מניעים היפרגוליים תופסים נישה ייחודית והכרחית בהנעה של טילים.המאפיין המגדיר שלהם - ignition in apontaneous על מגע בין דלק וחמצן - משמיד את הצורך במערכות נזילות חיצוניות מורכבות, המאפשרת כניסה מהירה ואמינה של מנועים מהירים ואמין, הנכס הזה הופך אותם לבחירה המועדפת על בקרת גישה חלליות, מערכות תמרון מסלול חירום על כלי רכב מתפתחים, אך ורק כדי לקדם אתגריים כימיים משמעותיים, כדי לקדם את ההשפעות שלהם, כדי לקדם את ההשפעות של חומרת בטיחותי ראייה עמוקה יותר, באופן קפדני יותר, יש צורך יעיל יותר, כי יש צורך יעיל יותר, כי יש צורך יעיל יותר, כי יש צורך זה, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, לחץ חזק יותר, כי הוא גורם יעיל יותר, לחץ דם חזק יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא גורם יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל של חומרים הנדסית בטיחותי כוח חיובי, כי הוא גורם להם את ההשפעות של חומרים מתקדמים, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא גורם להם את

מה הם חומרים היפרגליים?

(הופנה מהדף Hypergolic Drivelants) הם שילובי טילים דו-צדדיים – דלק וחמצן – אשר מעוררים באופן ספונטני מגע ללא מקור חיצוני של טוהר (היפרגולי) מגיע מהגרמני (FLT:0hypergoligolphFLT:1, נגזר מיוונית FLT:2perigr 3 (over) ו-FLTer:

  • (ב) [[1924]]]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אלה מונעים כבר בשימוש מאז ימי קדם של מדענים גרמנים במהלך מלחמת העולם השנייה ניסויים עם שילובים היפרגליים כמו חומצה חנקנית עם חומצה פרופורל אלכוהול. ארה"ב ותוכניות חלל סובייטיות מאוחר יותר אימצו דלקים מבוססי hydrazine עם טטטרוזיס חנקן עבור הפשטות והאמינות שלהם.

כימיה של תמימות ספונטנית

מנגנון הזרה ההיפרגלית כולל תגובה כימית אקספרסמית מהירה בין הדלק לבין חמצון.לדוגמה, התגובה בין מונומתיאזין (MMH) ו טטטר תחמוצת חנקן (NTO) מתקדמת דרך שרשרת מורכבת של ביניים, ייצור חנקן, מים, פחמן דו חמצני וחום, עם עיכוב חד-משמעי של פחות מכמה מילימטרים שניות בתנאים.

עיכוב הזרה הקצר הוא קריטי עבור מנוע מהיר סטארט-אפ. גורמים אחדים משפיעים על העיכוב הזה:

  • (ב) טמפרטורות גבוהות:0) טמפרטורות נמוכות יותר (FLT:103) ולהפחית את קצב התגובה, עיכוב בשקיקה.
  • (ב) ⁇ :0) יעילות הפחתת: 1 (בשילוב מוחלט או איטום גרוע יכול להוביל לעיכובים ארוכים יותר או למניעה כושלת.
  • לחץ דם:0Chamberlake: 1FLT לחץ גבוה בדרך כלל מאיץ את התגובה, אך גם מגביר את הסיכון להתחלה קשה.
  • (ב) ,0) רמות הטיהור: מים או אחרים יכולים למקם את התגובה הראשונית או לעכב את הזריקה.

הבנת הקינטיקה התגובהית היא חיונית עבור מעצבים. דינמיקה נוזלית Computational (CFD) מודלים המשלבים מנגנונים כימיים מפורטים - כגון ה- HyChem (Hydrocarbonכימיה) מותאמים לחמצן הידרואזין - משמשים לחיזוי התנהגות ממצה על פני המעטפה התפעולית.מודלים האלה מסייעים להבטיח כי המנוע יכול להשיג שקיפות אמינה תחת כל התנאים הצפויים, כולל מתחיל קר במסלול או בתקופות אחסון מורחבות.

