Table of Contents

תפקידה של ה- Propulsion in Stratospheric Flight

בלונים גבוהים וספינות אוויר פועלים בשכבה, בדרך כלל בין 18 ק"מ ל 50 ק"מ מעל פני הים.בניגוד למטוסים קונבנציונליים, כלי רכב אלה מתמודדים עם אתגרים ייחודיים: ליד צפיפות אוויר vacuum, טמפרטורות נמוכות כמו -60 מעלות צלזיוס, וקרינה סולארית אינטנסיבית. Thrust עבור פלטפורמות אלה אינם רק לנוע דרך אוויר דק; הם חייבים גם לפצות על רוח, תחנת עצירה, כמו גם אפשרות מוגבלת, או מערכת ניקוי, או ירידה יעילה, כמו גם.

הפילוסופיה העיצובית שונה במידה ניכרת בין בלונים (שתלויים על buoyancy עבור המעלית ודורש דחף בעיקר לשליטה בגובה ולתמרן) וספינת אוויר (שמפיקים מעלית אווירודינמית וזקוקים לדחף מתמשך להילוך קדימה).

יסודות של דור Thrust ב-Altitude

Thrust הוא הכוח המניע רכב קדימה.באווירה העליונה הדקה, יעילותה של כל מערכת הנעה נשלטת על ידי צפיפות של נוזל העבודה & mdash;air. מערכות מונעות על ידי פרופ' פיץ' רואים ירידה דרסטית בדחף כי המסה של צפיפות האוויר מואצת להפחתה שנייה עם גובה. לדוגמה, דחף קונבנציונלי שמייצר 1000 של דחף ברמה הים יכול לייצר רק 10 ק"מ במנועים שלהם, אך לא מוגבל על ידי מנועים תרמיים, אבל לא מוגבל, אלא גם מנועים.

המונחים: key Physics Parameters

  • (FLT:0) צפיפות אוויר: אנדרט 1 בשעה 20 ק"מ, מדובר על 7% מהדחיסות ברמת הים; ב-40 ק"מ, פחות מ-0.2%.
  • מספר ה-FLT:0 [המספר] של ה-FLT:1, נמוך ריינולדס, מפחית את יעילות האווירודינמית של להבים ומשטחי בקרה.
  • (FLT:0) אימפולסים משמעותיים: 1FLT:1 עבור רקטות כימיות, Isp עולה בגובה בשל לחץ גב תחתון, אבל עבור דחף חשמלי, זה תלוי בזמינות כוח.
  • (FLT:0) יעילות הסתברות:FLT:1hilin Defined as שימוש בכוח דחף מחולק על ידי כוח קלט; בגובה גבוה, התאמת מהירות הממצה למהירות הרכב הופכת קריטית.

ניתוח השוואתי של סוגי מערכת Thrust

כל קטגוריה של הנעה מציעה חילופי סחר נפרדים עבור כלי רכב סטרטוספיריים.הבחירה תלויה בסוג המשימה (התחילה-ההגנה מול מעברים ארוכי טווח), תקציב החשמל (רק מול היברידית), ורגישות לעומס (vibration, contamination).

מוכרי חשמל

מונעים מונעים חשמליים הם הבחירה הנפוצה ביותר עבור ספינות אוויריות מודרניות וכדורים ארוכי טווח.הם נהנים מ-FLT:0 יעילות גבוהה ב- PowerveFLT:1, פעולה שקטה, והתאמה עם מערך צילום סולארי פוטו-וולטאי.עם זאת, המדחף חייב להיות גדול מדי (הפרוטר) ולפעול במהירות גבוהה כדי לפצות על חומרים נמוכים כמו פחמן דו-חמצני.

מחקרים אחרונים הראו דחףנים עם התאמת מסך להב שיכול להסתגל לשינוי צפיפות האוויר במהלך האחוז.זה מאפשר מניע יחיד לפעול ביעילות מרמת הים ל -30 ק"מ.חדשנות נוספת היא השימוש של מעריצים גנובים, אשר יכול לספק עלייה דחף צנוע על ידי מניעת אובדן טיפ באוויר בעלות נמוכה.

הטילה על מגמת עלייה מהירה וממנה

מנועי טילים משמשים בעיקר עבור בלונים בעלי יכולת גבוהה הדורשים עלייה מהירה דרך הטרופופוס והסטרטוספרה. רקטות סולידריות הן פשוטות ואמינה, אבל הם כבדים ויש להם יכולת מתעתקת מוגבלת.

