תכנון מנועי עבור פעולות פני השטח פלנטריות ועלייה הוא בין האתגרים התובעניים ביותר בהנדסת אוויר.בניגוד למנועים הפועלים אך ורק באטקום של החלל או בתוך האווירה של כדור הארץ, מנועי האחוז הפלנטריים חייבים לתפקד באופן אמין בטווח רחב של סביבות עוינות, החל מהקור הבעוגני של לילה הירח ועד לאפשרויות העקפות והכבדות הנמוכות על מאדים.

אתגרים סביבתיים

פני השטח פלנטאריים מציגים שילוב של מתח סביבתי שלא נתקלו בפעילות מבוססת כדור הארץ או מקיפה. הירח, עם כמעט ללא אווירה, חוויות תנודות טמפרטורה מ 120 מעלות צלזיוס באור השמש הישיר -230 מעלות צלזיוס בצל.מאדים יש אווירה דו-חמצני דק, לחץ על פני השטח בערך 0.6% של כדור הארץ, וטמפרטורות שיכולות לרדת מתחת ל-120 מעלות צלזיוס בקוטבים.

טמפרטורה קיצונית

אופניים תרמית היא איום ראשוני על שלמות המנוע.חומרים להתרחב וחוזה שוב ושוב כאשר המנוע מתחממת במהלך המבצע ומקרר בסביבה הממוקדת.על פני הירח, המנוע עשוי להיחשף לקור קיצוני למשך שבועיים של זמן הלילה לפני שנבקש לירות.זה יכול לגרום לריקות מהירה במכות, הקפאת קווים דחף, וכישלונות Cryogenic צריך להיות מפולסים בתוך מערכת חימום, אך לא צריך גם כן, אבל עדיין למנוע את המנוע המהיר של מנועים בתוך מערכת חימום.

אבק ורטיאולית

אבק הוא אויב עצום. regolith הוא חד, אלקטרוסטטי טעון, ו abrasive מאוד.זה יכול לחדור מנוע nozzles, clog injector צלחת, abrade להעביר חלקים ב turbopumps, ו contaminates אבק מאדים, למרות מעט פחות abrasive, מכיל perchlorates כי הם מבחינה כימית וניתן לקלקל כמה חומרים מזיקים כדי למנוע אבק חיצוני או לשטוף.

השפעות Gravity

כוח הכבידה התחתון משנה את הדינמיקה הנוזלית בטנקים, קווי מזון, ותאי הבעירה.ללא לחץ ראש מספיק, טיהור דחף יכול להיות בעייתי, במיוחד עבור מנועי הפעלה מחדש.מתח על פני השטח עלול לשלוט על כוחות כבידה, המוביל לגז בgestion לתוך משאבות.מהנדסים חייבים לקחת בחשבון את ההשפעות האלה על ידי שימוש בטנקים הנעה חיובית, מערכות שלפוחית השתן, או ניהול זהיר לפני הדבקה, הדורשת יכולת לחץ דם גבוהה על פני כדור הארץ, עשויה לשנות את היכולת לשנות את יכולת גבוהה על פני כדור הארץ.

בחירת חומרים לקטרים פלנטאריים

בחירה חומרית משפיעה ישירות על היכולת של מנוע לשרוד מחזורים תרמיים, שחיקה אבק, והתקפה כימית תוך שמירה על שלמות מבנית. קריטריונים בחירה כוללים כוח עתירי גבוה, מוליכות תרמית, התנגדות להתגלמות מימן, והתאמה עם מניעים.

תהלוכות גבוהות של טמפרל וסופרוולוי

(הסופר-כלוי מבוסס ניקל, כגון Inconel 718, משמשים בדרך כלל עבור קובוסטור, נוולים, ו להבים טורבינות בשל יכולתם לשמור על כוח מעל 700 מעלות צלזיוס, לטמפרטורות גבוהות יותר, ⁇ molybdenum או ציפויים של הרואין ניתן ליישם, למרות כי אלה הם יותר קשה לייצר ולצטרף להתעניינות אחרונה בממטריקס (MC) מציעה לעתים קרובות מתחמיצים תרמיים וחום (R) אבל יש צורך בטמפרטורות גבוהות יותר, אך יעילות גבוהה יותר, אך יעילות גבוהה יותר, אך ורקמותרפיון (R) עם ירידה במשקל קירור (R) אך ורקמותרפיון) עם ירידה במשקל קירור (R) אך יש צורך בטמפרטורות תרמיל (R) אך יותר, אך יש צורך) עם ירידה גבוהה יותר, אך ירידה במשקל קירור גבוה יותר, אך יש צורך בטמפרטורות תרמיל (R) עם ירידה במשקל קירור גבוה יותר, אך עם ירידה במשקל קירור גבוה יותר, אך ירידה במשקל גבוה יותר, אך ירידה במשקל גבוה יותר, אך עם ירידה במשקל גבוה יותר, אך עם ירידה במשקל גבוה יותר, אך יש צורך:

קידודים מוגנים וטיפולים על פני השטח

מברשות לשרת מטרות מרובות: ציפויי מחסום תרמי (למשל, ytria-stabilized zirconia) להפחית את העברת החום לחלקים מתכת; ציפויים עמידים לב (למשל, tungsten carbide או פחמן דמוי יהלום) הגנה מפני שחיקה אבק; וציפוי דיפוזיה (למשל, alumin) לשפר את החמצן ולהפחית את ההתנגדות גבוהה לכל מנועי אבק השמש.

חותם ו-Elastomers

לעתים קרובות החותמים הם החוליה החלשה ביותר בסביבה מבועתת או מאובקת. O-rings עשויים להיות משופעים בסביבה טמפרטורות נמוכות.עבור מנועי ירח ומאדים, חותמות מתכת, חותמות פולימריות מאנרגיה באביב, או מטבוליות בתדרים נמוכים-זמניים מועדפים מועדפים מועדפים.

בחירה יעילה

הבחירה של מניעה משפיעה על מורכבות המנוע, דחף ספציפי, יציבות, ואת היכולת לייצר דחף בתוך situ. עבור אסטר פלנטרי, יש דחיפה חזקה לשימוש משאבים זמינים מקומיים כדי להפחית את המסה משודרת כדור הארץ.

Cry Propellists: Methane וחמצן

חמצן נוזלי (LOX) ו-נוזל מתאן (LCH4) הם השילוב המוביל של מנועי מאדים עקב הדחף הספציפי הגבוה שלהם (370 שניות בוואקום), ניקיון יחסי, והפוטנציאל לייצר הן על מאדים באמצעות התגובה הסבהית.

מפיצים

עבור משימות קצרות טווח או שבו טיפול Cryogenic הוא דחף hypergolic לא מעשי, ממריץ כגון מונוmethylhydrazine (MMH) עם tetroxide חנקן (NTO) נעשה שימוש. אלה הצית מגע, חיסול הצורך במערכת הדבקה עתידית, וניתן לאחסן במשך שנים בטנקים חתיכה נמוכה (NTO) ומניעה גבוהה של מערכת העיכול, בדיוק כמו תקופות זמן קצר על פני השטח, כמו אלה, כמו גם על פני השטח של המערכת הקדמית חומרים מחוסנים, כמו אלה, כמו גם על פני השטח של המערכת.

In-Situ Resource Utilization (ISRU)

ISRU היא שינוי משחק עבור פעולות פלנטריות, במיוחד על מאדים. Producing דחף מן האווירה או regolith באופן דרסטי להפחית את ההשקה ההמונית מכדור הארץ.לדוגמה, הניסוי של מאדים חמצן אמת (MOXIE) על סף ההשתלה של הרנסאנס הוכיח ייצור של חמצן ממאדים CO2.שלב כי עם מתאן המיוצר מ CO2 מים ויכול לאפשר חזרה למשימה.

מעגל מנוע ואדריכלות

מחזור המנוע קובע כיצד מועברים הדחפים לחדר ההבעירה ומשפיע על מסה המערכת הכוללת, המורכבות והאמינות.

לחץ נגד מערכות דלות

מנועי קטנים יותר משתמשים לעתים קרובות במחזורים מתוחים בלחץ לחץ, שבו מדחפורים נאלצים מטנקים על ידי כבד לחץ גבוה או חנקן.זה פשוט יותר, עם פחות חלקים נעים, אבל המסה הטנק צומח במהירות עם לחץ וגודל. עבור מנועי ריכוז הדורש דחף מתון (למשל, 10-50 kN), מערכות מתוחות לחץ יכול להיות אטרקטיבי כי הם נמנעים מפיתוח מטושטש והם אמינים מאוד כמו המנועים גבוה יותר, כמו מנועים, עם לחץ גבוה יותר, עם לחץ גבוה יותר, עם לחץ גבוה יותר.

