Giriş: Martian Propulsion'in Benzersiz Talepleri

Mars'ın atmosferik koşullarındaki operasyon için motorlar tasarlıyor, özellikle de Dünya'daki herhangi bir şeyden farklı mühendisler ve bilim adamları için benzersiz bir zorluk sunuyor. Gezegenimizden farklı olarak Mars, oksitleyicinin, aşırı sıcaklık hızlarının% 1'inden daha düşük olması için ince bir atmosfere sahip, özellikle de Dünya'nın bu çevredeki yükleyici sistemlerinin% 38'ini etkileyen bir yer.

Motor Tasarımında Anahtar Zorluklar Mars için

Düşük Atmospheric Pressure ve Kompozisyon

Martian atmosferi, Dünya için tasarlanmış bir yüzey basıncına sahiptir (0.087 psi), Dünya'nın 1013 milibars'ı deniz seviyesinde taşımaya kıyasla, bu yüzden yanma veya herhangi bir hava-breathing motoruna sahip olmak, sadece oksijen miktarı ile ısıtılır.

Combustion için Implications

Bir motor kendi oksijenini taşırsa bile, düşük ortam basıncı değişiklikleri yanma dinamikleri. Flame stabilitesi, Dünya üzerindeki düşük basınç basıncın azalmasına da neden olabilir, çünkü çevredeki gaz değişiminin düşük yoğunluklarını ve özelliklere sahip mühendisler, vakum benzeri koşullar için yanma odalarını etkileyebilir.

[FONTA'nın Mars Atmosphere Gerçek Belgesi) Martian yüzeyinin kompozisyon ve baskı varyasyonları hakkında ayrıntılı bilgi sağlar.

Sıcaklık Extremes

Mars, kış aylarında yaklaşık 20°C (68°F) yüksek oranda hıza sahiptir. tek bir Mart günü (sol) bile, yüzey sıcaklıkları +20°C'den -80°C'ye kadar hızlanabilir: Bu dalgalanmalar birkaç şekilde motor malzemeleri ve performansları etkileyebilir:

  • [0] ⁇ genişleme ve sözleşme[Dönetici], motor bileşenlerinin, yorgunluk, yanlışlık ve mühürlerin potansiyel başarısızlığına yol açtı.
  • [FONT:0] Malzemelerin Özellikleri[[Dönetici: 1), krigen sıcaklıklarında metaller, özellikle de hidrojen embrittlementi endişe verici olabilir.
  • [FONT:0]Fuel ve o oksiter depolama[Dönetici: 1 ) - -183°C altında tutulmalıdır, ancak ortam sıcaklığı daha düşükse, yalıtım diğer sıvıların donmasını önlemek için kritik olur (örneğin -182.5°C).
  • [FONT:0] ⁇ yönetim sistemleri), operasyonel sıcaklık aralıklarında kritik bileşenleri tutmak için tasarlanmıştır, genellikle aktif ısıtma veya soğutma, faz değiştirme malzemeleri veya ısı boruları gerektirir.

Örneğin, Mars Bilim Laboratuvarının motorları, yolcu ve iniş sırasında güvenli sıcaklıklara sahip olmak için ısıtıcı ve yalıtım kombinasyonu kullandı.

[FONTA'nın Perakance rover hava istasyonu[Dönetici:0) Jezero Crater'den gelen gerçek zamanlı sıcaklık ve baskı verileri, günlük termal aşırıları tasvir eder.

Toz ve Korozyon

Pervasive Martian toz, yüksek miktarda demir oksit (mavi rengine sahip) yüksek bir miktar ile iyi bir silikat parçacıklarından oluşur, aşınmaya ve korozyona neden olur. Toz elektrostatik olarak şarj edilir, bu çok fazla zorluk yaratır:

  • [FONT:0]Hazırlık parçaların abrasionı[Döncükler, kapaklar ve enjekteatörler sisteme girerlerse hızlı aşınmaya maruz kalabilirler.
  • [FONT:0)Corrosion reaktif bileşiklerden [Döntgen: 1) [Dönderlik:0)Teorasyonlar (ClO4-) ve özellikle de kombine nem ile tepki veren motor malzemelerle tepki verebilir (bu, Mars'ta geçici olarak meydana gelir).
  • [FONT:0]Seal dezenfeksiyon[[Dönetici: 1)) - Endüstri, gazları yanmak ve kirleticileri dışarı çıkarmak için uzlaşabilecektir.
  • [FONTcal ve sensör fragmanları[[Dönetici: 1)) Optimal ve sensör, navigasyon ve motor izleme için gerekli olan kameraları kaplamak için gerekli kılar.

Filtreler ve mühürleme sistemleri uzun süreli görevler üzerinde motor bütünlüğü sağlamak için önemlidir. Motor starts ve kapatmalar sırasında tozların geri çekilmesi, basınç türevleri yüksek olduğunda, önerilen "Mars oksiter ve ascent araçlar, CO2 işlemeden önce sağlam tozlara ihtiyaç duyacaktır.

[FONTA'nın Martian tozlarının genel bakışı) ekipman için bu kadar sorunlu hale getiren fiziksel ve kimyasal özellikleri açıklıyor.

Ek Eleştirel Meydanlar

Aşağı Gravity ve Propulsion Design üzerindeki Etkisi

Mars, Dünya'nın yerçekiminin yaklaşık% 38'i içeriyor. Bu, motor tasarımının birkaç şekilde etkisini etkiler: düşük yerçekimi, tanklarda ve pervanant besleme sistemlerinden daha düşük olması anlamına gelir. Slosh dinamikleri hala farklı ve yüksek bir yerçekimine sahip olduğundan daha karmaşıktır (yaklaşık yarım hıza kadar)[Bırklama)[Bırklamanın gerekli olan ağırlık oranları, toprak kaymasının Dünya'nın üzerindeki etkisini azaltır.

