שילוב של מערכות דליטה חשמלית בדור הבא של Rocket Engines

האבולוציה של הנעה של טילים תמיד נבעה מחיפוש אחר יעילות גדולה יותר, אמינות, וחסכוניות. בשנים האחרונות, שינוי פרדיגמה התפתח עם שילוב של מערכות מוכובות חשמליות לתוך מנועי טילים הדור הבא.טכנולוגיה זו, אשר מחליפה מחזורים מסורתיים של זעזועים מסורתיים עם מנועים חשמליים כדי להניע משאבות חשמליות, הבטחות לפשט ארכיטקטורת מנועים, לשפר את יכולת הבקרה, הייצור והפחתת עלויות בעוד שעדיין גבוהות יותר ממתכת ממות ממתכת, לעומת סוללות חשמליות, כמו גם מייצור.

מה הם מערכות משאבה חשמלית?

מערכות משאבה חשמליות (EPFS) משתמשות במנועים חשמליים בעוצמה גבוהה, בדרך כלל ללא מברשות DC או מנועים סינכרוניים, כדי להניע צנטריפוגה או משאבות אקסקליות המספקות דלק וחמצן לתאי ההבעירה של המנוע בסוללות הלחץ והזרימה הנדרשת. בניגוד להפרעות קונבנציונאליות, אשר שואבות את הכוח שלהם מחלק של חומרת גז שנשרף במושגים של דלק או ממתכת, או ממערכות דלק חשמליות, או ממערכות דלק ראשיות, או ממערכות דלק חשמליות, או ממערכות דלק.

איך הם מתים מ-Tropumps מסורתי

מנועי טילים מסורתיים מסתמכים על טורפים - ניגודים מורכבים של טורבינות, מעצורים, פירים, ונושאים - כדי ללחוץ על מדחף.הטורבינה היא עוטה על ידי גז חם, בלחץ גבוה, מכוסה מן הקובוס הראשי או מיוצר במחולל גז ייעודי.גז זה מציג מתח תרמי מכני, דורש מערכות לאטום מורכבות ונושא, והגבלות יקרות על רצף מנועים של מנועים / מנועים לעתים קרובות.

מערכות משאבה חשמלית מבטלות את טורבינה לחלוטין.המנוע החשמלי, בשילוב ישירות למשאבה, מספק מומנט לפי הצורך.זרימה יעילה יכולה להיות מותאם על ידי מהירות מוטורית משתנה, המאפשר שליטה מדויקת של דחף ללא מערכות מורכבות.מנוע ומשאבה ניתן ארוז יותר קומפקטי, ואת היעדר נתיבי גז חם מפשט ניהול תרמי ומפחית את מספר החלקים האדריכליים קריטי זה יכול להוביל לפשטות נמוכה יותר, במיוחד למכוניות בינוניות.

ראשי תיבות של Electric Pump-fed System

  • (FLT:0) מנוע חשמלי:0 (Electric Motor:FLT:1), מנוע מהיר מאוד המיועד לסביבות Cryogenic או ליד קריגניות.
  • (FLT:0)Power Electronics:BuildFLT:1) Inverters ובקרים שממירים את כוח הסוללה DC לגלימות AC הנדרשים על ידי המנוע.חייב להתמודד עם זרמים גבוהים ולעבור בתדרים גבוהים תוך שמירה על יעילות.
  • (FLT:0Battery Packve: 1FLT) גבוה אנרגיה-density ליתיום או סוללות מוצקות-מדינה. Pack sizing הוא קריטי כי מסת הסוללה משפיעה ישירות על שבריר שכר. כמה עיצובים משתמשים רגנרטיבים או התאוששות אנרגיה כדי לטעון באופן חלקי במהלך שלבים נמוכים-הרוסים.
  • (FLT:0) משאבות פרופיטנטנט:FLT:1 בדרך כלל צנטריפוגה או מעורר-סר-סר-סרב אופטימיזציה עבור ממריצים ספציפיים (למשל, חמצן נוזלי, kerosene, methane).
  • מערכת ניהול:0 (thermal Management System:FLT:103) לולאות קירור, מחליפי חום, או זרימת נוזל Cryogenic כדי לשמור על מנוע ואלקטרוניקה בטווחי טמפרטורה תפעוליים.

