Büyük uzay araçları için itme sistemleri tasarlayın ve ölçeklendirme sistemleri modern havacılık mühendisliğindeki en zorlu sorunlardan biridir. Uzaylı mühendislikte uzay araçları ve kütlenin yüksek performanslı görevleri desteklemesi – Mars'a kadar mürettebatlı keşifler, büyük yörüngeli teleskoplar veya derin uzay taşıma taşıma araçları – bu makale, verimliliği korumak için ölçeklendirme sistemleri ve güvenlik sağlar.Propulsion, elektriksel kısıtlamalar ve enerji kaynaklarına ve enerji kaynaklarına benzer şekilde ölçeklendirmek için, enerjik bir şekilde tüm stresler sunar.

Temel Scaling Yasaları Propulsion

Bir motorun kalbi, ağırlığı genellikle lineer boyutlarının (hazırda) karesi ile ölçeklendirmek için fiziksel ilkelerdir.Bu kare ağırlık oranı[Dönemli motor tasarımının, bir motorun daha büyük ölçüde artması, ağırlık genellikle lineer boyutlarıyla artarken, daha az verimli ve daha zor hale getirilmesi gerekir.Bu kareler, bu bariyerleri kırar.

[FONT:0]Mutfaklı verimlilik ölçütleri - ayrıca yüksek yanmalı oda basıncı ve soğutma talepleri nedeniyle ölçülen kimyasal motorlar da yüksek oda basıncı elde edebilirken, daha yüksek bir yanma oranı ve farklı döngü nedeniyle elektriksel ve yapısal yükler genellikle güç tasarım uzlaşması elde edilir.

Malzeme ve Yapısal Zorluklar

Yüksek hacimli malzemeler

Büyük itki sistemleri aşırı ısı yaratır. Bir sıvı roket motorunda yanma sıcaklıkları 3.000 °C (5,400°F) daha verimli soğutma ceketleri veya rejeneratif soğutma kanallarının ötesinde, Inconel ve René 41 gibi motor bileşenleri aktif olarak serinlenmiş veya yapılır, ancak büyük termal makineler için kullanılabilir.

Mekanik Stres ve Fatigue

Büyük bir itti sistemi içindeki kuvvetler muazzam bir endişedir. 10-30 MPa'nın sıkıştırılması sırasındaki titreşimler ve motor yapısına neden olabilecek stresler yaratır.[Dönemli motor bileşenleri daha büyük bir endişe yaratır: büyük bir motor, çatlaklar ve her döngüyü zayıflatır, yüksek çözünürlükte titreyen test ve kırılmaz.)

Hafif Yapısal Tasarım

Büyük bir uzay aracı için, her motor kütlesi pervanant ve ödeme yükü ile dengelenmelidir. Yapısal ağırlık azaltımı güçten ödün vermeden önemlidir.Mükemmel sistemler ) Yüksek performanslı metallerin üretimi hala bebekliktedir.[Dörtücük yapılar[Dörtüncü ), ve BE-4, gelişmiş üretim teknikleri, ancak yeni bir araç için gerekli olan karmaşık geometriler için gerekli olan yöntemlerden daha büyük bir miktar.

Büyük Thrust Systems'de ısı yönetimi

Termal yönetim, ölçeklendirme sistemlerindeki en düşük zorluklardan biridir. Büyük bir motor sadece yanma odasında değil aynı zamanda turbopumps, yataklar ve nozul duvarlarda da ısıtılır.

