Table of Contents
הפיתוח של חותמות מנוע טילים ניתן לחזרה מייצג פריצת דרך משמעותית בטילים מודרניים, המאפשרת את התפנית היעילה ומהירה של כלי רכב שיגור. חותמות אלה אינן רק כלי גז פסיביים; הם מנדסים מכשולים כי חייב להכיל גזים של ייבוש, מדחף Cryogenic, ונוזלים בלחץ גבוה על פני מחזורי שיגור מרובים והתחדשות.
התפקיד הקריטי של חותם המנוע ב-Rockry
מנועי רקטות פועלים בקיצוניות שמדחפו כל חומר למגבלות שלו.חות בשימוש במקומות רבים: טורבינות אינלט ומפרקים מחוץ ליציאה, ממשקי תא הבעירה, חיבורי דלק ו-oxidizer, ובין שלבים של מנועים.התפקיד העיקרי שלהם הוא למנוע את הדליפה של גז חם או דחף, אשר עלול להוביל לכשל, אובדן ביצועים או לסתום מוקדם.
המאזניים גבוהים במיוחד.כישלון של חותם במהלך ההשקה יכול לגרום לשריפה של מנוע, overpressure, או אובדן דחף.אפילו דליפה קטנה במערכת דחף מבועת יכול להוביל לחיסול או היווצרות קרח, רכיבים מזיקים סמוכים. לכן, טכנולוגיית חותם ניתנת לחזרה אינה רק נוחות הנדסית; היא דרישה המאפשרת לכל מושג של יכולת המשיכה.
פרספקטיבה היסטורית: מ-one-Use to Reusability
הרקטות המוקדמות ביותר, מ-V-2 ועד ל-Surham V ולעבורת החלל, השתמשו בחותמות שנועדו למשימה אחת.מעבורת החלל, אם כי ניתן היה להישמר באופן חלקי עם מגברי הרקטות המוצקים והמקיפים, עדיין התבססו על חותמות רבות לשימוש יחיד, במיוחד במנועי הראשי.החותמים הללו הוחלפו לאחר כל טיסה, ותרמו לעלויות תפעוליות ארוכות ותקופות של תפנית.
דחיפה המודרנית להתחדשות החלה ברצינות עם SpaceX וקטטה של פלקון 9, שהושקה לראשונה בשנת 2010. לנחות ולעצב מחדש את השלב הראשון, מהנדסים היו צריכים לעצב מחדש כמעט כל רכיב לעמוד במחזורים מרובים - כולל החותם.הזרקות של מנוע מרלין ל-נאס"א, כמו גם חותמות תאי חלל, וחותמותמות היו מכופות באמצעות חומרים גאותיים מתקדמים ו-MAX, כמו אלה, אשר ניתן היה לבצע גם לוחות זמנים של 15 פעמים נוספות.
אתגרים מרכזיים בעיצוב חותם אמין
תכנון חותם שיכול לשרוד מחזורי שיגור מרובים מציג מערך של אתגרים בין-מפריעים.האיטום חייב לשמור על צורתו, גמישותו, וחילוף כוח בתנאים שיהרוסו את האורסטומרס הרגיל או פולימרים.
Thermal Extremes and Cryogenic Compatibility
מדחף רקטות הם לעתים קרובות Cryogenic: חמצן נוזלי ב -183 ° C ומימן נוזלי ב -253 ° C. החותם במגע עם נוזלים אלה חייב להישאר תואמים ולא להיות רזים. באותו זמן, תא הבעירה ו nozzle לפעול באלפי מעלות צלזיוס. A Seal עשוי להיחשף לשני הקיצוניים באותו מנוע, כפי שהוא עשוי לבכות על נוזל אחד על פני שטח חם אחד, בדרך כלל, על פני שטח רחב של 800 מעלות צלזיוס, עם חומרים.
מעגלי לחץ ושומן מכני
במהלך ההשקה, הלחץ יכול לעלות במהירות מוואקום קרוב למאות ברים רבים.חותמות ברים יש לעמוד לא רק בלחץ השיא, אלא גם את העומס המחזורי כמנוע פולשים למעלה ולמטה.על פני טיסות מרובות, רכיבה על לחץ חוזר עלולה לגרום למצוץ, הרפיה, ועיוות קבוע.החותם חייב לשמור על החוסן שלה כדי לשמור על דחיסה נאותה של כוח.
התנגדות כימית ודהגרדציה
דלקי רקטות וחמצן הם כימיקלים אגרסיביים. הידרוגן יכול לגרום לחיסול מימן במכות.חמצן, במיוחד במצב הנוזלי שלה, יכול להגיב באלימות עם חומרים אורגניים. Seals חייב להיות אינרציה כימית הן לדלק והן לחמצן, כמו גם כדי לכבס חומרים לוואי כגון מים, פחמן דו חמצני, ושרידים של חומצה hydrochloric (מדחף מוצק לזיהומים, כדי לשנות את מחזורי פני השטח שלהם).
