Ekstraterrestrial Propulsion'in son talepleri

Diğer gezegenler keşfetme ve en sonunda kolonileştirme eğilimi, güneş sistemimizdeki her gezegen, atmosferik bir kompozisyon, sıcaklık aşırı su kaynaklarına ulaşma yeteneğine sahip değildir, ayrıca ekstra malzemeler için güvenilir bir şekilde çalışır.Dünyadaki roket motorlarının aksine, orta iklimden faydalandığımız her gezegen, kalın, nefes alınabilen bir atmosferden ve diğer gezegenlerden herhangi bir güneş ışığı sunar.

Bu genişletilmiş analiz, roket motorlarını diğer gezegenler için tasarlamanın çevresel sorunlarını inceler, malzeme seçimi ve sistem mimarisini sağlayan temel mühendislik hususları, bu zorlukların üstesinden gelmek için gelişmiş olan atılım teknolojileri ve gezegensel tahrik anlayışı için gelecekteki yönlerden yararlanmalıdır.

Diğer Gezegenlerdeki Çevre Meydanları

Her göksel vücut, farklı bir işletim koşullarını sağlar. Aşağıdaki örnekler, tahrik mühendislerinin dikkate alması gereken aşırıları göstermektedir.

Mars: İnce Atmosphere, Extreme Cold ve kolay Toz

Mars, Dünya'nın deniz seviyesindeki basıncının yaklaşık% 0.6'sı ile ilgili yüzey basıncına sahiptir, yaklaşık% 95 karbondioksit, 2.7% azot ve% 1.6 argon. Sıcaklıklar bir gün yüksek 20°C'den geceye kadar yüksek bir süre boyunca hızlanabilir - 80 °C'ye kadar ve kutuplarda -195°C'ye düşebilir.

  • [Düzücük-basın yanması: [Dönetici: 0,4] Geleneksel roket motorları, yanmayı stabilize etmek için ortam baskısına güvenmektedir.
  • [FONT:0]Crygen yakıt yönetimi: [Dönetici: [Dönetici] Sıvı oksijen (o oksiter olarak kullanılır) Dünya Çevre basıncında -183°C gibi yakıtlar aktif olarak ısıtılamazsa, soğuk çevre ağarabilir.
  • [FONT:0)Dust kirliliği:[Dönetici:[Dönetici havayı kullanan motorlar ( ISRU tabanlı tahrik için) Fırka bıçakları ve nozul boğazları filtrelemek zorundadır.

Venüs: Crushing Basınç, Scorching Heat, and Corrosive Clouds

Venüs genellikle Dünya ikizi olarak tanımlanır, ancak yüzey koşulları cehennemdir. Yüzey basıncı 92 bar (yaklaşık 1,350 psi), sıcaklık 467°C civarındadir ve atmosfer sulfurik asitin kalın bulutları ile bağlıdır. yüksek yüksekliklerde, basınç ve sıcaklık azalır, ancak 50 km'de bile sıcaklık yaklaşık 1 bar - Dünya'ya kadardır.

  • [FONT:0)Extreme termal yükler: [Dönesel 718 veya niobium alaşımları gibi yüksek sıcaklık süperleri, bazı metallerin erime noktasının aşılması için sürekli sıcaklıklara dayanmalıdır. Konvansiyonel alüminyum ve çelik alaşımlar 400 °C'nin üzerinde hızla azalır ve zayıflar.
  • [FONT:0)Corrosive kimya: [DÜDÜT:1] Sulfuric asit ve diğer reaktif bileşikler çoğu metal ve polimere saldırıyor. Motor malzemeleri, bazen altın veya platin kaplamalarını kritik bileşenler üzerinde gerektiren.
  • [FONT:0) Yüksek basınç: [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ:0) Yüksek basınç: [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ: 0: 0: 0: 0: 0: 0: 0: 0: 0: 0: 0: 0: 0: 0: TÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ
  • [FONT:0)Kooling zorlukları: [Dönetici: 467 °C'de, pasif soğutma neredeyse imkansız.Aksitici çalışma sıvıları veya ısı boruları kullanarak motor çekirdeğinin çalışma sınırları içinde tutulması gerekir.

