תכנון מנועי טילים למבצע בתנאים סביבתיים קיצוניים על פני כוכבי לכת אחרים

דרישות קיצוניות של הדחף היבשתי

השאיפה לחקור ובסופו של דבר ליישב כוכבי לכת אחרים התלויים ביכולת שלנו לפתח מערכות הנעה שלא רק להגיע לעולמות אלה, אלא גם לפעול באופן אמין עם ההגעה.עיצוב מנועי טילים לסביבות מחוץ לכדור הארץ הוא אתגר שונה לחלוטין מההנדסה המבוססת על כדור הארץ, ולכן כל כוכב הלכת במערכת השמש שלנו לא יכין שילוב ייחודי של הרכב האטמוספרי, טמפרטורה, לחץ, וסיכון כימי שיכול לפגוע בחומרים של זיהום אווירי נשימה, שלא ניתן לצפות ממזג אווירי נשימה גמישים אחרים, בניגוד לדלקת אוויריים, ולאמתיים של כדור הארץ, ולאורגניבה, ולאור, ולאורגניים צמחי מרפאה, ולאור, ולאור, ולאור, ולאור, ולכן אין ספק אם כן, ולא ניתן לצפות לחמצן צמחי מרפאה יעילה, ולאורנטית מים חמים, ולאורנטית מים חמים, ולכן לאיים של כדור הארץ, ולכן אין ספקולטיביים, ולכן אין ספקולטיביים, ולכן לאיים בעלילגנטיים בעלילגנטיים של כדור הארץ, ולכן יש לנורמים סביבתיים בשפע, ולא ניתן לצפות לחמצן של כדור הארץ, ולאורגניבה של כדור הארץ, ולאור, ולאורנטית מים חמים, ולכן אין ספק אם כן, ולכן לאמנים צמחי מרפא

ניתוח מורחב זה בוחן את האתגרים הסביבתיים של תכנון מנועי טילים עבור כוכבי לכת אחרים, את השיקולים הנדסיים מרכזיים המניעים בחירה חומרית וארכיטקטורת מערכת, את טכנולוגיות פריצת הדרך מפותחת כדי לעמוד באתגרים אלה, ואת הכיוונים העתידיים להנעה פלנטרית.הבנת גורמים אלה חיוני עבור מתכננים המשימה אשר חייבים להבטיח כי כל רכיב - החל תא הבעירה ועד הנורה - יכול לשרוד ולבצע בתנאים אלה במהירות להרוס מנועי כדור הארץ קונבנציונליים.

אתגרים סביבתיים על כוכבי לכת אחרים

כל גוף שמימי מטיל מערכת ייחודית של תנאי הפעלה.הדוגמאות הבאות ממחישות את הקיצוניות שמהנדסי ההנעה חייבים לקחת בחשבון.

מאדים: אטמוספרה, קר קיצוני ואבק מוחלט

למאדים יש לחץ על פני השטח כי ממוצע של 0.6% של לחץ הים של כדור הארץ, המורכב מ-95% פחמן דו חמצני, 2.7% חנקן, ו 1.6% טמפרטורות במשווה יכול להתנדנדנד מעל 20 מעלות צלזיוס עד לילה נמוך של 80 מעלות צלזיוס, ובקוטבים הם יכולים לרדת ל-195 מעלות צלזיוס.

• (FLT:0) להורדת לחץ: ההרחבה 1 (FLT:1) מנועי טילים מסורתיים מסתמכים על לחץ מכונן לייצוב של הבעירה על מאדים, הלחץ המטבולי הנמוך יכול לגרום להבה או חוסר יציבות אלא אם כן המנוע נועד לפעול עם ירידה בלחץ גבוה על פני המזרק או להשתמש במחזור לחץ.
• (FLT:0Cryogenic דלק ניהול: FLT:1ir חמצן נוזלי (לעתים קרובות בשימוש כחמצן חמצון) רותח על -18 ° C בלחץ נוח על מאדים, הסביבה הקרה יכולה לעזור לשמור על טמפרטורות מבוכות, אבל מיכלי הדלק חייבים להיות מבודדים במידה רבה כדי למנוע רתיחה במהלך רצף המעבר הארוך והנחיה.
• (FLT:0) זיהום: מנועים 1FLT1 משתמשים באוויר המבלבל (למניעה מבוססת אמת) חייבים לסנן חלקיקים יפים שיכולים לשקוע להבים דחוסים וגרון לא מרופש.