המונחים: Rapid Start-up

תכנון מערכת הנעה היפרגולית, אשר מעוררת שוב ושוב, תוך שמירה על שלמות מבנית ובטיחות דורש התייחסות לאתגרים הנדסיים הקשורים.

תאימות חומרית

דלקים היפרגוליים ו-oxidizers הם מאוד קורוזיים ו רעילים.hydrzine הוא לא רק רעיל, אלא גם קרcinogen ידוע, בעוד tetroxide מגיב עם מים כדי ליצור חומצה חנקנית, מה שהופך אותו מאוד קורוזי למת מתכות סטנדרטיות.חומרים במגע עם מדחף חייבים לעמוד גם התקפה כימית וגם לחץ קרידק.

  • (FLT:0)Metals:FLT:1 Stainless Steels (304L, 316L) וסגסוגת אלומיניום מסוימת (כגון 6061-T6) משמשים בדרך כלל עבור רכיבים בצד של חמצון. Monel ו- Inconel נבחרים לעתים קרובות עבור חלקים עתירי זמן גבוהים.
  • (FLT:0Seals and elastomers: ⁇ 1) Polytetrafluoroethylene (PTFE, Teflon), perfluoroelastomers (Kalrez, Chemraz), ו ethylene propylene Die mononemer (EPDM) לספק התנגדות כימית.
  • (FLT:0)Composites: FLT:1 פחמן-fiber-reinforced פולימרים (CFRP) משמשים כלי לחץ קל משקל אבל דורשים קו הגנה (למשל, NBR גומי) כדי למנוע הדבקה והתקפות כימיות.

אימות חומרי כרוך בבדיקות חשיפה לטווח ארוך תחת לחצים וטמפרטורות מציאותיים.לדוגמה, קופות הניסוי של נאס"א וייט סנדס נושאים חומרים מועמדים חשיפה מחזורית ומוניטורים לשינוי המוני, השפלה של חוזק רבייה, וסדקים מיקרוסקופיים לפני הסמכה לטיסה.

חוסר אחריות

הבטחת סטיות ספונטניות עקביות על פני כל המעטפה התפעולית של המנוע - החל קר בחלל עמוק ועד להפעלה מחדש לאחר שריפה ארוכה - דורש בדיקות קפדניות ושולי עיצוב.אמינות התעלמות נמדדת בדרך כלל כהסתברות להשיג להבה יציבה בתוך חלון זמן מוגדר (למשל, <50 מ"מ מסתום פתוח לשחיטה מלאה).

שני מצבי כשלון נפוצים הם "התחל קשה" (עלייה בלחץ בשל צברו מדחף לא מזוהיר) ו"שריון כפוי" (כישלון להצית) כדי להפחית את אלה, מעצבים משלבים תכונות כגון:

  • (ב) טיהור (Pre-injection purges: ההרחבה: ההרחבה 1 (FLT:1) כמות קטנה של חמצון או דלק מוזרק לפני הזרם הראשי כדי לסכן את התא.
  • (FLT:0) פלורוטכני או קטליוזדטורים: FOVALT:1 למרות שדחפורים היפרגוליים אינם זקוקים לשקיקה חיצונית, מיטה קטליטית קטנה (למשל, Iridium-coated granules decomated hydrazine) יכול לספק להבה כדי להבטיח ignition under תנאים שוליים.
  • (FLT:0) תנאי טמפרטורה יעילים:FLT:1 הויטרס עטוף קווים או שסתום דחף מעלה את טמפרטורת הדחף לפני תחילת ה-up, צמצום המהירויות ושיפור קינטיקה התגובה.

יציבות

במהלך שלב הסטארט-אפ הטרנסצנטי, המנוע חווה שינויים במהירות של שערי זרימה, לחצים ותערובת יחסי.אם תהליך ההבעירה הופך לא יציב, הוא יכול לייצר תנודות לחץ שפוגעות בזרקות, תאים, ו nozzles. Hypergolic Engine רגישים במיוחד ל"צ'וג" (חוסר יציבות נמוכה בשילוב עם מערכת להאכיל) ו"מגרד" (חוסר יציבות גבוהה אקוסטית).

