שיקולים עבור מנועים הפועלים בסביבה דלת-גרפית על כוכבי לכת אחרים

תכנון מנועי פעולה בסביבה דלת-גרביטה על כוכבי לכת אחרים מציג בין-שיח מורכב של פיזיקה, מדעי חומרים, והנדסת אי-ההגנויות. בניגוד מערכות הנעה יבשתיות על פני כדור הארץ, אשר ממוטבים להתגבר על כוחות כבידה חזקים ואווירות צפופות, מנועי שנועדו לירח, מאדים או אסטרואידים חייבים לתפקד בתנאים שבהם כוח הכבידה הוא חלק קטן של כדור הארץ, אוויריות ליד פחמן-קו-אווירה-אווירה-אווירה-אווירה-אווירה-אווירה-אווירה-אווירה-אווירה-אווירה-ל-ל-אווירה-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-לספקית-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-לספקית-ל-ל-לספקית-ל-לספקית-ל-לספקית-לספקית-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-לספקית-ל-ל-ל-ל-ל-לספקית-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-

הבנת איכות הסביבה הנמוכה

סביבות נמוכות של הכבידה מוגדרות על ידי האצות של פני השטח פחות מאשר 9.81 מ ' / 2. הירח פועל רק 1.62 מ' / 2 (כ 1/6 גרם), בעוד מאדים מציע 3.71 מ' / 2 (כ 8% g) אסטרואידים וירחים קטנים כמו Phobos יש רמות מיקרוגרטיביות, לעתים קרובות נמדדות ב מ"ג או פחות, אפילו עדינה יכולה לשלוח חלליות ישירות.

בכובד ראש נמוך, היחס בין דחף למשקל (T/W) הופך למדד דומיננטי.מנוע שיכול בקושי להרים את עצמו על פני כדור הארץ עשוי להשיג T/W הרבה מעל 1 על מאדים, המאפשר האצה מהירה עם צריכת דחף צנועה. versely, אותו מנוע עשוי לדרוש ניתוק זהיר כדי למנוע overacreation - גרם 1 דחף על הירח יכול לייצר 6 פעמים במשקל עלול לגרום שלפוחית השתן או ירידה של שלפוחית השתן עלול לגרום גם לניקוזים להיות מופחתת.

מהירות הבריחה הנמוכה יותר על הגופים האלה משפיעה על עיצוב המנוע.לדוגמה, בריחה מהירח דורשת רק 2.38 ק"מ /s, בהשוואה ל 11.2 ק"מ / כדור הארץ.זה מרגיע דרישות דלה-v עבור מנועי ריכוז, ומאפשר למתכננים לסחור באימפולס ספציפי גבוה יותר עבור דחף נמוך או להיפך. על מאדים, מהירות הבריחה היא 5.03 ק"מ / s - באופן משמעותי פחות מאשר כדור הארץ, אבל נוכחות של אווירה דקה ושפל.

פיזיקה בסיסית של הדחף בצמצום Gravity

דרישות Thrust ו- Specific Impulse

המשוואה הבסיסית של הנעה של טילים - השוויון שווה את זמני זרימת ההמונים מהירות מופרזת בתוספת תנאי לחץ - נשאר ללא שינוי, אבל המגבלות על זרימת המונים ומהירות ממצה שינוי כוח הכבידה נמוכה. כי האצה כבידה נמוכה יותר, עונש גרר הכבידה במהלך ריכוז (חלק של כוח הכבידה מבזבז) מופחת.

(הופנה מהדף IFLT:0) אימפולס ספציפי (IFLT:0) אימפולסיביות (IFLT:0) הופך אפילו יקר יותר בעולמות מרוחקים שבהם בלתי אפשרי למשל, רכב ממאדים עשוי להעדיף את המושגים של IcioFLT:2spigial) של משאבים חיצוניים (RineFLT) של עד לצמצום משקל עד 450 ליטרים, אשר חייב להיות נחת או לייצר ב-Fulation של עד ל-Agigital) מ- 300 גרם נמוך יותר מ-Fic (מפרקים (מפרקים) ל-Flowergic) עד ל- 44%) עד ל-Fgic) עד ל-Fergic) עד ל-Fergic) עד ל-Fgic).

