Rocket Propulsion Fundamentals
Rocket motorları Newton'un Üçüncü Yasası prensibi üzerinde çalışır: Her eylem için, havacılık mühendisliğinin on yıllar içinde ortaya çıkan eşit ve tam bir reaksiyon vardır.Her biri, motor, tam tersi yönde itme gücüne sahip olmak için temel olarak farklı bir yaklaşım yaratır.Propulsion systems are how they production. Two dominant architectures have came over on years of havacılık mühendisliği: bipropellant and monopropellant tasarımları.
Bu iki sistem arasındaki seçim nadiren performans özellikleri konusunda basit bir konudur. Misyon planlayıcıları, belirli dürtü, sistem kitle, güvenilirlik, maliyet, depolama istikrarı ve belirli itki profili gerekli olan mühendislik ticaret-offları için gereklidir.
Bipropellant Rocket Engines: Yüksek Performance Propulsion
Bipropellant Systems Nasıl Çalışıyor
Bipropellant motorları iki ayrı kimyasal pervanant kullanır: yakıt ve oksiter. Bunlar ayrı tanklarda depolanır ve ek olarak eklenmiş ve tekrarlayıcı hale gelen bir başka yöne tepki verir.
Bir biyopropellant sisteminin temel avantajı, kendi o oksiterini taşıdığı, atmosferik oksijenin bağımsız hale getirilmesini sağlar. Bu, atmosfer oksijeninin olmadığı ortamlarda veya atmosferde ameliyatın mevcut olmadığı bir durumdur. Tüm büyük fırlatma araçları ve yörüngesel manevra sistemlerinin çoğunluğu bu nedenle biyopropellant mimarileri kullanır.
Ortak Bipropellant Kombinasyonlar
Sıvı Hidrojen ve Sıvı Oksijen (LH2/LOX)
Bu kombinasyon, genellikle kullanılan kimyasal pervaneler arasında en yüksek spesifik dürtü sunar. Uzay Yardımında RS-25 motorlar ve üst aşamalarda kullanılan RL-10 motorlar, yüksek aşamalarda kullanılan özel dürtü değerlerin 450 saniyeyi vakumda başarıyla geçmesi gerekir. Ancak, sıvı hidrojen son derece düşük kaynarlık noktası (-253°C), düşük yoğunluk ve hidrojen embrittlementi için metallerde bozulmalara yol açma eğilimi önemlidir.
Kerosene (RP-1) ve Sıvı Oksijen
RP-1, daha yüksek yoğunluk ve daha kolay kullanım sağlayan, sıvı hidrojen ile kıyaslanabilen bir kerosen türüdür. SpaceX Merlin motoru ve Rus RD-180 motoru önemli örneklerdir. Bu kombinasyon performans ve pratik operability arasında iyi bir denge sağlar. RP-1, ısıtılabilirliği azaltır, yalıtım gereksinimleri azaltır, ancak motor tekrarla başa çıkabilir.
Hipergolic Propellants
Hipergolic pervaneler temasta, bir ateşleme sistemi için ihtiyaç ortadan kaldırır. Ortak çiftler, monotilhydrazine (MMH) ve nonsimetrik dimetilhydrazine (UDMH) ilerleyici sistemler ve uzay aracının ikisinde hiperglilik biyomalzeme sistemleri için popüler hale getirirler.
Bipropellant Systems'in Avantajları
- [FONT:0) Yüksek spesifik dürtü: [Dönemli 1,3-460 saniyeler, pervanant kombinasyonuna bağlı olarak, bu, belirli bir pervanant kütle için daha büyük delta-v'a tercüme eder.
- [FONT:0]Throttle yeteneği:[Dönetici:[Dönetici motorları geniş bir aralıkta sert bir şekilde sabitlenebilir, iniş sırasında hassas itme kontrolü sağlar, tekrar eksvous ve orbital ekleme manevraları.
- [FONT:0)Başlangıç yeteneği:[Dönemli sistemlerle, biyopropellant motorlar kapatılabilir ve birçok kez yeniden başlatılabilir, karmaşık misyon profillerini destekler.