ונוס: לחץ מצחצח, סקופינג חום, וענני קורוזיה

ונוס מתואר לעתים קרובות כתאום כדור הארץ, אבל תנאי פני השטח שלה הם גיהינום.לחץ על פני השטח הוא 92 בר (גיל 1,350 psi), הטמפרטורה מרחפת סביב 46 ° C, ואת האווירה נשלטת על ידי פחמן דו חמצני עם עננים עבים של חומצה sulfuric. בגובה גבוה, הלחץ וטמפרטורה ירידה, אבל אפילו ב 50 ק"מ הטמפרטורה היא סביב 0 ° C, והלחץ הוא בערך 1 בר - כמו גם עבור כדור הארץ - כמו גם עבור עיצובים - כמו גם עבור צינורות:

• (FLT:0) חומרים תרמיים:FLT:1 כל מנוע שפועל על פני השטח או באווירה התחתונה חייב לעמוד בטמפרטורות מתמשכת העולה על נקודת ההיתוך של כמה מתכות. אלומיניום לאמנה וסגסוגת פלדה מצמררים ונחלשים במהירות מעל 400 מעלות צלזיוס. גבוה-טמפרטורה גבוהה כמו Inconel 718 או niobium ⁇ s נדרשים, יחד עם מכשולים תרמיים.
• הכימיה הגלקטית:0 Corrosive Chemistry: 1FLT:1 חומצה סלופורית ותרכובות תגובתיות אחרות לתקוף את רוב המתכות והפולימרים.חומרים של מנוע חייב להיות עמיד בפני התקפה חומצית, לפעמים דורש זהב או פלטינה על רכיבים קריטיים.
• (FLT:0) לחץ גבוה: ⁇ FLT:1 , האווירה הצפופה יוצרת לחץ עצום על המנוע nozzle, אשר מפחית יעילות דחף.
• אתגרים:0 (FLT:1 at 467°C, קירור פסיבי כמעט בלתי אפשרי.מערכת קירור פעילה באמצעות נוזל עבודה אקזוטי או צינורות חום נדרשים לשמור על הליבה המנוע בתוך גבולות תפעוליים.

טיטאן: קטור, אטמוספרה הקרה של מתאן וניטרוגן

לירח של שבתאי טיטאן יש אווירה עבה (1.45 בר על פני השטח) המורכב בעיקר חנקן (95%) ומתאן (5%) טמפרטורת פני השטח היא מגואיד -179 מעלות צלזיוס. מנועים שנועדו טיטאן חייב לפעול בסביבה קרה, צפופה, כימית מופחתת שבו מתאן הוא גם דלק וגם סיכון פוטנציאלי.

• (FLT:0) טמפרטורה:0 (Low טמפרטורה: 1) כל החומרים הופכים לערעור בטמפרטורות Cryogenic. Elastomers לאבד גמישות, התכווצות תרמיות יכול לגרום פערים בחיתולים.
• (FLT:0) מיטן כדלק: FLT:1 אטמוספירה של טיטאן עצמה יכול לשמש כמקור דחף.מנוע מופעל גרעיני יכול לחמם מתאן לייצר דחף, או מנוע כימי יכול לשרוף מתאן עם חמצן המיוצר מקרח.עם זאת, התבוסות מתאן באווירה עשירה חנקן לא יכול להיות יעיל ללא מחמצן.
• (FLT:0) צפיפות אטמוספירית:0 (FLT:1) צפיפות גבוהה (בערך ארבע פעמים כדור הארץ) פירושה כי חימום אווירודינמי במהלך הירידה או טיסה דלת-קווי הרוח יכול להיות משמעותי למרות הקר. מפיצים או רוטטורים עשוי להיות יעיל יותר מאשר רקטות עבור ניידות פני השטח, אבל עבור עצירות אנכית ונחית, מנועי חייב להתגבר על האוויר העבה ללא חימום יתר.

דרישות עיצוב עבור מנועים נוספים

מעבר לאתגרים הספציפיים של כל סביבה פלנטרית, כמה עקרונות עיצוב אוניברסליים חלים על כל מנוע שנועד לפעול מעבר לכדור הארץ.