מערכות מגע והזנת

במיקרו-גרביטציה או כוח הכבידה הירחי, הדחפורים אינם מתיישבים בתחתית הטנקים.ללא ניהול פעיל, בועות גז יכולות להגר לצריכה, מה שגורם ל cavitation במשאבות או חוסר יציבות בבעירה.

(ב) ,0) מיכלי גירושים-מניעה (FLT:1) באמצעות דיפרמס גמישים או פיסטון כדי להפריד נוזל מן העיתונות.
(ב) [ה]התקני ניהול מתקדמים] משתמשים במתח פני השטח כדי להדריך את הנוזל ליציאה.
(ב) ,0) ,5 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עבור הנעה חשמלית נמוכה, זרימת דחף (בדרך כלל xenon או קריפטון) הוא מטר על ידי בקר זרימה; הכבידה ממלאת תפקיד קטן, אבל עיצוב הטנק חייב למנוע נוזל מחסימת החילוץ גז במערכות אחסון דו-phase.

Thrust and Propulsion Systems

טילים כימיים משתנים

מנועי כימיקלים נשארים סוסי העבודה עבור כורים וכלי רכב גבוהים בשל דחף גבוה שלהם, אך הפעלת כוח הכבידה נמוכה דורשת שינויים רבים:

(FLT:0)Deep throttling: FLT:1 Engines חייב לקרוס עד 10-20% מהדחף המקסימלי כדי למנוע overshooting פני השטח - יכולת שהוכחה על ידי מנוע הירידה של אפולו LM ומעודנת עוד יותר עבור לנדמים מודרניים כמו Blue Origin's BE-7.
(FLT:0) בקרת וקטורת אנדרוקט (TVC): אנדרל 1) בכובד ראש מופחת, עיוותים קטנים גורמים האצות זוויתיות גדולות יותר. Actuators חייב להיות מדויק, וטווחי הגימיים הורחבים כדי לשמור על יציבות ללא אפקט לחות של כוח הכבידה חזק.
(FLT:0) עיצוב נוזיל: 1FLT לחץ נמוך על הירח או מאדים (קיר ריק) מאפשר יחסי הרחבה גדולים יותר עבור IOVAFLT גבוה יותר:2spphFLT 3: 3, אבל ה- nozzle חייב לעמוד גם בלחץ תרמי במהלך ואקום מתחיל על מאדים, האווירה הדקה CO2.6% של לחץ פני הים) עדיין עדיין לא מעצי לחץ קצר יותר מאשר ריקם.

עבור מאדים ירידה, המנועים הפועלים בנוכחות האווירה מתמודדים עם אתגרים ייחודיים: רטרופרופולציה סופר-סטונית (מנועי אש לתוך הזרם הקרוב) יוצרת אינטראקציות הלם מורכבות ואזורי בידוד שיכולים לחמם את הרכב.

הקצאה חשמלית למשימות בעלות נמוכה

מערכות הנעה חשמלית – דחיפים, כוחות הול-אפקט, ודחפורים מגנטיים (מיותר גבוה מאוד IFLT:0spearFLT:1 (1,500-5,000) אבל דחף נמוך (מילונים לנקטונים חדשים) בכובד ראש נמוך, אפילו כמה מ"טנטוןים" יכולים להאיץ חללית קטנה או ריכוזית מעל שבועות, מה שהופך אותם אידיאליים לדגם או לסילוק נמוך של נאס"א: סרביטחוניט, לדוגמה, להובלת חומרים חשמליים לטר.

(FLT:0)Power זמינות: ⁇ FLT:1 , מערך השמש חייב להיות גדול מספיק כדי לייצר קילווואט באור השמש החלש (מרס מקבל כ-43% מ ⁇ כדור הארץ; חגורת האסטרואיד אפילו פחות).
(ב) ויקרא: ויקרא י"א): "וַיְּהִיר פְּלֹא פְּטְלֹא פְּטְטְלֹאמֶת אִם עַמְתִּים" (בראשית כ"ד).
(FLT:0 Lifetime:BuildFLT:1) בכובד ראש נמוך, יש פחות מתח על חלקים נעים, אבל שחיקה משקע נמשכת.