קונטקסט היסטורי ופיתוחים אחרונים

הרעיון של משאבה חשמלית עבור רקטות אינו חדש לחלוטין.מחקרים תיאורטיים מוקדמים בשנות ה-60 חקרו מערכות להאכיל חשמליות עבור דחפורים לווייניים, אבל טכנולוגיית סוללות של התקופה לא הייתה מספיק עבור יישומי מנוע ראשי.עניין התעורר מחדש בשנות ה -2010 עם הופעת סוללות ליתיום בעלות גבוהה ומנועים חשמליים ממגזרי הרכב והתעשייתיים.

אבן דרך מרכזית הייתה פיתוח של מנוע אלקטרו-פול:0 (Rtherford EngineFLT) 1 על ידי Rocket Lab, הראשון טס ב-2017 על רכב השיגור האלקטרוני.ה Rutherford הוא מנוע קטן של גז-מחדש (אך הערה: למעשה מנוע חשמלי של רות') משתמש במעבורת חשמלית אחת בלבד (RerapLT) לשימוש במעבורת חשמלית עבור השלב הראשון שלה?

(ב) ,[דרוש מקור]]: [ה][דרוש מקור]]] [ה]]] [ה[[1924]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[[[1924]]]] [[[[1924]]]]]]]] ב[[1924]]]] [[[[1924]]]]]]]], [[[[1924]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[[[[[1924]]]]

היתרונות של מערכות משאבה חשמלית

יעילות ושליטה

משאבות חשמליות יכולות לפעול במהירויות משתנות עם יעילות גבוהה על פני מגוון רחב של שערי זרימה.זה מאפשר הדבקה מדויקת, עמוק בריחת (במרחק של עד 10-20% של דחף מלא), ותגובה מהירה דחף מסורתי, במיוחד אלה המשתמשים גנרטורים גזים, יש טווח צמיגים מוגבל (בדרך כלל 50-100%) ותגובה טרנסנדנטית איטי יותר בשל irtraertia במערכות החשמליות.

צמצום מורכבות מכנית ועלויות

ביטול טורבינות, preburner, גז גנרטור, וקשור ducting באופן משמעותי להפחית ספירת חלק. מנוע Rutherford יש בערך 500 חלקים בהשוואה לאלפים מנוע זעזוע קונבנציונלי כמו מרלין 1D. חלקים פחות מתורגם עלויות ייצור נמוכות יותר, ייצור פשוט יותר, ולהפחית את דרישות בדיקה. עבור יצרני רכב קטנים שמטרתם לייצר מנועים בנפח גבוה, זה משחק פשטות הוא מנוע מזערי של מנוע תחליפים סגסוגת.

חיסכון במשקל ועלויות תשלום

בעוד סוללות להוסיף מסה, מערכת המנוע הכוללת יכולה להיות קלה יותר כי turbomachinery הוא קטן וקל יותר. שילוב המנוע והמשאבה יכול להיות מתוכנן עם יחס גבוה משקל כוח-על-משקל יתר על כן, על ידי חיסול של צינורות גז בלחץ גבוה ושסתום, המעטפת המנוע וירידה המונית מבנית.

שיפור אמינות ובטיחות

עם פחות מתח גבוה רוטטים חלקים ללא נתיב גז חם, מערכות משאבה חשמלית יש פחות מצבי כשלון.הסיכון העיקרי של כישלונות שינויים המנוע והאלקטרוניקה, אשר הם יותר צפוי וקל יותר לפקח. רדונדנסי יכול להיות מושג באמצעות רוחות מוטוריות מרובות או יחידות משאבה עצמאיות.בנוסף, משאבות חשמליות מאפשרות שליטה מדויקת של יחס תערובת, צמצום הסיכון של הבעירה בהסתברות להתחיל בהדרגה.

