מנועי רקטות פועלים תחת כמה מהתנאים התרמיים הקיצוניים ביותר בהנדסה, עם טמפרטורות של יותר מ-3,000 ו-#176; C ו-חום פלוקסs שיכולים להמיס חומרים קונבנציונליים בתוך שניות, ניהול תרמי יעיל אינו רק בעיה של ביצועים - זוהי דרישה בטיחותית קריטית. גישה מבטיחה אחת שזכתה לתשומת לב משמעותית בשנים האחרונות היא השימוש בחומרי FLT:0phase שינוי (MPC) LT עבור מחזור חום וטמפרטורה תרמית להפחתה מאוחרת, תוך כדי צמצום של חומרים, לחץ כבד של מחזורי לחץ פיזי, וטמפרטורה גבוהה.

הבנת חומרים שינוי שלב

חומרי שינוי שלב הם חומרים לאחסן או לשחרר אנרגיה תרמית בטמפרטורה כמעט קבועה במהלך שינוי המדינה - באופן חד משמעי מ מוצק לנוזל (לחיצת) או נוזל מוצק (הפסקה) נכס זה נשלט על ידי שלהם FLT:0 חום עקבי של היתוך FLT:1 (בניגוד אחסון חום הגיוני) או נוזל (אשר מעלה את הטמפרטורה של חומר), אחסון חום מאוחר מאפשר PCM לספוג כמויות גדולות של חום יעיל עד כדי שינוי משמעותי של חום זה הוא יכול להיות מושלם.

איך PCMs עובד ב Principle

שקול מוצק טיפוסי ו-#8211; PCM. כאשר הטמפרטורה המקיפה עולה מעל החומר & #8217; נקודת ההיתוך, PCM מתחיל להתמוסס, סופג חום מהסביבה שלו. במהלך תהליך זה, הטמפרטורה של PCM נשאר קרוב לנקודה ההמיסה שלה, ביעילות לכווץ את הטמפרטורה של המבנה הסמוך.

סוגים נפוצים של PCMs

בחירת מחשב PCM מתאים תלויה בטווח הטמפרטורה התפעולי, קיבולת תרמית נדרשת, ומגבלות סביבתיות.ביישומים אווירוקל, כמה קטגוריות רחבות רלוונטיות:

  • (FLT:0) אורגני PCMsFLT:1 - כגון שעווה פרפין וחומצות שומן.יש להם נקודות יחסית נמוכות להמיסה (בדרך כלל 30 & #8211;70 & #176;C), חום מאוחר יותר (150 & #8211; 250 J/g), ויציבות כימית טובה שלהם הם התנהגות תרמית נמוכה (ו-#82 / 11) ו- WAMD.
  • (FLT:0) מלח hydrate אורגני (אנ') , כמו נתרן sulfate decahydrate (Glauber & #8217; מלח) או סידן כלור היידי.אלה מציעים מוליכות תרמית גבוהה יותר חום מאוחר יותר (250 & #8211;400 J/g) אבל יכול לסבול מ supercooling ובשלב לאחר מחזורים חוזרים.
  • (FLT:0) Metallic PCMsFLT:1hil - כולל סגסוגת דלת-מזמינה (למשל, Wood ’s מתכת, שדה & #8217; מתכת) ומתכות טהורות כמו גליום או סגסוגת.הם בעלי מוליכות תרמית גבוהה מאוד חום מסובך גבוה, מה שהופך אותם מתאימים ליישומים חום גבוה מאוד.
  • (FLT:0) אינטגרטורים גלקטיים 1FLT) - שילובים של שני תרכובות או יותר כי נמסים בטמפרטורה אחת, חדה.הם יכולים להיות מותאמים לספק נקודות נמס ספציפיות ונכסים תרמיים תוך הקטנת חלק מהמגירות של חומרים בודדים.

עבור מנועי טילים, הדרישה לנקודת ההיתוך גבוהה יותר מאשר PCMs מסחריים טיפוסיים יכולים לספק, לכן, (FLT:0) metallic ו- PCMssscioFLT:1 עם נקודות התכה בין 200 ל- #176;C ו-800 & #176;C הם בעלי עניין מסוים.

אתגרים חמים ב- Rocket Engine Components

מנועי רקטות מייצרים חום באמצעות הבעירה החיצונית של הדחפורים.הגזים החמים, המכילים מוצרי בעירה בטמפרטורות של 2,500 ו-#8211;3,600 & #176;C, תוך ייבוש קירות תא הבעירה, הגרון, ואת משטחים נוזלים. אפילו עם קירור רגנרטיבי (דלק זורם דרך ערוצים בקירות), ה-FLT:0התחממות בשפעתם של 40 גרם חום תרמי ו-F17, או יותר מכווץ, עלולים, או יותר מכווץ, או יותר מכווץ, או יותר מכווץ, או יותר מכווץ, או יותר מכווץ, במהלך קירור יבש.

