Виклики в Пропелантному зберіганні для космічних цілей

Стовбурові пропеленти для довгої космічних місій передбачає комплексний набір інженерних глухих. За рахунок очевидної необхідності запобігання витоків і вибухів, космічне середовище та#8212;загальнений мікрогравітністю, екстремальним тепловим велосипедом і високою радіаційною та#8212;помагає рішення далеко за межами наземного бакалавра. Найпоширенішим кріогенними пропелентиками—рідкий водень (LH2), рідкий кисень (LOX), і рідкий метане (LCH4)—поглиблення точок і схильні до зварю, якщо не вдалося завершити космічного апаратуруйнів, якщо його не вдалося без можливості.

Управління флейдомом мікрогравітності

У мікрогравітності рідкі пропеленти не розсмоктуються на дні бака, як вони б на Землі. Замість поверхневих переважань напруги, створення непередбачуваних рідинних розподілів, які можуть зірвати двигуни пропеланту або викликати скош індуковані нестабілості. Інженери розробили позитивні вибухові сечоводи, діафрагми танки, обертаючи або центрифугальні системи для підтримки стабільного рідко-порошкового інтерфейсу. Останні дослідження зосереджені на використанні ультразвукових або електростатичних сил для управління утворенням крапель і загартуванням пар при опіках двигуна.

Термоменеджмент і Boil-Off

Навіть при пасивній багатошаровій ізоляції (MLI), теплові витоки від сонячної радіації та космічної електроніки викликають кріогени для випаровування. Типовий резервуар LH2 втрачає 1–3% від його маси в день через кипіння в низькоземному орбіті. Активні системи охолодження, керовані механічними кріоолами або термоелектричними пристроями, можуть перехоплювати тепло, перш ніж він досягає пропелента. Системи Zero-boil-off (ZBO), які об'єднують теплопровід з закритим циклом охолодження, були продемонстровані в наземних випробуваннях і зараз використовуються пара-холоджені щити, де вентиляційний газ додатково змішують теплові, щоб теплові втрати.

Зниження викидів та деградація пропелантних речовин

Космічні промені та сонячні енергетичні частинки можуть розбити складні вуглеводні в міцних гіперголічних пропелюстах (наприклад, гідразин, ГМО) і може викликати радіолітичну декомпозицію в кріогенних рідинах. Хоча ефект на LH2 і LOX мінімальний, стійких пропелющувачів, які використовуються для тягарок і землевласників може постраждати від газогенерування і в'язкості. Розширені щитовидні композити —наприклад, водневі полімери або металеві гідради — не тільки захистити екіпаж, але і щитові резервуари. В-влі можуть виявити забруднення.

Інноваційні технології зберігання

Останні досягнення в галузі матеріалів науки, теплотехніки та динаміки рідин дозволяють пропелантні рішення для зберігання, які розглядаються непрактично протягом десятиріччя тому. Ці технології безпосередньо підтримують місію, Марс та глибокі місця призначення.

Системи управління риогенними флюїдами (CFM)

Cryogen Fluid Management програма є першоджерело інтегрованих систем, які об'єднують ізоляцію, активне охолодження, контроль тиску та пропелантний передач у мікрогравітності. Ключовим проривом є розробка термодинамічної системи вентиляційних (TVS), яка випускає невеликі кількості газоподібних пропелентних для контролю тиску танку без рідини. Концепція ТВС перевіряється на майбутній місії Артемі, де система з'їзду людини (HLS) повинна зберігати кріогени протягом тижнів на місячній поверхні, незважаючи на денну / нічні перепади температур більше 250°C.

Zero-Boil-Off Кріогенні резервуари

Технологія Zero-boil-off (ZBO) використовує кріокер для вилучення тепла від пропеланту за швидкістю, рівній або перевищеній тепловій витоку, зберігаючи рідину при постійній температурі і тиску. Результат: не пропелантний не вдається до простору. Найбільша система ZBO протестована на сьогоднішній день є MegaFlex Cryo концепція, яка продемонструвала 20 кВт-клас охолодження для пропелантного депо. При парі з розширеними MLI і пароізольованими щитами, ZBO дозволяє в певних сховищах кріогенів у LEO, що дозволяє пропелючущити депоти та заправи.

Розширені резервуари для компонування

Композитний перевантажений тиск суден (COPVs) давно використовується для зберігання високопресових газів (наприклад, гелюм для пресуризації резервуарів). Тепер всі композитні кріогенні резервуари є кваліфікованими для рідинних пропелювань. Стара практика SpaceX використовує структуру нержавіючої сталі, але багато досліджень показують, що вуглецеве волокно армовані полімер (CFRP) баки зменшують масу на 30-40% порівняно з алюмінієво-літійними сплавами. Airbus Cryotank використовує вкладиш, виготовлений з термопласту, щоб запобігти мікрокристалі [FLT[FLT[FLT[FLT]

Управління магнітними та електростатичними засобами

У мікрогравітації магнітне ураження може позиціонувати пропелант без механічного контакту. Рідке кисневе - парамагнітне, тому сильні надпровідні магніти можуть захоплювати і контролювати LOX крапель або бульбашок. Для електрично ізоляційних рідин (LH2, LCH4), електростатичні поля можуть викликати поляризацію і створити діелектрофорелектричні сили. Ці методи обіцяє зменшити шишки, полегшують рухову забір, і дозволяють швидко пропелантний передачу між резервуарами без регулюючих тягарок.