Titan: Dense, Cold Atmosphere of Methane ve

Satürn'ün ay Titanı, öncelikle azot (yüzde 95) ve metan (yüzde 5) içeren kalın bir atmosfere sahiptir - Titan için tasarlanmış 17°C. Motorlar hem yakıt hem de potansiyel bir tehlikeye sahiptir.

  • [Düzg:0) Düşük sıcaklık: [DÜDÜT:1] Tüm malzemeler kriyojenik sıcaklıklarda çırpılır. Elastomerler esnekliği kaybeder ve termal sözleşmeleri mühürlenebilir. Motorlar düşük termal genişleme katları ile malzemelerden yapılmış veya yapılmalıdır.
  • [FONT:0]Methane bir yakıt olarak kullanılabilir:[DÜT:1] Titan'ın atmosferinin kendisi bir pervanant kaynağı olarak kullanılabilir. Nükleer güçlü bir motor, buhar üretmek için methaneyi ısıtabilir veya bir kimyasal motor sudan üretilen oksijenle yakılabilir. Ancak, methane yanmaz.
  • [FONT:0]A atmosferik yoğunluk: [Dönetici: [Dönetici:0] Yüksek yoğunluk (Dünya çapında yaklaşık dört kez), iniş veya düşük çözünürlükte uçuş sırasında aerodinamik ısıtmanın soğuk olmasına rağmen önemli olabileceğini ifade eder.

Ekstraterrestrial Rocket Engines için Anahtar Tasarım

Her gezegensel çevrenin özel zorlukların ötesinde, birkaç evrensel tasarım ilkeleri Dünya'nın ötesine geçmek için herhangi bir motora uygulanır.

Sıcaklık Direnişi

Motorlar, yüzlerce derece C derecenin ısınmış ısınmalıdır. Mars'ta, motor -80°C'de soğuk başlangıç yapabilmeli ve sonra odadaki 2.500 °C'yi aşan yanmalı sıcaklıklarda çalışır.

Korozyon Direnişi

Motor malzemeleri ve gezegensel atmosferler arasındaki kimyasal etkileşimler hızlı bir şekilde bozulmaya neden olabilir. Mars'ta, topraktaki perchlorateslerin varlığı motor sistemlerine karışabilir. Venüs'te, sulfurik asit saldırıları neredeyse her şeyi kullanır. mühendisler, değerli metal kaplamalar (altın, Inconel) tüm koşullara karşı direniş ve enjekte edici yüzler gibi kritik yüzeylere uygulanır.

Basınçlı Topikal

Venüs gibi yüksek basınçlı ortamlar için tasarlanmış motorlar, dış baskıya dayanmaksızın dış baskıya dayanabilecek kalın duvarlar ve sağlam mühürler olmalıdır. Conversely, Mars gibi düşük basınçlı ortamlar için motorlar ısı basıncının fayda olmadan başlamalı ve çalışmalıdır: Mars vakumlama için optimize edilmiş bir miktar, Dünya'da aşırı sağlanmış olur, ancak Mars'ta yükselen bir yüzeysel olmayan kavramlara geri dönülebilir.

Yakıt Verimliliği ve Perellant Seçici

Dünya'dan yapılacak her pervanant, maliyetleri başlatmak için ekleniyor. Uzun süredir kaynak kullanımı (ISRU) kritik hale gelir. Mars'ta, atmosferden oksijen üretiyor ( MOXIE benzeri elektroliz CO2), mettan-oxygen motoru için oksiter sağlayabilir.In Titan, atmosferden veya göllerden çıkarılan methane, yakıt tasarrufu sağlar.

Termal Yönetim

Sıcaklık yönetimi iki taraflı bir meydan okumadır. Sıcak gezegenlerde, motor, hava sıcaklığının yukarıda olduğu zaman bile boşanma noktası olduğu zaman bile boşanma ısıyı reddetmelidir. Radiative soğutma, ortamın zaten sıcak olduğu zaman verimli hale gelir. Gelişmiş ısı kontrol teknolojileri şunları içerir:

  • [FONT:0)Rejeneratif soğutma: Yakıt, enjeksiyondan önce ısıyı absorbe etmek için yanma odasında ve noz duvarların içinden ısınıyor. Bu yaklaşım Dünya'da iyi çalışıyor ancak odaya girmeden önce yakıt donanmış gazlı gaz gaz gazlı gaz gaz gazlı gaz gaz gazlı gaz gaz gazlı gaz gazlar ile daha karmaşık hale geliyor.
  • [FONT:0]Film soğutması: [Dönüşük gaz veya sıvının ince bir katmanı, sıcak yanma gazlarından onları korumak için oda duvarları boyunca enjekte edilir. Bu, genel verimliliği azaltır, ancak aşırı ısı yükleri için gerekli olabilir.
  • [FONT:0]Heat boruları ve döngü ısı boruları: Bu pasif cihazlar, motorun faz değişikliğini kullanarak bir radyatöre aktarılması için ısı transfer edilir. Venüs'te, ısı boruları sıvı metaller (püyum, sodyum) gibi yüksek performanslı çalışma sıvıları kullanmalıdır.

Teknolojik Yenilikler Gezegensel Motor Tasarım

Malzemelerin son gelişmeler, üretim ve kontrol sistemleri aşırı kaynaklı motorlar için yeni olanaklar açtı.

Yüksek hacimli Seramik Matritleri (CMC)

Silikon ışın (SiC) fiber-reinforced SiC gibi CMCler yüksek güç, düşük yoğunluk ve mükemmel termal stabiliteleri yüksek sıcaklıklarda 1,400 °C'ye kadar oksitlenen ortamlardaki nozullar ve türbini bıçakları olarak kabul edilirler ve her ikisine de yanmalı ve korrosif Venüs atmosferine katılmalıdır.

Radyasyon-Hardized Electronics ve Sensörler

Motorlar (basın, sıcaklık, akış oranı) ve hareketleyiciler (valves, itki vektör kontrolü) sadece çevresel aşırılık değil aynı zamanda kozmik radyasyonu da (Mars, Venüs), elektronikler güneş ve galaktik kozmik ışınlarına maruz kalıyor.

Adaptable Yakıt Sistemleri ve ISRU Entegrasyon

Gelecek gezegensel görevler giderek yakıt üretmeye ve oksiteri yerel kaynaklardan üretmeye güvenecektir. Mars'ta, Mars oksijeni yüksek basınçta, oksijen zengin ortamlardan kaçınmak ve oksijeni yüksek oranda pervane etmek için oksijen üretimine ihtiyaç duyar.Bu tonlarca yakıt üretmek, motorla doğrudan bir atmosfere sahip bir ısıtıcı sistemi kullanmak için bir ısıtıcı olarak, oksijeni yüksek basınçta kullanmak için saf bir ısıtıcı olmayan bir ısıtıcık kavramları kullanarak yüksek basınçta saf bir ısıtabilir.

Katkı İmalatı ve Hızlı Prototipleme

Metal 3D baskı (laser toz yatak füzyon) karmaşık soğutma kanallarının yaratılmasına izin verir, entegre manifoldlarla enjekte edilir ve makineye geleneksel olarak şarj edilebilir bakır alaşımları için, bu da daha sıkı toleranslar, daha düşük parçalar ve daha kısa gelişim döngüleri sağlar.

Vaka Çalışmaları: Geçmiş ve Present Missions'tan Dersler

Çeşitli tarihsel görevler diğer gezegenlerde motorlar çalıştırmaya çalıştı, değerli veriler sağladı.

Viking Landers (1976)

Viking 1 ve 2 her biri hippitik (monopropellant) kullanan bir iniş motoru taşıdı, ancak iniş sırasındaki uzay aracıyı başarılı bir şekilde işletti.Bu motorlar, küçük ısıtılması için bazı seramik kaplamaların yeniden tasarlanmadığı ortaya çıktı. - yüzeyde bile başlatılamadılar.

Mars Bilim Laboratuvarı (Curiosity, 2012)

MSL görevi, sekiz değişkenli güce sahip olan bir gökyüzündeki vinç iniş sistemi kullandı (Mars Landing Engines, MLEs). Bu motorlar, yüksek çözünürlükte bulunan ve azotlu bir motora sahip olan betonun yüksek çözünürlükte (yüzde 20 ila% 20 metre yükseklikten çalışan motorlar) bu tasarım yaklaşımının uygulanmasına izin verdi.