רקטות היברידיות (דלק פתור עם נוזל חמצון) נבדקו בפלטפורמות בלון ניסיוניות כי הם משלבים פשטות עם התכוטשות.האתגר העיקרי הוא בידוד תרמי וקירור בסטרטוספרה; ללא קירור קונפוקטי, מנועי יכול לחמם במהירות.

חשמל הנעה (Ion and Hall Thrusters)

אלה טכנולוגיות מתפתחות לגבהים גבוהים מאוד (מעל 40 ק"מ) שבו האוויר דק מדי עבור מדחף.אנין דחף להשתמש בשדות חשמליים כדי להאיץ את הגז המינון, לייצר דחף נמוך מאוד אבל דחף ספציפי מאוד גבוה מאוד (3000-5000 שניות) זה הופך אותם אידיאליים עבור תחנת תאורה לטווח ארוך על קווי אוויר גבוהים שיכולים לייצר כוח סולארי בשפע (10 עד 5000 שניות) ממערך גדול של קוויאטוז.

ה- Trading-off הוא היחס הנמוך למשקל, כלומר הם לא יכולים לשמש לריכוז מהיר.בנוסף, הקטודה הנטרולנית חייבת לעבוד באופן אמין בסביבות נמוכות, קרות. ניסויים אחרונים על בלונים בעלי יכולת גבוהה אישרו את ההפעלה דחף ההפעלה ואת הניתוח ב-35 ק"מ.

דרישות עיצוב עיקריות עבור Thrust Systems

תכנון מערכת דחף עבור הסטרטוספרה כרוך איזון מספר, לעתים קרובות סותר, דרישות. להלן הפרמטרים העיקריים עיצוב כי מהנדסים חייבים להתאים.

משקל ואינטגרציה סטרקטיבית

כל קילוגרם של חומרה הנעה מקטין את יכולת המטענים או את הגובה התפעולי של חומרי משקל האור הם הכרחיים.הלהבים של רבי-המכר, דיור מוטורי, וטנקים מונעים עשויים לעתים קרובות מ-FLT:0aluminum-lithium ( ⁇ spher) מ-FLT:1, ו-FLT:2magnesium מ-Falph3, אוLT:4alumialumialuminum-lithaluminum-Falthalumialum, עדיין לא צריך למנוע לנטרל את הכוח של ה-FLT5 LT5 LT מספיק חזק יותר מ-FLT.

ניהול מקורות אנרגיה וחיסכון באנרגיה

מערכות חשמל מסתמכות על מערך סולארי וסוללות.בגובה גבוה, אי-היראדיות השמש היא - 40% גבוה יותר מרמת הים, אבל הלוח חייב להיות קל משקל וגמיש כדי להימנע מהוספת יתר של גרורת ליתיום-סולפור וסוללות מוצקות של המדינה מבטיחות לדחיסות אנרגיה.עבור רקטות כימיות, האנרגיה נשמרת במדחף; האתגר הוא מונע הקפאת -60 מעלות צלזיוס.

ניהול ארס

קר קיצוני יכול לגרום לאובדן כוח סוללה, דלק עבה, ואת גלידות החומרית.conversely, מנועים חשמליים ומנועי טילים לייצר חום כי יש לדחות. רדיטיבי קירור היא האפשרות היחידה בסטרטוספרה, כך קורנטורים חייבים להיות גדול ומסור ביותר. חומרי שלב (עמ' שעווה, למשל) משמשים ככמונים תרמיים לעומסי חום קצרים.

אמינות ו Redundancy

כשל מערכת דחף ב -30 ק"מ יכול להיות אובדן של כל המשימה, כפי התאוששות היא לעתים נדירות. מנועים רדונדנט, בקרים וסוללות נפוצים.עבור ספינות אוויר, עיצובים רבים משלבים שני או יותר מניעים עצמאיים עם אוטובוסים נפרדים של כוח.מערכת הבקרה חייבת להיות מסוגלת לאזן דחף אם יחידה אחת לא תכשל, כדי למנוע חת או סחף ללא שליטה.

אתגרים עיצוביים ספציפיים ופתרונות הנדסה

מעבר לתכנון כללי, ישנם מכשולים ייחודיים הדורשים הנדסה יצירתית.האתגרים הבאים נתקלים לעתים קרובות בפרויקטים של הנעה גבוהה.

ביצועים של אוויר נמוך-רגישות

כללי עיצוב דחף סטנדרטיים לרמה הים נכשלים בגובה.האפקט המעלית של טיפות פרופיל להב, ואת הגרור המושרה עולה באופן דרמטי.

