האתגר המרכזי: הדחף מעבר לספקטרום של העולמות

הנדסה להנעה לחיפוש בחלל התמקדה היסטורית בנוגע לכובד משקל והאווירה של כדור הארץ, שיגור מכף קנבראל דורש דחף עצום ופרופילים אווירודינמיקה ספציפיים.עם זאת, הנוף של תכנון המשימה משתנה.כסוכנויות חלל ותוכנית תעשייתית פרטית לנוכחות מתמשכת על הירח, משימות מאוישות למאדים, וחיפוש רובוטי של כוכבי הלכת החיצוניים, המנועים עצמם חייבים להיות מדמיינים מחדש את הפיזיקה הבסיסית של חום, ולהפחית את הדינמיקה בודדת של כוח הכבידה, או לחץ דם, כאשר הם כבר לא מסוגלים לפעול באופן דרמטי, או מעבדים, או מעבדים, או מעבדים, הם מפעילים יותר, או מעבדים, או רק אווירי כוח הכבידה בודד, הם פועלים, או מנועים, או מנועים, או רק על פני כדור הארץ, או רק על פני כדור הארץ, הם מפעילים, או על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, הם מפעילים, או על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, הם מפעילים, הם מפעילים יותר, או על מנת להפעיל מחדש, הם מפעילים, או על פני כדור הארץ, או על מנת להפעיל, הם מפעילים, הם מפעילים, הם מפעילים, הם מפעילים, או על מנת להפעיל מזערי כוח הכבידה

האתגר אינו רק אחד מהביצועים, אלא של הישרדות.מנוע מותאם לריק החלל עלול להיכשל באופן קטסטרופלי אם נדרש לירות במהלך הירידה דרך אווירת מאדים מאובקת. ולהיפך, מנוע קרקעי המוכוון לכובד ראש נמוך עשוי לייצר דחף לא מספיק כדי לברוח מהגוף גדול יותר כמו מאדים. מאמר זה חוקר את אסטרטגיות העיצוב המתוחכמות, מגבלות חומריות, ומערכות בקרה הנדרשות כדי לבנות מנועים המסוגלים לפעול תחת כוח הכבידה על פני כדור הארץ, ואקלים, מעבר לאטמוספירה, מאדים, מעבר לסלע, מעבר לגשם, מעבר לגשם, מאדים.

הבנה של הסביבה הקדם-ארצית: A Spectrum of Extremes

לפני בחינת פתרונות מנוע, חיוני להבין את הסביבה שבה מנועי אלה חייבים לפעול.כל גוף שמימי מציג שילוב ייחודי של האצה כבידתית, לחץ אטמוספירי, הרכב והמשטר התרמי.

מגוון רחב: ממיקרוגרביטה ועד חלקית G

האצה Gravitational (g) היא הנהג העיקרי של דרישות דחף.כוח הכבידה של כדור הארץ (9.81 m/s2) הוא הבסיס. הירח ב 1.62 מ'/s2 (0.16g) ומאדים ב 3.72 מ'/s2 (0.38g) מייצג את היעדים הנפוצים ביותר למשימות לטווח קצר.

ההשלכות הן עמוקות.מנוע הירידה המיועד למאדים חייב לספק מספיק דחף להאט חללית ממהירות מסלול לנחת רך תוך הימנעות האצה מופרזת שעלולה לפגוע במטענים.על הירח, אותו פרופיל דחף יכול ליצור ירידה אגרסיבית, בלתי נשלטת.

תנאי אטמוספרי: דחיינות, קומפוזיציה ואבק

תנאי אטמוספירה משתנים אפילו יותר דרמטי מאשר הכבידה.הירח הוא למעשה גוף ללא אוויר, עם אקסספירה כל כך רזה זה רשלנות.מאדים יש אווירה דקה עם לחץ על פני השטח של כ 0.6% של כדור הארץ, המורכב מ-95% פחמן דו חמצני.נוס יש אווירה מחוספסת, צפופה של CO2 ב-90 בר. טיטאן יש אווירה חנקנית עבה עם עננים מתאן.