המונחים: Dynamic Loading
קטרים מייצרים רטט חמור על פני ספקטרום תדר רחב - מעומסים אקוסטיים נמוכים ועד לחדירה גבוהה של קידוד קידוד ההתקפים. Seals חייב להישאר יושב בבטחה בתנאים דינמיים אלה.הם כפופים לתנועות אקסאליות ורדיונליות, כמו גם הרחבה תרמית שונה בין החותם לבין דיורו.כל תנועה יחסית יכולה להדוף את פני השטח או לגרום להסתנן החוצה מהגרלה שלה.
מדע בדיוני פורץ דרך
הקפיצה משימוש יחיד לאטום ניתן היה ללא חידושים מקבילים במדעי החומר.מהנדסים יש עכשיו קבוצה של חומרים מתקדמים המותאמים לסביבות הרקטות הקיצוניות ביותר.
« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «
Polytetrafluoroethylene (PTFE) נגזרות שלה משמשים נרחב עבור חותמות Cryogenic עקב החיכוך הנמוך שלהם ואת האינטונציה הכימית.עם זאת, PTFE סטנדרטי חסר כוח מכני והתנגדות זחילה. ניסוחים מודרניים משלבים מלא כגון סיבים זכוכית, פחמן, או ברונזה כדי לשפר את צריכת ועומס יכולת.
Metal Alloys ו-Cotings
עבור סביבות התרמיות והלחץ הקיצוניות ביותר, החותם מתכתיים הם הכרחיים. Inconel 718 ו Superalloys אחרים המבוססים ניקל לשמור על כוח בטמפרטורה גבוהה ומתנגדים חמצון.חותמים אלה מעוצבים לעתים קרובות כמו C-rings, E-rings, או מזחלות מאנרגיה באביב מספקים חותמות אבן אחורית או מחוספסות מתכתיות גדולות.
חומרים גמישים ועצמים
אזור מרגש במיוחד הוא פיתוח של חומרי הפחתת עצמי עבור חותמות רקטות.חומרים אלה מכילים microcapsules משובצים מלא חותם תגובתי. כאשר משטח החותם סדקים או ללבוש, microcapsules קרע, שחרור החותם למלא את ריק. צוותי מחקר בנאס"א ואוניברסיטאות הוכיחו כי יכול לרפא סדקים קטנים בחמצן ומימן, להאריך את החיים ניסיוניים עדיין יכול להפחית באופן משמעותי בין חומרים תחזוקה זעירה, למרות שעדיין יכול לרפא באופן משמעותי.
ננו-חומרים והנדסת פני השטח
ננוטכנולוגיה משמשת מהנדס משטחים של פני השטח ברמה האטומית.פחמן nanotubes ו גרפן ננופליות ניתן להוסיף לפולימרים פולימרים כדי לשפר את חוזקם של עשרות, מוליכות תרמית, והתנגדות זחילה ללא עלייה במשקל. ציפויים ממובנים המופעלים על ידי מנגנונים פיזיים של vapor deposition ליצור אולטרה-smooth, משטחים נמוכים נגד התקפה כימית וכימיקלית.
חדשנות עיצוב וגישות הנדסה
התקדמות חומרית בלבד אינה מספיקה; הגיאומטריה והעיצוב של מערכות החותמים התפתחו גם כדי לענות על דרישות של התחדשות.
חותם גיאומטריה ודיכוי
מסורתי O-rings להסתמך על דחיסה קורנלית או אקסילית כדי ליצור חותם. עבור יישומים הניתנים לחזרה, מחזורים ממריצים האביב הפכו נפוצים.אלה מורכבים ממעיל פולימר (לעתים קרובות PTFE או PEEK) על פני מעיינות מתכתי (אפשרות coil, helical, או אצבע האביב מספק כוח קבוע נגד משטחים החות, מטענים להתפשטות תרמית, ולמנוע שימוש בפרופיל בצורת לטמפרטורה.
מערכות חותם חוצות
כל הרקטות המודרניות המתחדשות מעסיקות חותמות אדומות במקומות קריטיים.זה אומר שני אלמנטים של חותם עצמאי או יותר בסדרה, כך שאם אחד נכשל, ההחזקה השנייה.בכמה עיצובים, נמל בדיקה דולף ממוקם בין החותם הראשוני והמשני. במהלך בדיקות טרום טיסה ולאחר הנחיתה, מהנדסים יכולים ללחוץ על הנמל ולעקוב אחר דליפות.
