Nozzle boğaz erozyonu, sıvı ve sağlam roket motorlarını etkileyen en kritik bozulma mekanizmalarından biridir. Boğazın en dar kesiti - yakın olmayan bir nozulasyon sistemlerinin en şiddetli ısı, kimyasal ve mekanik yüklerin operasyon sırasındaki en büyük anlayışı, boğaz geometrisinde küçük değişikliklerden biridir, bu makale, doğrusal olmayan erozyonun sonuçlarını ve kısa bir şekilde değiştirebilir.

Nozzle Throat Erosion Nedir?

Nozzle boğaz erozyonu, en küçük çapındaki nozul yüzeyinin materyalin geri çekilmesidir.Gürücük gazların oğlu hıza ulaştığı, kitlesel akış oranını motor üzerinden yöneten bir akış koşulu yaratır. Çünkü boğaz deneyimlerinden en yüksek ısı flux - büyük 5-10 MW/m2 büyük motorlarda - ve aşırı reaksiyona maruz kalır - ve aşırı reaksiyona maruz kalır.

Erosion

Termokimyasal erozyon genellikle motorlarda bulunan baskın mod, hidrokarbon veya hidrojen yakıtları yakıyor. Yüksek sıcaklık yanma gazları H2O, CO2, O2 ve OH radikalleri. 3000 K üzerindeki sıcaklıklarda, bu tür nozlu duvar materyali ile tepki verir - birincil erozyon kanaldır, karbon-karbon bileşikleri veya rerakter metaller - gaz akışı tarafından uzaklaştırılan uçucu ürünler. Örneğin, karbon bazlı nozullar, reaksiyon C + H2O → CO + H2 birincil erozyon kanalıdır.

Mekanik erozyon sağlam veya sıvı parçacıklar (örneğin, alüminyum oksit, sağlam pervantlardan veya yanan karbondan damlacıklar) boğaz yüzeyinden gelen erozyonu engelleyebilir.Bu parçacıklar duvarı mikro-kesinme veya katı roket motorlarına neden olabilir.

Yüzey ısıtımı, alt yüzey gözeneklerinin hızlı genişlemesi veya aşırı ısınıcıların aşırı ısıtılması ile sonuçlanır. Yüzey ısıları neredeyse anında ateşleme sırasında, alt malzeme daha serin kalır, sıkıştırılabilen veya çiplemeye neden olabilir.Bu mekanizma özellikle seramik veya seramik-lined nozullarda önemlidir.

Erosioniyonunu Hızlayan Faktörler

Çeşitli işletim ve tasarım parametreleri erozyon oranları artırıyor:

  • [FONT=0]Combustion sıcaklık ve baskı: Yüksek oda basıncı, ısı flux'ı boğaza yükselterek, yüzey sıcaklıklarını ve reaksiyon oranlarını yükseltmektedir.
  • [FONT:0)O oksiter-to-yakı oranı: Yakıt zengin karışımları oksitlenmiş türlerin konsantrasyonunu azaltır ve daha düşük erozyona uğrayabilir, stoichiometrik veya oksitleyici-zengin karışımlar termokimyasal saldırıyı hızlandırır.
  • [FONT:0)Propellant kimyası:[Dönetici: 0,4][/FONT=0)Propellant kimyası:[[Dönetici:0)) Propellants klor veya fluorine formu içeren percok yanma ürünleri. Örneğin, ammonium perchlorate kompozit perches percheslorenseritler birçok nozul malzeme ile agresif bir şekilde tepki verir.
  • [FONT:0]Nozzle malzeme özellikleri:[Dönetici: [Dönetici:0] Düşük termal iletkenlik, yüksek reflektiflik ve zayıf oxidasyon direnci tüm daha hızlı erozyonu teşvik eder. Tersine, yüksek sublimasyon sıcaklıkları ve düşük katalitik aktivite ile malzemeler maddi kaybı azaltır.
  • [FONT:0)Burn süresi ve döngü sayısı: Uzun tek yakıcı ve çoklu termal döngüler (yıldızlı motorlar) boğazı, sönük olarak erozyonu hızlandıran yorgunluk çatlakları tanıtmak için boğazı ortaya koyar.

