空间飞行任务推进剂储存方面的挑战

长期空间飞行任务的推进剂的储存涉及一系列复杂的工程障碍。 除了显然需要防止泄漏和爆炸外,空间环境的QQ8212;由微重力、极端热循环和高辐射XX8212所描述的特征;要求的解决方案远远超出地面油罐。 最常见的低温推进剂XX8212;液态氢(LH2)、液态氧(LOX)和液态甲烷(LCH4)X8212;沸点低,容易发生沸腾损失,如果得不到认真管理,航天器就可能无法完成任务。

微重力流体管理

在微重力中,液体推进剂不会像地球上那样沉淀在罐底,而是表面张力占主导地位,造成无法预测的液体分布,使推进剂发动机饿死或造成散失引起的不稳定。 工程师们开发了正排卵膀胱、隔膜槽、旋转或离心沉淀系统,以维持稳定的液体蒸汽界面。 最近的研究侧重于利用超音速或静电力控制发动机燃烧时的液滴形成和蒸汽吞噬。

热管理和锅炉

即便有被动的多层绝缘(MLI),太阳辐射和航天器电子产生的热泄漏也会导致低温。 一个典型的LH2槽由于低地球轨道的沸腾而每天损失1-3 % 。 由机械低温器或热电装置驱动的主动冷却系统可以在进入推进器之前拦截热量。 零气压关闭系统与闭路冷却循环相结合,在地面测试中已经证明,现在正在扩大飞行规模。 使用蒸气冷却罩,在储物箱周围排气,吸收热,进一步减少损失。

辐射损害和推进剂降解

宇宙射线和太阳能粒子可以分解储存的超液态推进剂(如氢 ⁇ ,MON)中的复合烃类,并可能在低温液体中诱导放射性解析. 虽然对LH2和LOX的影响很小,但用于推进器和着陆器的可储存推进剂可能会受到气体生成和粘度变化的影响. 高级屏蔽复合材料 + 8212;例如富氢聚合物或金属氢化物 → 8212;不仅保护机组人员,而且还保护推进剂罐. 通过光学传感器进行现场监测可以在损害发动机性能之前检测污染.

创新存储技术

近期跨材料科学、热工程和流体动力学的进步使得推进剂储存解决方案成为了十年前被认为不切实际的。 这些技术直接支持了对月球、火星和深空目的地的飞行任务。

低温流体管理系统(CFM)

美国航天局的Cryogenic Fluid Management[方案正在开创结合绝缘、主动冷却、压力控制和微重力推进剂转移的综合系统。 一个关键突破是开发热力学喷气口系统(TVS),释放少量气体推进剂以控制罐体压力,而不浪费液体。 TVS的概念正在即将到来的阿尔特米斯飞行任务中测试,人类着陆系统(HLS)必须储存低温剂,在月球表面储存数周,尽管温度波动超过250°C。

零沸油-Off 低温罐

零沸腾(ZBO)技术使用低温器从推进剂中提取热量,其速度等于或超过热漏,使液体保持在恒温和压力下,结果:没有推进剂向空间排出,迄今为止测试的最大ZBO系统是 MegaFlex Cryo[概念,它为推进剂仓库演示了20千瓦级的冷却,ZBO与先进的MLI和蒸汽冷却防护罩配对后,允许无限期地热源在低温层中储存,从而能够建立推进剂仓库和轨道加油。

高级复合坦克

复合性超包装压力容器(COPV)长期以来被用于高压气体储存(例如,用于罐体加压的氦气 ) 。 现在,所有复合低温罐都有资格进行液体推进剂。 SpaceQs Starship使用不锈钢结构,但许多研究表明碳纤维强化聚合物(CFRP)罐与铝-锂合金相比将降低30-40%。 Airbus Cryotank 使用一种用热塑性制成的衬垫,以防止微量加热循环,而NAS的复合低温罐方案在低温下成功地测试了5.5米的储油罐。

磁力和电静力推进剂管理

在微重力中,磁悬浮可以不机械接触地定位推进剂. 液态氧是准磁性,因此强超导磁性可以陷阱和控制LOX液滴或气泡. 对于电绝缘液(LH2,LCH4),静电场可以诱导极化并产生死电力. 这些技术可以减少散射,简化发动机摄入,并且可以在罐体之间快速推进剂的转移而无需安放推进器.