חתימות Active and Fitive Seals
החוקרים בודקים חותמות פעילות שיכולות להתאים את כוחם בתגובה לתנאים משתנים.לדוגמה, חותם יכול לשלב שלפוחית שתן קטנה מנופח עם הליום כדי להגביר את הלחץ החותמת במהלך ההשקה, ולאחר מכן לנפח לבדיקה ולשימוש חוזר. רעיון אחר משתמש בסגסוגת צורה-זיכרון שמשנה את המשתנים עם טמפרטורה, באופן אוטומטי הידוק את החותם כמנועים מתואמים אלה יכול להפחית את המשקל ואת הדגימות של מבנים, כמו צורך ציפוי מסיבי, כמו ציפויים.
פרוטוקולי בדיקה ואימות
אימות חותם ניתן להחלפה הוא תהליך קפדני. Seals לעבור בדיקות אופניים תרמיות בתאי Cryogenic וטמפרטורה גבוהה, לחץ על אופניים עד דירוג פרץ, בדיקות רטט על שולחנות צוחק, ובדיקות משך מורחבות המסימולות פרופילים מרובים של משימות.עבור הסמכה הטיסה, חותמות לעתים קרובות כפופות למבחן "מחזור חובה" כי משכפל את הרצף המדויק של התנאים החל מתאריך הנחיתה.
השפעה על רכבי שיגור הניתנים לחזרה
הפיתוח המוצלח של החותם הניתנים לחזרה איפשר ישירות את החיסכון בעלויות ואת צוחת השיגור המגדירה את הנוף החלל הנוכחי.
SpaceX Falcon 9 & Merlin Engine
מנוע המרלין 1D המשמש פלקון 9 הוא מנוע מחזור גז כי שורף RP-1 (kerosene) וחמצן נוזלי.החותמות שלה - חותמות טורמפס, החותמים הראשי, ואת החותם המשותף נוזל - נועדו להימשך לפחות 10 טיסות עם תחליף מינימלי.SpaceX הוכיח כי המנוע ניתן לטס פעמים ללא הסרתו ממגזים מהירים לעתים קרובות מכיל כיסבים (Ricer) במיוחד כדי לרחוץ על מנת להגביר את החמצן שלהם הוא מכיל יותר מ-X.
Blue Origin New Shepard ו-Be3
הטיל החדש של Blue Origin משתמש במנוע חמצן נוזלי של BE-3 / נוזלי. Hydrogen הוא קשה לשמצה לאטום בשל גודל מולקולרי קטן שלה ונטייה להדליף.החותמות של BE-3 פותחו בשותפות עם יצרני חותם והדגימו שימוש אמין על טיסות מרובות, כולל אותו מפיץ חמש פעמים ללא תחזוקה גדולה.
מערכת שיגור החלל של נאס"א ו-Artis
למרות שמערכת שיגור החלל של נאס"א (SLS) אינה ניתנת לחזרה מלאה, מנועי RS-25 שלה (מנועים ראשיים של מעבורת החלל) שודרגו באופן נרחב עם חותמות מודרניות כדי להפחית את עלויות השיפוץ.עבור תוכנית ארטמיס, אשר ישתמשו ב-SLS ובחללית Orion, חתימות חדשות מפותחות עבור הקרקע והעברה, אשר חייבים לשרוד מספר חודשים בחלל עמוק לפני הניתוח.
יישומים מסחריים והגנתיים
מעבר לנאס"א וחברות גדולות, טכנולוגיית החותם ניתנת להחלפה מאומצת על ידי ספקי שיגור קטנים כגון Rocket Lab (עם טילטקט אלקטרונים שניתן לשחזרו באופן חלקי) ומרחב ה- Relativity Space (עם 3D-printed Engines) כוח החלל האמריקאי וענפים צבאיים אחרים מעוניינים גם בטילים הניתנים לחזרה לשידור מהיר ולחידוש של קבוצות לוויין.
יתרונות כלכליים ומבצעיים
הצורך להוריד את עלות הגישה לחלל הוביל את כל תנועת הכדאיות, ואיטום הם חלק מכריע של המשוואה.
זמן ספין-ב
לפני שחותמות ניתנות להחלפה הפכו לפרקטיקה, מנוע טילים היה צריך להיות מפורק, חותמות ישנות הוסרו, חותמות חדשות מותקנות, והמנוע שנסתה מחדש - תהליך שיכול להימשך שבועות או חודשים.עם חותמות שניתן לבדוק במקום, זמני הסבבים הידרדרו לזמנים מהירים יותר.
עלויות נמוכות ל- Launch
העלות של חותם מנוע חד-פעמי אחד גבוהה יותר מאשר של חותם חד פעמי שווה ערך בשל חומרים מתקדמים וייצור.עם זאת, כי ניתן להשתמש בו עבור 10 או יותר טיסות, העלות של טיסה היא נמוכה באופן דרמטי. כאשר בשילוב עם רכיבים אחרים הניתנים לחזרה, את העלות הכוללת של השיגור ניתן להפחית על ידי גורם של 10 או יותר. יתרון כלכלי זה הוא הסיבה העיקרית SpaceX שולט בשוק המסחרי, והוא נפתח מחדש מודלים חדשים כמו תחבורה חלל.
