Motorlar için tasarım, Planetary Surface Operations ve Ascent için tasarlanmıştır

Gezegensel yüzey operasyonları için motorlar tasarlayın ve ascent, uzay mühendisliğindeki en zorlu zorluklar arasındadır. Bu motorlar sadece uzayın vakumunda veya Dünya atmosferinde, gezegensel ascent motorlar başka bir dünyanın yüzeyinde güvenilir bir şekilde çalışmalıdır. Tasarım, yüksek performans, kütle verimliliği ve uyku koşullarıyla yüksek performansla aşırı çevresel direnci dengelenmelidir.Bu motorlar, yüzeysel tasarım seçenekleri için kritiktir.

Çevre Meydanları

Gezegensel yüzeyler, Dünya temelli veya yörüngesel operasyonlarda karşılaşmayan çevresel stresin bir kombinasyonunu sunar.Ay, neredeyse hiç atmosferle, deneyim sıcaklığı hem de 120°C'den direkt güneş ışığına kadar hızlanır - 1/6 g'de Mars'ta ince karbon dioksit atmosferi, yüzey basıncının yaklaşık% 0.6'sı vardır - kutuplarda 120°C'dir.

Sıcaklık Extremes

Termal bisiklet, motor bütünlüğüne karşı birincil tehdittir. Malzemeler sürekli olarak metallerde işlem sırasında sıvı dondurma ve hava kirliliği sırasındaki serin tanklar minimumda kaybolmalıdır.Uzun yüzeyde en aza indirmek için motor, ancak motordan iki hafta önce hızlı ısıya maruz kalmamalıdır.

Toz ve Regolith

Toz, makul bir düşmandır.Ay regolith keskin, elektrostatik olarak şarj edilir ve yüksek derecede aşındırıcıdır. Soğutma veya basıncılık için filtreler için filtreler ile korunmalı ve tüm dış yüzeyler toplamak yerine toz parçaları dökmek için tasarlanmıştır. Bazı kavramlar toz kesici valfleri veya pozitif baskı malzemeleri kullanır.

Azaltılmış Gravity Effects

Düşük yerçekimi, sıvı tanklarda akışkan dinamikleri, yem hatları ve yanma odaları olmadan, yeterli kafa basıncı olmadan, pervaneli yerleşme sorunlu olabilir, özellikle yeniden kullanılabilir motorlar için. Yüzey gerilimi, gravaksiyona yol açabilir, mühendislere yol açma yeteneği için aşırı hız verebilir.

Gezegensel Motorlar için malzeme seçimi

Malzeme seçimi doğrudan bir motorun ısı döngüsü, toz aşınma ve kimyasal saldırıyı yapısal bütünlüğü sürdürürken etkiler.Seçim kriterleri yüksek sıcaklık gücü, termal iletkenlik, hidrojen embrittlemente karşı direnç ve pervanantlarla uyumluluk içerir.

Yüksek hacimli yüzeyler ve Superalloys

Inconel 718 gibi Nickel tabanlı süperalloylar genellikle ssperatör lineer, nozullar ve türkser kanatlar için 700 °C'nin üzerindeki güçlerini koruma yeteneğinden dolayı kullanılır, ancak yüksek sıcaklıklar için, molybdenum alaşımları veya henyum kaplamaları uygulanabilir, ancak bu da seramik matrislere daha zor ve katılmak için daha zordur.(CMC)

Koruyucu Kaplamalar ve Yüzey Tedavisi

Kaplamalar birden çok amaçlara hizmet eder: termal bariyer kaplamaları (örneğin, yttria-stabilized zirconia) ısı transferini metal parçalara azaltır; tüm maruz kalan yüzeyler toz külleri ve aşınma direnci için değerlendirilmelidir. Elektrostatik deşarj kaplamalar, doğal olarak yüksek sıcaklıklarda ultraviyole radyasyonu ile şarj edilebilir.

Müşrikler ve Elastomerler

Dirilişler genellikle bir kriyojenik veya tozlu ortamda en zayıf bağlantıdır. Karbon karbon elastomerleri yapılmış geleneksel O-ringler düşük sıcaklıklardan dolayı çırpılabilir veya oksijenli motorlar için, metal mühürler, bahar enerjili polimer mühürler veya düşük sıcaklık kompozitleri tercih edilir.