  • (FLT:0) מניעים דו-פכיים: אנדרל 1 (FLT:1) מכוונן את זווית הלהב כדי לשמור על זווית התקפה אופטימלית כשינויים בצפיפות.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) [ה]: [2] ,2 שלבים או מדחף של טנדם: ⁇ : 1:1 שימוש במעלה הזרם ו- downstream רוטטורים כדי לשפר את היעילות הכוללת.
  • מנועים חשמליים:0 (FLT:1) שימוש במנועים עם יכולות גבוהות של מומנט ובקרים מתקדמים כדי להתמודד עם טווחי RPM רחבים.

Rocket Thruster Ignition and Combustion Stability

בלחץ נמוך, מנועי טילים יכולים לחוות חוסר יציבות והתחלות קשות.העיצוב המזרק חייב להיות מותאם לסביבה של טוהר המידתיות הנמוכה, ואת יחס ההתרחבות של ה- nozzle חייב להיות מותאם ללחץ הממושך הצפוי בגובה תפעולי.

מבצע הנטורינג הניטרלי

בדחפורים הולמים, קטואדה חלול מספק אלקטרונים כדי לנטרל את קרן היון בגובה גבוה, לחץ הרקע (אווירה סובסידית) נמוך מדי כדי לקיים את השחרור בקטדות קונבנציונליות.קונדים חסרי חום באמצעות צינורות פחמן או חומרים פונקציונליים נמוכים נבדקו, ו-FLT:0 מגע שיטות ionFLT:1 מפותחים כדי למנוע הסתמכות על גז נייטרלי.

אחסון והזנת מערכות

עבור רקטות נוזליות ודחפורים יון, יש לאחסן את הדחף במשך זמן רב.Boil-off של מדחף Cryogenic ( מימן נוזלי, חמצן נוזלי) הוא נושא עיקרי.הקירור פעיל באמצעות Cryocoolers מוסיף משקל.פתרון אחד הוא להשתמש ב-FLT:0-pressure-pressure-Pinks על כלי לחץ עטוף (COPVs) 1FLT:1 עבור ממריצים ממריצים ממריצים כגון קרני רנטגן (מחוסנים) ו-x-Imperated).

מחקרים: קיימות מערכות הנעה גבוהה

כמה פלטפורמות בעולם האמיתי מראות את העקרונות שנדונו לעיל.בדיקת דוגמאות אלה מספקת תובנה מעשית על אפשרויות עיצוב מוצלחות.

נאס"א Ultra- Long Duration בלונים (ULDB) עם מפיצים חשמליים

תוכנית ULDB משתמשת בלון סופר-לחץ שיכול להישאר חטוף במשך יותר מ -100 ימים ב 33 ק"מ במקום סחף פסיבי, נאס"א מצוידת גרסאות מאוחר יותר עם שתי יחידות דחף חשמליות (כל 1 קילוואט) המופעלות על ידי תאים סולאריים דקים-סרטים.הדוחנים מאפשרים לכידת תחנה בתוך רדיוס 50 ק"מ, המאפשר תקשורת ותצפיות ממוקדות.

Airship to the Edge: AeroVironment's Stratospheric Platforms

AeroVironment פיתחה סדרה של ספינות אוויריות סולריות-חשמליות של השמש-חשמליות.המעריצים הגבוהים שלהם לטווח ארוך-הטווח הארוך (Hré) משתמשים בארבעה מעריצים חשמליים עבור שליטה אנכית ואופקית.האוהדים הנפלטים משתפרים באוויר דק על ידי מניעת אובדן טיפ ומאפשרים יחס גבוה יותר.

ניסוי טילים מבוסס בלונים: The Wallops Arc Second Pointer (WASP)

המשימה של WASP השתמשה בלון כדי להרים טיל היברידי קטן לגובה של 40 ק"מ לפני ירי הרקטות עבור כוויות ממוקדות.הרקטה ההיברידית השתמש HTPB (דלק פתור) ו תחמוצת חנקן (חמצן נוזלי) המערכת כלל מקרה מורכב קל משקל ונומטר פחמן.הסביבה הקרה הנדרשת כדי לחמם את מיכל תחמוצת החנקן עם חימום חשמלי כדי לשמור על לחץ תקין שהוכחה.

שיטות בדיקה והתאמה

לפני הטיסה, מערכות דחף יש לבחון בתנאים סטרטוספיריים מדומים.זה מאתגר במיוחד כי תאי ואקום גדולים שיכולים להסיע מדחף בקנה מידה מלא או מנועים הם נדירים ויקרים.

סימולציות Simulation Chambers

רוב הפיתוח מתרחש ב- 30-50 ק"מ וצמר את הקירות הפנימיים ל- 80 מעלות צלזיוס, מאמר המבחן רכוב על עמדה קדמית בתוך התא.האוויר בפנים הוא נדיר, ולכן הבדיקה חייבת גם לקחת בחשבון את חוסר קירור חשמלי.

