Проектирование двигателей, предназначенных для операций на поверхности планеты и восхождения

Проектирование двигателей для операций на поверхности планеты и восхождения является одной из самых сложных задач в аэрокосмической технике. В отличие от двигателей, которые работают исключительно в вакууме космоса или в атмосфере Земли, планетарные двигатели восхождения должны надежно функционировать в широком диапазоне враждебных сред, от криогенного холода лунной ночи до пыльных, низкогравитационных условий на Марсе. Эти двигатели имеют решающее значение для миссий возвращения образцов, пилотируемых посадочных аппаратов и будущих архитектур разведки, которые требуют ухода с поверхности другого мира. Конструкция должна уравновешивать чрезвычайную устойчивость к окружающей среде с высокой производительностью, эффективностью массы и способностью перезапускать после длительных периодов покоя. В этой статье рассматриваются ключевые соображения проектирования, выбор материалов, варианты топлива и оперативные стратегии, необходимые для двигателей, предназначенных для операций на поверхности планеты и восхождения.

Экологические вызовы

Планетарные поверхности представляют собой комбинацию экологических стрессоров, не встречающихся в земных или орбитальных операциях. Луна, практически без атмосферы, испытывает колебания температуры от примерно 120°C в прямом солнечном свете до -230°C в тени. Марс имеет тонкую атмосферу углекислого газа, поверхностное давление примерно 0,6% от земного и температуры, которые могут опускаться ниже -120°C на полюсах. Пыль и реголит являются распространенными на обоих мирах, а снижение гравитации - 1/6 г на Луне и 1/3 г на Марсе - влияет на поведение жидкости, динамику сгорания и структурные нагрузки.

Температурные крайности

Теплообработка представляет собой основную угрозу целостности двигателя. Материалы многократно расширяются и сжимаются по мере нагревания двигателя во время работы и охлаждения в окружающей среде. На лунной поверхности двигатель может подвергаться воздействию сильного холода в течение двух недель в ночное время, прежде чем его попросят зажечь. Это может вызвать хрупкость металлов, замораживание жидкости в линиях топлива и отказы уплотнения. Криогенные топливные баки должны быть изолированы, чтобы свести к минимуму откачок во время длительного пребывания на поверхности, но также должны выдерживать быстрый приток тепла от работы двигателя. Системы управления теплом, следовательно, не являются дополнительным дополнением, но основным драйвером конструкции.

Пыль и реголит

Пыль — грозный враг. Лунный реголит острый, электростатически заряженный и сильно абразивный. Он может проникать в сопла двигателей, засорять пластины инжектора, абразивные движущиеся части в турбонаддувах и загрязнять клапанные сиденья. Марсианская пыль, хотя и немного менее абразивная, содержит перхлораты, которые химически реактивны и могут разрушать уплотнительные материалы. Входы двигателей для охлаждения или герметизации должны быть защищены фильтрами, а все внешние поверхности должны быть спроектированы так, чтобы сбрасывать пыль, а не собирать ее. Некоторые концепции используют пылестойкие клапаны или чистки под положительным давлением, чтобы удерживать частицы в нерабочее время.

Сниженные эффекты гравитации

Нижняя гравитация изменяет динамику жидкости в баках с топливом, кормовых линиях и камерах сгорания. Без достаточного давления на голову оседание топлива может быть проблематичным, особенно для перезапускаемых двигателей. Поверхностное натяжение может доминировать над гравитационными силами, что приводит к попаданию газа в насосы. Инженеры должны учитывать эти эффекты, используя резервуары с положительным вытеснением, системы мочевого пузыря или тщательное управление зажиганием. Кроме того, изменяются соотношения тяги к весу: двигатель, который хорошо работает на Земле, может производить чрезмерное ускорение на Луне, требуя возможности глубокого дросселирования.

Выбор материала для планетарных двигателей

Выбор материала напрямую влияет на способность двигателя выживать в тепловых циклах, истирании пыли и химической атаке при сохранении структурной целостности.Критерии отбора включают в себя высокотемпературную прочность, теплопроводность, устойчивость к хрупкости водорода и совместимость с топливом.