  • [FONT:0)Rejeneratif soğutma[DÜDÜT:1): Büyük motordaki kanal ve nozulasyondan önce, ısıyı absorbe eden bir sistem tasarlıyor.T motor çapında artışlar, serin akış yolu uzunluğu büyüdükçe, daha yüksek basınç damlalarına ve serin kanallarda kaybolarak yüksek basınç düşüşüne yol açıyor.
  • [FONT:0]Film soğutması [DÜT:1]: koruyucu bir katman oluşturmak için oda duvarları boyunca küçük bir pervanant enjekte edilir.Scaling up, genel Isp azaltır.
  • [FONT:0]Radiative soğutma: Yanan bölgeden uzak nozul uzatmalar ve bileşenler için radyasyon tek seçenek. Büyük radiating yüzeyler kütle ve karmaşıktır. Uzayda, konveksiyon eksikliği radiative soğutma daha az verimli hale getirir, bu yüzden büyük motorlar yardımcı sistemler için kullanılabilir radyatörler gerektirebilir.

Nükleer termal roketler (NTR) daha büyük termal zorluklar sunuyor, çünkü reaktör çekirdeği 2500 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda çalışır ve geniş bir kalkan ve ısı reddedilmesi gerektirir. Yüksek itme için bir NTR daha büyük bir reaktör çekirdeği daha yakıt elementleriyle zorlamaktadır, ki bu da serin akış ve nötronikleri zorlamaktadır.

Yakıt Depolama ve Teslimat

Büyük uzay araçları, büyük miktarda pervanant gerektirir. Mars'a kimyasal bir roket için, pervane kütleli kütle fraksiyonu aracın toplam kütlesinin %80'ini geçebilir.Bu pervanantın birden çok ölçeklendirme sorunu olduğunu yönetin:

  • [FONT:0)Crygen pervanant yönetimi[DDD: sıvı hidrojen (LH2) ve sıvı oksijen (LOX) aşırı düşük sıcaklıklarda (-253°C ve 183°C) ve tank büyüklüğü arttıkça, yüzeysel ısıtılır, çok fazla ısıtılır.
  • [FONT:0)Propellant slosh ve baskı kontrolü): büyük bir araçta, pervaneli kütle manevraları sırasında değişebilir, stabilizasyon sistemleri etkiler.Slosh baffles ve diaferler ağırlık ekler.
  • [[Dönetici:0)Propellant besleme sistemleri[Döntgen: Büyük motorlar yüksek hacimsel akış oranları talep eder. Turbopumps güç yönetmek için büyük hızlarda (düşükümlülükten binlerce RPM) geri vermek için, turbopump'u yüksek akış oranlarına çıkarmak için genişletmelidir, boru hatları, mühürleme zorlukları ve cavitasyon Mühendisleri bazen birden küçük pompalar veya bir aşamalı yanma döngüsü kullanır.

Büyük Araçlar için Propulsion System Type for Large Tools

Kimyasal Proaktif

Kimyasal roketler (liquid, sağlam, veya hibrit) motoru yok etmek için gerekli olan yüksek itki sağlar.Scaling sıvı motorları yanmazlığı aşmalıdır - F-1 motorunu rahatsız eden ünlü bir problem, ancak uzay aracının daha uzun akustik resonance dönemleri var, motoru yok etmek için sınırların daha da kırılgan hale getirilmesi ve betonarme yöntemleri, betonarme ve çatlakların büyük ölçüde karıştırılması için karmaşık hale gelir.

Elektrikli Taht

Elektrikli itkiler (kat, Hall etkisi, magnetoplasmadinamik) yüksek Isp (1.500-5,000 saniye) ama çok düşük itkiler için, yüksek itmeli elektrik tahrikli, büyük enerji seviyelerini gerektirir -megawatt veya gigawattlar ve termal yönetim anlamına gelir.Bu, çok sayıda tahrik veya nükleer reaktörler için karmaşık bir yaklaşımdır.

Nükleer Termal Proksiyon (NTP)

Turbo orta bir zemin sunuyor: elektrikli ve yüksek Isp'ten daha yüksek basınç (850-1.000 saniye) 1960'larda yüksek güç reaktörü ( megawattların ısıtılması için gerekli olan) yüksek sıcaklıklara ve radyasyon hasara dayanmalıdır. [s.))) 1960'larda yapılan yüksek çözünürlükte (FLT:1) programı, yüksek çözünürlükte, ancak büyük bir Mars görevi için gerekli olan pompayı ölçeklendirmek için gerekli olan yüksek çözünürlükte.