המרכיבים העיקריים הסובלים מלחץ תרמי כוללים:

  • (ב) ,0)ב"ת (ב"ג)"ב (ב) - חשיפה ישירה לגזי הבעירה חמה; חייב לעמוד בטמפרטורה ובלחץ.
  • (ב) ,0) אזור ההרדמה (Throat ZoneFLT:1) – האזור הקריטי ביותר מבחינה תרמית בשל שפעת החום הגבוהה ביותר ושטח הצלב הקטן ביותר.
  • (ב) ,0) ,Nazle הרחבה של ההרחבה (Nunle הרחב) 1 - חוויות חימום קורנטיבי מן הצנרת והחום המוליכים מהגרון.
  • (ב) ,0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ניהול תרמי אמנה מסתמכ על קירור פעיל (regenerative או סרט קירור) וחומרים blative.עם זאת, קירור פעיל מוסיף מורכבות, משאבה עבודה ומשקל; קוים שלילי מדרג לאורך זמן.FLT:0 חומרי שינוי שלבאז מציעים חלופה פסיבית וקלה חלופית FLT:1 שיכולה לספוג ספוי חום טרנסיטיבי ולשמור על רכיבים בתוך גבולות תפעוליים בטוחים.

מערכת מחשבים ב- Rocket Engine Systems

שילוב מחשבי PCM למנוע טילים דורש אריזה זהירה כדי להבטיח החלפת חום יעילה וכיליון של שלב הערפילי. הוצעו כמה גישות נבדקו:

PCM-Enhanced Cooling ערוצים

אחד מושג שילוב משותף כולל הוספת עודף חום במהלך העומס התרמי (למשל, ב- throttle up) ושחרורו במהלך תקופות העומס הנמוכות.PCM פועל כ- capacitor תרמי, סופג חום עודף במהלך גובה העומס התרמי (למשל, ב- throttle up) ושחרורו במהלך תקופות העומס הנמוכות יותר.זה יכול להפחית את קצב זרימת הדם הקריר הדרוש ולשפר את יעילות המערכת.

שכבות הגנה תרמית ב Nozzles ו Combustion Chambers

(מחשבים יכולים להיות מוטבעים בציפוי מחסום תרמי מורכבים.לדוגמה, ממטריקס קרמיקה ⁇ יכול להיות מחלחל עם מתכת נקודה גבוהה או מלח. כאשר טמפרטורת פני השטח עולה על נקודת ההיתוך PCM, PCM מתמוסס ו סופג חום, מניעת המבנה הבסיסי מלהגיע לטמפרטורה שלה.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « ⁇ חום Sinks עבור Injector ו Valve Assemblies

לוחות אינזרקות ושסתוםי דחף לעתים קרובות חווים חימום יתר מקומי מחזר גז חם או חוסר יציבות של הבעירה.

שלב שינוי Composites עם מוליכות גבוהה

כדי להתגבר על מוליכות תרמית ירודה של רבים PCMs אורגני, החוקרים פיתחו (FLT:0composite PCMsFLT:1 המשלב קצף מתכתי, מזחלות גרפיטי, או סיבי פחמן. מבנים אלה לשפר את העברת החום לתוך ומחוץ למחשבי PCM, תוך כדי לאפשר את השינוי בשלב להתרחש.

יתרונות של PCMs עבור Rocket Engine Thermal Regulation

שימוש בחומרי שינוי שלב במקום או בשילוב עם שיטות קירור קונבנציונליות מציע מספר יתרונות נפרדים:

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) Temperature capringpingFLT:1 - רמת השינוי בשלב מונעת טמפרטורות רכיב ממעל לנקודה בה נמסת המחשב עד שכל החומר נמס, רכישת זמן קריטי במהלך אירועים טרנספורמטיביים.
  • (FLT:0WeightductionFLT:1) - על ידי צמצום הצורך בלולאות קרירות כבדות או קוים blative, מסה מנוע הכולל ניתן להוריד.מחקרים מציעים 20– 40% ירידה במערכת ניהול תרמי מערכת ניהול מסה הוא זמין עם שילוב PCM מותאם אישית.
  • (FLT:0)Enhanced תרמי רכיבה על אופניים סיבולת 1 (FLT:1) על ידי תנודות טמפרטורה חלקה, PCMs להפחית עייפות תרמית להאריך את החיים של רכיבים מנועים הניתנים לחזרה.
  • (FLT:0)ScalabilityFLT:1 - מודולי PCM יכולים להיות בגודלם ומופץ על פי עומסי חום מקומיים, המאפשר למהנדסים לכוון בדיוק את האזורים הדרושים להגנה.
  • (FLT:0)Multifunctionalalof 1:1 - כמה PCMs (למשל, ⁇ מתכתית) יכול לשמש גם אלמנטים מבניים אם הם כראוי מטביעים משקל, עוד חיסכון.

