Достижения в использовании сверхпроводящих материалов в компонентах ракетных двигателей

Для ракетных двигателей сверхпроводники типа II гораздо более актуальны, поскольку они могут нести большие токи и генерировать сильные магнитные поля без резистивных потерь, что позволяет использовать компактные и легкие электромагнитные системы.

Исторический контекст в аэрокосмической сфере

Сверхпроводимость изучалась для ракетных двигателей с 1960-х годов. Ранние работы были сосредоточены на использовании сверхпроводящих магнитов для магнитного экранирования в космосе и для генерации энергии магнитогидродинамики (MHD). Однако потребность в громоздких криостатах жидкого гелия ограничивалась принятием. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости в 1986 году Беднорзом и Мюллером (работа с оксидом меди лантана бария, Tc ≈ 35 K) и последующее открытие YBCO (Tc ≈ 92 K) в 1987 году позволило охладиться с относительно недорогим жидким азотом (77 K). Это значительно снизило барьер для аэрокосмической интеграции. Совсем недавно сероводород при экстремальном давлении показал сверхпроводимость до 203 K, а декагидрид лантана (LaH₁₀ достиг 250 K, хотя и при давлении в миллион атмосфер. Понимание этих разработок имеет решающее значение для оценки текущих применений ракетных двигателей.

Последние достижения в области сверхпроводящих технологий

Over the past decade, several breakthroughs have brought superconducting materials closer to practical use in rocket engines:

Высокотемпературные сверхпроводники (HTS)

Провода HTS второго поколения на основе покрытых иттрием барием медных оксидов (YBCO) проводников значительно созрели. Такие компании, как SuperPower и AMSC, теперь производят километровые ленты, которые имеют ширину в сотни ампер на сантиметр при 77 К. Эти ленты достаточно гибкие, чтобы их можно было вводить в катушки для электромагнитов. Критическая плотность тока (Jc) была проталкиваема за 10 миллионов ампер на квадратный сантиметр при 4,2 К, что позволяет создавать чрезвычайно компактные магниты. Для турбонасосов ракетных двигателей такие магниты могут создавать мощные магнитные подшипники, которые устраняют трение контакта и уменьшают вес.

Сверхпроводники на железной основе (IBS)

Обнаруженные в 2006 году, железные сверхпроводники предлагают компромисс между низким Tc металлических сверхпроводников и керамической хрупкостью купратов. Некоторые железо-пниктиды и халькогениды имеют Tc выше 50 K и демонстрируют высокие верхние критические поля. Их поликристаллическая природа и немного лучшие механические свойства делают их кандидатами на ограничители тока разломов и силовые кабели в ракетных электрических системах. Недавняя оптимизация допинга и синтеза улучшила связь границ зерна, ключевое препятствие для массовых применений.

Гидропроводы сверхпроводники

Возможно, наиболее захватывающей разработкой является открытие сверхпроводимости при комнатной температуре в богатых водородом соединениях под высоким давлением. В 2024 году исследователи из Рочестерского университета сообщили о сверхпроводимости при температуре около 21 ° C (294 K) в гидроиде лютеция, легированного азотом, хотя это утверждение остается спорным. Несмотря на это, принцип, что сжимаемость водородных связей может повысить Tc, был доказан с гидридом серы (Tc = 203 K) и гидридом лантана (Tc = 250 K). Хотя эти материалы требуют сверхвысоких давлений (150-200 ГПа), которые непрактичны для летного оборудования, они указывают путь к сверхпроводникам атмосферного давления. Для ракетных двигателей сверхпроводники комнатной температуры устраняют необходимость активного криогенного охлаждения на стартовой площадке, резко упрощая интеграцию системы.

Пиннинг и покрытые проводники Flux

Достижения в области зажима потока - способность улавливать линии магнитного потока в сверхпроводниках типа II - улучшили производительность HTS лент. Внедряя искусственные зажимные центры (например, наночастицы BaZrO3 или BaHfO3), производители могут достигать высоких критических токов даже в сильных магнитных полях (выше 30 Т). Это свойство имеет важное значение для магнитных подшипников и двигателей, которые должны работать под высокими магнитными нагрузками, создаваемыми выхлопом ракетного двигателя.