טמפרטורה התנגדות

מנועים חייבים לשרוד תנודות טמפרטורה של מאות מעלות צלזיוס על מאדים, המנוע חייב להיות מסוגל קר כוכב ב -80 מעלות צלזיוס (או קר יותר) ולאחר מכן לפעול בטמפרטורות של מעל 2,500 מעלות צלזיוס בחדר. על ונוס, זה חייב לסבול טמפרטורות מטבוליות מיוחדות מעל 400 מעלות צלזיוס למשך המשימה.

התנגדות קורוזיה

אינטראקציות כימיות בין חומרי מנוע ואטמוספירה פלנטרית יכולות לגרום להשפלה מהירה.על מאדים, נוכחות של perchlorate באדמה יכולה להיצמד במערכות מנועים.על ונוס, התקפות חומצה sulfuric כמעט כל דבר.מהנדסים משתמשים בסופר-על-בסיס ניקל (למשל, Hastelloy, Inconel) עבור ההתנגדות שלהם חמצון והתקפה.

לחץ סובלנות

מנועים המיועדים לסביבות מדכאות גבוהות כמו ונוס חייבים להיות קירות עבים וחותמים חזקים שיכולים לעמוד בלחץ חיצוני ללא התנגשות. הפוך, מנועים לסביבות נמוכות כמו מאדים חייבים להיות מסוגלים להתחיל ולפעול ללא היתרון של לחץ מסובך לייצב מושגים מעצימות (בקיצור של אבק רך) דורשות ניצוצות מיוחדות (למשל, דלקים היפרגליים או מערכות ניצוצות) ומניעים את רמת לחץ פני כדור הארץ.

יעילות דלק ובחירה יעילה

כל קילוגרם של דחף שצריך לשאת מכדור הארץ מוסיף לשגר עלויות.עבור משימות ארוכות, ניצול משאבים חלופי (ISRU) הופך קריטי על מאדים, ייצור חמצן מהאטמוספירה (באמצעות MOXIE-like אלקטרוליטיזה של CO2) יכול לספק חמצון עבור מנוע מתאן-אוקסגן.

ניהול ארס

חום ניהולי הוא אתגר דו-צדדי על כוכבי לכת חמים, המנוע חייב לדחות חום פסולת גם כאשר הטמפרטורה המטבולית היא מעל נקודת הרתיחה של מים. קירור רדיטיבי הופך לא יעיל כאשר הסביבה כבר חמה.

• (FLT:0) קירור חוזר: דלק 1FLT מופצ באמצעות ערוצים בתא הבעירה וקירות נוזל לספוג חום לפני הזריקה. גישה זו עובדת היטב על כדור הארץ, אך הופכת להיות מורכבת יותר עם מניעים מבוכים בסביבות קרות שבו דלק עשוי להקפיא לפני הכניסה לחדר.
• (FLT:0) קירור הסרט: ⁇ FLT:1 , שכבת דק של גז קריר או נוזל מוזרק לאורך קירות התא כדי להגן עליהם מפני גזי בעירה חמה.זה מקטין את היעילות הכוללת, אך ניתן יהיה צורך בעומסי חום קיצוניים.
• (FLT:0) צינורות הית' והצנרת חום הלולאה: ראטאלף:1 (המכשירים הפסיביים האלה מעבירים חום מהמנוע לרדיורטור באמצעות שינוי שלב.על ונוס, צינורות חום חייבים להשתמש בנוזלים עובדים בעלי רמות גבוהות כגון מתכות נוזליות (פוטאסיום, נתרן) שנשארות נוזליות ב -400 מעלות צלזיוס.

חידושים טכנולוגיים נהיגה ב- Planetary Engine Design

ההתקדמות האחרונה בחומרים, בייצור ומערכות בקרה פתחה אפשרויות חדשות למנועי חיפוש קיצוניים.

High-Temperature Ceramic Matrix Composites (CMCs)

CMCs כמו סיליקון carbide (SiC) סיבים-reinforced SiC מציעים כוח גבוה, צפיפות נמוכה, ויציבות תרמית מעולה עד 1,400 מעלות צלזיוס בסביבות חמצון. הם נחשבים עבור הרחבות nozzle ו להבים טורבינות במנועי כי חייב לסבול את החום של הדבקה ואווירה קורוזית של ונוס, CMC לא לסבול מטמפרטורות גבוהות של CMC, לא יש צורך בטמפרטורות גבוהות.