ה- SMART-1 של סוכנות החלל האירופית ומשימות הייאבוזה ביפן מספקות נתונים אמיתיים על הפעלת דחף חשמלי בירח ובמיקרוגרביות.סקירה מקיפה של המערכות הללו זמינה:0 מ-ESA מנוע חשמלי של ESA PropulsionFLT:1.

גורמי אווירה וסביבתיים

קומפוזיציה אטמוספירית ודנות

לא כל העולמות בעלי משקל נמוך הם ללא אוויר.מאדים יש אווירה דו-חמצני דק (לחץ על פני השטח) -600 פא, 95% CO2), בעוד טיטאן מתגאה באווירה חנקן עבה (146.7 kPa, 1.5 פעמים לחץ ים של כדור הארץ) בכובד משקל נמוך (1.352 מ'/s2, 14% גרם). כל אחד דורש גישה מנוע שונה.

עבור מאדים, כניסה אטמוספירית מייצרת חום עצום - עד 1,600 מעלות צלזיוס לכניסת היפרוזית - חקר מערכות הגנה תרמיות (TPS) שיכולות לטבול או לקרינה אנרגיה. רטרופרופולציה מתחילה במהירויות סופר-קוליות כדי לפענח את הרכב, אבל מנועים exhaust אינטראקציה עם האווירה CO2, ייצור תחמוצת שיניים (לא) ומין תגובתי אחר שיכול למנוע חומרים עמידים למנוע קירור במנועי מנועים בלחץ גבוה.

על גופים ללא אוויר כמו הירח או מרקורי, המנועים פועלים בוואקום קשה.לא גרור אווירי עוזר עם הנחיתה; כל ההטלה חייבת לבוא מן ההנעה.הגלגולים האלה אינם מתפשטים אלא מבטלים כל אפשרות של נטייה אווירית או אוויר, עלייה במסה מונעת.

Thermal Extremes

טמפרטורות על פני הירח נע בין 173 ° C בלילה ל-127 מעלות צלזיוס במהלך היום. על מאדים, ימי קיץ ליד קו המשווה יכולים להגיע 20 מעלות צלזיוס, אבל לילות יורדים ל -73 מעלות צלזיוס.

(ב) יש לשמור על התחממות:0 (Preהתחממות:0) 1 (היפוצים Cryogenic (LH2, LOX) בנקודות הרהורים שלהם; ללא הדבקה המונעת על ידי כוח הכבידה, חימום בטנקים הופך ללא אחיד, הדורש ערבוב פנימי או תנורי חום חיצוניים.
(FLT:0Cooling: FLT:1 Regenerative קירור (הדחף היזום דרך קירות נוזל) חייב להיות מיועד לדפוסי זרימה מופחתים של כוח הכבידה - היווצרות מבולחת בערוצים יכול לגרום כתמים חמים מקומיים וכישלון.
(FLT:0)Radiator Designrea: 1FLT:1 עבור מנועי תרמי או חשמליים גרעיניים, דחיית חום ואקום מסתמכת רק על קרינה.
(ב) ⁇ :0) ⁇ : 1 שמיכות של הרב-שכבות מונעות אובדן חום ולהגן על רכיבים רגישים מקרינת תרמית סולארית וכוכבית.

אפשרויות ל-Purtural Challenges

חומרים למנועי כבדות נמוכה חייבים לשרוד טמפרטורות קיצוניות, קרינה (כולל אירועי חלקיקים סולאריים וקרניים קוסמיים גלקטיים), והתקפות כימיות אפשריות מאווירות תגובתיות או מוצרי בעירה.

