Криогенные решения для обработки и хранения топлива для высокопроизводительных ракетных двигателей

Критическая роль криогенного топлива в современной ракетостроении

Криогенные ракетные топлива - чаще всего жидкий водород (LH2) и жидкий кислород (LOX) - являются источником жизненной силы самых мощных ракетных двигателей сегодня. Их исключительная плотность энергии и высокий удельный импульс делают их незаменимыми для подъема тяжелых полезных нагрузок на орбиту, отправки космических аппаратов на Луну, Марс и за ее пределы. В отличие от хранимых гипергольных топлив, криогенные ракетные топлива требуют постоянного управления при температурах ниже -150 ° C (-238 ° F). Безопасное и эффективное обращение с этими экстремальными жидкостями является краеугольным камнем разработки ракет-носителей и успеха миссии.

По мере того, как освоение космоса подталкивает к повторному использованию, большим полезным нагрузкам и более длительным миссиям, требования к криогенным топливным системам продолжают усиливаться. Каждый килограмм топлива, сэкономленный за счет лучшей изоляции или уменьшенного откипела, напрямую приводит к увеличению полезной нагрузки. В то же время безопасность остается не обсуждаемой: одна утечка в системе жидкого водорода может создать взрывоопасную смесь в широком диапазоне концентраций. В этой статье рассматриваются основные проблемы, установленные решения и передовые инновации, которые определяют состояние техники в криогенной обработке топлива и хранении для высокопроизводительных ракетных двигателей.

Основные проблемы в управлении криогенными веществами

Поддержание криогенных топлива при требуемых температурах при предотвращении испарения, контроле давления и обеспечении безопасности требует сложного инженерного подхода. Следующие проблемы являются центральными для каждой криогенной топливной системы.

Экстремальные тепловые условия и выкипь

Криогенное топливо должно храниться значительно ниже точки кипения - жидкий водород кипит при -252,9 ° C (-423,2 ° F), жидкий кислород при -183 ° C (-297 ° F). Даже минимальная утечка тепла из окружающей среды вызывает испарение или откачку, что приводит к потере топлива и наращиванию давления в резервуаре. Для миссий с расширенными наземными удержаниями или в космических прибрежных фазах откачок может стать фактором, ограничивающим миссию. Управление этим притоком тепла является основным фактором проектирования изоляции резервуара и активных стратегий охлаждения.

Контроль давления и структурная целостность

По мере того, как криогенная жидкость кипит, эволюционировавший пар увеличивает давление в резервуаре. Без надлежащих систем вентиляции или удержания давления резервуар может разрываться или разрушаться. И наоборот, избыточное вентиляционное топливо. Системы управления активным давлением должны поддерживать резервуар в узком окне давления, часто используя комбинацию клапанов сброса, разрывных дисков и давления с инертными газами, такими как гелий.

Совместимость материалов и хрупкое разрушение

При криогенных температурах многие распространенные материалы становятся хрупкими и теряют прочность. Такие металлы, как алюминиево-литиевые сплавы, нержавеющая сталь и некоторые сорта титана, предпочитают за их сохраняемую пластичность и прочность при низких температурах. Для криогенного обслуживания также должны быть выбраны уплотнения, прокладки и композиты - неисправность здесь может привести к катастрофическим утечкам. Термическое сокращение материалов во время охлаждения (до нескольких процентов диаметра резервуара) должно быть размещено гибкими соединениями или раздвижными опорами.

Риски безопасности: утечки, воспламеняемость и удушье

Водород особенно опасен: он имеет самый широкий горючий диапазон в воздухе (4-75% по объему), самую маленькую молекулу (что делает его склонным к протеканию через микроскопические промежутки) и почти невидимое пламя, которое трудно обнаружить. Жидкий кислород, хотя и не горючий сам по себе, сильно поддерживает горение; любое загрязнение углеводородами (масло, смазка, очистительный остаток) в системе LOX может вызвать бурные реакции. Кроме того, оба криогена могут вызвать сильные обморожения при контакте и могут вытеснить кислород в ограниченных пространствах, что приводит к удушью.