בלונים - Borne Test Platforms

עבור אימות טיסה, מהנדסים משתמשים בלוני מבחן ייעודיים המרמים את מערכת הנטומנטציה אבטיפוס לגבהים.המערכת מופעלת בהתפרצויות קצרות תוך העברת נתוני ביצועים (thrust, מהירות, צריכת חשמל) גישה זו שימשה לבדיקת עיצובים חדשים של דחף ודחפורים חשמליים.ה היתרון הוא חשיפה ישירה לסביבה האטמוספרית האמיתית, כולל קרינה אולטרה סגולה מחזורי טמפרטורה רב-תכליתית.

Fluid Dynamics (CFD) ו- Multiphysics Simulations

עיצוב מודרני מסתמך מאוד על CFD כדי לחזות ביצועים של מספריים נמוכים של ריינולדס. ⁇ חייב שתי דינמיקות נוזליות עם מכניקה מבנית (אירולסטיות) ואפקטים תרמיים.כלי כמו OpenFOAM, ANSYS Fluent, ו-SU2 משמשים כדי לייעל צורות להב. עבור מנועי רקטות, סיועי CFD ב- combustion Modeling Modeling ו-Crererererererererererererererererererererererereation Channel.

עיצוב מערכת Thrust System Design

הדור הבא של מערכות דחף גבוהות יבוטל על ידי התקדמות בחומרים, אלקטרוניקה כוח ושליטה אוטונומית.כמה מגמות מתעוררות.

מערכות בקרה ולמידה

אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לייעל את מגרש הדחף, מנוע RPM, ולהוביל וקטורינג בזמן אמת בהתבסס על גורים רוח, זמינות כוח סולארית ומטרות משימה. למידה חיזוק עמוק הוכחה בסימולציה עבור ספינת אוויר סטרטוספירית שמירה על מיקום למרות רוחות משתנות.מערכות כאלה יכולות להפחית צריכת אנרגיה עד 20-30% בהשוואה לקרי PID קבועים.

Superconducting Motors

מנועים מוליכים יכולים להשיג (FLT:0power densities מעל 10 קילוואט / ק"ג 1LT), הרבה יותר מעל מנועים קבועים קונבנציונליים קבוע-magnet בשילוב עם מציצים קלים שפועלים על כוח סולארי, מנועים אלה יכולים לאפשר מערכות דחף גדולות יותר עבור ספינות אוויריות מרות כבדות.

אספקה משולבת וחיסכון באנרגיה

במקום להפריד סוללות ומנועים, עיצובים עתידיים עשויים להטמיע אחסון אנרגיה ישירות לתוך המסגרת המבנית של ספינת האוויר או הבלון.לדוגמה, תאי ליתיום-יון יכולים להשתלב בתוך הבד של המעטפה, לחסוך משקל ונפח באופן דומה, תאים סולאריים יכולים להיות מודפסים ישירות על מערכת ההנעה.

הצעות ירוקות ל-Bonney Rockets

מונעים מבוססי הידרוזין הם רעילים מאוד ומבוקרים. Alternatives כגון מימן peroxide, תחמוצת nitrous oxide, ו- ammonium dinitramide מבוסס ניסוחים מפותחים.הם מציעים רעילות נמוכה יותר ואימפולס דומה או ספציפי יותר.האתגר הוא הטמפרטורה של פירוק הנפילה מוגברת והתאמה עם חומרים. בלונים מופעלים באמצעות מניעים ירוקים יכול להיות מדפים ללא בטיחות קפדנית יותר.

מסקנה

תכנון מערכות דחף עבור בלונים גבוהים וספינות אוויר דורש הבנה עמוקה של הסביבה הקיצונית ומסחר זהיר בין דחף, משקל, כוח ואמינות.מערכות דחף חשמלי שולטות למשימות ארוכות, בעוד רקטות כימיות מספקות את הדחף המהיר הדרוש לריכוז מהיר.התעוררות טכנולוגיות הנעה חשמלית מבטיחות נוספות.

עבור מהנדסים נכנסים לתחום זה, המפתח הוא לטפל בכל מערכת ההנעה כחלק משולב של הרכב, לא לאחר מחשבה. כל רכיב & mdash; מן הלהב המוביל אל קצה ניהול חשמל אלקטרוניקה & mdash; יש צורך אופטימיזציה עבור העולם הדק, הקר, עוין של סטרסטוספירה. עם עיצוב קפדני ובדיקה קפדנית, מערכות אלה יחשפו את הפוטנציאל המלא של פלטפורמות גבוהות לבוא לפלטפורמות גבוהות.