Ένα σύστημα πρόωσης διαστημικού σκάφους είναι τόσο αξιόπιστο όσο ο σωλήνας που μεταφέρει το προωθητικό του. Οι γραμμές τροφοδοσίας λειτουργούν υπό κενό ή μέσα σε χώρο υπό πίεση, πρέπει να επιβιώνουν από τους κραδασμούς και την ακουστική φόρτιση της εκτόξευσης και στη συνέχεια να λειτουργούν σε μηδενική βαρύτητα όπου η συμπεριφορά του υγρού κυριαρχείται από την επιφανειακή τάση και τις τριχοειδείς δυνάμεις. Ο σωλήνας από κράμα που επιλέχθηκε για αυτήν την εργασία πρέπει να συνδυάζει χαμηλή μάζα με χημική συμβατότητα προς το οξειδωτικό και το καύσιμο, στεγανότητα-διαρροής για χρόνια αποθήκευσης και αξιόπιστη συμπεριφορά σε ένα ακραίο εύρος θερμοκρασιών.
Απαιτήσεις Υλικών για Συστήματα Προωστικής Τροφοδοσίας
Η πρώτη προϋπόθεση είναι η συμβατότητα. Οι υπεργολικοί συνδυασμοί με βάση την υδραζίνη ή το τετροξείδιο του αζώτου προσβάλλουν πολλά κοινά κράματα και απαιτούν καθαρές, παθητικοποιημένες, ανθεκτικές στη διάβρωση επιφάνειες, ενώ τα κρυογονικά προωθητικά όπως υγρό οξυγόνο, υγρό υδρογόνο και υγρό μεθάνιο απαιτούν υλικά που διατηρούν την σκληρότητά τους σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Σε αυτό προστίθενται τα όρια μάζας, επειδή κάθε κιλό σωλήνων μετατοπίζει το ωφέλιμο φορτίο και την ονομαστική πίεση, επειδή οι γραμμές τροφοδοσίας βλέπουν την πίεση της πλήρους δεξαμενής συν το σφυρί νερού κατά την ενεργοποίηση της βαλβίδας.
Χημική συμβατότητα με το συγκεκριμένο ζεύγος προωθητικού και οξειδωτικού.
Διατηρήθηκε η σκληρότητα από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος έως την κρυογονική θερμοκρασία.
Υψηλή αναλογία αντοχής-προς-βάρους για περιορισμό της δομικής μάζας.
Διαρροές{0}}σφιχτοί σύνδεσμοι που πληρούν τις προϋποθέσεις για τη διάρκεια της αποστολής.
Χαμηλή εξαγωγή αερίων στο κενό, χωρίς απελευθέρωση σωματιδίων στη ροή.
Επιλογές κράματος και προδιαγραφών
| Υλικό | Τυπική προδιαγραφή | Γιατί επιλέγεται |
|---|---|---|
| Σωλήνας ωστενιτικός ανοξείδωτος 304L και 316L | ASTM A213, ASTM A269 | Γενικές γραμμές τροφοδοσίας και πίεσης, καλή κρυογονική σκληρότητα, εύκολα συγκολλημένες |
| Κατακρήμνιση-σκληρυμένο νικέλιο-σίδηρος-κράμα χρωμίου UNS N07718 | ASTM B637, ASTM B670 | Υψηλή αντοχή με καλή συμβατότητα με πολλά αποθηκευμένα προωθητικά |
| Νικέλιο-χρώμιο-μολυβδαίνιο-κράμα νιοβίου UNS N06625 | ASTM B444, ASTM B705 | Αντοχή στη διάβρωση στην υπηρεσία οξειδωτικού και σε υψηλή θερμοκρασία |
| Νικέλιο-χρώμιο-κράμα σιδήρου UNS N06600 | ASTM B167, ASTM B163 | Αγωγός εξάτμισης θερμού αερίου και στροβίλου γύρω από τον προωθητή |
| Κράμα τιτανίου Βαθμού 5 και Βαθμού 9 | ASTM B338, ASTM B861 | Χαμηλή πυκνότητα για μαζικές-κρίσιμες γραμμές με μη-οξειδωτικά μέσα |
| Σωλήνας από κράμα αλουμινίου 6061 και 2219 | ASTM B241, ASTM B210 | Ελαφριές γραμμές χαμηλής-πίεσης όπου το επιτρέπει η συμβατότητα |
Διάταξη, αρμοί και θερμική καταπόνηση
Η θερμική συστολή μιας κρυογονικής γραμμής τροφοδοσίας σε απόσταση λίγων μέτρων είναι αρκετά μεγάλη ώστε να βλάψει μια άκαμπτα αγκυρωμένη φλάντζα, επομένως οι διαδρομές σπάνε από εύκαμπτα στοιχεία: σχηματισμένες φυσούνες, πλεγμένους εύκαμπτους σωλήνες ή σκόπιμη θηλιά διαστολής. Η δρομολόγηση επιλέγεται για την ελαχιστοποίηση των σημείων περιορισμού και τα στηρίγματα έχουν σχεδιαστεί για να καθοδηγούν τη γραμμή ενώ επιτρέπουν την αξονική κίνηση. Κάθε αλλαγή τμήματος ή κατεύθυνσης αντιμετωπίζεται ως συγκέντρωση τάσης και αναλύεται για κόπωση στο προφίλ θερμικού κύκλου της αποστολής.