推进器点和轨道加油

轨道仓库不是从地球发射所有推进剂,而是可以在航天器到达轨道后为其加油,大幅降低发射质量,并促成高QQV飞行任务。 这一概念依赖于在仓库储存低温剂数月的能力,然后有效地将其转移给接收器。

示范特派团

美国航天局的 Rapid(推进剂在轨演示的加油结构)方案正在研制一颗小型卫星,以证明微重力中低温推进剂的转移。 SpaceX星舰[ 的构造取决于轨道加油:油轮变体将在驶往火星之前将多达100吨的液氧和甲烷转移给驶离的星舰。 要实现这一点,不仅需要解决储存问题,还需要解决流体转移问题,同时尽量减少损失和污染。

转移期间的热量管理

空间罐体之间的低温流体转移引入了两相流体和热分层. 最近的研究利用泵压充气系统和接收罐的主动冷却式混合来防止闪光蒸发. 喷雾棒和注射器对流入的流体进行条件化以避免热休克. NASA Glenn研究中心[ 证明精心设计的带有特殊形状喷嘴的转移线在转移时可以将沸腾量降低到总体积的2%以下.

月球和火星上的内侧推进器存储器

长期任务将从当地资源(ISRU)中提取推进剂. 月球上,极点的水沉积可以电解成氢和氧;火星上,大气中提供二氧化碳,可以转化为甲烷和氧. 将这些推进剂储存在表面会由于尘埃,温度极端,重力低而带来独特的挑战.

月球推进剂存储器

月球表面经历14个地球日长的夜晚,温度低至-180°C. 被动热控制很困难,因此需要主动低温器来防止LOX和LH2的沸腾. 一个创新的概念使用Regolith作为热量:将罐体埋在月球土壤的几米下,使其绝缘,并按数量级降低所需的冷却力. Artemis III 着陆器的实验将测试一个小型埋藏低温罐.

火星推进剂存储器

火星大气(95%CO2)可以通过固体氧化物电解处理生成氧气和一氧化碳,然而,在火星环境压力(约6毫巴)中储存所产生的液氧和甲烷需要能够承受大的压力差同时又能将质量最小化的储罐. 薄壁铝储罐内网和复合材料覆盘正在研究中. 另一种方法:将推进剂储存为密度中等压力的超临界液体,降低储罐体积和绝缘要求.

未来方向和研究优先事项

随着空间机构和私营公司推动在地球轨道以外开展持续作业,推进剂储存技术将继续发展。

  • 高温超导低温管[,运行在77K或更高,降低了ZBO系统所需的功率.
  • 自愈复合罐,内嵌微盖,用于修理热循环引起的微架.
  • 自主流体管理AI,它预测推进剂的散射,并使用传感器阵列实时调整罐体压力.
  • 激光基漏泄探测,可以识别罐墙或电焊在米外的漏泄.
  • 多功能结构,将罐体壁与散热板和热盾结合,以节省质量.

这些创新不仅对前往月球和火星的乘员飞行任务,而且对外太阳系的机器人探索都至关重要,因为推进剂储存时间将持续到数年而不是数月。

结论

此处概述的推进剂储存技术的进步正在将长期空间飞行任务的愿景转化为工程现实。 从零沸空低温槽到复合压力容器和磁流管理,每个突破都解决了历史上任务期限有限的特定故障模式。 这些技术与在轨加油和ISRU系统相结合,将使航天器能够携带回火星飞行所需的推进剂,建立永久性月球仓库,并最终进入外行星。 下一个十年阿尔特米斯计划、星舰和其他平台的飞行试验将在真正的空间环境中验证这些系统,为人类下一个巨大的飞跃铺平道路。