Доказанные криогенные решения для хранения

Хранение больших объемов криогенного топлива в течение нескольких часов или дней на земле и в космосе требует интегрированных систем бака, изоляции и управления давлением, адаптированных к конкретному пропелленту и профилю миссии.

Вакуумно-изолированные танки

Вакуумная изоляция является золотым стандартом для минимизации проводящего и конвективного теплопередачи. Двухстенный резервуар с эвакуированным аннулусом может уменьшить утечку тепла до нескольких ватт на квадратный метр. Уровень вакуума должен поддерживаться в течение срока службы транспортного средства; гетерные материалы (например, активированный уголь или цеолиты) часто помещаются в аннулус для адсорбции остаточных газов. Для жидкого водорода вакуумная куртка в сочетании с многослойной изоляцией (MLI) может достигать скорости откипела ниже 1% в день.

Многослойная изоляция (MLI)

MLI состоит из чередующихся слоев высокоотражающих фольг (алюминизированных Mylar или Kapton) и низкопроводящих спейсеров (например, сетки Dacron). Высокая отражательная способность минимизирует радиационный перенос, в то время как спейсеры подавляют твердую проводимость. В космосе MLI настолько эффективен, что его иногда называют «суперизоляцией»; на земле, однако, остаточная газовая конвекция может ухудшить его производительность. Гибридные системы, которые очищают изоляцию с гелиевым газом во время наземных операций, а затем эвакуируются перед запуском, распространены в крупных ракетах-носителях.

Пено- и порошковая изоляция

Для менее требовательных применений или когда приоритетами являются стоимость и простота, может использоваться жесткая пена из полиуретана или перлитный порошок. Пена распыляется на внешней стороне резервуара и обеспечивает хорошую термостойкость для умеренных криогенов (LOX, LNG). Она тяжелее и менее эффективна, чем вакуум / MLI, но прочна и проста в изготовлении. Перлит, вулканический стеклянный порошок, используется в наземных сферах хранения, но менее распространен в летном оборудовании из-за его веса и твердых частиц.

Системы управления активным давлением

Все криогенные резервуары полагаются на клапаны и вентиляционные отверстия для поддержания давления в пределах конструкции. В дополнение к пассивным устройствам сброса современные системы используют активные вентиляционные отверстия и смеси или бруски распыления для расслоения топлива и предотвращения тепловых градиентов, которые могут вызывать пики давления. На земле перед загрузкой выполняется процесс «охлаждения», чтобы постепенно снижать температуру резервуара, сводя к минимуму тепловое напряжение и образование пара.

Для орбитального хранения, например, на верхних ступенях или в депо, системы с нулевым кипением (ZBO) сочетают активное охлаждение с изоляцией. Криокулер (реверс-брейтон или импульсно-трубочный холодильник) удаляет тепло из топлива, позволяя длительное хранение без потери массы. НАСА продемонстрировало ZBO для жидкого водорода в наземных испытаниях, и это ключевая технология для будущих миссий на Марс.

Технологии обработки и передачи

Перемещение криогенного топлива из резервуаров для хранения в ракету или между резервуарами в космосе требует специализированного оборудования, предназначенного для работы при криогенных температурах, сохраняя при этом чистоту и минимизируя потери.

Криогенные насосы

Насосы для LOX и LH2 должны обрабатывать чрезвычайно низкие температуры, низкую вязкость и, в случае водорода, очень низкую плотность (70 кг / м3 при −253 ° C). Типичны центробежные насосы с индукторными ступенями, использующие гидростатические или магнитные подшипники, чтобы избежать смазочных материалов, которые замерзают или реагируют с топливом. Индукторы помогают повысить давление на входе насоса для подавления кавитации - особая проблема с водородом, потому что его низкая плотность позволяет легко образовывать пузырьки. Электродвигатели часто погружены в топливо для охлаждения, или они термически изолированы через длинный вал.