הרחבה יותר

מחזור ההתרחבות משתמש חום פסולת מן תא הבעירה או נושל כדי לחוסם דלק ( מימן קדחתני או מתאן), אשר לאחר מכן מניע טורבינה לפני הזריקה לתוך התא.זה מציע פשטות ואמינות גבוהה כי אין צורך פרבורן.עם זאת, כמות החום זמין גבולות הלחץ התאי ורמת דחף.עבור פלנטרית כגוןcent, מרחיבה מחזורים מתאימים לכמויות קטנות של חומרת-ליום, כמו מנועים סטנדרטיים, כגון מנועים סטנדרטיים סטנדרטיים, אך דורשים מעבר סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים, אך הם זקוקים לשרירים סטנדרטיים, אך הם זקוקים לשרירים סטנדרטיים, אך הם זקוקים לשרירים סטנדרטיים, אך ורק על פני השטח.

המונחים: Combustion

במחזור של בעירה ממולא, צריח עשיר או oxidizer מייצר גז חם שמניע את ה- turbopump; הממצה מוזרק לתוך תא הבעירה הראשי.זה משיג מאוד לחץ תאים גבוה (>200 בר) ואימפולס ספציפי יותר. RD-180 ו- SpaceX Raptor הם דוגמאות.

דרישות Thrust ו- Throttling

מנועי העלייה הפלנטריים צריכים לפעול לעתים קרובות על פני טווח רחב של חצץ (אם המנוע משמש גם לירידה), התכוט עמוק נדרש כדי להשיג מגע רך. במהלך האחוז, דחף מלא נחוץ לירידה יעילה בכובד משקל, אבל בריבית עשוי להיות נדרש עבור מגבלות האצה על צוות או תשלום.

תגית: Thrust and Deep Throttling

עיצוב מנוע שיכול לטבול עד 10% או פחות מהדחף המקסימלי שלו הוא מכשול טכני גדול.עיצוב אינזרק חייב לשמור על התנוחה יציבה בקצב זרימה נמוך, ו לחץ להאכיל דחף חייב להיות נשלט כדי למנוע קוויטציה במשאבתים. Pinch-point ניהול תרמי בעיות מתעוררות כי מעגלים קירור נועדו עבור דחף מלא עלולים להיות overcool ב דחף נמוך.

Thrust-to-Weight Ratio

על הירח, יחס של משקל (T / W) סביב 2-3 אופייני לריכוז, מתן האצה טובה ללא חשיפת צוות לגזימים G-forces. על מאדים, T / W סביב 3-5 הוא רצוי.זה אומר שמנועי חייב להיות קל משקל יחסית למסה המכונית. מנוע עצמו עשוי להיות T / W של 50-100 (כלומר, מנועים במשקל 1-2% של Achi דורש אופטימיזציה של טכניקות מתקדמות כגון הדפסה).

ניהול ארס

ניהול החום העז של הבעירה (התחילה של 3000 מעלות צלזיוס באזורים מסוימים) הוא חיוני.בנוסף, המנוע חייב לשרוד את ההיתוך הקר של לילה פלנטרי ללא קור או היווצרות קרח פנימית.

Regenerative Cooling

רוב מנועי ביצועים גבוהים משתמשים בקיר רגנרטיבי: זרם מונע דרך ערוצים המכונים לתוך תא הבעירה וקיר נושל, סופג חום לפני הזריקה.זה מחממת את המניעה (השיפור יעילות הבעירה) ושומר על הטמפרטורה בתוך גבולות חומריים.עיצוב של ערוצי קירור אלה הוא קריטי; הם חייבים להימנע כתמים חמים ולספק הפצה אחידה.

צילום: Transpiration Cooling

עבור אזורים של גלי חום גבוהים מאוד, כגון אזור הגרון, קירור הסרט מזרקת שכבת דק של גז דחף או אינרט לאורך הקיר כדי לספק מחסום תרמי. Transpiration קירור משתמשת קיר ⁇ לתוך אשר קירור הוא נאלץ. Both שיטות לצרוך דחף נוסף, צמצום יעילות, כך הם משמשים בשפע. על מאדים כמו מנוע ריכוז, סרט הקיר עשוי להיות נחוץ עבור תריסים לבד.

בידוד ו-Thermal Heaters

כדי למנוע מדחף Cryogenic מרתיח במהלך פעולות פני השטח, בידוד טנק חיוני. Multi-layer insulation (MLI) שמיכה, קצף, ו מגןים מפוצצים מועסקים.בנוסף, תנורי חום וזרימה עשויים להיות נחוץ כדי לשמור על קווי מניעה ושסתום מעל הנקודה הקפאה.