Применение в компонентах ракетных двигателей

Сверхпроводящие материалы интегрируются в несколько критических подсистем ракетных двигателей для повышения производительности, уменьшения массы и повышения надежности.

Магнитные системы левитации для турбопампов

Ракетные турбонаддувки вращаются при десятках тысяч оборотов в минуту, чтобы доставлять топливо при высоком давлении. Традиционные шарикоподшипники требуют смазки и охлаждения, и они износятся с течением времени. Сверхпроводящие магнитные подшипники (SMB) левитируют ротор с использованием постоянного тока в катушках HTS. Поскольку катушки имеют нулевое сопротивление, магнитное поле может поддерживаться без внешней мощности - явление, называемое пассивной левитацией. SMB могут поддерживать высокие нагрузки, работать в криогенных средах (где хранится много ракетного топлива) и работать без контакта, устраняя трение и уменьшая потребность в тяжелых опорных структурах.

Центр космических полетов НАСА Маршалл протестировал SMB с лентами YBCO в жидком кислороде (90 K) и продемонстрировал стабильную левитацию на скоростях, превышающих 20 000 оборотов в минуту.

Передача и распределение электроэнергии

Ракетные двигатели полагаются на сложные электрические системы для контроллеров питания, датчиков, клапанов и воспламенителей. Обычная медная проводка генерирует резистивное тепло и падение напряжения, которые добавляют массу, поскольку провода должны быть увеличены для текущей емкости. Сверхпроводящие кабели, изготовленные из лент HTS, могут нести до 10 000 А на кабель с нулевыми потерями постоянного тока. Заменяя медные шины сверхпроводящими кабелями, инженеры могут уменьшить массу распределительной сети питания до 60%. Более того, способность запускать высокие токи позволяет использовать более низкие уровни напряжения, повышая безопасность и уменьшая вес изоляции.

Такие компании, как American Superconductor продемонстрировали силовые кабели HTS для корабельных применений, и аналогичные архитектуры изучаются для многоразовых ступеней ракеты.

Передовые системы охлаждения

Ракетные двигатели генерируют огромные тепловые нагрузки, особенно в камере сгорания и сопле. Криогенное охлаждение с использованием жидкого водорода или жидкого метана уже существует. Сверхпроводники могут быть интегрированы в активные петли охлаждения с использованием их высокой теплопроводности (медноподобные при низких температурах) для распространения тепла. Альтернативно, сверхпроводящие термоэлектрические охладители на основе эффекта Пелтье-Сибека в соединениях YBCO могут обеспечить точечное охлаждение чувствительных компонентов, таких как приводы вектора тяги. Исследователи Европейского космического агентства (ESA) исследовали использование тока HTS, что приводит к уменьшению утечки тепла в криогенные резервуары - каждый ток HTS проводит только часть тепла обычного медного свинца.

Актуаторы и вентили

Высокоскоростные клапаны для впрыска топлива и управления тягой получают выгоду от высокой плотности силы сверхпроводящих электромагнитов. Сверхпроводящий соленоид оказывает большую магнитную силу, чем обычный медный магнит того же объема, поскольку нет резистивного предела. Это позволяет меньшие, более легкие приводы. Кроме того, природа нулевого сопротивления означает, что привод может удерживать положение бесконечно без потребления энергии, идеально подходит для защелкивания клапанов в дальних космических миссиях, где мощность скудна. Прототип сверхпроводящих линейных приводов был протестирован для управления дроссельной заслоной в ракетных двигателях, показывая время отклика менее 10 мс.

Датчики и мониторинг здоровья

Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (SQUID) являются наиболее чувствительными датчиками магнитного поля. В ракетных двигателях SQUID могут обнаруживать магнитные аномалии, вызванные износом подшипника, усталостью материала или предстоящим выходом из строя лопасти турбины. Их чувствительность позволяет обнаруживать микроскопические трещины в металлических компонентах. В то время как SQUID в настоящее время требуют криогенного охлаждения, появление материалов с более высоким содержанием Tc может позволить им работать при температурах жидкого азота, что делает их возможными для мониторинга здоровья в режиме реального времени на ракете-носителе.