In-Situ O oksiter ve Yakıt eksikliği

Dünya'nın aksine, oksijen atmosferde özgürce mevcut olduğunda, Mars, Peracance rover'da MOXIE olarak adlandırılan, oksijeni kullanarak Martian atmosferinden oksijen üretme yeteneğini gösterdi.Eğer ölçeklendirilen sistemler, örneğin Mars oksijeni In-Situ Resource Utilization (ISRU) deneyi, Dünya'dan başlatılan kütleyi büyük ölçüde azaltılabilir.

Power Generation for Non-Combustion Engines

Elektrikli tahrik sistemleri, iyon itkileri veya salon etkisi gibi, Mars uygulamaları için umut vericidir, çünkü Kilopower reaktörleri gibi nükleer enerji kaynakları geliştirilmemektedir, ancak genellikle güneş panelleri veya nükleer bir kaynak gerektirir.

İletişim ve Kontrol Gecikleri

8 ila 40 dakika boyunca ışık zaman gecikmesi ile, gerçek zamanlı uzaktan kumandanların Dünya'dan uzak operasyonu imkansız olmalıdır. Motorlar, insan müdahalesi olmadan önceden programlanmış ve idam edilebilir. Bu tür bağımsız sistemler, düşük basınçta parametreleri ele geçirebilmek için son derece zor, düşük ağırlık ve tozlar aynı anda tekrar tekrarlanabilir.

Yenilikçi Çözümler ve Gelecek Yollar

Bu zorlukların üstesinden gelmek için, araştırmacılar ve uzay ajansları çok sayıda yenilikçi çözüm keşfediyorlar. Önümüzdeki on yıllar muhtemelen görev aşamasına bağlı olarak uygulanan teknolojilerin bir kombinasyonunu görecek - iniş, yüzey işlemleri ve ascent.

In-Situ Resource Utilization (ISRU) Motorlar

En dönüştürücü yaklaşım Mars'ın kendisi için bir tank üretmektir. NASA'nın MOXIE deneyi, belirtildiği gibi, SpaceX'in Raptor'tan oksijen üretmiş ve düşük basınçla birlikte bir vakumla çalıştırılabilir.

Konsept: Mars Ascent Araç (MAV)

MAV, NASA Mars Örnek Geri Döndürme kampanyasının önemli bir parçası, Martian yüzeyinden yörüngeye kadar örnek çıkartacak küçük bir rokettir.Bu, tartışılan tüm zorluklarla karşı karşıyadır: düşük basınç, toz, sıcaklık aşırılıkları ve otonom bir operasyona ihtiyaçtır.Mevcut tasarımlar iki aşamalı sağlam veya hibrit roket kullanır, ancak gelecekte MAV’ler ISRU’den geri yakıta yakıt edilebilir. ”

Elektrikli ve Plazma Propulsion

Havalimanları gerektirmez, ancak çok düşük mıknatıslar, Mars'a kadar uzay tugs veya kargo misyonları için caziptir. Ion iters, yüksek özel dürtülere ulaşmak için elektrik alanlarını kullanır ( saniyeler boyunca) ancak çok düşük mıknatıslar.

Nükleer Termal Proaktif

Nükleer ısıtımı (NTP), reaktörün ısıtılması için bir nükleer reaktör kullanıyor ve bu da hidrojenin taşınması için bir nozul ile genişletiliyor.Aptal roketlerin ve küçük moleküler boyutları nedeniyle depolamak zor. NASA ve DARPA'nın potansiyel olarak yeterince kompakt olması durumunda [DRACO programı] [DRACO programı, daha sonra düşük noktaları ve küçük moleküler büyüklüğü nedeniyle nükleer bir roketin taşınmasının zor olduğu gibi, daha sonra da düşük maliyetli bir roket test edilmesiyle geliştiriliyor.

Gelişmiş malzemeler Sıcaklık Extremes ve Dust

Yeni malzemeler motor dayanıklılığı için kritiktir. Örnekler, yüksek sıcaklık türbinleri bıçakları için seramik matrisleri (CMC) içerir ve oksidasyona dayanıklı kaplamalar ile süper tümoylar ve kendi kendine bağlı mühürler için. Toz mitigation, araştırmacılar düşük basınçlı yanma ve toz direncini önlemek için optimize edilebilir.

Hybrid Propulsion Systems

Birden fazla teknoloji bir araya gelebilir. Örneğin, bir arazici, hippi o oksiter ile bir hibrit roket kullanabilir (solid yakıtı basit ve uzun süreler için depolanabilir. Ya da SpaceX'in Raptor veya Blue Origin's BE-4'ten elde edilen elektrik tahrikli motor kombinasyonu, Mars koşulları için uyarlanabilir bir çözüm değil.

Sonuç: Path Forward

Teknoloji ilerledikçe, Mars'ın eşsiz ortamında verimli bir şekilde çalışabilme yeteneğine sahip güvenilir motorların gelişimi, gelecek on yıl içinde başlatabilecek misyon kavramlarına entegre edilecek.Bu zorluklara karşı, Dünya'nın ötesindeki yeni sınırlara açık olacak. Şu anda iş, ISRU, nükleer tahrik, elektrik itkileri ve ileri malzemeler, gelecek on yıldan itibaren yakıtların hibrit bir şekilde üretebilecek.