(מתאים ל-Vol) למעצבים, צפיפות אטמוספרית משפיעה ישירות על ביצועים ללא סחרחורת (A nozzle Fit for ואקום הרחבה) תתפתח יתר על המידה באטמוספירה, וגורמת להפרדה ולאובדן יעילות של דיסוציאלציה (converse, a nozzle) המיועד ל-CO-CVir-FIS, באופן משמעותי, אך ורק ל-Fireicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicialicialicialicialicialicialicialicials) יש להוסיף את ה-F2F2F2F2, כולל תרכובת: 0.

אסטרטגיות עיצוב לתנאים משתנים

בהתחשב במגוון של סביבות, מנוע "איכות בגודל אחד" הוא לא מעשי.במקום, מהנדסים פיתחו תיק של אסטרטגיות כדי ליצור מערכות הנעה הסתגלות.אסטרטגיות אלה להתמקדות במודולריות, בקרה משתנה, ומבצע רב-ממדי.

ריבוי-Mode Propulsion: כימיקלים, חשמל וגרעין היברידי

הגישה המבטיחה ביותר לסביבות משתנה היא מערכת ההנעה הרב-מומדה, המשלבת סוגים שונים של דחף לתוך אוטובוס חד-מנועי יחיד.דוגמה קלאסית משלבת מנוע כימי גבוה-הרוסי לנטישה ולעלייה עם דחף חשמלי בעל יעילות גבוהה עבור תמרון מסלול ועבר בין כוכבי הלכת.

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מערכות בקרה הסתגלות: זמן אמת Thrust ו- Mixture Adjustment

מערכות בקרה של מנוע מודרני נעות מרצף טרום-פרוגרמה ל-FLT:0 (Diaptive, Close-loop controlFLT:1 אשר מגיב נתונים של חיישן בזמן אמת.מערכות אלה משתמשות ב-Accelerometers, לוחצים לחץ וחיישנים טמפרטורה כדי לפקח על ביצועי המנוע ולהתאים פרמטרים כגון קצב זרימה של דלק, יחס של oxidizer-to-to-דלק (יחס O/F), ולא שטח צוואר הרחם.

לדוגמה, במהלך הנחיתה על מאדים, מערכת הבקרה חייבת להתאים באופן רציף לגבהים ההולכים וגדלים של צפיפות אטמוספרית.המנוע עשוי להיות צורך להתפצל מלמטה קרוב לדחף מקסימלי תוך שמירה על הבעירה יציבה.הבקרים מתקדמים באמצעות קיבולת:0 Modelive control (MPC)FLT:1 או FLT:2neuralרשתות של 3FLT 3 יכול לחזות את ההגדרות המבוססות על גבי השלב האופטימלי ולהבטיח גם את זרימת המנועים במיקרו-מנועי לחץ אווירי.

המונחים: Throttling and Deep Throttling Capability

Throttling היא היכולת להפחית את המנוע מתחת לרמת הדירוג המקסימלית שלה. עבור נחיתה מחוץ לכדור הארץ, עמוק crottling (למשל, עד 10% או פחות של דחף שיא) נדרש לעתים קרובות.ה-FLT:0SpaceX Raptor מנוע עדינהFLT:1, בשימוש על ספינת הכוכבים, הוא דוגמה ראשונית של מחזור מלא של תיבה שלב מלא של מנוע מסוגל עמוק זה מאפשר את אותו שלב הנחיתה על פני כדור הארץ או זרם גבוה.

עם זאת, צניחה נמוכה, הבעירה יכולה להפוך לא יציבה, ושאיבה טורבינות לא יכולה לפעול ביעילות. עיצוב אינזרק חייב להיות מותאם בזהירות לשמור על זיהום דלק תקין בטווח רחב של שערי זרימה.

שיקולים חומריים לסביבה קיצונית

אין עיצוב מנוע בר קיימא ללא חומרים שיכולים לעמוד בלחץ תרמי, מכני וכימיקלי של פעילות חוץ-ארצית.האופי המשתנה של סביבות אלה מציב דרישות יוצאות דופן בחומרי הרכיב.

ניהול מופרז על פני Vacuum ו Atmosphere

בוואקום, העברת חום מוגבלת לקרינה והתנהלות.מנועי חייב לדחות חום פסולת באמצעות קורנטורים, ורכיבים יכולים לחוות תנודות טמפרטורה קיצוניות. באווירה כמו מאדים, העברת חום אחיד הופכת משמעותית, אבל האוויר הדק מספק פחות קירור מאשר האווירה של כדור הארץ.זה יוצר חלל עיצוב תרמי מאתגר שבו קירור רדיואקטיבי ו convective חייב להיות מאוזן אחד נגד השני.