קרינה-Hardened Electronics וחיישנים

מנועים מסתמכים על חיישנים (לחץ, טמפרטורה, קצב זרימה) ומבצעים (ערכים, בקרה וקטורת דחף) שצריכים לשרוד לא רק קיצוניות סביבתיות אלא גם קרינה קוסמית על פני כדור הארץ ללא שדה מגנטי חזק (Mars, ונוס), אלקטרוניקה נחשפים לכשלים סולאריים וגלקטיים קוסמיים.

מערכות דלק מתאימות ושילוב אמיתי

משימות פלנטריות עתידיות יתבססו יותר ויותר על ייצור דלק וחמצן מהמשאבים המקומיים.על מאדים, הניסוי של Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization הניסוי (MOXIE) כבר הוכיח ייצור חמצן מ- CO2. Scaling זה לייצר טון של דחף ידרוש התרחבות אלקטרוליטית ומערכות ליזיאקציה כי ממשק ישירות עם המנוע.

ייצור תוספתי והפקה מהירה

הדפסה מתכת 3D (אבקת אבקת היתוך) מאפשר יצירת ערוצי קירור מורכבים, פנים מזרקות עם מאניפלים משולבים, ואת חזיונות מבניים קלים כי יהיה בלתי אפשרי מכונה באופן קונבנציונלי. עבור מנועי פלנטרי, זה אומר סובלנות הדוקה יותר, ספירת חלק מופחת, מחזורי פיתוח קצרים יותר. מנועי SuperDraco של SpaceX השתמשו 3Draco מטופחת תאים של 3D-Dros, נאס"ל, נאס"א עבור GRC-הוא מאפשר גם כן, כמו גם כן, 000 פונקציונליות קירור לשימוש מתכתי, כמו גם כן, 000.

מחקרים: שיעורים מהעבר ומשימת ההווה

כמה משימות היסטוריות ניסו להפעיל מנועים על כוכבי לכת אחרים, לספק נתונים בלתי חוקיים.

ארץ הויקינגים (1976)

ויקינג 1 ו -2 כל אחד נשא מנוע הירידה שהשתמש hydrazine (monopropellant) כדי להאט את החללית במהלך הנחיתה.המנועי היו צריכים להתחיל באווירה מאדים דק בטמפרטורה נמוכה.הם השתמשו בפירוק קטליטי של hydrazine, אשר הוא אקסותרמית יכול להיות יזמו אפילו ב -40 מעלות צלזיוס.הקרקעים הפעילו בהצלחה את המנועים שלהם, אבל לאחר הקרקע הראו כי הלחץ התרמי ממנועי צמי לא נועדו מחדש על משטח אלה.

Mars Science Laboratory (Curiosity, 2012)

משימת MSL השתמש במערכת נחיתה ערנית שמימית אשר העסיק שמונה מנועי משתנה-thrust trottleable (Mars Landing Engines, MLEs) מנועים אלה שרפו hydrazine ו חנקן tetroxide בתגובה היפרגאולית, המאפשרת מדויק של התכווט ללא המורכבות של turbopumps.ה המנועים מופעל מגובה של 20 מטרים למטה, אבק מתמשך ולחץ נמוך על פני כדור הארץ היה בטווח הארוך.

Venera Landers (USSR, 1970s-80s)

סדרת ה-Nan Venera נחתה בהצלחה על ונוס ורדה במשך עד שעתיים בסביבה החיצונית. בעוד לא מנועים טילים ל-Se, מודולי הירידה השתמשו בצנחנים ואירודינמיקה של אלקטרוניקה של היבשה שוכנו בכלי לחץ טיטניום וקרר על ידי מערכת בקרה תרמית נפרדת.עבור מנועי ונוס עתידיים, הנתונים של Venner מספק דרישות בסיס: כל משטחים חיצוניים חייבים לעמוד 467°C ו-92 חומרים פחמן לא מופעלים על פני השטח.

הנחיות עתידיות להנעה חוץ-ארצית

העשור הבא יראה דחיפה לעבר מערכות נחיתה פלנטריות, מחסני דלק מבוססי אמת, ומנועי מנועים המופעלים על ידי גרעיני למחקר בחלל עמוק.

