दीर्घकालीन अंतरिक्ष मिशनों के लिए प्रोपेलेंट स्टोरेज टेक्नोलॉजीज में प्रगति

अंतरिक्ष मिशनों के लिए प्रोपेलेंट स्टोरेज में चुनौतियां

लंबे समय तक गिरावट अंतरिक्ष मिशन के लिए प्रोपेलेंटों को संग्रहीत करने में इंजीनियरिंग बाधा का एक जटिल सेट शामिल है। लीक और विस्फोटों को रोकने की स्पष्ट आवश्यकता से परे, अंतरिक्ष वातावरण और #8212; माइक्रोग्रेविटी, चरम थर्मल साइकिलिंग और उच्च विकिरण और #8212 द्वारा characterized; स्थलीय टैंकेज से परे अब तक नष्ट समाधान। सबसे आम क्रायोजेनिक प्रणोदक और #8212; तरल हाइड्रोजन (LH2), तरल ऑक्सीजन (LOX), और तरल मीथेन (LCH4) और #8212; कम उबलने वाले बिंदुओं को फेंकने के लिए प्रेरित हैं और इसके मिशन को पूरा करने में असमर्थ होने पर अंतरिक्ष यान कर सकते हैं।

Microgravity द्रव प्रबंधन

सूक्ष्मजीव में, तरल प्रणोदक एक टैंक के नीचे बसने में नहीं होते क्योंकि वे पृथ्वी पर होंगे। इसके बजाय, सतह तनाव हावी है, अप्रत्याशित तरल वितरण का निर्माण जो प्रणोदक के इंजनों को तोड़ सकता है या slosh प्रेरित अस्थिरता का कारण बन सकता है। इंजीनियर्स ने सकारात्मक-निष्क्रियता वाले मूत्राशय, डायाफ्राम टैंक और घूर्णन या केन्द्रापसारक सेटिंग सिस्टम विकसित किए हैं ताकि एक स्थिर तरल वाष्प इंटरफ़ेस बनाए रखा जा सके। हाल के शोध में इंजन जल के दौरान बूंदों के गठन और वाष्प ingestion को नियंत्रित करने के लिए अल्ट्रासोनिक या इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों का उपयोग करने पर केंद्रित है।

थर्मल प्रबंधन और उबाल बंद

निष्क्रिय बहु परत इन्सुलेशन (MLI) के साथ भी, सौर विकिरण और अंतरिक्ष यान इलेक्ट्रॉनिक्स से गर्मी लीक होने से ही क्रायोजेनिकोजेन्स को वाष्पित करने का कारण बनता है। एक ठेठ LH2 टैंक कम पृथ्वी कक्षा में उबाल-बंद होने के कारण प्रति दिन अपने द्रव्यमान का 1-3% खो देता है। यांत्रिक क्रायोकुलर या थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों द्वारा संचालित सक्रिय शीतलन प्रणाली प्रोपेलेंट तक पहुंचने से पहले गर्मी को रोक सकती है। शून्य-बोइल-ऑफ (ZBO) सिस्टम, जो एक बंद लूप प्रशीतन चक्र के साथ इन्सुलेशन को जोड़ती है, जमीन परीक्षणों में प्रदर्शित किया गया है और अब उड़ान के लिए स्केल किया जा रहा है। वाष्प-कूल्ड शील्ड का उपयोग, जहां वेंटेड गैस को आगे बढ़ने के लिए टैंक के नुकसान के आसपास रूट किया जाता है।

विकिरण क्षति और प्रणोदक गिरावट

ब्रह्मांडीय किरणों और सौर ऊर्जावान कण स्टोरेबल हाइपरग्लोलिक प्रोपेलेंट्स (जैसे, हाइड्राज़िन, MON) में जटिल हाइड्रोकार्बन को तोड़ सकते हैं और क्रायोजेनिक तरल पदार्थ में रेडियोलाइटिक अपघटन को प्रेरित कर सकते हैं। जबकि LH2 और LOX पर प्रभाव कम से कम, स्टोरेबल प्रोपेलेंट्स है जो थ्रस्टर्स और लैंडर्स के लिए इस्तेमाल किया जाता है, गैस जनरेशन और चिपचिपाहट में बदलाव से पीड़ित हो सकता है। उन्नत ढाल मिश्रित और #8212; जैसे हाइड्रोजन समृद्ध पॉलिमर या धातु हाइड्राइड्स और #8212; केवल चालक दल की रक्षा नहीं बल्कि परिरक्षित टैंक भी है। ऑप्टिकल सेंसर के माध्यम से इन-सिटू निगरानी इंजन के प्रदर्शन से समझौता करने से पहले पता लगा सकते हैं।