Propellant Selection

Pervane etkileyicisinin seçimi motor karmaşıklığı, özel dürtü, üretilebilirlik ve situ'da pervanant üretme yeteneği, Dünya'nın başlatılmış kitleyi azaltmak için yerel olarak mevcut kaynaklar kullanmaya güçlü bir itme vardır.

Krigen Propellants: Methane ve Oksijen

Sıvı oksijen (LOX) ve sıvı methane (LCH4), yüksek spesifik dürtüleri nedeniyle Mars ascent motorlar için lider bir kombinasyondur (~370 saniyeler vakumda), göreceli temizlik hatları ve ISXIhane'nin hem de Sabatier reaksiyonu ile birlikte üretebilme potansiyeli, Martian yüzeyinden daha yüksek bir kaybolabilir, ancak hala yalıtım için ısıtılır.

Storable Propellants

Daha kısa süreli görevler veya krigen kullanımı pratik, uygulanabilir hipergolic pervananlar gibi (MMH) azot tetroksi (NTO) ile temasa geçti, Apollon Modül ascent motora ihtiyacı ortadan kaldırmak gibi, daha düşük spesifik dürtüleri (~320 saniye) ve Dünya'da ve gezegensel yüzeyde yüksek toksisiteleri artırmak.

In-Situ Resource Utilization (ISRU)

ISRU, gezegensel işlemler için bir oyun değiştiricidir, özellikle Mars'ta. atmosferden yakıt veya regolith'den üretilen oksijeni büyük ölçüde azaltmalıdır. Örneğin, Mars oksijeni ISRU Deneyi (MOXIE) tarafından üretilen oksijen, oksijenin yüksek çözünürlükte üretimine sahiptir.

Motor Çevrimi ve Mimari

Motor döngüsü, pervananlarnın yanma odasına nasıl teslim edildiğini ve genel sistem kütlesini, karmaşıklığı ve güvenilirliğini nasıl etkilediğini belirler.

Basınçlı vs. Pump-Fed Systems

Küçük motorlar genellikle yüksek basınçlı helium veya azot tarafından tanklardan zorlanılan basınçları kullanır, ancak tank kütlesi baskı ve boyut ile hızla büyür.Forcent engines requireing the small-fedin, 10-50 kN), baskı-fedilen sistemler cazip olabilir çünkü turbopump gelişimini kaçınırlar ve yüksek derecede güvenilirdir.

Expander Cycleer

Genişleme döngüsü, yanma odasından veya nozuldan yakıtı buharlaştırmak için atık ısı kullanır (tipik olarak hidrojen veya mehane), bu sonra odaya enjekte edilmeden önce bir türbine yönlendirir. Basitlik ve yüksek güvenilirlik sunar, çünkü mevcut ısı geçişi için dikkatli bir şekilde ısı geçişi gerekir.

Aşamalı Combustion

Bir aşamada yanma döngüsü, yakıt zengin veya o oksitleyici-zengin bir önburner, turbopump'u yönlendiren sıcak gaz üretir; egzoz daha sonra ana yanma odasına enjekte edilir.Bu çok yüksek oda basıncı (>200 bar) ve yüksek özel dürtü sağlar. Sovyet RD-180 ve SpaceX Raptor örnektir. gezegen motorları için, yüksek çözünürlükte motorlara karşı dengeli olmalıdır.

Thrust ve Throttling Gereksinimler

Gezegensel ascent motorlar genellikle geniş bir ton aralığında faaliyet göstermeli. iniş sırasında ( motor da iniş için de kullanılırsa), derin tokuşlama yumuşak bir dokunuş elde etmek için gereklidir. Ascent sırasında, tam itme verimli bir yerçekimi kaybı azaltması gereklidir, ancak throttle-back mürettebat veya ödeme yükü üzerinde hızlandırma sınırları için gerekli olabilir.

Değişken Thrust ve Deep Throttling

En yüksek itmetenin %10 veya daha azına dayanabilecek bir motor tasarlayın, büyük bir teknik engeldir. İndüktör tasarımı düşük akış oranlarında stabil yanmayı sürdürmeli ve pervane besleme basıncı pompalarda cavitasyon motorlarını önlemek için kontrol edilmelidir. Pinch-point termal yönetim sorunları ortaya çıkabilir çünkü soğutma devreleri düşük itmete aşırı ısıtılabilir.