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אבק והתנגדות רדיאולית

אבק הירח ומאדים הוא abrasive, אלקטרוסטטי, וכימיקלי reactive.FLT:0Lunar regolithcioFLT:1 מורכב חלקיקים חדים, זוויתיים של זכוכית ומינרלים שנוצרו על ידי השפעות מטאוריות.זה יכול בקלות מסננים לוגי, חיתולים, ונזק להבים של טורבינות.

(ב) , (ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Cry propellant Handling

מנועים מתקדמים רבים משתמשים בדחפים מבוהגנים כגון מימן נוזלי (LH2), חמצן נוזלי (LOX), או מתאן נוזלי (LCH4). המדחף הזה מתרומם לאורך זמן, במיוחד בנוזל ובשפעת תרמית של חלל.

(ב) מעצבים צריכים לכלול (ב) ⁇ (ה-ה) (ה-FLT:2diaphragm TanksFLT 3), או FLT:4surface Stress vanesFLT:5 כדי להבטיח שהמנוע מקבל רק דחף נוזלי, עבור משימות אחסון לטווח ארוך של 6 וואטוורקלנרים 7 פותחים כדי למנוע איזון בין חומצה פולינית למניעה, כדי למנוע את ההשפעות של מלחם, כדי למנוע את הפחתת מים.

מחקרים בנושא Mission Case

בחינת משימות אמיתיות ותפיסתיות מסייעות להמחיש כיצד אסטרטגיות עיצוב אלה מוחלות בפועל.

לנדאר לנדרס: האתגר של נפילה ללא אוויר

נחיתה על הירח דורשת מנוע שיכול לפעול עם דיוק קיצוני בוואקום.מודול אפולו Lunar Descent Engine (LMDE) היה דוגמה חלוצת של מנוע מתעתג, שינוי דחף מ 1000lbf ל 6,300 lbf. מודרני לנדמרים, כגון אלה שפותחו עבור תוכנית ארטמיס של נאס"א, דורש דיוק גדול יותר ו-FLT:0 מתפתל עמוק עד כה עד כדי מגע על פני שטח.

(ב) מנוע ה-[[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]

מאדים יורד ו Ascent: Navigating a Thin CO2 Atmosphere

Mars מציגה בעיה של גולדילוק עבור מעצבי מנועים.האווירה עבה מספיק כדי לספק קצת ארודינמי מתפתל אך רזה מדי עבור מצנחים לבד כדי להשיג נחיתה קלה עבור עומסי שכר גדולים.זה הוביל לפיתוח של (FLT:0 מטענים על-על-פי-עלניים (SRP) FLT:1, שבו המנועים עדיין עוברים במהירויות היפרמוסוניות באטמוספירה העליונה היא תנועה קשה מאוד.

(ה) רכב היברידי Ascent (MAV)irph1, רכיב מפתח של דגימות פוטנציאליות להחזיר משימות, דורש מנוע שיכול לשגר משטח מאדים (MAV) חייב להשתמש במניעים שנותרו יציבים לאורך זמן ארוך (שנים) על פני השטח, אך הם זקוקים לעצימות דלק מורכבים יותר (FLT:2Solid רקטות מ-FLT 3) אך הם מועמדים, אך הם חסרים יכולת הפעלה גמישה של דלק מורכבת יותר מ-DVergicergicerd.

כוכב הלכת והפרובים של האסטרואיד: נמוך Thrust, יעילות גבוהה

(ב) למשימות לכוכבי לכת החיצוניים או לאסטרואידים וביטים, כוח הכבידה הוא לעתים קרובות רשלני, והסביבה היא ריק.עם זאת, ה-FLT:0low Sun EvolutionFLT:1, לכפות מגבלות על ייצור חשמל.

(ב) למשימות ליד ענקיות הגז, בהן אור השמש הוא דיאם, כרך:0 (רדיואיזוטופים תרמואלקטריים) (RTG) ,FLT:1 או FLT:2 כור גרעיני קטן;0) לספק את הכוח החשמלי הדרוש (מערכת הנעה חשמלית) אשר ניתן להזיז את מערכת הבקרה החשמלית, אך הם אינם מתאימים לתמרונים מהירים או למסלולים כגון: 5Flower.