अभिनव भंडारण प्रौद्योगिकी

सामग्री विज्ञान, थर्मल इंजीनियरिंग और द्रव गतिशीलता के पार हाल के अग्रिमों में प्रणोदक भंडारण समाधान को सक्षम किया जा सकता है जिसे एक दशक पहले अव्यवहारिक माना जाता था। ये तकनीक सीधे चंद्रमा, मंगल और गहरे स्थान के गंतव्यों के मिशन का समर्थन करती हैं।

क्रायोजेनिक द्रव प्रबंधन (CFM) सिस्टम

NASA का क्रायोजेनिक द्रव प्रबंधन[ कार्यक्रम अग्रणी एकीकृत प्रणाली है जो माइक्रोग्रेविटी में इन्सुलेशन, सक्रिय शीतलन, दबाव नियंत्रण और प्रणोदक हस्तांतरण को जोड़ती है। एक प्रमुख सफलता एक थर्मोडायनामिक वेंट सिस्टम (टीवीएस) का विकास है जो कि पानी के बिना टैंक दबाव को नियंत्रित करने के लिए गैसीय प्रणोदक की छोटी मात्रा को छोड़ देता है। टीवीएस अवधारणा को आगामी आर्टेमिस मिशन पर परीक्षण किया जा रहा है, जहां मानव लैंडिंग सिस्टम (एचएलएस) को चंद्र सतह पर सप्ताह के लिए क्रायोजनों को स्टोर करना चाहिए, दिन / रात के तापमान के झूले के बावजूद।

शून्य-Boil-off क्रायोजेनिक टैंक

शून्य-boil-off (ZBO) प्रौद्योगिकी एक cryocooler का उपयोग करता है जो गर्मी रिसाव के बराबर या उससे अधिक की दर पर प्रणोदक से गर्मी निकालने के लिए करता है, तरल को स्थिर तापमान और दबाव में रखता है। परिणाम: कोई प्रणोदक अंतरिक्ष के लिए वेंट नहीं है। सबसे बड़ा ZBO सिस्टम आज तक परीक्षण किया गया है ]MegaFlex Cryo अवधारणा, जिसने 20 किलोवाट वर्ग शीतलन को प्रणोदक डिपो के लिए प्रदर्शित किया। जब उन्नत MLI और वाष्प-cooled ढाल के साथ मिलकर, ZBO LEO में क्रायोजेनिकों के अनिश्चित भंडारण की अनुमति देता है, जिससे प्रोफ़्ल या डेल्फेट को निष्क्रिय किया जा सकता है।

उन्नत समग्र टैंक

समग्र टैंक ओवररैप्ड दबाव वाहिकाओं (COPVs) लंबे समय से उच्च दबाव गैस भंडारण (जैसे टैंक दबाव के लिए हीलियम) के लिए इस्तेमाल किया गया है। अब, सभी-समग्र क्रायोजेनिक टैंक तरल propellants के लिए योग्य हो रहे हैं। स्पेसएक्स की स्टारशिप एक स्टेनलेस स्टील संरचना का उपयोग करती है, लेकिन कई अध्ययनों से पता चलता है कि कार्बन फाइबर प्रबलित बहुलक (CFRP) टैंक एल्यूमीनियम-लिथियम मिश्र धातु की तुलना में 30-40% तक द्रव्यमान कम हो जाएगा। एयरबस क्रायोटांक थर्मल साइकिलिंग से सूक्ष्म-क्रैकिंग को रोकने के लिए थर्मोप्लास्टिक से बने लाइनर का उपयोग करता है, जबकि NASA'FDA'T

चुंबकीय और इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रोपेलेंट प्रबंधन

माइक्रोग्रेविटी में, चुंबकीय उत्तोलन यांत्रिक संपर्क के बिना प्रणोदक स्थिति हो सकता है। तरल ऑक्सीजन पैरामैग्नेटिक है, इसलिए मजबूत अतिचालक चुंबक LOX बूंदों या बुलबुले को फँसा सकते हैं और नियंत्रित कर सकते हैं। विद्युत रूप से इन्सुलेट तरल पदार्थ (LH2, LCH4) के लिए, इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र ध्रुवीकरण को प्रेरित कर सकते हैं और डाईलेट्रोफोरेटिक बलों का निर्माण कर सकते हैं। ये तकनीकें स्लैश को कम करने, इंजन के सेवन को सरल बनाने का वादा करती हैं, और बिना किसी स्टैंडिंग के टैंकों के बीच तेजी से प्रणु स्थानांतरण को सक्षम करती हैं।