Преимущества использования сверхпроводников в ракетных двигателях

Интеграция сверхпроводящих материалов предлагает множество преимуществ, которые согласуются с постоянным стремлением аэрокосмической промышленности к более высокой производительности и более низкой стоимости.

Снижение веса

Каждый килограмм, сэкономленный на ракете, приводит к увеличению полезной нагрузки или уменьшению топлива. Сверхпроводящие компоненты легче, потому что они могут работать при более высокой плотности тока, уменьшая поперечное сечение проводников. Например, кабель HTS, несущий 10 кА, весит около 1 кг / м, в то время как медный кабель для того же тока будет весить более 30 кг / м. Аналогично, сверхпроводящие магнитные подшипники заменяют тяжелые стальные шарикоподшипники и системы смазки. В целом, замена обычных электрических и магнитных компонентов сверхпроводниками может сбрить 15-25% от массы электрической подсистемы двигателя.

Энергоэффективность

Резистивные потери в обычной проводке, генераторах и двигателях обычно тратят 5-10% вырабатываемой электроэнергии. В ракете эта потерянная мощность должна обеспечиваться более тяжелыми батареями или более крупными генераторами. Сверхпроводящие компоненты полностью устраняют резистивные потери постоянного тока. Потери переменного тока минимальны в правильно спроектированных лентах HTS. Сверхпроводящий турбонаддувный двигатель может достичь 99% эффективности по сравнению с 92-95% для обычного двигателя.

В ходе запуска это повышение эффективности снижает необходимую бортовую электрическую мощность до 100 кВт, позволяя использовать меньшие, более легкие источники питания.

Улучшенная производительность и контроль

Точный контроль, обеспечиваемый сверхпроводящей магнитной левитацией, улучшает стабильность турбонаддува, уменьшая вибрацию и износ. Лучшее управление вектором тяги, используя сверхпроводящие приводы, позволяет более жесткое наведение и потенциально более высокий удельный импульс двигателя (Isp) за счет оптимизации геометрии сопла (SMES) за счет оптимизации геометрии сопла. Кроме того, сверхпроводящее хранение энергии (SMES) может доставлять всплески мощности для воспламенения или разделения стадий без массы батарей. Способность быстро разряжать мегаватты мощности может поддерживать электрические двигательные концепции, такие как магнитоплазмадинамические (MPD) двигатели, которые требуют импульсных токов в десятках килоампер.

Долговечность и надежность

Сами сверхпроводники являются твердотельными и не имеют движущихся частей. Магнитные подшипники устраняют контактное трение, снижают износ и необходимость смазки. Отсутствие резистивного нагрева также снижает тепловые нагрузки на компоненты. Криогенное охлаждение, которое уже требуется для пропеллентов, таких как жидкий водород и кислород, может быть совместно с сверхпроводящей системой. Эта синергия уменьшает количество отдельных контуров охлаждения и упрощает управление температурой.

В результате сверхпроводящие детали продемонстрировали длительный срок службы в наземных испытаниях — более 10 000 часов для кабелей HTS и 5000 часов для магнитных подшипников в смоделированных средах двигателя.

Проблемы и перспективы будущего

Несмотря на очевидные преимущества, необходимо преодолеть несколько существенных проблем, прежде чем компоненты сверхпроводящих ракетных двигателей станут стандартными для серийных автомобилей.

Материальные ограничения

Современные материалы HTS, такие как YBCO, представляют собой керамику - хрупкие и склонные к растрескиванию при напряжении растяжения. Ракетные двигатели испытывают интенсивную вибрацию и тепловой цикл. Производители ленты решили эту проблему, поместив керамику в металлический ламинат (например, Hastelloy), но композит все еще имеет ограниченный радиус изгиба и срок службы усталости. Сверхпроводники на основе железа более пластичны, но все еще не так прочны, как медные сплавы. Кроме того, высокотемпературные сверхпроводники теряют свое состояние нулевой устойчивости выше определенного критического тока (Ic) или магнитного поля (Hc2).