מערכות בקרה אוטונומיות

עיכובים בתקשורת עם כדור הארץ אומר כי מנועי פלנטרית חייבים להיות רגולציה עצמית.מערכות עתידיות ישתמשו אלגוריתמים למידת מכונה כדי לפקח על יציבות הבעירה, להתאים את זרימת הדלק, ולהגדיר מחדש את הגיאומטריה ללא סחר בזמן אמת. חיישני סיבים אופטיים בתא הבעירה יכולים למדוד טמפרטורה ולחץ על מאות נקודות, להאכיל נתונים למערכת בקרה שיכולה לפצות על הפחתת אקטוטור או סחף.

In-Situ Resource Utilization for Large-Scale Propulsion

למשימה אנושית למאדים, ייצור דחף על פני השטח חיוני כדי להפחית את מסת השיגור.מושגים כמו רכב מאדים Ascent (MAV) ישתמשו מנוע חמצן נוזלי / מאן.האתגרים העיקריים הם מקיפים את הטכנולוגיה דמוית ה-MOXIE לייצר 25-30 טון של חמצן, תכנון מערכת אחסון קלוש שיכול לשרוד את הלילה מאדים, ולהבטיח כי עדיין הדגמה נקייה מנאס"א היא עדיין ללא דלק, אבל לפני כן, אבל הפגנת דלק מלאה של נאס"א היא עדיין לא מזמן.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

עבור משימות טיטאן, נפטון, או הירחים של יופיטר, הדחף הכימי הופך לא מעשי בשל הדלטה העצומה הנדרשת. רקטות תרמיות גרעיניות (באמצעות כור חיכוך למניעת מימן חום) מציעים פעמיים את הדחף הספציפי של מנועי כימי.הם יכולים לפעול בכל סביבה, שכן הם לא להסתמך על חמצן מחץ.

מערכות הנטומנטציה Multi-Mode Propulsion Systems

אדריכלות היברידית המשלבת דחף כימי לנחיתה / ריכוז עם הנעה חשמלית לתמרון מסלול הם צוברים עניין.לדוגמה, מנחת מאדים יכול להשתמש במנועי כימי עבור הירידה הטרמינל ולאחר מכן לעבור למערכת הנעה חשמלית סולארית עבור ההעברה. גישה דו-מוגהודית זו דורשת שילוב זהיר של מערכות הזנה ובקרת חשמל מונעת, אבל היא מייעלת יעילות המונית על פני שלבים שונים של המשימה.

מסקנה

תכנון מנועי טילים לפעולה על כוכבי לכת אחרים הוא אחד האתגרים התובעניים ביותר בהנדסת אווירי חלל. מהאוויר הקר, דלע אבק של מאדים אל הנוף הגיהנום חומצי, בלחץ גבוה של ונוס, כל אחד מהמהנדסים בסביבה כדי לחדש את הגבולות של מדע החומרי ועיצוב תרמודינמי.התקדמות במפרקים קרמיקה, ייצור, אמת, ולשלוט בהדרגה הופכת את אלה למהנדסים אמינים יותר, כמו גם למנועי אדמה קיצוניים, לא יוכלו בסופו של דבר, כדי להחזיר אותנו אל מעבר לפח, כמו גם את כוכבי הלכת שלהם, כמו גם למנועי כדור הארץ, כמו גם למנועי טיטאן, בסופו שלבסוף, לא יוכלו, כמו גם למנועי טיטאן, בסופו של דבר, כמו גם למנועי כדור הארץ, בסופו של דבר, לא יוכלו, הם לא יוכלו, כמו גם למנועי טיטאן, בסופו של דבר, בסופו של דבר, כמו גם למנועי סוללת תמיכה במנועי מאדים, בסופו של דבר, כדי לשגשגים, כמו גם למנועי סוללת מאדים, בסופו של דבר, כמו גם למנועי קרמיקה, כמו גם למנועי מאדים, בסופו של דבר, בסופו של דבר, בסופו של דבר, בסופו של דבר, כמו גם למנועי מאדים, כמו גם למנועי מאדים, בסופו של דבר, בסופו של דבר

שם מקור:0.10.10.10.10

• ^ נאס"א, באתר נאס"א, באתר נאס"א, באתר נאס"א, פרק: 20,9
• מרכז המחקר גלן (NASA Glenn Research Center - Thermal Propulsion Basics) 1
• (ב) אסטרונאוטיקה (FLT:0) , "השימוש בסביבה נמוכה" (ב- 2021)IRFLT:1
• [01:0] ESA - נחיתה על מאדים: גישות היסטוריות
• (הופנה מהדף ונוס Surface Applications) (Thesis, 2020) אנדרט 1