אחריות וצמצום פסולת
החותם הניתנים להחלפה מפחיתים את כמות החומר שנמחק לאחר כל ההשקה. Gone הם ערימות של שימוש ב- O-rings, כרטיסי גז ומחסניות חותם.זה תואם מטרות קיימות רחבות יותר בתעשיית החלל, שכן פחות חומרי גלם נצרך ופחות פסולת נוצרת.בנוסף, הצורך מופחת לייצור ומשלוח חלקים מוריד את טביעת הרגל של הפעלת פחמן.
כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות
המחקר ממשיך לדחוף את הגבולות של מה שחותמות יכולות לעשות, במטרה להשיג אפילו יותר חיי שירות וביצועים גדולים יותר.
ייצור של חותם
הדפסה תלת מימדית נחקרת לייצור גיאוגרפיות מורכבות לא ניתן למכונה ממניות מוצקות.ייצור Additive מאפשר ערוצי קירור פנימיים, מבנים לטאיצ'ה לירידה במשקל, ותכונות מצטברות אינטגרליות.זה גם מאפשר שימוש בסגסוגת מתכת חדשנית וחומרים מורכבים בדפוס יחיד.חברות כמו Relativity Space כבר 3D-print רכיבי מנוע שלם; טביעות אצבע משולבות יכולות להפחית עוד חלק וזמן הרכבה.
סינגלים מ- Embedded Sensors
החותם העתידיים עשויים לכלול חיישנים מיקרו-מנצנצנצ'נט לפקח על טמפרטורה, לחץ, וללבוש בזמן אמת.חיישנים של ⁇ -סרט שהופקדו על פני השטח של החותם יכולים לזהות דליפות או כישלון קרוב, לשלוח נתונים למערכת ניהול הבריאות של הרכב.זה יאפשר תחזוקה חיזויית: ניתן להחליף רק כאשר הם מראים סימנים של השפלה, ולא לאחר מספר קבוע של טיסות חכמות כאלה יכול להיות מצמד עם מחסנים אלחוטיים כדי לחסל ממשקים.
מתקנים לבדיקת איכות הסביבה
כדי לאמת את החותם של מנועי הדור הבא - כגון מחזורי התלקחות בזרימה מלאה וטילים תרמיים גרעיניים - מתקני בדיקה חדשים נבנות.תאים אלה יכולים לשמור על ואקום תוך חשיפת החותם ללחץ גבוה, טמפרטורות מבוכות, וסביבות רדיואקטיביות.לדוגמה, מרכז הטיסה של נאס"א של נאס"א פיתח שיבוש בדיקות חותם המדמיינת את התנאים של מנוע ממת-אוקסגן עם מספר רב של בדיקות אלה.
שיתוף פעולה בין סוכנויות וסוכנויות
הפיתוח של חותמות שניתן לחזרה על ידי שותפויות בין נאס"א, חיל האוויר האמריקאי וחברות מסחריות. תוכניות כמו נאס"א טיג פוינט וחטיבת ההנעה של חיל האוויר מממנים מחקר חותם בעסקים קטנים ואוניברסיטאות.מערכת אקולוגית שיתופית זו מבטיחה כי חומרים ועיצובים אינם קנייניים לחברה יחידה, לטובת התעשייה כולה.
מסקנה
המסע מ-O-rings יחיד ל-Exitable מנוע חותם מראה את הטרנספורמציה הרחבה של טילים: לקראת גישה יעילה, בת קיימא, תכופה לחלל.על ידי אתגרים בטמפרטורות קיצוניות, לחץ על אופניים, התנגדות כימית, טעינה דינמית, מהנדסים יצרו חותמות אשר יכולות להופיע באופן אמין על פני שיגורים רבים.
(ב) [ה]הסבר: [ה] [ה] [ה] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]] [ה]]] [ה]]]]] [ה]]] [ה]]]] [ה]]התחילה [ה]] [ה]] [ה] [ה]]]]] [ההתחילה] [ה]]] [ה]]] [ה]]] [ה] [ה]]]] [ה] [ה] [ה] [ה]] [ה] [ה] [ה] [ה]]]] [ה] [ה] [ה]]]]]]] [ה] [ה] [ה[ה[ה] [ה]]]]]]]]]] [ה] [ה] [ה[ה]] [ה]]]] [ה] [ה]]]] [ה] [ה]]] [ה] [ה[ה] [ה] [ה] [ה] [ה]]]]] [ה]]]]] [ה] [ה]