Motor Performansı Üzerine Etkileri

Boğaz erozyonunun acil sonucu boğaz çapında bir artıştır. Çünkü bir koltuğrul nozul oranı boğaz bölgesinde, daha büyük bir boğaz belirli bir oda basıncı için motor yoluyla akışa yol açar. Ancak, motor turbopump veya yem sistemi ek pervanant tedarik edemez, baskı odasındaki baskıya neden olur.Bu düşüş, değişen genişleme oranıyla birlikte, birkaç birbirine bağlı performans cezalarına yol açar.

Az önce Thrust

Thrust, kitlesel akış oranı ve etkili egzoz hızı ürünü tarafından verilir. Boğazın enlar olarak, boğazın genişlemesi oranı (kısırlık geometrisi tarafından bölünmüş) aynı zamanda modifiye edilmedikçe azalır.Daha düşük bir genişleme oranı, egzozun tamamen genişlediği veya daha uzun bir şekilde yanması anlamına gelir.

Alternatif olarak

Özel dürtü (I)[Dönetici: 0) ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ]

Artan Yakıt Tüketimi

Alt I)sp[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ: 0)[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ) , Aracın daha fazla pervane veya yakıcı cezalar için, ücret yüklerinin ekonomik faydalarını sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık

Nozzle Flow ve Heat Transfer'teki Değişiklikler

Boğaz profili değişiklikleri olarak, yerel Mach numarası ve sınır tabakası özellikleri değişir. Erosion genellikle daha kademeli bir boğaz yarığı yaratır, erozyonun gradyanını azaltır ve süpersonik ısı geçişinin 20-40'a kadar ısı transferini artırabilir, potansiyel olarak sıcak noktalara ve daha da hızlandırıcı bir erozyonu geri döndürür. C ⁇ sıvı dinamikleri (CFD) erozyonun sonucu yüzeysel ısı geçişinin konvektif ısı geçişinin artabileceğini gösterir.

Motor Lifespanya Etkisi

Nozzle boğaz erozyonu doğrudan yanları sınırlandırır ve toplam yakılan bir motor yeniden çekilme veya değiştirilmesi gerekmeden önce dayanamaz.For expendable engines, erozyon tek bir uçuş için kabul edilebilir sınırları içinde kalmalıdır. Yeniden kullanılabilir motorlar için, denetim aralığı ve emeklilik için toplam döngüleri belirler.

Premature Engine Başarısızlık

Şiddetli erozyon birkaç şekilde yapısal başarısızlıklara yol açabilir. Boğaz duvarı kritik bir değer altında incelerse, iç baskı, nozulları rupture'ye neden olabilir. Alternatif olarak, yerelleştirilmiş erozyon, duvar üzerinden sıcak-gaz yolu yaratabilir, serinlemez kanallardan (örneğin, soğuk algınlığından) veya yanma gazlarının düğümüne izin verebilir.[TDönergesiz 5 Uçuş 501) Katı roket motorlarında, boğaz erozyonu, potansiyel olarak felaket motor başarısızlıklarını kaybetmesine neden olabilir.

Artan Bakım Maliyetleri

Reusable motorlar, Falcon 9 veya gelecekteki Raptor motorlarında olduğu gibi, boğaz erozyonunu ölçmek için posta ışığı incelemeleri gerekir. Birçok durumda, noktr hattın değiştirilmesi veya tamir edilmesi gerekir (bazı sayıda uçuştan sonra herhangi bir miktar sıvı-zirkonyum alaşımı), yüksek operasyonel maliyetler nedeniyle her birkaç uçuş değiştirildi.

Sınırlı Misyon Süresi ve Yeniden Başlanabilir

Şiddetli erozyona sahip motorlar güvenli bir şekilde yeniden başlatılamaz, çünkü değişen akış ve termal profil, erozyon limitleri içinde kalmak için zaman ayırabilir ve bu nedenle şarj edilebilir.

