Ağojenik Propulsions Engineering of Ağogen
Bugün hizmette her büyük yörüngede araç – SpaceX Falcon 9, ULA Vulcan, Ariane 6 veya NASA'nın Uzayı Başlangıç Sistemi – temel aşamalar için taşıyıcı yakıtlar (LOX) ve sıvı hidrojen (LH2), aşağıda depolanan sıcaklıklar -150 °C, kimyasal roketler için mevcut en yüksek özel dürtüyü sağlamak, Ay'a ve ötesindeki boşlukları önlemek.
Ağojenik yakıt sistemlerinin bir başlangıç aracına entegre edilmesi, bir yapının içine bir tank yerleştirilmesinin basit bir önemi değildir. Mühendisler ısı transferini, malzeme sözleşmelerini, sıvı dinamiklerini ve yapısal yükleri aynı anda sık sık düşük kütle ve aşırı güvenilirlik çatışmalarının altında tutmalıdır.Bu makale, modern roketlerin bu süper akışkanları güvenli bir şekilde idare etmesine izin veren önemli teknik engelleri inceler.
Ağojenik Propulsion Systems
Ağojenik pervaneler kaynar noktaları tarafından tanımlanır: sıvı oksijen -183 °C'de kaynar ve sıvı hidrojen -253 °C. Bu sıcaklıklarda, neredeyse tüm ortak malzemeler bir buharlı hava sızıntısı anında buharlaşmaya neden olur. Tipik bir araç, turbopular ile zemine entegre edilir, transfer hatları, valfler, pompalar ve pompalar ve ekipmanlarından kaçınır.
Ağojenik yakıtların enerji yoğunluğu tesadüf değildir. Hidrojen, oksijenle yakıldığında 142 MJ/kg sağlar, kerosene enerjisini iki kattan fazla. Ancak, yoğunluğu çok büyük, hafif tanklar gerektiren bir hidrojen sistemidir.
Termal Yönetim: Sıcak Bir Dünyada Soğuk Olma
Aydınlatma Mimarisi
Sıcaklık ingre karşı ilk savunma hattı yalıtımdır. Arabalar, sprey-on köpük yalıtım (SOFI, Uzay Yardımı Dış tankta kullanılanlara benzer) ve birçok araç, dış yüzeyde köpük ile ve borudaki MLI ile birleştirir.
Devlet-of-the-art yalıtım ile bile, bazı ısı flux kaçınılmaz. Tipik bir LH2 tankı, sürekli yenileme veya venting gerektiren bir günde 2-5% oranında kaybolabilir. ascent sırasında, aerodinamik ısıtma düzgün tasarlanmamışsa yalıtıma aşırı derecede zarar verebilir. Uzay Servisinin SOFI tekrar tekrar tekrar tekrarlanan hidrojeni korumak için test edildi.
Aktif Soğutma ve Zero-Boil-Off Systems
Uzun süredir kaybolup görevleri azaltmak için, aktif soğutma giderek daha fazla kullanılıyor. Ağocoolers, uydu enstrümanında yaygın olarak, araç uygulamaları için ölçeklenmiş durumda. sıfır-boil-off (ZBO) sistemi, ana tanktaki ısı değiştiricileri ile ısı değiştirici ve buhar formasyonunu ortadan kaldırıyor.
Bir başka termal meydan okuma, büyük bir pervant tankın en üst kısmı, hidrostatik baskı ve ısı pompasının duvarları ve güneş ışınlarını karıştırdığı için, üst tabakanın alt ısıtıldığı zaman ısıtılması, alt kısım ısıtılması ve sıcak tabakalar ısıtılması nedeniyle alttan daha sıcak hale gelir. Birçok araç, termodinamik olarak pompalar veya gayser üniformalı pompalar kullanarak ısıtılır.
Venting ve Basınç Kontrolü
Tankın içindeki baskı yükselirken, rupture'in, krigen tanklarının yedekli gazın üst düzeye çıkarılmasına karşı yardımcı olan rahatlama valfleri ile donatılır.Ancak, venting, peraur üst aşama gibi, bir kaç tane kayboluş baskısını bile kullanır - kontrollü bir şekilde ısı geçişi için - sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık tasarruf sağlar.
Teleojenik Stres Altında Yapısal Bütünleme
Malzeme Seçimi
Ağojenik sıvı ile temas halindeki her malzeme çok düşük sıcaklıklardan geçiyor ve güçlü kalmalıdır. Quenched ve mizaçlı alüminyum alaşımlar (örneğin, 2219, 2195) hidrojen ve oksijen tankları için iş kümeleridir, çünkü yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunurlar, ancak epoxy matriksleri bu düşük ısı iletkenliği ve sertliği nedeniyle borular için kullanılır.
Termal Anlaşmazlık
Bir tank ortamından serinlediğinde -253 °C, dissimilar arasında yaklaşık% 0.4 oranında küçültülüyor. 10 metre çapında bir tank için, bu 40 mm radial sözleşme noktası.Bu hareket önemli olmalıdır: 10tonik destek, hatlar veya bitişik bir yapı.
Şişman ve Fracture
Araçlar tekrarlanan sıcaklık döngüleri: serin aşağı, kriyojenik sıcaklık, uçuştan sonra ısıtın ve belki de Falcon 9 gibi yükselticiler için yeniden kullanılabilir.Her döngü, özellikle de nükleusatif araçlarda, kriyojenik tankların hayatı kontrol aralığı ve sertlik gereksinimleri belirlemek için kullanılır.