כיוונים עתידיים וחדשנות

תחום העיצוב של מנוע מחוץ לכדור הארץ מתקדם במהירות, מונע על ידי דרישות של חקר אנושי וההסתה הגוברת של משימות רובוטיות.

ההנעה הירושה הגרעינית (NTP) וההנעה של אלקטרוניקה גרעינית (NEP)

הנעה גרעינית מציעה שינוי צעד ביכולת למשימות מעבר למסלול כדור הארץ נמוך.NTP מספק דחיפה גבוהה ויעילות גבוהה, המאפשר מעברים מהירים יותר למאדים וצמצום החשיפה לקרינת אסטרונאוטים.NEP מספק יעילות גבוהה מאוד למשימות מטען ובדיקות חלל עמוקות.ה-FLT:0 [NASA DRACOFLT:1] הוא בדיקת מנוע טילים גרעיני בחלל, במטרה להפגנת מערכות כוח חזקות ודרישות ניהוליות.

In-Situ Resource Utilization (ISRU) Engines

החלום של גלגולים על עולם אחר הופך להיות הכרחי עיצובי:0 (המכונה:0) מערכות הנעה אמתית FLT:1 יוציא מים מקרח הירח או מקרקע מאדים, פיצול אותו למימן וחמצן, ולשלב אותם במנוע של בעירה. לחלופין, מתאן יכול להיות מיוצר מ-co2 ומ מימן.

ייצור תוספתי וחומרים מתקדמים

הדפסה 3D (ייצור ממכר) היא מהפכה בייצור מנועים. מורכבים גיאוגרפית, כגון חרטות קירור מחדש עם ערוצים פנימיים, ניתן להדפיס ביצירה אחת באמצעות FLT:0InconelcioFLT:1 או FLT:2copper ⁇ sFLT 3: זה מקטין חלק, זמן מוביל, ועלות זה גם מאפשר התאמה מהירה של חומרים מכניים עבור תרכובות חיצוניות:

גילוי אוטומטי, בידוד, ושיקום (FDIR)

כאשר המנועים פועלים על מאדים או מעבר לכך, תקשורת בזמן אמת עם כדור הארץ אינה אפשרית בשל עיכובים מהירים של אור.מנועי צריכה להיות מסוגלת ל-FLT:0autonomous Health MonitorFLT:1 ושיקום תקלות. חיישנים מתקדמים ואלגוריתמים של למידת מכונה יכולים לזהות חריגות בתנודות, לחץ או חתימות טמפרטורה.

מסקנה

תכנון מנועי סביבות מחוץ לכדור הארץ עם כובד משתנה ומצבים אטמוספיריים הוא אחד האתגרים המורכבים ביותר בהנדסת אווירופייס.הוא דורש עזיבה של פרדיגמות העיצוב ממוקדות כדור הארץ של העבר, אימוץ של מודולריות, הסתגלות ואינטליגנציה.מכאן העמוק של מפגעי אדמה הירח ועד לאדריכלות הרב-ממדית של חלליות גרעינית, כל פתרון חייב להיות מותאם בקפידה לפרופיל סביבתי ולקדם את החלל החדש של מערכות החלליות, ולשיפור החלל, אשר מאפשרות מעברים חדשים של מערכות החלליות, אשר יהיו מסוגלות, כמו גם את החלליות, כמו גם את החלל השונות, כלומר, כמו גם את החלל, כמו גם את החלל, כמו גם את החלל, כמו גם את החלליות, כמו גם את החלליות, אשר מאפשרות, אשר יכולות לשלוט על ידי מאדים, כמו גם את החלל החדש של מערכות החלל, כמו גם את החלל המסובבות, אשר יכולות לשלוט על ידי מערכות החלליות, אשר יכולות להיות, כמו גם את החומרים המשתנים, כמו גם את החלליות, כמו גם את החומרים השונים של מערכות החלליות, כדי לשלוט על ידי מערכות החלליות, אשר יכולות להיות, כמו גם את פני כדור הארץ, כמו גם את החלל, אשר יכולות להיות, אשר יכולות להיות, כמו גם את החלל המסוב

לקריאה נוספת על מושגים מתקדמים של הנעה, לחקור משאבים מארגונים כמו FLT:0 NASA Advanced Propulsion GroupFLT:1 ו-FLT:2AI Propulsion Technical CommitteementFLT 3: 3.