמושכת על תרמודינמיקה, חומרים מדע, דינמיקות נוזליות והנדסת בטיחות.כל רכיב – מהאי בידוד הרב-שכבות במיכל אחסון ועד לניתוק המהיר בממשק הרכב – חייב להיות מיועד לטמפרטורות קיצוניות, אלפי מחזורים, והאמינות הגבוהה ביותר.