יציבות מושגת באמצעות עיצוב הזרקת זהיר.סוגים של אינזרקורים נפוצים כוללים:

  • (ב) ,0) כמו כפול:2 מטוסים של אותו דחף קביעות כדי לפרוץ לתוך טיפות קטנות.
  • (ב) ,0) , לעומת כפול: 1FLT: מטוס דלק מתנגשים עם מטוס oxidizer כדי לקדם שילוב מיידי ותגובה.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

לוח הפנים של אינסטלטור תוכנן לעתים קרובות עם חלל לחות אקוסטי או baffles כדי לדכא oscillations גבוה ⁇ ⁇ .בנוסף, מערכת להאכיל מונעת חייב להיות מכוון כדי למנוע אינטראקציות קצב ירידה לחץ - זרימת קצב אשר יכול לגרום chugging. בדיקות כולל מדידות לחץ דינמי וניתוח וידאו מהיר כדי לאפיין את transupient.

יד ובטיחות

מונעי Hypergolic הם בין החומרים המסוכנים ביותר בשימוש בטילים.hydrzine הוא רעיל מאוד (LD50 עכברוש אוראלי - 60 מ"ג / ק"ג) ו carcinogenic; tetroxide הוא חמצון חזק שיכול לגרום pulmonary edema על inhalation. טיפול בטוח דורש: טיפול דורש:

  • ציוד הגנה אישי (PPE): החלפה 1: מלא גוף צמיגים, SCBA (כלי נשימה המכיל את עצמו) עם לחץ חיובי, כפפות גומי, ועומסי בטיחות.
  • (FLT:0) בקרת בטיחות:FLT:1 מתקני טיפול היפרגולס חייבים להיות מערכות ניטור אוויר (למשל, גלאי גיל המעבר עבור NOx, צינורות צבע עבור hydrazine), מקלחות חירום ותחנות שטיפת עיניים, ומכלי אחסון גז צמיגים.
  • (ב) ⁇ :0) ,5 ,5 נטרול על ידי הצפה עם כמויות גדולות של מים (לhydrazine) או באמצעות סוררים מיוחדים ונטרלנטים כימיים (למשל, נתרן היפוך פתרון hypochlorite עבור hydrazine).
  • (FLT:0) העברת פרולנט: FLT:1 טעינה וניקוז מבצעים מבוצעים מרחוק באמצעות מערכות סגורות-לופ המפחיתות את החשיפה האנושית.תוכנית אפולו השתמשה בהליכים "טעימים" שבהם כמות קטנה של דחף היה טעון באופן מצטבר בעת ניטור עבור דליפות.

פרוטוקולי בטיחות נשלטים על ידי סוכנויות כמו נאס"א (NPR 8715.6A), חיל האוויר האמריקאי (AFMAN 91-210) וסוכנות החלל האירופית (ESA PSS-01-601). כל האנשים עוברים הכשרה חוזרת וחייבים להשתתף בתרגילי חירום.

תכונות עיצוב מנוע

כדי להשיג את זמני הסטארט-אפ של תת--100-מילימטריים הנדרשים עבור מערכות בקרת גישה, מהנדסים משלבים מספר תכונות עיצוב:

  • (FLT:0) שסתום פעולה: FIRLT:1 ; Solenoid או torque- motor שסתום עם זמני תגובה מתחת לגיל 10 מ"ר.
  • (FLT:0) קווי מזון קצרים: FLT:1 מזער את נפח בין שסתום לבין הזרקת מפחית את נפח המתים של דחף שיש לגרש לפני הזרה, להפחית את הסיכון של התחלה קשה.
  • (FLT:0) מערכות חימום טרום-התחממות: FLT:1rea Resistance תנורי דלק וטמפרטורות חמצון מעל סף מינימום (למשל, 10 מעלות צלזיוס עבור MMH ו NTO).
  • (FLT:0)Catalytic מיטות: 1FLT:1 עבור מנועי באמצעות hydrazine לבד (monopropellant), חבילת זרז של alumina decomated alumina decompose מניחה hydrazine לתוך גזים חמים ללא חמצון.זה מספק טווח דחף גדול ותגובה מהירה מאוד.
  • (FLT:0) הבטחת הזרה של Redundant: FIRLT:1) כמה מנועים קריטיים משלבים שתי קבוצות עצמאיות של שסתום וזרקות כגון שאם לא תצית, השני יכול לבטל את הבעיה או לספק הפעלה מחדש.