אתגרים ומגבלות של PCM

למרות היתרונות התיאורטיים ברורים, פריסת מחשבים בסביבה הקיצונית של מנוע טילים מציגה מכשולים טכניים משמעותיים:

יציבות חומרית בטמפרטורות גבוהות

רבים אורגניים ומלחים מבוססי PCMs Decom נניח, חמצון, או להגיב עם חומרי המכילה בטמפרטורות מעל 300 & #176; C. עבור משטרים עתירי זמן גבוהה (500 & #176;C –1,000 & #176; C), רק קומץ של מחשבי מתכת מתכת (למשל, סגסוגת אלומיניום-ilicons, נחושת-tins, ⁇ s, או סגסוגת אלומיניום) עדיין יכול להכיל קרמיקה, 000 או מתכת אחורית, 000) יכול להיות מכילות, 000, 000, 000, 000, 000, 000 או קירור על בסיס ניקל, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 או ליקר, 000) נשאר צורך מתכת צמחייה, 000 או ליקר, 000 או ליקר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 פלדה, 000 או ליקרסולקים צמחייה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000) נשאר צורך מתכת צמחי מרפאהליקוריד, 000, 000, 000, 000, 000) נשאר צורך מתכת אחורי

התרחבות בנפח במהלך מלטינג

רוב PCMs להרחיב על ידי 5 & #8211; 15% כאשר הם מתמיסים. זה שינוי נפח יכול לייצר לחץ פנימי הלחץ על קירות החיסרון. אם לא כראוי, כמוסות עלולים קרע, גרימת דליפת חומר מלוטש. מהנדסים חייבים לעצב מהירויות או להשתמש בחומרי לכידת גמישים, לסבך אינטגרציה.

התנהגות נמוכה

Paraffin ומלח לחות יש מוליכות תרמיות מתחת 1 W / mK, אשר מגביל את השיעור שבו חום ניתן נספג או שוחרר.ביישומים עתירי חום גבוה, PCM ליד מקור החום יכול להמיס במהירות, בעוד שהרוב נשאר מוצק, צמצום יכולת יעילה.

« זמן רב

חומר הcapsulation חייב לעמוד לא רק בטמפרטורות גבוהות ורכיבי אופניים תרמיים, אלא גם בתנודות לחץ, אם הקליפה corrodes או סדקים, PCM יכול לברוח ולהשמיד את מערכת המנוע.

שילוב עם Active Cooling Systems

במנועי טילים רבים, קירור רגנרטיבי חיוני לא רק עבור ניהול תרמי, אלא גם עבור חימום דחף לפני ההזרקה.הוספת PCMs עלולה להפריע איזון זה של החלפת חום.מודלים תרמיים זהיר נדרש כדי להבטיח כי PCM אינו משבש את פרופיל העברת החום המיועד וכי ניתן לטעון ביעילות מחדש (מסולם) בין כוויות.

מחקר וחדשנות נוכחיים

גוף גדל והולך של מחקר מטפל באתגרים אלה, מונע על ידי סוכנויות חלל וחברות פרטיות. כמה כיוונים בולטים כוללים:

  • (FLT:0)Nano-enhanced PCMssssherph1) - הוספת חלקיקים ( nanotubes פחמן, גרפן, תחמוצות מתכת) למחשב בסיסי M יכול להגדיל את מוליכות תרמית עד 10 & #215; ללא השפעה משמעותית על חום מאוחר.
  • (FLT:0) מחשבים אישיים של מיטלאליים עם מוליכות תרמית גבוהה 1:1 - ⁇ המבוססים על אלומיניום, נחושת, או אבץ נלמדים לשימוש הרחבות nozzle. A 2022 מחקר על ידי סוכנות החלל האירופית (ESA) הראו כי ניקל & #8211; מחשב אלקטרוניטקטי יכול לטפל בשטף חום של 30MW / m17; עבור צריבה קצר.
  • (FLT:0) ייצור מתורבת של מחשבי PCM מיכלsveFLT:1) - הדפסה תלת-ממדית מאפשרת ייצור של גיאוגרפיות פנימיות מורכבות הממקסמות את שטח פני השטח של העברת החום תוך צמצום משקל. Inconel ו titanium מבנים עם מחסנים פנימיים של LITT נמצאים בשימוש כדי בית מ"מ מלח מ"מ לבדיקות מנועים.
  • (FLT:0) מערכות משולבות מחשבים עם צינורות חום 1 - צינור חום מונע capillary יכול להעביר חום ממקום חם למאגר PCM מרוחק, המאפשר PCM להיות ממוקם במיקום קריר יותר, נגיש יותר.
  • (FLT:0) ,healing PCM מורכבspherph 1:1 - חוקרים לחקור microcapsulesules אשר לשחרר סוכני ריפוי כאשר פצח, שמירה על שלמות הצטברות על מחזורים תרמיים מרובים.טכניקה זו עדיין ניסיונית אבל יכול מאוד לשפר את האמינות.

סקירה מצוינת של יישומי PCM בתעופה ניתן למצוא ב-FLT:0 NASA ’ memorandum הטכני של חומרים לשינוי בשלב עבור הגנה תרמית FLT:1 בנוסף, סקירה מקיפה של PCMs עבור יישומים עתירי עתיר גבוהה זמין ב-FLT:2 The Journal of Energy Storage (2023).

אפשרויות לעתיד עבור PCMs ב Rocket Engines

במבט קדימה, התפקיד של PCMs בניהול תרמי של מנוע טילים צפוי להתרחב.עם הופעת כלי רכב שיגור בר קיימא לחלוטין ובדיקות חלל עמוק הדורשות משך משימה מורחב, שליטה תרמית הופכת אטרקטיבית יותר ויותר.

  • (FLT:0)In-spacebuildingFLT:1 - היכולת להטיל או 3D מודפס מודולים PCM במיקרו-גרביטי יכול לאפשר ייצור של מגינים תרמיים מותאם אישית עבור חלליות לטווח ארוך, באמצעות חומרים שמקורם הירח או אסטרואידים.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם תוספת ניהול תרמי של ניהול תרמיל 1 ; PCMs ישמש לצד מתגי חום משתנים, גוון תרמי, צינורות חום לגרות כדי ליצור מערכות בקרה תרמיות הסתגלות מלאה.זה רלוונטי במיוחד עבור רקטות תרמיות גרעיניות, שבו יש לנהל חום גבוה מתמשך.
  • (FLT:0) Smart PCMs עם גורם פעיל של ההרחבה 1 (FLT: 1) חומרים עתידיים עשויים לשלב אקטוטורים משובצים או שדות אלקטרומגנטיים לשלוט בטמפרטורת המעבר של שלב, ביעילות יצירת הרגולטור התרמי המתגבש.זה יכול לאפשר למבקרי מנוע להתאים התנהגות תרמית בזמן אמת.
  • (FLT:0) תאומים ולמידה של מכונות למידה 1FLT:1 - סימולציות מפורטות של התנהגות PCM בתנאי טילים טרנסיאליים יאפשרו למהנדסים לייעל את המיקום, נפח, ואת ההרכב החומרי ללא ירי מבחן יקר כבר, כמה קבוצות ב ESA ונאס"א משתמשים ברשתות עצביות כדי לחזות תגובה PCM במהלך שינויים בילוטלי.

בעוד שמכשולים הנדסיים משמעותיים נשארים, היתרונות הפוטנציאליים של PCMs - סריקות, אמינות, ירידה במשקל וביצועי רכיבה תרמיים משופרים - הם משכנעים מדי להתעלם.כפי שמדע החומרים מתקדם וטכניקות ייצור בוגר, חומרי שינוי שלב הם להיות מרכיב סטנדרטי ערכת הכלים של רגולציה תרמית של מנועי טילים הדור הבא.

מסקנה

חומרי שינוי שלב מציעים פתרון חזק ואלגנטי לאתגרי ניהול תרמיים קיצוניים שמציבים פעולת מנוע טילים.על ידי קליטת ושחרור כמויות גדולות של חום מאוחר בטמפרטורה כמעט קבועה, PCMs יכול להגן על רכיבים קריטיים מהתחממות יתר, להפחית עייפות תרמית, ולפשט עיצובי מערכת קירור.למרות שנושאים כגון מוליכות חום תרמי נמוך, יציבות גבוהה, ושגשוג רבת ארוך בשפע, מחקר מתמשך לתוך שיטות קירור מתקדמות, ואפקטים מתקדמים של פעילות גופנית, לא משפרת תאים.