Высокотемпературные сплавы и суперсплавы

Суперсплавы на основе никеля, такие как Inconel 718, обычно используются для горючих вкладышей, сопел и лопастей турбины из-за их способности сохранять прочность выше 700°C. Для еще более высоких температур могут применяться молибденовые сплавы или рениевые покрытия, хотя их труднее изготавливать и объединять. Недавний интерес к керамическим матричным композитам (CMC) предлагает потенциальную экономию веса и более высокие температурные пределы, но их хрупкость и чувствительность к тепловому удару требуют тщательной конструкции. Концепции Mars Ascent Vehicle (MAV) часто используют камеры сгорания медного сплава с никелевым покрытием для регенеративного охлаждения, балансируя теплопроводность с прочностью.

Защитные покрытия и обработка поверхности

Покрытия служат нескольким целям: термические барьерные покрытия (например, иттрий-стабилизированная циркония) уменьшают теплообмен металлическими частями; износостойкие покрытия (например, карбид вольфрама или алмазоподобный углерод) защищают от эрозии пыли; и диффузионные покрытия (например, алюминий) улучшают окисление и коррозионную стойкость при высоких температурах. Для планетарных двигателей все открытые поверхности должны оцениваться на предмет адгезии пыли и сопротивления истиранию. Электростатические разрядные покрытия могут помочь отразить лунную пыль, которая естественным образом заряжается солнечным ультрафиолетовым излучением.

Тюлени и эластомеры

Тюлени часто являются самым слабым звеном в криогенной или пыльной среде. Традиционные кольца O, изготовленные из фторуглеродных эластомеров, могут стать хрупкими при низких температурах. Для лунных и марсианских двигателей предпочтительны металлические уплотнения, пружинные полимерные уплотнения или пользовательские низкотемпературные композиты. динамическое уплотнение, подверженное воздействию пыли, на клапанах и исполнительных устройствах требует уплотнений стеклоочистителя или диафрагменных барьеров для предотвращения попадания частиц.

Выбор реактивных двигателей

Выбор топлива влияет на сложность двигателя, специфический импульс, стойкость к хранению и способность производить топливо на месте. Для планетарного восхождения существует сильный толчок к использованию локально доступных ресурсов для уменьшения массы Земли.

Криогенные пропелленты: метан и кислород

Жидкий кислород (LOX) и жидкий метан (LCH4) являются ведущей комбинацией для двигателей подъема на Марс из-за их высокой удельной импульсности (~370 секунд в вакууме), относительной чистоты и потенциала для производства как на Марсе через реакцию Сабатье. Метан имеет более высокую точку кипения, чем водород, что облегчает хранение на марсианской поверхности, хотя он по-прежнему требует изоляции. Двигатель Raptor, разработанный SpaceX, демонстрирует, что поэтапное сжигание с полным потоком с помощью LOX / метана может достичь высокой тяги и многоразового использования, хотя масштабирование для меньших планетарных посадочных аппаратов остается проблемой. Тепловое управление для криогенных ракет на поверхности миссии включает активное охлаждение для поддержания давления в резервуаре и предотвращения потерь от кипения.

Хранимые пропелленты

Для более коротких миссий или там, где криогенная обработка непрактична, используются сохраняемые гипергольные пропелленты, такие как монометилгидразин (MMH) с тетроксидом азота (NTO). Они воспламеняются при контакте, устраняя необходимость в системе зажигания, и могут храниться в течение многих лет в герметичных резервуарах. Однако их более низкий удельный импульс (~320 секунд) и высокая токсичность увеличивают опасность обработки на Земле и на поверхности планеты. Некоторые концепции лунного восхождения, такие как двигатель лунного модуля Аполлона, использовали гиперголики именно из-за их надежности и стойкости. Будущие миссии с экипажем могут благоприятствовать сохраняемым пропеллентам для ступеней подъема, которые должны работать после длительных периодов поверхностного покоя.