В ракетных двигателях, где магнитные поля могут превышать 20 Т, дизайнеры должны тщательно моделировать распределение полей, чтобы избежать затухания (внезапная потеря сверхпроводимости).

Усмирение и защита

Если сверхпроводящий магнит заглушается, накопленная магнитная энергия внезапно рассеивается в виде тепла, потенциально повреждая катушку. В ракете такое событие может разрушить двигатель. Требуются надежные системы обнаружения и защиты от гашения, в том числе активные нагреватели для преднамеренного гашения катушки контролируемым образом и обхода диодов для перенаправления тока. Для космических применений эти системы должны быть сверхнадежными и легкими. Исследовательские усилия сосредоточены на разработке самозащитных катушек с внутренними шунтирующими слоями, которые поглощают энергию без повреждений.

Криогенная интеграция

Большинство практических сверхпроводников по-прежнему требуют охлаждения ниже 77 К (температура жидкого азота) или даже 20 К (жидкий водород). Ракетные двигатели, использующие криогенные пропелленты, уже имеют доступ к жидкому водороду (20 К) и жидкому кислороду (90 К). Однако криогенные потребности в охлаждении для сверхпроводников должны быть интегрированы без добавления чрезмерной паразитной массы или сложности. К ним относятся криоохладители, вакуумная изоляция и тепловые перехваты. Для космических миссий криоохладители Стирлинга или импульсных трубок могут обеспечивать 10-100 Вт охлаждения при 70 К, но они потребляют энергию и добавляют массу.

Достижения в легких криоохладителях имеют решающее значение.

Интеграция системы и стоимость

Сверхпроводящие компоненты по-прежнему дороги в производстве (пленка HTS стоит примерно 50-100 долларов за кА-метр по сравнению с несколькими долларами за медь). Для одноразовых ракет расходуемого типа стоимость может быть непомерно высокой. Для многоразовых ракет (например, Falcon 9 или Starship SpaceX) долгосрочные преимущества снижения веса и более высокой эффективности могут компенсировать первоначальные инвестиции. Интеграция также требует новых инженерных стандартов, квалификационных испытаний и развития цепочки поставок. Органы по сертификации аэрокосмической отрасли, такие как НАСА и ЕКА, активно разрабатывают стандарты для сверхпроводящих компонентов в ракетах-носителях.

Будущие перспективы

Заглядывая вперед, можно увидеть несколько захватывающих направлений, которые могут затвердеть сверхпроводники в ракетных двигателях:

• Сверхпроводники комнатной температуры:] Если будут обнаружены материалы, находящиеся под давлением окружающей среды, криогенная нагрузка полностью исчезнет. Это изменит правила игры для всех видов транспорта, включая аэрокосмическую.
• Сверхпроводящие двигательные установки: Двигатели MPD и электротермические двигатели получают выгоду от электромагнитов с нулевым сопротивлением. Сверхпроводящие магниты могут обеспечить мощную электрическую тягу для межпланетных миссий, сокращая время в пути до Марса до 30 дней.
• Космические энергосистемы: Большие сверхпроводящие кабели могли бы распределять энергию от космических солнечных батарей до решеток двигателей без перепадов напряжения. Для космического буксира или орбитального транспортного средства это могло бы обеспечить дозаправку на орбите и продление срока службы.
• Сверхпроводящие маховики для хранения энергии: Приостановленные магнитными подшипниками, маховики HTS могут хранить кинетическую энергию с минимальными потерями, обеспечивая пиковую мощность для посадочных ожогов или коррекции орбиты.

В следующем десятилетии, вероятно, пройдут первые летные испытания сверхпроводящих турбонаддувных подшипников и силовых кабелей HTS на суборбитальных или орбитальных ракетах-носителях.По мере снижения затрат и повышения надежности сверхпроводящие материалы станут неотъемлемой частью ракетных двигателей следующего поколения, что сделает космические путешествия более эффективными, легкими и более устойчивыми.