אתגרים ומייגים

הכחשת האנרגיה של סוללות

המגבלה המשמעותית ביותר היא צפיפות האנרגיה של סוללות.עבור משימה נתונה, סוללות חייבות לאחסן מספיק אנרגיה כדי להניע את המשאבה למשך כל השרוף.ברכב קטן כמו אלקטרון, חבילת הסוללה מהווה כ -10% מהמסה היבשה של הרכב.עבור כלי רכב גדולים יותר או כוויות ארוכות יותר, השבר הזה הופך ללא הגבלת ביצועים או מקורות כוח חלופיים (למשל, מערכות היברידיות) משמשות למחקר הנוכחי / סיליקון מוצק על בסיס 400 ק"ג'.

ניהול ארס

מנועים חשמליים ואלקטרוניקה כוח לייצר חום פסולת כי יש לדחות.בתנאים של ריק, קירור קורנטיבי מוגבל, ודחפורים מבוצצים יכולים לשמש כיור חום מהנדסים צריכים לעצב מעילים קירור, צינורות חום, או לולאות נוזל כדי לשמור על רוח מוטורית מתחת - 200 מעלות צלזיוס ואלקטרוניקה כוח מתחת - 100 מעלות צלזיוס, מנוע Rutherford משתמש שילוב של זעקה ותפקוד חום כדי למנוע עומסים כדי להוביל מגנטיות קבוע.

כוח אלקטרוניקה אחריות

הפולשים והבקרים חייבים להתמודד עם זרמים גבוהים (מאות אמפרסים) במתחים גבוהים (300-600 V) תוך מעבר לעשרות kHz. Vibration ורכיבה תרמית במהלך ההשקה מדגיש את המפרקים הנמכרים ואת המכשירים המוליכים למחצה. קרינת הסובלנות היא גם דאגה ליישומים על גבי הבמה העליונה.

מיפוי ל-Desre Thrust Levels

מנועי משאבה חשמליים הנוכחיים מוגבלים להורדת רמות מתחת ל-50 kN ( 22 kN של ראסלפורד) סקאלינג ל-500 kN או יותר ידרוש כוח מנוע על מנת של כמה מגה-וואט, אשר מאתגר עם סוללות קיימות טכנולוגיות מוטוריות ומנועיות. לדוגמה, מנוע של 500 kN יצטרך כ 5-10-MW של כוח, הדורש מסה של כמה טון עבור 200 שניות עדיין מגיע לסוללות גדולות של שטח של שטח של אלקטריק.

השוואה עם מנועים טורבומפ

Aspect Electric Pump-fed Turbopump-fed (Gas Generator)
Throttle range 10-100% 50-100%
Part count Low (~500) High (>2000)
Development cost Lower Higher
Thermal management Challenging (motor cooling) Challenging (turbine cooling)
Thrust-to-weight ratio Moderate (due to batteries) High
Reusability Potential (motor wear) Proven (e.g., Merlin 1D)
Scalability Limited by battery energy density Proven to >5000 kN

יישומים ב-Generation Rockets

רכבי שיגור לווין קטנים

מערכות משאבה חשמליות מתאימות אידיאליות עבור משגרים קטנים שבהם פשטות המנוע ועלויות הייצור הן ראשוניות.האלקטרון של Rocket Lab הוכיח כי צי של תשעה מנועי Rutherford יכול לספק עד 300 ק"ג למסלול כדור הארץ נמוך.תחרות כמו FLT:0Fily AerospaceFLT:1 (עם מנוע Reaver שלה) למעשה להשתמש במשים Firefly כדי למנוע משאבה חשמלית:2Ftratruateertateertrated, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת 3.