יתרונות ואכזבות

מניעים היפרגוליים מציעים מספר יתרונות משכנעים על פני מדחף מבוהג או מוצק עבור יישומים ספציפיים:

  • (ב) ללא מקור אנרגיה חיצוני, עיצוב מנוע ומפחית משקל.
  • (ב) ניתן לסגור את המנועים של ה-FLT:1 וחדש פעמים רבות, חיוני לתמרנים ולעגן.
  • (FLT:0) ניתן להחלפה בטמפרטורת החדר:FLT:1 בניגוד מימן נוזלי או חמצן, היפרגולס לא דורש קירור מבוהגאני, ומאפשר אחסון לטווח ארוך בטנקים.
  • (FLT:0) אמינות גבוהה: ⁇ FLT:1) פרובנס במשך עשרות שנים של שימוש במשימות קריטיות, מנועי היפרגוליים יש שיעורי כשל בקרב הנמוך ביותר מכל מערכת הנעה כימית.

עם זאת, היתרונות האלה באים עם חסרונות משמעותיים:

  • (ב) ,0) רעילות אקסטרמי (Extreme רעילות) 1 דורש תשתית בטיחותית משוכללת, הגדלת עלויות השיגור והייצור.
  • (ב) §0 CorrosivityFLT:1 מגביל את הבחירות החומריות ודורש שיפוץ תקופתי של ציוד תמיכה קרקעי.
  • (FLT:0) לדחף ספציפי (Isp)FIRLT:1 בהשוואה לשילובים מבוהלים בעלי ביצועים גבוהים (למשל, מימן / אוקסגן מספק -450 שניות ריק Isp לעומת - 330 שניות עבור MMH / NTO).
  • (ב) ⁇ :0) חששות: FLT:1; Spills, דליפות, מוצרי בעירה יוצרים פסולת מסוכנת שיש לטפל בה בזהירות.

יישומים בחלל ובהגנה

מניעים היפרגוליים משמשים בעיקר כאשר סטארט-אפ מהיר וחדש אמין הם ראשוניים.

  • (FLT:0) מערכות בקרת תגובה של תגובה (RCS): INDIRLT:1 ; Attitude control and Station-keeping דחףים על לוויינים, תחנות חלל, וחללית צוות (למשל, מודול Zvezda של תחנת החלל הבינלאומית משתמש בדחפורים hydrazine).
  • (FLT:0) מערכות תמרון אורביטל (OMS): מנועי ההרחבה 1 (OMS): מנועים גדולים לשילוב מסלול ושינויים במטוס, כגון פודים של מעבורת החלל (MMH/NTO).
  • (FLT:0)Launch רכב בשלבים העליונים: FLT:1; השלב העליון של רקטות פרוטון ב Briz-M משתמש UDMH / NTO עבור מספר רב של הפעלות מחדש.השלב העליון של פלקון 9, מעניין, משתמש methalox Cryogenic אבל יש היפרגולי TEA / TEB (triylaluminum /trianebor) להצית מנוע הראשי.
  • (FLT:0) ,Emergency Propulsion:FLT:1 Crewed החללית לשאת מנועים של abort hypergolic (למשל, מערכת שיגור Abort על החללית האוריון של נאס"א משתמשת מנוע מוצק, אבל המנוע הראשי של מודול השירות הוא היפרגולי).
  • (FLT:0) מערכות הגנה: FLT:1, הטיל הסטנדרטי של הצי האמריקני משתמש מנוע טילים Mk.104 (solid), אבל מערכות טילים בליסטיות רבות לאחר הboost (למשל, רכב השב"כ של minuteman III) משתמשות בנוזלים היפרגוליים אדירים לשליטה על גישה טובה.

