Superconducting Materials의 잠재력은 터보펌프 효율성을 개선하고 무게를 줄입니다.

소개: Turbopump Engineering의 Next Frontier

터보 펌프는 고성능 유체 시스템의 정박한 심장, 로켓 엔진에서 힘 생성하는 산업 터빈에 궤도로 급여를 돌격하는. 이 장치는 분 당 수천의 혁명의 10에서 회전해야 합니다 cryogenic propellants 또는 과열 가스를 취급하고, 효율성, 무게 및 신뢰성에 극단적인 수요를 두는 동안. 전통적인 디자인은 구리 감기, 강철 방위 및 무거운 회전 장치에 의존합니다, 모든 마찰 손실 및 전기 저항을 제한하는 전기 저항을 소개하는.

Superconducting 재료는 paradigm 이동을 제공합니다. 과도한 열 없이 강렬한 자기장을 생성함으로써, superconductors는 크게 무게를 끄는 동안 터보 펌프 효율성을 극적으로 개량할 수 있습니다. 이 문서는 터보 펌프 체계, 유지되는 기술설계 장애물을 위한 그들의 특정 이점, 그리고 다음 10 년 안에 이 물자로 주류 사용을 가져올 수 있던 획기적인 연구에 대한 과학을 탐구합니다.

Superconducting 재료 이해

Zero 저항의 물리

Superconductivity는 특정 재료가 중요한 온도 (Tc) 이하 냉각 될 때 발생합니다. 그 시점에서, 전자는 Cooper 쌍으로 켤 때 응축되지 않고 흐르는 양국으로 집광합니다. 결과는 정확히 0으로 떨어지는 전류 전기 저항입니다. 교체 전류 응용 프로그램에 대한 손실은 매우 낮지만 0이 아니라 기존의 지휘자보다 훨씬 더 큰 규모를 주문하는 것은 여전히 더 나은 수치를 주문하지 않습니다.

저 온도 대. 높은 온도 Superconductors

yttrium barium copper oxide (YBCO) 및 bimu-tin (Nb3Sn)와 같은 전통적인 초전도체는 30 K (약 −243 °C)의 온도에 냉각을 요구합니다. 이 자료는 MRI 자석 및 입자 가속기에서 수십 년 동안 잘 ‐ 했음의 서서히 사용되었습니다. yttrium barium copper oxide (YBCO)와 같은 고온 초전도체 (HTS)는 HTS (HTS)의 질소가 더 이상 작동하기 때문에, 196-95의 질소가 더 이상 196-95의 질소가 작동하도록 돕습니다.

철 기반 초연제] 과 수소성 화합물의 밑에 고압은 방 온도 superconductivity가 결국 달성 될 수 있음을 건의합니다, 이러한 자료는 엔지니어링 사용에 대 한 비할 수 없습니다.

Superconductors는 Turbopump Design를 변형시킬 수 있는 방법

터보 펌프용 Superconducting Electric Motors

기존의 터보펌프에서, 전기 모터는 임펠러를 구동한다. 고정자의 구리 권선은 저항성 손실로 인해 열을 생성, 대량 냉각 재킷과 한계 동력 밀도를 필요로. 슈퍼콘덕팅 코일과 이러한 권선을 해결하는 것은 모터가 저항성 난방없이 훨씬 더 높은 전류 밀도를 수행 할 수 있습니다. 예를 들어, 여러 메가 와트에서 평가 된 초연 모터는 절반 크기와 그 동등한 무게의 세 번째로 될 수 있습니다. 이 연료는 모든 항공 우주의 연료 소비에 영향을 줄 수 있습니다. 이 연료는 모든 연료의 소비에 영향을 줄 수 있습니다.

Superconducting 자기 베어링 (SMBs)

이 베어링은 마찰을 유발하고 무게와 복잡성을 추가하는 윤활 시스템을 필요로합니다. 자석 베어링은 Meissner 효과에 적용되며, 수퍼콘덕터의 자기장의 폭발은 물리적 접촉없이 회전자를 높일 수 있습니다. 이 베어링은 수동적 안정성, 사실상 0 마모를 제공하며 최소 에너지 손실이 있는 고속으로 작동 할 수 있습니다. 어플라이드 Superconductivity 수소는 rpm 또는 rpm의 액체를 처리하는 데 이상적인 환경입니다.

물자 보충을 통해 무게 저축

Superconducting 테이프와 철사는 일반적으로 구리 또는 알루미늄 보다는 매우 점화기 때문에 요구되는 교차 단면도 지역은 더 작습니다 — superconducting 철사는 구리 철사로 몇몇 시간 그것의 직경을 몇몇으로 동시에 나타날 수 있습니다. 더욱, 모터와 발전기에 있는 무거운 철 핵심의 제거는 질량을 감소시킵니다. 더 작은 냉각 장치 (HTS 물자에 의해 가능한 한 만들어)에서 저장된 무게와 결합될 때, 완전히 superconducting 터보 펌프는 [[FLT: 0] Glen[FLT:]: [FLT:]: [FLT:]: [FLT:]: [FLT:]: [FLT:]: [FLT:]

고성능을 위한 강화된 자석 분야

Superconductors는 영구 자석 또는 구리 전자석으로 달성 가능한 1–2 T보다 10 T 이상 자기 플럭스 밀도를 생성 할 수 있습니다. 강력한 필드는 높은 토크 밀도로 직접 변환하여 터보 펌프를 가속화하고 단일 단계에서 더 큰 압력 상승을 달성 할 수 있습니다. 이 성능 향상은 전체 설계 및 더 절단 무게 및 비용을 단순화하는 데 필요한 무대의 수를 줄일 수 있습니다.