Пропелантні депо і заправка на замовлення

Земля, орбітальні депои можуть перезаправити космічних апаратів після досягнення орбіти, різко зменшуючи стартову масу і дозволяють високоΔv місії. Концепція спирається на можливість зберігати кріогени протягом місяця в депо, після чого перенести їх ефективно до отримання транспортного засобу.

Демонстраційні місії

Rapid ( Архітектура заправки для пропелантної ін-орбітної демонстрації) розроблена невеликим супутником для демонстрації передачі кріогенних пропелювань в мікрогравітності. SpaceX Starship Архітектура залежить від орбітального заправки: варіант танкера передасть до 100 тонн рідкого кисню і метану до вильоту Starship до нього голови Марсу. Досягнення цього вимагає розв'язання не тільки зберігання, але і передачі рідини з мінімальним втратом і забрудненням.

Управління теплом під час передачі

Передача кріогенної рідини між резервуарами в космосі вводить двофазний потік і термо стратифікація. Останні дослідження використовує поєднання без насосних систем тиску і активного охолодження приймального бака для запобігання випаровування спалаху. Спрей барів і форсунок умова вхідної рідини, щоб уникнути теплового удару. NASA Glenn Research Center показали, що ретельно спроектована лінія передачі з спеціально сформованою насадкою може зменшити кипіння при переведенні до 2% загального обсягу.

Зберігання на Місяці та Марсі

Довгий термін місії видобуть пропеленти з місцевих ресурсів (ІСРУ). На Місяці водні відкладення на стовпах можуть бути електролізовані в водне і кисневе; на Марсі атмосфера забезпечує вуглекислий газ, який може перетворюватися в метану і кисневий. Стовпуючи ці пропеленти на поверхні, позбавляє від унікальних проблем через пил, температурні екстремальні і низьку тяжіння.

Камера зберігання багажу

На місячних поверхнях відчувається 14 Зимово-днівих періодів з температурами, як низько, як -180°C. Пасивний тепловий контроль є складним, тому активні кріоолери будуть потрібні для збереження LOX і LH2 від кипіння. Одна інноваційна концепція використовує regolith як теплова маса: збиті резервуари під декількома метрами місячного грунту, що їх ізольовані і зменшує необхідну охолоджуючу потужність за замовленнями величини. Експерименти з Artemis III] землевласник перевірить невеликий масштаб закопаний кріогенний резервуар.

Марс Пропелант зберігання

Мартинська атмосфера (95% CO2) може бути оброблена за допомогою твердого оксиду електролізу, щоб виробляти кисневий і вуглецевий оксид. Однак зберігання отриманого рідких киснем і метану на Марсі навколишнього тиску (близько 6 бар) вимагає резервуарів, які можуть витримати великий тиск диференціально, при мінімізації маси. Вивчено тонкі алюмінієві резервуари з внутрішніми веб-сайтами і композитні переверпруження. Ще один підхід: зберігати пропеленти як щільні надкритичні рідини при помірних тисках, знижуючи обсяг резервуарів і вимоги до ізоляції.

Прямі напрямки та пріоритети досліджень майбутнього

Як космічні агентства та приватні компанії, які підштовхують до стійоких операцій за межами орбіти Землі, технологія пропелантного зберігання буде продовжувати розвиватися. Основні напрямки за наступний декап:

  • Високотемпературні надпровідні кріоолери, які працюють на 77 K або вище, знижуючи потужність, необхідну для систем ZBO.
  • Селф-зварювальні композитні танки з вбудованими мікрокапсулями, які ремонтують мікро-краки, викликані термічним вело.
  • Автономний менеджмент рідини AI, який прогнозує пропелантний шиш і регулює тиск резервуара в режимі реального часу за допомогою сенсорних масивів.
  • Виявлення витоку на основі очистки , що може визначити протікання люків в стінках резервуара або зварних зварних зварних зварних зливів.
  • Мультифункціональні конструкції, які об'єднують стінки бака з радіаторними панелями та теплозахисними щитами для збереження маси.

Ці нововведення будуть критичні не тільки для екіпажних місій до Місяця і Марса, але і для роботизичних розвідок зовнішньої сонячної системи, де тривалість зберігання пропелантних складів буде простягуватися протягом декількох місяців, а не місяців.

Висновок

Передові технології, що пропелантних накопичувачів, викладені тут, є перетворення бачення довгострокових космічних місій в інженерну реальність. Від нульових кріогенних танків до композитних суден тиску та управління магнітною рідиною, кожен прорив адрес конкретний режим збій, який має історично обмежену тривалість місії. Поєднання з внутрішньо переміщеними та системами ISRU, ці технології дозволять космічних апаратів здійснювати пропелент, необхідний для круглих поїздок до Марса, встановити постійний місячний депо, а в кінцевому підсумку венчурний в зовнішній планет. Наступного десятиліття льотних випробувань на програмі Артеміс, Старства та інші платформи будуть втілювати ці системи в реальному середовищі, що людські шляхи для людя.