שלב עליון ו-In-Space Propulsion

משאבות חשמליות מציעות את היכולת לחדש ולשרוף מנועים טרמפ למסלול עם דיוק גבוה.עבור שלבים גבוהים הדורשים כוויות מרובות עבור הזריקה המקיפה ו deorbit, משאבות חשמליות ניתן לכבות ולעבור במהירות על ידי פשוט לגרות כוח מנוע.חוסר טורבינות כבדה מאפשר "התחלה רכה" המפחיתה את הספיצינורות לחץ הבעירה.

לנדרס ויבשות פרוטוסיביות

יכולת עווית עמוקה הופכת משאבות חשמליות אטרקטיביות עבור מזהמים הדורשים ירידה אנכית.היכולת להפחית דחף ברציפות עד אפס מאפשרת מגע רך לאחור ללא צורך במנועי מרובים או שסתום תלולים מורכבים.מושגים עבור לנדים ירחיים באמצעות מנועים חשמליים דליקים חשמליים הוצעו, למרות שהם עומדים בפני האתגר של הפעלה בסביבות תרמיות קיצוניות.

Future Outlook and Technology Roadmap

המסלול של מערכות משאבה חשמלית תלוי בהתקדמות בטכנולוגיות מפתח המאפשרות:

  • (FLT:0)חומרים: 0Batteries: FLT:1 Solid-state ו סוללות ליתיום-סולפור עם 400-600 Wh / kg יפחיתו באופן דרמטי את עונש המסה. נאס"א ו-DARPA הם מימון בסוללות אנרגיה ספציפיות עבור יישומי חלל.
  • (FLT:0)Motors:BuildFLT:1) מנועים בעלי מוליכים עתירי זמן גבוהים יכולים להשיג צפיפות כוח גבוהה יותר, אם כי הם דורשים קירור Cryogenic אשר ניתן לשלב עם מדחף.
  • (FLT:0)Power Electronics:BuildFLT:1 Wide Bandgap Semiconductors (SiC, GaN) מאפשר פעילות מתח גבוהה ויעילות גבוהה יותר, צמצום דרישות קירור.
  • (FLT:0) ייצור מתורבת: הדפסה 3D:1 מאפשר שילוב של רוחות מוטוריות, ערוצי קירור, משאבה מובלעים לתוך אספקטים מונוליטיים, צמצום נוסף של חלקים.

חברות כמו EF:0 (LauncherFLT:1) ו- (כיום חלק מ-Val) ו- (FLT:2ArianegroupFLT 3) מתפתחות מנועי משאבה חשמליים בגודל בינוני.TheFLT:4 European Space AgencyureFLT:5 has has has has has has has has been to become a high-of-class a fullable Electrical Agency) ו-a-upalshleshlea-upala-upal as a minimum-upal as a , as a Strive a , as a , as a minimum as a , as a , as a , as a סגסוגת as a , as a , as a , as a , as a minimum-upala-upala-upala-upala-upala-upal-upalus-upalated מטוסים.

מסקנה

השילוב של מערכות משאבה חשמלית מייצג שינוי משבש בעיצוב הנעה של טילים, בעוד לא פנאצה עבור כל דרישות דחף ומשימה, הטכנולוגיה מציעה הטבות משכנעות עבור כלי רכב קטנים עד בינוניים, שלבים גבוהים וקרקעות דיוק. ההצלחה של מנוע הרת'רפורד של Rocket Lab אישרה את הרעיון בשירות מבצעי, והתפתחויות מתמשך סוללות, מנועים, כוח להמשיך אלקטרוניקה כדי לדחוף את הגבולות כמו גם את הלחץ העליון של תעשיית הרכב לשחק יותר ויותר גבוה יותר ויותר לחץ חשמלי.

(ב) לקריאה נוספת, ייעוץ משאבים מהמרכז להנדסה ולבטיחות של נאס"א (FLT:1), ההרחבה:2Rocket Lab's Technical PublicationsofLT 3:0, and the FLT:4 European Space Agency Propulsion ResearchFLT:5).