현재 도전과 엔지니어링 솔루션

Cryogenic 냉각 요구

이 시스템은 기존의 냉각을 통해 냉각을 냉각하는 데 필요한 것입니다. 이 시스템은 액체 질소 온도에서 작동되는 HTS 재료는 터보 펌프 환경과 훨씬 더 호환됩니다. 특히 액체 수소 (20 K) 및 액체 산소 (90 K)와 같은 극성 유제품을 처리하는 로켓 엔진에서 특히 터보 펌프 환경과 호환됩니다. 이러한 시스템에서는 냉각제가 이미 존재합니다. 따라서, 모터는 반드시 열악한 모터를 추가하거나 제어하지 않아도됩니다. 따라서, 모터는 일반적으로 열악한 모터를 추가하지 않고, 모터를 분리하지 않고, 모터를 분리하지 않고, 모터를 분리하는 것이 필요합니다.

물자 Brittleness와 제조

많은 고온 초전도기는 와이어 또는 코일으로 형성하기 어렵고 어려운 세라믹 화합물입니다. Significant 진도는 버퍼 레이어와 얇은 초전도 필름을 사용하여 금속 기판을 사용하여 유연한 HTS 테이프를 생산하기 위해 만들어졌습니다. SuperOx 및 AMSC는 이제 허용 가능한 기계적 특성을 가진 코일로 상처를 입을 수있는 킬로미터 길이 테이프를 공급합니다. 연구에 대한 자세한 내용은 복합 재료 및 제조 기술에 대한 추가적인 요구 사항을 검토하십시오.

Existing Systems와 통합

기존의 터보펌프 아키텍처로 구성하는 개조된 초연 구성 요소는 열팽창, 전기 절연의 주의적 관리를 위한 열팽창 온도, 냉각장치 사건에 대한 보호 (초연성의 급격한 손실). 냉각 회로, 과다한 냉각 통로 및 강력한 진단은 안전한 작동을 보장하기 위해 필수적입니다. 몇몇 항공 우주 기관은 모듈 “슈퍼콘덕팅 터보펌프 탈monstrators”를 개발하여 현실적 조건에서 이러한 하위 시스템을 테스트합니다.

Real-World 응용 프로그램 및 연구

항공 우주 추진: 더 효율적인 로켓 엔진에 도달

NASA의 Advanced Cryogenic Evolved Stage (ACES) 개념과 Exploration Upper Stage 프로그램은 엔진 건조 질량을 줄이고 특정 임펄스를 증가시키는 수단으로 슈퍼콘덕션 터보펌프를 탐구했다. 2023에서 캠브리지 대학의 팀은 액체 ‐ LT:95 ‐ 의 엔진을 감소시키고, 그 기간 동안의 효율성을 높일 수 있는 프로토 타입 초연 모터를 설명했다.

에너지 분야: 발전을 위한 Superconducting 터보 펌프

Superconducting 터보 펌프는 또한 집중된 태양 에너지 (CSP) 식물 및 진보된 핵 반응기를 위해 promising, 높은 온도 액체가 능률적으로 순환되어야 합니다. molten salt 열전달을 가진 CSP 식물에서는, 자기 ‐ 방위 superconducting 단위를 가진 기계적인 펌프를 대체하는 것은 기생 손실을 감소시키고 전반적인 열 효율성을 개량할 수 있습니다. SunShot Initiative 학문은 10 MWC에서 기존하는 가동 비용에 비교된 10Mw에 대하여 매우 비용 절감할 수 있었습니다.

연구사업

ESA의 “SuperTurbo” 프로젝트: 유럽 우주국은 50 %의 체중 감소를 목표로 500 kW 터보 펌프 디모스트레이터를 위한 초연 모터 및 자기 베어링 개발하기 위해 컨소시엄을 자금을 지원한다.
MIT SpinLab: 리서버는 REBCO(라레-earth barium Copper oxide) 테이프를 사용하여 소형 HTS 모터를 테스트하여 15kW/kg의 전력 밀도를 달성할 수 있습니다. 기존의 항공 모터보다 더 많은 트리플.
일본의 JAXA:일본의 공간 에이전시는 액체 효소 터보프펌프 테스트 침대로 초연 코일을 통합하여 200시간 이상의 시효를 성공적으로 시연하여 200시간 이상 시효를 시연합니다.

미래 전망과 잠재적 영향

고기능 Superconductors의 진행

이 연구는 연구 공동체를 강화하고, 실제적인 배치가 10 년을 떨어져 남아 있기 때문에 고압의 실내 온도에서 superconductivity를 전시하는 수화 superconductors의 발견은, 계속합니다. 그 사이에, HTS 물자는 개량합니다: YBCO 테이프에 있는 긴요한 현재는 과거 10 년 이상 증가한 tenfold가 있고, 제조비는 절반에 의해 떨어졌습니다. 이 trajectory에, 완전히 superconducting 터보 펌프는 다음 10-15 년 안에 전통적인 디자인으로 비용 경쟁적일 수 있었습니다.

경제 및 환경 혜택

터보 펌프는 연료 소비 및 탄소 배출을 직접 감소시키고 에너지로 연료를 절감합니다. 대형 발사 차량의 경우 터보 펌프 질량의 30 % 감소는 궤도에 킬로그램 당 비용을 낮추는 몇 미터 톤에 의해 급여 적재 능력을 증가시킬 수 있습니다. 지상파 발전소에서는 더 높은 펌프 효율성은 열로 더 적은 에너지 낭비를 의미하며, 운영 비용을 낮추고 환경 영향을 줄 수 있습니다.