- [FONT=0]Mature teknoloji üssü: [Dönetici: [Dönetici:0] Uçuş mirasının on binlerce motorda var, iyi düşünülmüş başarısızlık modları ve güvenilirlik verileri sağlar.
Bipropellant Systems
- [FONT:0) Sistem karmaşıklığı:[Dön depolama tankları, su dökmeleri, valfler ve yakıt için sistemleri besleme ve oksitleyicinin kitle, hacim ve potansiyel başarısızlık puanlarını artırması.
- [FONT:0)Propellant kullanım tehlikelerini ele alalım: Birçok biyopropellantoksi, kororatif veya krigen, özel zemin destek ekipman ve güvenlik protokolleri gerektiren.
- [FONT:0)Cost:[Dönetici, kalite ve üretim maliyetleri, monopropellant sistemler için önemli ölçüde daha yüksektir.
- [FONT=0]İgnition Gereksinimler:[Dönetici olmayan kombinasyonlar güvenilir ateşleme sistemleri gerektirir, karmaşıklık ve potansiyel başarısızlık modları ekleyin.
Bipropellant Motorlar için birincil uygulamalar
Bipropellant motorlar yüksek itme veya yüksek toplam dürtü gerektiren uygulamalarda hükmedmektedir. önce ve ikinci aşamalar, yörünge ekiksiyonu, interplanetary uzay aracı ana motorlar ve büyük yörünge transfer araçları tüm biyopropellant mimarilere güveniyor. iyi verimlilikle yüksek itme yeteneği, önemli bir görev aşaması için varsayılan seçimi önemli ölçüde zorlaştırır.
Monopropellant Rocket Engines: Sik ve Reliability
Monopropellant Systems Work Nasıl Çalışıyor
Monopropellant motorları tek bir kimyasal pervanant kullanır veya aynı molekülde yakıt ve oksiterin aynı molekülde olduğu veya ayrı bir oksitleyici olmadan enerji salıveren bir reaksiyona girer.
katalizör yatak kritik bir bileşendir. Genellikle iridium destekli alumina veya hızlı, tam dekompozisyon sağlayan özel bir katalizörden oluşur. katalizör yatağın durumu doğrudan motor performansı etkiler; zaman içinde katalizör faktörü, monopropant iterler için ortak bir yaşam-limiting faktörüdür.
Common Monopropellants
Hydrazine (N2H4)
Hydrazine, 800-100 °C'de en yaygın kullanılan monopropellant.Bu, Shell 405 veya benzer iridium bazlı katalizörler, amonyak, azot ve hidrojen gazını üretmekte ve 1960'lardan beri iyi özel bir dürtü (tipik olarak 22-300 saniyeler) ve iyi manevra teknolojileri mevcut olan ortamlardan biri haline getirmektedir.
Hidrojen Peroksit (H2O2)
Yüksek yoğunluklu hidrojen peroksit (tipik olarak% 85-98) su buharına ve oksijene kadar, gümüş veya platin gibi bir katalizörün üzerinden geçti.Ancak depolama sırasında kesintiye uğramayı önlemek için özel bir dürtü sunar. Hidrojen peroksit yaygın olarak kullanılan ve küçük uydu uygulamaları için yenilenmiş ilgiyi deneyimliyor.
Green Monopropellants
Hidroxylamonium nitrat (HAN) ve ammonium Yeşil Propulsion (ADN) temelli formülasyonlar, karşılaştırılabilir veya daha iyi performans sağlarken daha düşük çevresel etkiler sunar, ancak teknoloji seviyesi hala yüksek çözünürlükte kullanılır.
Monopropellant Systems'in Avantajları
- [FONT:0]Siksi:[[Dönetici:[Dönetici:0) Tek bir tank, tek bir tesisat seti. az sayıda bileşen daha düşük kütle, daha düşük maliyet ve daha az başarısızlık modları anlamına gelir.
- [FONT:0)Reliability:[Dönetici:[Dönetici: 0) Proven teknoloji on yıllardır uçuş mirası ile olağanüstü güvenilirlik gösterdi. Hydrazine Pushers binlerce görevde olağanüstü güvenilirlik gösterdi.