प्रोपेलेंट डिपो और इन-ऑर्बिस रिफ्यूलिंग

पृथ्वी से सभी प्रणोदक को लॉन्च करने के बजाय, कक्षीय डिपो कक्षा तक पहुंचने के बाद अंतरिक्ष यान को फिर से ईंधन दे सकते हैं, नाटकीय रूप से लॉन्च द्रव्यमान को कम कर सकते हैं और उच्च-Δv मिशन को सक्षम कर सकते हैं। अवधारणा एक डिपो में महीनों के लिए क्रायोजेनिक्स को स्टोर करने की क्षमता पर निर्भर करती है, फिर उन्हें एक प्राप्त वाहन में कुशलतापूर्वक स्थानांतरित कर सकते हैं।

प्रदर्शन मिशन

नासा का Rapid (प्रोपेलेंट इन-ऑर्बिस डेमोंस्ट्रेशन के लिए ईंधन भरने वाली वास्तुकला) कार्यक्रम माइक्रोग्रेविटी में क्रायोजेनिक प्रोपेलेंट्स के हस्तांतरण को प्रदर्शित करने के लिए एक छोटा उपग्रह विकसित कर रहा है। SpaceX Starship आर्किटेक्चर कक्षीय ईंधन भरने पर निर्भर करता है: एक टैंकर संस्करण 100 टन तक तरल ऑक्सीजन और मीथेन को मार्स के लिए सिर से पहले स्टारशिप में स्थानांतरित कर देगा। इस को प्राप्त करने के लिए न केवल भंडारण बल्कि न्यूनतम नुकसान और प्रदूषण के साथ तरल हस्तांतरण को हल करना होगा।

स्थानांतरण के दौरान हीट मैनेजमेंट

अंतरिक्ष में टैंकों के बीच क्रायोजेनिक तरल पदार्थ को स्थानांतरित करने से दो चरण प्रवाह और थर्मल स्तरीकरण का परिचय मिलता है। हाल के शोध में पंपलेस दबाव-फेड सिस्टम और सक्रिय चिलर-डाउन का संयोजन होता है ताकि फ्लैश वाष्पीकरण को रोका जा सके। स्प्रे बार और इंजेक्टर थर्मल शॉक से बचने के लिए आने वाले तरल पदार्थ की स्थिति को नियंत्रित करते हैं। NASA ग्लेन रिसर्च सेंटर ने प्रदर्शित किया है कि एक विशेष आकार के नोजल के साथ एक सावधानी से डिजाइन किए गए हस्तांतरण लाइन कुल मात्रा के 2% के तहत हस्तांतरण के दौरान उबाल-बंद को कम कर सकती है।

चंद्रमा और मंगल पर इन-सिटू प्रॉपेलेंट स्टोरेज

लंबे समय तक मिशन स्थानीय संसाधनों (ISRU) से प्रणोदक निकाल देगा। चंद्रमा पर, ध्रुवों पर पानी जमा को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में इलेक्ट्रोलाइज़ किया जा सकता है; मंगल पर, वातावरण कार्बन डाइऑक्साइड प्रदान करता है जिसे मीथेन और ऑक्सीजन में परिवर्तित किया जा सकता है। सतह पर इन प्रणोदक को धूल, तापमान चरम सीमाओं और कम गुरुत्वाकर्षण के कारण अद्वितीय चुनौतियों का सामना करना पड़ता है।

चंद्र प्रोपेलेंट भंडारण

चंद्र सतह का अनुभव 14 पृथ्वी-दिन की लंबी रात की अवधि तापमान के साथ -180 °C तक कम है। निष्क्रिय थर्मल नियंत्रण मुश्किल है, इसलिए सक्रिय क्रायोकुलर को लोक्स और LH2 को उबलते से रखने की आवश्यकता होगी। एक अभिनव अवधारणा एक थर्मल द्रव्यमान के रूप में regolith का उपयोग करती है: कई मीटर के चंद्र मिट्टी के तहत टैंक को दफनाने और आवर्धन के आदेशों द्वारा आवश्यक शीतलन शक्ति को कम करने के लिए। Artemis III ]] से प्रयोग लैंडर एक छोटे पैमाने पर दफन क्रायोजेनिक टैंक का परीक्षण करेगा।