Использование ресурсов в Сиднее (ISRU)

ISRU меняет правила игры для планетарных операций, особенно на Марсе. Производство топлива из атмосферы или реголита резко снижает массу запуска с Земли. Например, эксперимент Mars Oxygen ISRU (MOXIE) на марсоходе Perseverance продемонстрировал производство кислорода из марсианского CO2. Комбинирование этого с метаном, полученным из CO2 и воды, может обеспечить обратную миссию. Конструкции двигателей должны учитывать переменное качество топлива - например, кислород, производимый ISRU, может содержать следы примесей - поэтому система сгорания должна быть устойчивой к незначительным изменениям состава. Испытание с ISRU-представительным топливом необходимо перед развертыванием.

Цикл двигателя и архитектура

Цикл двигателя определяет, как топливо поступает в камеру сгорания и влияет на общую массу системы, сложность и надежность.

Системы подачи давления против насосов

Меньшие двигатели часто используют циклы под давлением, когда топливо вытесняется из резервуаров гелием или азотом высокого давления. Это проще, с меньшим количеством движущихся частей, но масса резервуара быстро растет с давлением и размером. Для двигателей под давлением, требующих умеренной тяги (например, 10-50 кН), системы под давлением могут быть привлекательными, потому что они избегают развития турбонаддува и являются высоконадежными. Двигатель Apollo LM под давлением. Однако для более крупных транспортных средств под давлением или тех, которые требуют более высокого удельного импульса, необходимы циклы под давлением.

Цикл экспандеров

В цикле экспандера используется отработанное тепло из камеры сгорания или сопла для испарения топлива (обычно водорода или метана), которое затем приводит в движение турбину перед впрыском в камеру. Он обеспечивает простоту и высокую надежность, поскольку не требуется предгорельная установка. Однако количество доступного тепла ограничивает давление в камере и уровень тяги. Для планетарного подъема циклы экспандера подходят для двигателей малого и среднего класса, таких как RL10, используемые на верхних ступенях, но они требуют тщательной тепловой конструкции для обеспечения адекватной теплопередачи во всех режимах работы.

Стадиональное горение

В цикле поэтапного сгорания богатый топливом или окислителем богатый предгорельной аппарат генерирует горячий газ, который приводит в движение турбонасос; выхлоп затем вводится в основную камеру сгорания. Это достигает очень высокого давления в камере (> 200 бар) и высокого удельного импульса. Советские РД-180 и SpaceX Raptor являются примерами. Для планетарных двигателей сложность должна быть сбалансирована с преимуществами. У двигателей с поэтапным сжиганием больше режимов потенциального отказа (например, нестабильность предгорельного двигателя, эрозия лопасти турбины), но предлагают лучшую производительность. Для автомобиля на Марсе, требующего высокой тяги к весу и высокой Isp, ступенчатый двигатель сгорания LOX / метан может быть оптимальным выбором.

Требования к торможению и дроссельной заслоне

Планетарные двигатели для подъема часто должны работать в широком диапазоне дроссельной заслонки. Во время посадки (если двигатель также используется для спуска) для достижения мягкого приземления требуется глубокое дросселирование. Во время подъема необходима полная тяга для эффективного снижения потерь гравитации, но для ограничения ускорения экипажа или полезной нагрузки может потребоваться обратная дроссельная заслонка.

Переменная тяга и глубокое дросселирование

Проектирование двигателя, который может дроссельной заслонки до 10% или менее от его максимальной тяги является основным техническим препятствием. Конструкция инжектора должна поддерживать стабильное горение при низких скоростях потока, и давление подачи топлива должно контролироваться, чтобы предотвратить кавитацию в насосах. Проблемы управления температурой пинч-точности возникают, потому что охлаждающие схемы, предназначенные для полной тяги, могут переохлаждаться при низкой тяге. Программа Artemis Программа посадки человека (HLS) требует двигателей, способных к 10:1 дросселированию для точной посадки на Луну. Некоторые концепции используют несколько меньших двигателей, сгруппированных для дросселирования, включая и выключая кластеры, что улучшает избыточность, но добавляет сложность сантехники.