פרוטוקולי בטיחות והשפעה סביבתית

השימוש במניעים היפרגוליים מטילים פרקטיקות בטיחותיות ובקרת סביבתיות מחמירות.באתרי ההשקה כגון מרכז החלל קנדי, אזורי אחסון מונעים היפרגוליים מבודדים, וכל פעולות ההעברה מתבצעות במערכות מרוחקות מבוקרות. A Hypergol שפך נחשב לאירוע מסוכן גדול הדורש מנעול מיידי וניטראליזציה.

חששות סביבתיים גם מניעים דרישות רגולטוריות.החוק האמריקני נקי מרשימות hydrazine כמזהמים אוויריים מסוכנים, ושחרורו הוא במעקב בקפדנות. hydrazine הוא בדרך כלל מוקרן בטמפרטורה גבוהה, בעוד חנקן טטטרקס טטטרקס מלוטש במים וננטרל עם מעקב סיבתי במים על ידי מים חמים באתרי ההשקה ההיסטוריים כמו Capeveral זיהה עקבות של טטוקסידוקסידוקסידוקסידציה (Nulf-fazine-R) הדורשת 1Dine-R (MAR) לטווח ארוך (MAR).

בתגובה לאתגרים אלה, סוכנויות חלל וחברות מחקר פעיל חלופות ירוקות יותר, הנקראות לעתים קרובות "דחפורים היפרגליים ירוקים".

  • (FLT:0) נוזלים איטוניים:FLT:1 כגון 1-ethyl 3-methylimidazolium dicyanamide (EMIM DCA) בשילוב עם מימן peroxide או תחמוצת חנקן, שיש להם רעילות נמוכה יותר ופחות קורוזיות.
  • (FLT:0) Hydrogen peroxide-based hypergolss:FLT 1 שימוש בריכוז גבוה (90%) מימן peroxide כמו חמצון עם דלקים מסוימים כמו אלנול או aniline יכול לייצר ignigolic ignition עם הרעלה מופחתת.
  • (FLT:0)Ammonium dinitramide (ADN) מבוסס מונופרופילנטים: אנדרט 1 כמו LMP-103S (FLP-106), שהם פחות רעילים מאשר hydrazine ומשמשים בלווייני PRISMA.

פיתוח עתידי

למרות דחיפה למניעים ירוקים יותר, מערכות היפרגליות יישארו בשירות לעתיד הנראה לעין בשל האמינות הבלתי-מתאמת שלהם ויציבותן.פיתוחים בייצור תוספים (3D הדפסה) יאפשרו למהנדסים ליצור ג'ממטים אשר אופטימיזציה ערבוב ועיכוב נזיפה. Inu משאב (RU) עבור מאדים לשקול שימוש במים ילידיים לייצור חמצן ולאחר מכן לשלב אותו עם פתיר מדלקת דלק שמקורו בשרירים.

גבול נוסף הוא השימוש בדחפורים היפרגליים במנועים של טילים היברידיים, שם גרגר דלק מוצק נחשף לחמצן נוזלי הנת על מגע, המאפשר לזינוק ולחדש את החוקרים ב-FLT:0 NASA's Marshall Space Flight CenterFreaFLT:1 חוקר מושגים כאלה עבור סחף לווייני קטן.

בינתיים, תעשיית החלל המסחרית, בראשות FLT:0.SpaceXearFLT 1:1, דוחפת לעבר מנועי הבעירה ממולאים בזרימה מלאה המשתמשים ב- methane andחמצן – לא רעילים וביצועים גבוהים – מה שגורם ל- Hypergolics למניעה ראשונית.עם זאת, החללית של SpaceX מסתמכת על Hypergolic Dracoers for Movingal, תחת קורטובים שתלויים במערכות של Hypergulations.

מסקנה

מונעי Hypergolic הם טכנולוגיה בוגרת, אמינה מאוד כי מצטיינים שבו מנוע מהיר סטארט-אפ ופוחיות מרובות נדרשים.השקיה הספונטנית שלהם מבטלת את מצב הכישלון של תקלה בצינור, מה שהופך אותם אידיאליים עבור מערכות חלל קריטיות בטיחות.עם זאת, הרעילות שלהם והסיכונים סביבתיים לכפות עלויות תפעוליות משמעותיות ומניעה מחקר מתמשך לתוך חלופות בטוחות יותר.