- [Düzükler:0) Düşük maliyet:[Dönetici sistemler, biyopropellant alternatiflerle kıyaslanmak için önemli ölçüde daha az pahalıdır.
- [FONT:0) Kolay entegrasyon:[Dönetici sistemlerin basitliği, uzay aracı otobüslerine entegre etmek için onları basitleştirir, minimum arayüz karmaşıklığı ile.
Monopropellant Systems
- [[Düzücük özel dürtü:[Dönetici:% 50 daha düşük) genellikle% 50 daha düşük, yani daha fazla pervanant kütle aynı toplam dürtü için gereklidir.
- [FONT:0)Limited it aralığı:[Döntilmiş iterler, Monopropellant iterleri genellikle biyopropellant motorlara kıyasla daha düşük itme seviyelerinin, onları başlatılabilir veya diğer yüksek güven uygulamaları için uygun olmayan hale getirilmesiyle sınırlı.
- [FONT:0]Katalın en büyük bozulma: [Dönetici: [Dönetici:0]Katılım süresine sahip olan katalizör yatağın süresi son derece uzundur ve performans degradları uzun süre boyunca gerekli olabilir.
- [FONT:0] ⁇ yönetim sorunları:[Dönetici 1] Monopropellant dekompozisyon önemli ısı yaratır, ancak sıcaklık aralığı maddi kısıtlamalarla sınırlıdır, ki bu eksiltme özel dürtü ile sınırlıdır.
Monopropellant Motorlar için birincil uygulamalar
Monopropellant iterleri, uzay aracı tutum kontrolü ve istasyonun çalışma alanlarıdır. Ayrıca düşük maliyet, yüksek güvenilirlik, ivme yönetimi ve iyi işaretli işlemler için gerekli olan düşük manevralar için yedek devretme ve manevralar sağlar.
Detaylı Performans Karşılaştırması
Özel Impulse
Özel dürtü (Isp), yüksek performanslı bir biyopropellant sistemine kıyasla yaklaşık 300 saniyeden fazla değere sahip (hiperjik çiftlere kıyasla) temel bir ölçümdür. Monopropellant sistemler genellikle 200-240 saniyeye ulaşır: 1000 m /s of delta-v'ye ihtiyaç duyan bir uzay aracı yüksek performanslı bipropellant sistemi ile karşılaştırıldığında yaklaşık iki kat daha fazla pervasız bir sistem gerektirir.
Thrust-to-Weight
Bipropellant motorları, özellikle de araç uygulamaları için çok yüksek itkili hızlara ulaşabilir. SpaceX Merlin 1D motoru 180:1'in üzerindeki bir itkiye oranına sahiptir. Monopropellant iterleri genellikle yüksek hız gerektiren uygulamalar için uygun olmayan bir şekilde çalışır.
Perellant
Propellant yoğunluk tank boyutunu ve sistemi kütlesini etkiler. hipnozun yoğunluğu yaklaşık 1.02 g/cm3, sıvı hidrojenden daha yüksek (0.07 g/cm3), ancak birçok bipropellant kombinasyonuna benzer. Denser per-constrained uzay aracı için avantajlı olan daha küçük tanklara izin verir.
Sistem Kuru Kitle
Monopropellant sistemleri ikinci pervanant tank, valflerin ve yem sisteminin ortadan kaldırılması nedeniyle önemli ölçüde daha düşük kuru kütleye sahiptir.Tüm sistem kitlesinin sıkıca kısıtlandığı küçük uydular için, bu avantaj daha düşük özel dürtüyü dengeleyebilir.
Mission Planlayıcıs için seçim Kriterleri
Misyon Delta-V Gereksinimler
Yüksek toplam dürtü gerektiren görevler için, biyopropellant sistemler genellikle daha iyi seçimdir. Daha yüksek spesifik dürtü doğrudan varsayılan kütleyi azaltır, bu da monopropellant sistemlerle imkansız hale gelebilecek yeteneklere olanak sağlar. Misyonlar Mars'a, dış gezegenlere veya talep eden geostationary yörüngeleri neredeyse her zaman iki katıncı ana motorları kullanır.