Krigen Akışkanları Dinamikleri ve Transfer
Pompalar ve Cavitation
Tanktan yüksek akış oranlarına kadar (kırıklar /lar) komponant almak, sıvı tutmak bir önyükleme işlemidir. Turbopumps, yüksek çözünürlükte ön segmente kadar buharlı köpükler oluşturmak için tasarlanmıştır.
valfler ve Raflar
Ağojenik akışı kontrol eden her valf, birçok döngü boyunca aşırı soğukta güvenilir bir şekilde çalışmalıdır. ⁇ valfler, top valfleri ve poppet valfler yaygındır, ancak elastikliği koruyan malzemeler kullanmalıdır -örneğin, bazı sistemler çift mühürler veya ilkbahar yüklenmiş metal mühürler (K-seallar, C-seals). Leakage oranları standart damlacıklarda da belirtilmiştir, ancak hidrojen için, en küçük sızıntıları azaltmak için.
Chilldown ve İşlemler
Bir kriyojenik tank, ısı şokunu önlemek ve iki fazlı akıştan kaçınmak için yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş doldurulmalıdır. Tipik bir prosedür, soğuk helium veya gazlı ağojeni boş tanka kadar, hatta yapısal titreşimler kullanarak, bir miktar sıvıyı, metalin yakın ısıya ulaşmasına kadar ısıtılması gerekir.
Başlangıçta, pervanant, eşcinselliksiz tutulmalıdır. Bir gayser dikey bir çizgide buhar balonları olduğunda gerçekleşir, sıvı sütunu yüksek kuvvetlerle geri çevirir. Antigeyser cihazları, buharın yukarı çıkmasına izin veren bir “standart” gibi, LOX sistemlerinde yaygındır.
Ground Support and Safety Integration
Propellant Yükleniyor ve Replenishment
Başlangıçta, kriyojenik yükleme, aracın iki fazlı akışını ele geçirme yeteneğinin dikkatlice bir parçasıdır.Bir milyon litreye kadar olan bir alan, araç vakumla şarj edilen borularla beslenir. Yükleme işlemi, aracın iki ila dört saat boyunca sürekli olarak hidrojen ve T-min 9 saniyeliğine kadar hidrojenle ve T-min 3 saniyeliğine kadar bir oksijenli bir valfler ile kontrol edilir.
Oksijen Güvenliği Tehlikeleri
Sıvı oksijenin kendisi zayıf değildir, ancak yanmayı güçlü bir şekilde destekler. Herhangi bir organik malzeme -bu nedenle, yağ, hatta kıyafetler - oksijene zenginleşmiş bir atmosferde şiddetli bir şekilde kullanılmalıdır. LOX sistemleri için temizlik prosedürleri son derece katıdır ve tüm bileşenler de “LOX temiz” olmalıdır.
Hidrojen Intrikacies
Hidrojen, en küçük moleküldür ve mikroskop boşlukları ile sızdırıyor, hidrojen embrittlementi yüksek güçlü bir bulut çeliklerinde geçiriyor. LH2 için, bizdikler sürekli gaz izleme ve uzaktan kapatma prosedürlerini içeriyor.
Geleceğini Şaping Etmek
Gelişmiş Multikat yalıtımı ve Köpükler
Yeni vakum yalıtım panelleri ve aerogel bazlı battaniyeler 0.2 mm kalınlığı geleneksel MLI'dan daha düşük ısı iletkenliği sunar.For the Exploration Upper Stage, NASA, tank duvarına bağların uzatılması, hem de hidrojen birikimi için ceplerin ortadan kaldırılması için kalın bir “yapısal köpük” geliştiriyor.
Uzay için Sıfır-Boil-Off (ZBO) Systems for Space
Uzayda yeniden yakıt ve genişletilmiş Ay, ZBO. Ağocoolers'in 20 K'deki on dört watt'ı kaldırabilecek aktif bir araştırma alanıdır (örneğin, AğoCube misyonunda da aktif olarak kullanmayı planlıyor).
Kompozit Overwrapped Basınç Gemileri (COPV)
COPVs, helium preurant için yaygın olarak kullanılıyor ve poliimide liner ve özelleştirilmiş bir kriyojenik tanklarla birlikte kriyojenik hizmet için uyarılabilir.Sürekli teknoloji Şeytanı (CCTD) projesi başarıyla test edilebilir bir şekilde, 5.5-meter-diameter LOX /LH2 tankı tamamen kompozit bir şekilde test edilebilir.
Yapısal Sağlık İzleme (SHM)
Kuantumları, sızıntıları veya kritik hale gelmeden önce bozulmaları tespit etmek için mühendisler, fiber optik sensörler ve akustik emisyon sensörlerini krigen tank duvarlarına yaymakta ve denetim süresini ölçmekte fayda sağlamaktadır. SHM, birçok kez uçup hızlıca incelenmelidir.
Yeni Araç Mimarileri
Rocket tasarımları, ortak yığınlar (kommon dome ile mevzi / hidrojen tanklar) ve çok-burn dizileri için uzun süre gecikmeli (ortalama) için daha büyük talepler taşıyan borular arasında, mikrogravity sistemleri kullanarak daha fazla talep eder: hiçbir ağırlık yardımı ve buharlı tanklar arasında buhar ve ağır-yavılma mekanizmaları.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Krigen yakıt sistemlerinin mühendisliği, neredeyse her havacılık teknolojisine dokunan bir disiplindir: termal bilimler, sıvı dinamikler, malzemeler bilimi, yapısal mekanikler ve sistemler güvenliği. Her yeni fırlatma aracı, rokette mümkün olan en karmaşık ve ödüllendirici zorlukların sınırlarını zorlamaktadır. endüstri gelişmiş kompozit tanklar için hareket eder - NASA'nın daha ayrıntılı görevlerine göre, diğer bir şekilde beyin deneylerinin entegrasyonunu sağlar.