(FLT:0 סגסוגת בטמפרטורה גבוהה: ⁇ :FreaLT:1 ; ניקל מבוסס Superalloys (למשל, Inconel 718) ומתכות ריבוניות (niobium, molybdenum) משמשים עבור תאים של בעירה ו nozzles. inוואקום, חמצון הוא פחות דאגה (אלא אם המנוע פועל), עשיר ועייפות הופכת להיות מאופנועית.
(FLT:0 ⁇ מטריקס matrix מורכב (CMCsrea): FLT 1:1 סיליקון carbide מורכב מציעים יכולת טמפרטורה גבוהה יותר מאשר מתכות, עם צפיפות נמוכה יותר.הם נבדקים עבור nozzles ותאים דחף במנועי הדור הבא.
(FLT:0Cryogenic תאימות: FLT:1 Tanks וקווי להאכיל חייבים לעמוד בהריסות בחמצן נוזלי (-183 ° C) וטמפרטורות מימן נוזלי (-253 ° C) סגסוגת אלומיניום-לייום אלומיניום ופלדות אל-חלד הם נפוצים; מרוכבים דורשים תכנון זהיר כדי למנוע דליפות.
(ב) התנגדות לעצימה:0) ,(FLT:1; פולימרים וחותמות מתפוגגות תחת קרינה ממושכת.Elastomers המשמש עבור O-rings in שסתום דורש ניסוחים מקרינה (למשל, פלואורוסליקון).
(ב) ⁇ :0) , ⁇ : (ד) על הירח, אבק צלייל חודרי יכול להצית חלקים ופילטרים של חומרים.

האתגרים המבניים מתעוררים גם משילוב של כוח הכבידה נמוך והאוצה גבוהה במהלך ההשקה מכדור הארץ.מנוע חייב לשרוד עומסי שיגור כדור הארץ (בדרך כלל 6-8 גרם) אך להיות קל מספיק כדי להצדיק את עונש המסה שלו בעת הפעלה בכובד משקל נמוך.ייצור אדקטיבית (3D) מאפשר ספירת חומרים גיאומטים מורכבים אשר מפחיתים ספירה חלק ונוקשות, דוגמאות כוללות מנוע SuperDraco של SpaceX וניסויי של Aerojetrated של רוקנרטה (RRAF) של נאס"ל).

טכנולוגיות חדשניות ומושגים עתידיים

Ion and Hall-Effect Thrusters for Low-Gravity Descent

בעוד בשימוש מסורתי להעברה של מסלול היברידי בין כוכבי הלכת, נדחפורים של יון נחשבים לנחיתות מדויקת על גופים קטנים שבהם דלה-v נמוך ודחף ניתן לחלק במשך דקות.הדחף NEXT של נאס"א (5 קילוואט, 7 מ"נ) יכול בקלות להגדיר גישה 500 ק"ג על אסטרואיד.האתגר הוא כי אלה דחף לא יכול להיות מעוקל עמוק - במקום, הם בדרך כלל מופעלים על גבי זרם כימי על ידי פולשט.

« אטומים חשמליים וחשמל גרעיני

(הופנה מהדף ⁇ ) טילים תרמיים (NTRs) דחפול חום (hydrogen) בכור פשפשים ל-2,500-3,000 K, השגת IFLT:0spphFLT:1 בסביבות 900 s - כמעט כפול מזה של מנועים כימיים.בכוח נמוך, NTRs מציעים דחף הכרחי למשלוח אנרגיה גדול למאדים או לירח תוך צמצום מסיבי של מערכות הגנה גבוהות מסוג זה, כלומר: 43,000 מטוסים (F)

סולריות ומערכות ללא תעמולה

במיקרו-גרביט, מפרשים סולאריים רותמים את הלחץ הפוטונלי עבור דחף נמוך מתמשך ללא דחף.בעוד שהם לא מנוע במובן המסורתי, הם מתאימים חללית קטנה עבור חקר מערכת השמש הפנימית.עבור ירחים כבדים נמוך כמו אירופה, שבו דחף רטינו הוא בלתי אפשרי, מפרש סולארי יכול לספק תחזוקת תחנת-אוויר.