Ölçme ve İzleme Teknikleri

erozyonu yönetmek için mühendisler hem zemin testlerine hem de ışık izlemelerine güveniyorlar. Geliştirme sırasında, motorlar daha önce ölçülen ve her testten sonra ölçülen boğaz çapı ile genişletilmiş hava atışları ile karşı karşıya kalıyorlar. Bugün, temassız yöntemler yüzeyleri rahatsız etmekten kaçınmak için tercih edilir.

Muayene Yöntemleri

  • [FONT=0)Laser profilometri:[Dönetici:[Dönetici: 0) Bir lazer tarayıcısı, pre- ve post-fire geometrisinin doğrudan karşılaştırmasına izin verir.
  • [FONT:0)X-ray tomografi (CT): [DD boğazın 3D iç görüşlerini sağlar, önceki felaket erozyonu ortaya çıkarır.
  • [FONT:0)Boresko Görüntüleme: [Döngörüler için uçuşlar arasında kullanılır, ancak sadece yüzey durumunu ortaya çıkarır.
  • [FONT:0]Erosion tanıkları: Küçük malzeme örnekleri, ateşten sonra çıkartılabilir ve analiz edilebilir Boğaza yakın yerleştirilen Boğaza yakın.

Gerçek Zamanlı Erosion Sensörleri

İnce film termo çiftleri veya fiber optik erozyon sensörleri gibi gömülü sensörler, son yıllardaki yüzey geri çekilmelerini ölçmek için geliştirilmektedir. Sıcaklık profillerinde veya optik yansımalarda değişiklikler tespit ederek, bu sensörler, aktif kontrol veya erken kapanmayı sağlayabilir.

Mitigation Strategies

Kontrollü noksan boğaz erozyonu, malzeme bilimi, soğutma tasarımı ve işletim durumu yönetimi gerektirir. Tek bir çözüm erozyonu ortadan kaldırır, ancak kombine stratejiler kabul edilebilir seviyelere azaltabilir.

Gelişmiş Malzemeler Gelişmiş Malzemeler

Malzeme seçimi savunmanın ilk hattıdır. Yüksek sıcaklık rerakter metaller (t Morgan, molybdenum) yüksek erime noktalarına sahiptir, ancak karbon- ⁇ (C/Silik-karbon kompozitleri, düşük yoğunluk ve mükemmel ısı şok direnci ile, sağlam roket nozullarında yaygın olarak kullanılır, ancak yüksek çözünürlükte kaplamalar gerekir.CMC) Karbon-Sigaralar (C/Sigaralar) veya silikon-ışınları (C/SiC) gibi, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte kullanılır.

Rejeneratif ve Film Soğutma

Rejeneratif soğutma yakıtı veya oksidasyon olmadan kanal üzerinden yakıt veya oksiter, enjeksiyondan önce, duvar ısılarını düşürmek ve termokimyasal reaksiyon oranlarını azaltmak. sıvı motorlarda, serin akış RS-25 (SSME) ve BE-4 gibi yüksek performanslı motorlarda önemli olabilir.

Geometric Optimizasyon

Nozzle kondu tasarımı, yerel ısı flux ve parçacık çekme açılarını kontrol ederek erozyonu etkileyebilir. Contoured (bell) En uygun Boğaz eğrileri ile optimize edilmiş boğaz eğriliği, basit konik tasarımlarla kıyaslanmış ısı transferlerini azaltır. Son hesaplama çalışmaları, biraz eliptik bir boğaz kesitinin ikincil akış kalıpları değiştirerek erozyonu azaltabileceğini önerir, ancak bu konsept erken araştırma aşamalarında kalır.