Καθαρισμός, Παθητικοποίηση και Έλεγχος Ρύπανσης
Η καθαριότητα είναι μια λειτουργική απαίτηση παρά μια λεπτομέρεια φινιρίσματος. Ο σωλήνας και τα εξαρτήματα για σέρβις οξειδωτών απολιπαίνονται, τουρσί ή ηλεκτρογυαλίζονται, παθητικοποιούνται σύμφωνα με το ASTM A967 και τελικά επαληθεύονται για υπολειμματική μόλυνση χρησιμοποιώντας τις μεθόδους που περιγράφονται στο ASTM G93. Στη συνέχεια, τα εξαρτήματα συσκευάζονται και σφραγίζονται και η συναρμολόγηση πραγματοποιείται με πειθαρχία καθαρού χειρισμού για να αποτρέψει τα υπολείμματα σωματιδίων ή υδρογονανθράκων να φτάσουν στις έδρες της βαλβίδας και στα στόμια του εγχυτήρα.
Δοκιμές προσόντων και αποδοχής
Ο τυπικός χαρακτηρισμός ενός συγκροτήματος τροφοδοσίας πρόωσης περιλαμβάνει δοκιμή πίεσης απόδειξης σε πολλαπλάσιο της μέγιστης πίεσης λειτουργίας, δοκιμή διαρροής μάζας ηλίου-με φασματόμετρο κάθε άρθρωσης, ραδιογραφική ή διεισδυτική χρωστική εξέταση τροχιακών συγκολλήσεων, επαλήθευση ροής και πτώσης πίεσης, δοκιμή δόνησης που αναπαράγει το περιβάλλον εκτόξευσης και το περιβάλλον θερμικής απόδοσης στη δοκιμή κενού. Τα κριτήρια αποδοχής και η τεκμηρίωση συμφωνούνται με τον πελάτη στο στάδιο της αναθεώρησης του σχεδιασμού.
FAQ
Ε: Ποια κράματα ταιριάζουν στις γραμμές τροφοδοσίας υπεργολικών προωθητικών;
Παθητικοποιημένος ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας και κράματα με βάση το νικέλιο-όπως το UNS N07718 ή το UNS N06625 χρησιμοποιούνται ευρέως, με την επιφύλαξη αξιολόγησης συμβατότητας για το συγκεκριμένο ζεύγος καυσίμου και οξειδωτικού και τη θερμοκρασία λειτουργίας κάθε γραμμής.
Ε: Γιατί χρησιμοποιείται το τιτάνιο στις σωληνώσεις των διαστημικών σκαφών;
Το τιτάνιο προσφέρει υψηλή αναλογία-προς-βάρος και καλή αντοχή σε πολλά μέσα, γεγονός που το καθιστά ελκυστικό για μαζικές-κρίσιμες γραμμές. Δεν πρέπει να χρησιμοποιείται με ισχυρά οξειδωτικά όπως υγρό οξυγόνο χωρίς ειδική αξιολόγηση συμβατότητας.
Ε: Πώς ελέγχονται οι θερμικές τάσεις σε μια γραμμή κρυογονικής τροφοδοσίας;
Οι εύκαμπτες φυσούνες και οι πλεκτοί εύκαμπτοι σωλήνες απορροφούν τη συστολή, η δρομολόγηση είναι διευθετημένη ώστε να ελαχιστοποιείται ο περιορισμός και τα στηρίγματα επιτρέπουν στη γραμμή να κινείται αξονικά ενώ εξακολουθεί να αντιστέκεται στον κραδασμό εκτόξευσης.
Ε: Ποιες δοκιμές δείχνουν ότι μια γραμμή τροφοδοσίας είναι στεγανή-;
Κάθε άρθρωση αποδεικνύεται με δοκιμή διαρροής μάζας ηλίου-μετά από δοκιμή πίεσης απόδειξης και το ολοκληρωμένο συγκρότημα επαληθεύεται ξανά-μετά από έκθεση σε κραδασμούς και θερμικό κενό.
Ε: Η μηδενική βαρύτητα αλλάζει το σχεδιασμό του σωλήνα;
Ναί. Χωρίς άνωση, το αέριο και το υγρό διαχωρίζονται ανάλογα με την επιφανειακή τάση και τα τριχοειδή φαινόμενα, έτσι οι γραμμές έχουν μέγεθος και δρομολόγηση έτσι ώστε η πλήρωση, η αποστράγγιση και η καθίζηση του προωθητικού να συμπεριφέρονται προβλέψιμα.