Venera Landers (USSR, 1970'ler-80s)

Sovyet Venera serisi başarıyla Venüs'e indi ve yüzey ortamında iki saat kadar hayatta kaldı.Demek için roket motorları temel şartlara dayanmıyorken, tüm dış yüzeyler 467°C ve 92 bara ve malzemeler yüksek basınçta sulfurik asit ve karbon dioksite karşı direnmeli.

Ekstraterrestrial Propulsion için Future Yol

Önümüzdeki on yıl yeniden kullanılabilir gezegensel iniş sistemlerine doğru bir iti görecek, ISRU tabanlı yakıt depoları ve derin uzay araştırmaları için nükleer motorlu motorlar.

Özerk Motor Kontrol Sistemleri

Dünya ile iletişim gecikmeleri, gezegensel motorların kendi kendine teşvik etmesi gerektiği anlamına gelir. Future sistemleri, ateşlemek için makine öğrenme algoritmaları kullanacak, yakıt akışını ayarlamak ve zaman içinde nozsuz geometriyi yeniden yapılandıracak. Fiber optik sensörler, yüzlerce noktada sıcaklık ve baskıyı ölçebilir, eylemci bozulması veya sürüklenme için telafi edebilecek bir kontrol sistemine karşı veriyi besleyebilir.Bu özerklik, yuvarlak saat boyunca ışık zamanlarını aşan güneş sistemine karşı görevler için kritiktir.

Büyük-Scale Propulsion için In-Situ Resource Utilization for Large-Scale Propulsion

Mars'a insan görevi için, yüzeye pervanant üretmek, Mars Ascent aracı gibi hafif bir ağartıcı depolama sistemi tasarlamak (MAV) ISRU-projektif oksijen/metaptan motoru kullanmak olacaktır. Ana zorluklar 25-30 ton oksijen üretmek için MOXIE benzeri teknoloji ölçeklendirmek, Martian gecesi hayatta kalabilen hafif bir kriyojenik depolama sistemi tasarlamak ve yakıtın kirlenmeyen-free NASA'nın Peracance rover'ı test etmektir.

Nükleer Termal Güçler (NTP) Dış Gezegenler için

Titan, Neptün veya Jüpiter'in icy ayları için, kimyasal tahrik muazzam delta-v gerekli olan nükleer termal roketler (özellikle de sıvı suların mevcut olduğu Avrupa'da bulunan nükleer yakıtların ısıtılması gibi) iki kez daha uygulanabilir. Ayrıca, çevrede faaliyet gösterebiliyorlar, çünkü onlar oksijene güvenmiyorlar.

Multi-Mode Propulsion Systems

Örneğin, bir Mars arazisi terminal iniş için kimyasal motorları kullanabilir ve sonra geri transfer için bir güneş-elektrik tahrik sistemine geçebilir. Bu çift mod, pervanant besleme sistemlerinin ve güç yönetimi için dikkatli bir entegrasyon gerektirir, ancak görevin farklı aşamalarında kütle verimliliği optimize eder.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Diğer gezegenlerde operasyon için roket motorlarını tasarlamak, havacılık mühendisliğindeki en zorlu zorluklardan biridir. soğuktan, toz-dan hava Mars'ın asitli, yüksek basınçlı cehennemi Venüs'ün, her çevre mühendislerinin, sonunda Titan'ı ve ötesindeki yenilikleri, seramik matrix kompozit matrislerdeki en güçlü üretim, ISRU ve özerk kontrolleri yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş bu motorları daha güvenilir ve yetenekli hale getirecek.

[0]Further okuması: [Dönem: [Düzd:0)

  • [0]NASA Mars 2020 Perseverlik Rover – ISRU Deneyleri[Dönemli: 1)
  • [0]NASA Glenn Research Center – Nükleer Termal Propulsion Temelleri[Döntgen: 1)
  • [0]Acta Astronautica – " Low-Pressure Ortamlarında Enstabilite" (2021)[Dön 1: 1).
  • [0]ESA – Mars'ta Arazi: Tarihsel Yaklaşımlar[Dönemli: 1 )
  • [FONT:0)MIT – "Süresel Yüzey Uygulamaları için Ürünler" (Thesis, 2020)).