Operasyonel Mitigation

  • [FONT:0)Redüktör Oda basıncı kritik aşamalarda: Throttling down during ascent can lower hot flux, but this must be consistent against performance needs.
  • [FONT:0)Propellant kompozisyon düzenlemeleri: erozyon-inhibit katkı maddeleri (örneğin, küçük miktarda silikon veya boron katı pervanantlar) boğazda koruyucu bir tabaka oluşturabilir.
  • [FONT:0) döngüsü başına gelen yanma süresi: Daha kısa yanlılarla tasarım görevleri ve kıyı aşamaları, sefillerin serinlenmesine, kümülatif termal yükü azaltmasına izin verir.

Erosion'un modellemesi ve Prediction of Erosion

Tahmin edici modeller tasarım ve yaşam yönetimi için önemlidir. Erosion modelleri tipik olarak yüzey reaksiyonları için son derece karmaşık dinamikleri (CFD) kimyasal kinetiği ve malzeme yanıtı ile ilgilidir.En yaygın kullanılan yaklaşım, Reynolds tipi Navier-Stokes (RANS) Test verileri için geçerli olan denklemleri içerir, çünkü yüzeysel reaksiyonları için son derece hassastır ve karbon bazlı malzemeler için tekrarlanabilir.

Erosion Modeling'deki Zorluklar

  • [FONT:0]Turbulent sınır tabakası kimyası: Boğaz etkilerine bağlı olarak, ancak türbülan modeller genellikle ayrı veya yeniden dolaşım akışlarında sabitlenir.
  • [[Malzeme:0)Malzeme mülkiyet belirsizlik:[Dönetici, termal iletkenlik ve oksidasyon oranları üretim toplu ve ısı tedavisi ile değişir.
  • [FONT:0] Mekanik ile Coupling:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici ile birlikte hareket etmek;[Dönetici:0)[Döneticiler ile birlikte olmak;[Dönetici:[Dönlenmedikallik: 1 ) Stresli ürperasyon henüz erozyon modellerine tamamen dahil değildir; araştırmacılar ampirik güvenlik faktörlerine güveniyor.

Vaka Çalışmaları: Bilinmeyen Motorlarda Erosion

Uzay Servisi Main Engine (RS-25)

SSME'nin nozul boğazı, uzay aracının 135 uçuşundan itibaren, boğaz erozyonu, nozul segmentlerinin erken değiştirilmesine yol açtı. Erosion oranları genellikle 8 dakika boyunca 0.1-0.3 mm idi.

SpaceX Merlin 1D

Merlin 1D, bir niobium alaşım nolu uzatma ile bir gaz-jenere döngüsü kullanıyor ve yüksek sıcaklıklı boğaz eki. Erosion karışım oranı ve rejeneratif soğutmanın kesin kontrolünün üstesinden geliyor. Uçuş verileri –özellikle de erozyonun gerekli olduğu 10-20 uçuşa kadar yeniden kullanılabilir sınırların içinde kalması gerekiyor.

Ariane 5 Solid Rocket Alerts (EAP)

Ariane 5'in büyük sağlam destekçisi, gelecekte sağlam motor tasarımları için erozyon modellerinin geçerlileştirilmesi için kalın bir çizgi gerektiren bir fikre sahip.

Future Yol Tarifi

Gelişen malzemeler ve üretim teknikleri, boğaz erozyonunu daha da azaltma konusunda söz verir. Katkılı üretim (3D baskı) fonksiyonel olarak derecelendirilmiş malzemeler yaratılmasına izin verir - örneğin, daha hafif bir seramik matris tarafından korunan bir elektronik-zengin boğazlama modelleri - bu da ısı ve kimyasal direnç sağlar.

Uzay lansmanı daha ticari hale gelir ve yeniden kullanılabilirlik standart hale gelir, kontrol noksan boğaz erozyonu en üst mühendislik önceliği olarak kalacaktır. malzeme maliyeti, soğutma sistemi karmaşıklığı ve motor performansı, erozyonun arkasındaki bilimi anlamak ve ileri araçları uygulamak için, işletme maliyetlerini azaltabilir ve elde edebilecekleri şeyin sınırlarını zorlayabilir.