Sistem Entegrasyonu ve Test

Zemindeki büyük bir itme sistemini test etmek son derece zor. Tam ölçekli motorlar, 1.000 kg/s'ı aşabilecek egzozları, ateş baskı ve gürültü mitigation.TheurFLT:0)Stennis Space Center) ve Johnson Space Center, yüksek basınç tesislerini korumak için test tesislerine sahip olabilir, ancak daha büyük motorlar (örneğin, süper-heavy fırlatma aracı için) yeni bir altyapıya ihtiyaç duyabilir.

C ⁇ modellemesi temel hale geldi. Yüksek sadakat:0)c ⁇ sıvı dinamikleri (CFD)) ve sonlu elemanlar analizi (FEA) tahmin etmek için kullanılır.

Maliyet ve Ekonomik Kıtlamalar

Büyük bir itme sistemi geliştirmek çok fazla milyar dolarlık bir çabadır. En son örnekler -Raptor (SpaceX) ve BE-4 (Mavi Origin) - on yıldan fazla bir süredir devam eden bazı değişiklikler için daha büyük yatırımlar gerektirir.Demokabilitesi[Dönetici) gibi ekonomik faktörler [Döneticileri değiştir], mevcut motorlar veya daha yüksek çözünürlükte birçok kez tekrarlanan motorlar için genellikle daha yüksek maliyetlidir.

Future rotası ve Gelişen Teknolojiler

Gelişmiş Propellants

Prodüksiyon:0) Metalik hidrojen[DÜT:1) veya [[Dönetici:2) ve oxygen) gibi yarı iletkenler (profeksiyonda kullanılan) özellikle büyük araçlar için umut vericidir, çünkü jelli veya metalize yakıtlar Mars'ta üretilir.

Fıstık Propulsion

Fusion propulsion, eğer fark edilirse hem yüksek iti ve yüksek Isp, çok daha kolay ölçeklendirmek, çünkü enerji yoğunluğu kimyasal veya nükleer fissiondan daha yüksek olan dereceler.SimplexT:0) ve pratik motorlar uzun yıllar uzaktadır.

modüler ve Dağılış Thrust Architectures

Tek bir devasa motor inşa etmek yerine, birçok modern konsept, kümelerde birden çok küçük motor kullanıyor.Bu yaklaşım Satürn V (5 F-1s) ve N-1 (30 NK-15 motorlar) üzerinde kullanıldı. Dağıtılmış itme her bir bileşene ölçeklendirme yükünü azaltır ve büyük araç tahrik edicilerinin gelecekteki artışları yüksek motorlara ve yüksek motorlara ve yüksek motorlara ve elektriklere bağlı olarak daha küçük motorlara bağlı olarak yatıyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Büyük uzay araçları için pompa sistemleri çok boyutlu bir meydan okumadır, malzemeler bilimi, termodinamik, sıvı dinamikleri, yapısal mühendislik ve ekonomi.Pektif ve soğutmadaki kareler nadiren uygulanabilir.Yüksek sıcaklık malzemeleri, üretim, kriyojenik pervanant yönetimi ve yeni propulsion kavramları ( ⁇ termal, elektrik ve potansiyel olarak füzyon) yol yolları ileri sürmek için yollar sunar. Ground testleri - kanıtlanmış tasarımları nadiren uygulanabilir.

[FONT:0)Dönetici Kaynakları).

  • [FONTA – Nükleer Isı Transferi Genel Bakış[Dönemli)
  • [0]ESA - Elektrik Propulsion[Dönemli: 1)
  • [0]AIAA Journal - Scaling Effects in Liquid Rocket Engines[Döntgen: 1)