Thrust-to-Weight

Ay'da, yaklaşık 2-3'e kadar bir itki (T/W) oranı, mürettebatı aşırı g-gücüne maruz kalmadan iyi bir ivme sağlamak. Mars'ta, T/W yaklaşık 3-5D baskı yapmak için motorlar hafif bir şekilde optimize edilmelidir.Bir motorun kendisi 50-100'ye sahip olabilir (örneğin, motor, itikatın% 1-2'sini ağırlamak).

Termal Yönetim

Yanmanın yoğun ısısını yönetmek (bazı bölgelerde 3000 °C) hayati önem taşıyor. Ayrıca, motor don veya iç buz oluşumu olmadan bir gezegen gecesi soğuk soak hayatta kalmalı.

Rejeneratif Soğutma Soğutma

Yüksek performanslı motorların çoğu rejeneratif soğutma kullanır: Bu soğutma kanallarının tasarımı kritiktir; çok fazla kez ateş etmek zorunda olan ısıyı absorbe etmek gerekir. Bu ısının ısıtılması (enerji verimliliği) ve duvar ısısını malzeme sınırları içinde tutar.Bu soğutma kanallarının tasarımı kritiktir; sıcak noktalardan kaçınmalıdır ve üniformalı akış dağılımı sağlamalıdır.

Film ve Transpirasyon Soğutma

Son derece yüksek ısı flux alanları için, boğaz bölgesi gibi, film soğutma, ince bir pervanant tabakası enjekte eder veya duvar boyunca ısıtıcı bir bariyer sağlamak için duvar kaplaması kullanır. Transpirasyon soğutması, iki yöntem de ek pervanant tüketiyor, verimlilik azaltır, bu yüzden Mars'ta ascent motor, film soğutması gerekir.

Yalıtım ve Termal Rezitler

Yüzey operasyonları sırasında kaybolan taşıyıcıları önlemek için, tank yalıtım önemlidir. Multi-katlı yalıtım (MLI) battaniyeleri, köpük ve buharlı kalkanlar ek olarak, ısıtıcılar ve dolaşım döngüleri, borunun üzerindeki ısı yönetimi de dahil olmak üzere gerekli olabilir.

Ignition and Reliability

Yeniden başlatamayan bir motor, yüzeyde ölü bir ağırlıktır. Gezegensel ascent motorlar, muhtemelen vakum veya ince atmosferlerde güvenilir bir şekilde ateşlenmeli.

Güvenilir Ignition Systems

Mikotik olmayan pervananlar için, ateşlemeler, şam igniterleri veya piroteknik suçlamaları kullanarak elde edilebilir. Mars'ta, ince atmosfer daha zor ısıtılır; kıvılcım fişleri, daha yüksek gerilimin azaltılmasını gerektirir.

Birden Fazla Yeniden Başlıyor ve Uzun Yurt

Bir ascent motoru sadece bir kez ateş edebilir (örneğin, yüzeyden yörüngeye kadar), ancak bir iniş motoru iniş için birden fazla yan yanarlığa ihtiyaç duyabilir ve sonra yanma odası sert bir başlangıç için aynı motoru kullanan gelecekteki mimariler, aynı motora ve helium purge sistemleri, yan yanaklar arasında çok fazla yeniden başlamalıdır.

Test ve Geçerlilik

Hiçbir miktar simülasyon, birleşik termal, vakum, toz ve azaltılabilen çevreyi tamamen çoğaltamaz. Test, gezegensel görevler için motor gelişimin temel taşıdır.

Vakum ve Soğuk Soak Testi

Motor testleri yakın uzay ortamını simüle eden vakum odalarında yapılmalıdır. Soğuk soak testi, tüm motor montajını krigen sıcaklıklara dahil etmek, sonra onu ateş etmek için ısıtmalıdır.

Toz Ingestion Test

Toza karşı motor bileşenleri, test tesisleri simulant regolith (örneğin, JSC-1A, Martian için MMS-2) Toz hava akışlarına veya doğrudan ingresyon yollarına uygulanır. Motor inlets ve valf arabirimleri tozların reçetmesine veya sızıntıya neden olmaz.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Gezegensel yüzey operasyonları için motorlar tasarlayın ve ascent, Mars ISRU veya stilatif hipergolics for the limitleri iten çok disiplinli bir çabadır, motor belirli görev profiline uygun olmalıdır.Sürekli üretim, seramik kompozitler ve akıllı termal yönetim her iki katı da daha hafif ve verimlidir.