התעלמות ונאמנות

מנוע שאינו יכול לחדש הוא משקל מת על פני השטח.מנועי העלייה הפלנטאריים חייבים להצית באופן אמין לאחר מעונות מורחבים, אולי בוואקום או באטמוספירה דקת.

מערכות התעלמות

עבור חומרים לא-hypergolic, ignition ניתן להשיג באמצעות תקעי ניצוץ, משחתות לפידים, או pyrotechnic האשמות. על מאדים, האווירה הדקה הופכת את הניצוץ קשה יותר; ניצוצות דורשות מתח גבוה יותר כדי לשבור את הגז. Torch ניצוץ כי לשרוף כמות קטנה של כוח הכבידה טרמפנט ב prechamber הם בדרך כלל אמין יותר.

מספר רב של vararts ו- Long Eraancy

מנוע ריכוז יכול רק לירות פעם אחת (למשל, מן פני השטח למסלול), אבל מנוע הירידה עשוי לדרוש כוויות מרובות עבור הנחיתה ולאחר מכן לא לחדש.עם זאת, אדריכלות עתידית המשתמשת באותו מנוע עבור נחיתה ועלייה ידרוש מספר פעמים מחדש עם תחזוקה מועטה בין כוויות.זה דורש שסתום חזק, חותמות, ולבדוק שסתום לא דולף במהלך dormancy. a Slowlan of Pusht דחף לתוך חדר התחלה אופיינית.

בדיקות ואימות

אין כמות של סימולציה שיכולה לשכפל באופן מלא את הסביבה התרמית, הריק, האבק, והקטן של ה-Creper-gravity. Testing הוא אבן הפינה של פיתוח מנוע עבור משימות פלנטריות.

Vacuum ו- Cold Soak Testing

בדיקות למנוע יש לבצע בתאי ואקום המדמיינים את הסביבה הקרובה. קרש בדיקות כרוכות צמרון כל המנוע הרכב הרכבה לטמפרטורות Cryogenic, ולאחר מכן לירות אותו. ⁇ תרמית במהלך ההתחלה הוא לעתים קרובות המשטר המאתגר ביותר.בנוסף, ספוגים קרים ארוכים (שבועות) נדרשים להעריך חישוק חומרי והתנהגויות חותם.

בדיקת אבק

כדי להעפיל רכיבים למנוע אבק, מתקני בדיקה משתמשים ב- regolith סימולטור (למשל, JSC-1A עבור הירח, MMS-2 עבור מאדים) אבק מוצג לתוך זרמים אוויריים או מוזרק ישירות לתוך נתיבי הצטברות. Engine inlets וממשקי שסתום נבדקים כדי להבטיח אבק לא גורם ג'ט או דליפה.

מסקנה

תכנון מנועי עבור פעולות פני השטח פלנטריות ועלייה היא מאמץ רב תחומי הדוחק את הגבולות של מדעי החומרים, הנדסה הנעה, ואמינות מערכות.המופעים התרמית הקיצוניים, אבק חודרני, ועוצמה מופחתת דורש פתרונות שהם גם חזקים ויעילים.אם באמצעות מנועי מתאן-אוקסגן בוכים עבור מאדים אמיתי או היפרג'יצי השקעות יציבים עבור הירח, המנוע חייב להיות מותאם למשימה הספציפית ביותר, כמו גם כן, כמו גם תמיכה מגנטית, כמו גם כן, כמו גם קרמיקה, אשר מאפשר, כמו גם קרמיקה, כמו גם קרמיקה, כמו גם קרמיקה, כמו גם קרמיקה, כמו גם , כמו גם , כמו גם מנגנוני ניהול יעיל יותר, יעיל יותר, מאפשר הגנה מורכבת, כמו גם על פני כדור הארץ, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, כמו גם על פני כדור הארץ, יעיל יותר, יעיל יותר, כמו גם על ידי מאדים, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, מאפשר שיטות ניהול יעיל יותר, כמו גם על פני כדור הארץ, יכול להיות מסוגלות, כמו גם על ידי מערכות ניהול יעיל יותר, כמו גם על ידי מגנטית, כמו גם על ידי הגנה מגנטית, כמו גם על ידי מגנטית, כמו גם על ידי מאדים, כמו גם על ידי