Mars Propellant Storage

समुद्री वातावरण (95% CO2) को ऑक्सीजन और कार्बन मोनोऑक्साइड का उत्पादन करने के लिए ठोस ऑक्साइड इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग करके संसाधित किया जा सकता है। हालांकि, मंगल परिवेश दबाव (लगभग 6 mbar) में परिणामी तरल ऑक्सीजन और मीथेन को भंडारण करने के लिए टैंक की आवश्यकता होती है जो बड़े दबाव अंतर को कम करते हुए द्रव्यमान को कम कर सकते हैं। आंतरिक वेब्स और समग्र ओवरवॉप्स के साथ पतला-दीवार वाले एल्यूमीनियम टैंकों का अध्ययन किया जा रहा है। एक अन्य दृष्टिकोण: प्रणोदक को मध्यम दबाव में घने सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ के रूप में स्टोर करें, टैंक की मात्रा और इन्सुलेशन आवश्यकताओं को कम करें।

भविष्य की दिशा और अनुसंधान प्राथमिकताएं

चूंकि अंतरिक्ष एजेंसियों और निजी कंपनियों ने पृथ्वी कक्षा से परे निरंतर संचालन की ओर धकेल दिया, इसलिए प्रणोदक भंडारण प्रौद्योगिकी विकसित होने के लिए जारी रहेगी। अगले दशक के लिए प्रमुख क्षेत्रों में शामिल हैं:

• ]उच्च तापमान सुपरकंडक्टिविंग क्रायोकुलर जो 77 K या उससे अधिक पर काम करते हैं, ZBO सिस्टम के लिए आवश्यक शक्ति को कम करते हैं।
• ]]स्वयं हीलिंग कम्पोजिट टैंक एम्बेडेड माइक्रोकैप्सूल के साथ जो थर्मल साइकिलिंग के कारण सूक्ष्म दरारों की मरम्मत करते हैं।
• ]ऑटोनॉमस द्रव प्रबंधन AI जो प्रणोदक slosh की भविष्यवाणी करता है और सेंसर सरणी का उपयोग करके वास्तविक समय में टैंक दबाव को समायोजित करता है।
• लेजर आधारित लीक डिटेक्शन जो टैंक की दीवारों या वेल्डों में मीटर की दूरी पर पिनहोल लीक की पहचान कर सकता है।
• ]Multifunctional संरचनाओं जो बड़े पैमाने पर बचाने के लिए रेडिएटर पैनल और थर्मल ढाल के साथ टैंक की दीवारों को जोड़ती है।

ये नवाचार न केवल चंद्रमा और मंगल के लिए चालक दलित मिशनों के लिए बल्कि बाहरी सौर प्रणाली के रोबोटिक अन्वेषण के लिए भी महत्वपूर्ण होंगे, जहां प्रणोदक भंडारण अवधि महीनों के बजाय वर्षों तक फैल जाएगी।

निष्कर्ष

यहां उल्लिखित प्रणोदनशील भंडारण प्रौद्योगिकियों में प्रगति एक इंजीनियरिंग वास्तविकता में दीर्घकालिक अंतरिक्ष मिशन की दृष्टि को बदल रही है। शून्य-boil-off क्रायोजेनिक टैंक से समग्र दबाव वाहिकाओं और चुंबकीय द्रव प्रबंधन तक, प्रत्येक सफलता एक विशिष्ट विफलता मोड को संबोधित करती है जिसमें ऐतिहासिक रूप से सीमित मिशन अवधि है। इन तकनीकों को अंतरिक्ष यान को मंगल ग्रह की यात्रा के लिए आवश्यक प्रणोदक को ले जाने में सक्षम बनाया जाएगा, स्थायी चंद्र डिपो स्थापित करने और अंततः बाहरी ग्रह में उद्यम किया जाएगा। आर्टेमिस कार्यक्रम, स्टारशिप और अन्य प्लेटफार्मों पर उड़ान परीक्षणों के अगले दशक में मानवता के लिए अंतरिक्ष ले जाने के लिए वास्तविक जगह में इन प्रणालियों को मान्य किया जाएगा।