Thrust Profil
Açıklanan, inişler ve hızlı yörünge değişiklikleri gibi yüksek güven uygulamaları, düşük güven için, istasyon koruma ve tutum kontrolü gibi iyi dürtü uygulamaları, monopropellant iterleri genellikle maliyet ve basitliğe önemli avantajlar sunar.
Maliyetleri
Maliyete duyarlı görevler için, özellikle küçük uydular ve ticari uzay aracı, monopropellant sistemler net bir avantaj sunar. Daha düşük gelişim ve yeterlilik maliyetleri, uygun bir görev ve uygun olmayan bir sistem arasındaki farkı daha da basitleştirmek için maliyetleri daha da azaltır.
Güvenilirlik ve Risk
Monopropellant sistemleri daha az başarısızlık modları ve geniş uçuş mirasına sahiptir.Propulsion başarısızlıklarının misyon kaybıyla sonuçlanacağı kritik uygulamalar için, monopropellant iterlerin basitliği güçlü bir argümantır. Ancak, bipropellant sistemleri doğru şekilde tasarlandığında yüksek güvenilirlik göstermiştir.
Operasyonel Yaşam
Uzun vadeli görevler, monopropellant iterlerin sonlu katalizör yaşamının nedeniyle biyopropellant sistemleri tercih eder. Ancak, monopropellant sistemler hala uygun tasarım marjları ile 10-15 yıl boyunca operasyonel yaşamlara ulaşabilir, en geostationary iletişim uyduları için yeterli.
Trendler ve Future Developments
Green Propellant Technology
Daha az toksik alternatiflerle hipnozun değiştirilmesi, önemli araştırma ve geliştirmeyi hedefliyor. NASA Green Propellant Infüzyon Misyonu (GPIM) başarıyla AF-M315E pervanantını yörüngede gösterdi, performanslarını ve kullanım özelliklerini doğruladı. LMP-103S ile Avrupa çabaları birden fazla görevde uçuş mirası elde etti.
Elektrikli Propulsion Synergy
Birçok modern uzay aracı, elektrik tahrik sistemleri ile kimyasal tahrik sistemi birleştirir. Kimyasal iterler, yörünge ekleme ve tutum kontrolü için yüksek güven manevraları sağlarken, elektrikli itkiler yörünge yükseltme ve istasyon tutma için etkin bir düşük güven sağlar.Alpropellant ve monopropellant arasındaki seçim, belirli görev gereksinimlerine ve itkiye ihtiyaç duyulan seviyelere bağlıdır.
Katkı İmalatı
3D baskı roket motoru üretimine dönüşüyor. Kompleks enjekte edici tasarımları ve geleneksel işleme ile pahalı olmak imkansız veya yasaklanabilir. Bu, maliyetleri azaltır ve iki iki biyopropellant ve monopropellant sistemler için yeni motor mimarisi sağlar.
Küçük Uydu Propulsion
Küçük uydu takımlarının hızlı büyümesi, basit kullanım gereksinimleri ve düzenleyici yükleri nedeniyle bu pazar için caziptir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Bipropellant ve monopropellant roket motorları uzay tahrikinde farklı ve tamamlayıcı rollere hizmet eder. Bipropellant sistemler, araç, uçak dışı görevler için temel olan üstün verimlilik ve itkirleme seviyelerini sunar ve talep eden yörüngesel manevralar talep eder. Monopropellant sistemler çoğu uzay aracı için uygun olmayan basitlik sunar.
Propulsion teknolojisi ilerlemeye devam ettikçe, bu iki kategori arasındaki çizgi bulanıklaşır. Yeşil monopropellants, görevin kullanım avantajlarını korumak için bazı biyopropellant sistemlerinin performansına yaklaşıyor. Katkı üretimi iki mimarlık arasında maliyet farkı azaltır.For misyon planlayıcıları için anahtar temel fizik ve mühendislik ticaret-offları anlamak ve sonra görevin el ele aldığı sistemi en iyi şekilde yerine getirmektir.