המונחים:

רוטטת מנועי הדה-הדה (RDEs) משתמשים גלי טיהור סופר-קולניים ולא בהפצה, המציעה עד 25% יעילות גבוהה יותר. בכובד ראש נמוך, היעדר הדבקה המונעת על ידי buoyancy יכול להפוך את ההתקדשות קשה יותר, אבל תאי הבעירה הקומפקטיים יכלו להפחית את מסת המנועים.

בדיקות ואימות

סימול כוח הכבידה נמוך על כדור הארץ הוא קשה מטבעו מהנדסים משתמשים בכמה שיטות כדי להעפיל מנועים לפעילות מופחתת:

(FLT:0) טיסות של FLT:1 המייצרות 20-30 שניות של מיקרוגרביטלציה או כוח הכבידה הירחי.הטיסות הללו מבחן מניעה, מנוע מתחיל טראנסים, ופירוק זרימה ללא סחר בסביבה רלוונטית (למשל, טיסות C-9 של נאס"א עבור מקרקעית מורפיוס).
(FLT:0) מגדלי קומנדו 1:1 לספק 5-10 שניות של אפס-ג עבור ניהול דוקטרל בקנה מידה קטן יורה (מגדל זארM טיפות ברמן, גרמניה).
(FLT:0) Vacuum CellsFLT:1 עם סימולטורים בגובה גבוה לחשוף מנועים בקנה מידה מלא ללחץ הנמוך של החלל (למשל, מרכז המחקר גלן נאס"א Plum ברוק עבור בדיקות גדולות בגובה).
(FLT:0) מבחן ורטיטרי עומד על 1FLT המאפשר הנחיית וקטורינג בתנאי g תוך הדמיה של ההשפעה המצומצמת של הכבידה באמצעות כבלים או מערכות פיצוי פעיל.
(FLT:0) דינמיקה של נוזל חלקיקים (CFD)BuildFLT) 1 מודלים אשר מהווים את הכובד מופחת בהבעירה ובהובלת נוזל.סימולציות חייבות להיות מאומתות נגד נתוני טיסה מקרקעות מוצלחות קודמות (Apollo, Viking, Chang'e, Perseverance).

הפגנות בתוך טיסה נותרו תקן הזהב.מנוע הירידה של מודול אפולו הירח, למשל, עבר הכשרה נרחבת לא רק על בסיס מבחן אלא גם במהלך בדיקות מסלול אפולו 9 כדור הארץ.

מסקנה

מנועים הפועלים בסביבה דלת-גרביטאלית על כוכבי לכת אחרים חייבים להשלים דרישות סותרות: דחף גבוה לירידה במסוף, דחף נמוך לרחף דיוק, שימוש יעיל בדחף בטווח רחב של מדכאים, וחומרים השוורדים מחזורי תרמי וקרינה קטלניים.הירח, מאדים, טיטאן וסטרואידים כל אחד מהם מציג שילוב ייחודי של כוח הכבידה, אווירה, סביבה, הדורש פתרונות מותאמים במקום אחד בגודל של רקטות, אז מנועי ייצור גרעיניים, אז הם מנועים יעילים, כמו גם מנועי ייצור אוויריים, כלומר, כמו גם מנועי חשמל ראשוניים, כמו גם מנועי חשמל, כמו גם מנועי ייצור מגנטיים, כלומר, כלומר, הם מנועים, כמו גם מנועי ניקוי מגנטיים, כמו גם מנועי ניקוי מגנטיים, כלומר, מנועי חשמל, כמו גם מנועי חשמל ראשוניים, כלומר, הם מנועים, מנועי חשמל ראשוניים, כמו גם מנועי ניקוי מגנטיים, כמו גם מנועי חשמל ראשוניים, ולכן מנועי חשמל, ולכן מנועי ניקוי מגנטיים, כמו גם למנועים, ולכן, כמו גם למנועי אוויריים, הם מנועים, מנועי חשמל ראשוניים, כמו גם למנועי חשמל ראשוניים, כמו גם למנועי אוויריים, ולכן, הם, כמו גם למנועי חשמל ראשוניים, הם, מנועי חשמל ראשוניים, ולכן מנועי חשמל,