Pogonski sustav svemirske letjelice pouzdan je onoliko koliko su pouzdane cijevi koje nose njegovo pogonsko gorivo. Napojni vodovi rade pod vakuumom ili unutar tlačne komore, moraju preživjeti vibracije i akustično opterećenje lansiranja, a zatim rade u nultoj gravitaciji gdje ponašanjem tekućine dominiraju površinska napetost i kapilarne sile. Cijev od legure odabrana za ovu dužnost mora kombinirati malu masu s kemijskom kompatibilnošću prema oksidansu i gorivu, nepropusnost-tijekom godina skladištenja i pouzdano ponašanje u ekstremnom temperaturnom rasponu.
Zahtjevi za materijale za sustave napajanja pogonskim gorivom
Prvi uvjet je kompatibilnost. Hipergolične kombinacije temeljene na hidrazinu ili dušikovom tetroksidu napadaju mnoge uobičajene legure i zahtijevaju čiste, pasivizirane, -otporne površine, dok kriogeni pogonski plinovi kao što su tekući kisik, tekući vodik i tekući metan zahtijevaju materijale koji zadržavaju svoju žilavost na vrlo niskim temperaturama. Tome se dodaju ograničenja mase, jer svaki kilogram cjevovoda istiskuje korisno opterećenje, i nazivni tlak, jer dovodni vodovi vide puni tlak u spremniku plus vodeni čekić pri aktiviranju ventila.
Kemijska kompatibilnost sa specifičnim parom pogonskog goriva i oksidatora.
Zadržana žilavost od sobne do kriogene temperature.
Visok omjer čvrstoće-i-težine za ograničenje strukturne mase.
Nepropusni-spojevi kvalificirani za trajanje misije.
Nisko ispuštanje plinova u vakuumu, bez otpuštanja čestica u protok.
Legura i opcije specifikacija
| Materijal | Tipična specifikacija | Zašto je odabran |
|---|---|---|
| Austenitna nehrđajuća cijev 304L i 316L | ASTM A213, ASTM A269 | Opći dovodni i tlačni vodovi, dobre kriogene žilavosti, lako zavareni |
| Precipitacijom-očvrsnuti nikal-željezo-legura kroma UNS N07718 | ASTM B637, ASTM B670 | Visoka čvrstoća s dobrom kompatibilnošću s mnogim pogonskim plinovima koji se mogu skladištiti |
| nikal-krom-molibden-legura niobija UNS N06625 | ASTM B444, ASTM B705 | Otpornost na koroziju u radu s oksidansom i na povišenoj temperaturi |
| Legura nikla-kroma-željeza UNS N06600 | ASTM B167, ASTM B163 | Vrući plin i ispušni kanal turbine oko potisnika |
| Legura titana Grade 5 i Grade 9 | ASTM B338, ASTM B861 | Niska gustoća za mase-kritične linije s-medijima bez oksidansa |
| Cijev od aluminijske legure 6061 i 2219 | ASTM B241, ASTM B210 | Lagani nisko{0}}tlačni vodovi gdje to kompatibilnost dopušta |
Raspored, spojevi i toplinsko naprezanje
Toplinska kontrakcija kriogenog dovodnog voda preko nekoliko metara dovoljno je velika da ošteti kruto usidrenu prirubnicu, tako da su kanali prekinuti fleksibilnim elementima: oblikovanim mijehom, pletenim savitljivim crijevima ili namjernom ekspanzijskom petljom. Usmjeravanje je odabrano kako bi se minimalizirale točke ograničenja, a oslonci su dizajnirani da vode liniju dok dopuštaju aksijalno pomicanje. Svaka promjena presjeka ili smjera tretira se kao koncentracija naprezanja i analizira se na zamor tijekom profila toplinskog ciklusa misije.
Čišćenje, pasivizacija i kontrola kontaminacije
Čistoća je funkcionalni zahtjev, a ne završni detalj. Cijevi i priključci za rad s oksidansom se odmašćuju, dekapiraju ili elektropoliraju, pasiviziraju u skladu s ASTM A967 i konačno provjeravaju zaostalu kontaminaciju pomoću metoda opisanih u ASTM G93. Komponente se zatim pakiraju i zapečaćuju, a sastavljanje se izvodi uz disciplinu čistog rukovanja kako bi se spriječilo da ostaci čestica ili ugljikovodika dopru do sjedišta ventila i otvora injektora.
Kvalifikacija i testiranje prihvatljivosti
Uobičajena kvalifikacija sklopa pogonskog napajanja uključuje probno ispitivanje tlaka pri umnošku maksimalnog radnog tlaka, ispitivanje nepropusnosti svakog spoja-spektrometrom mase helijem, radiografsko ili penetrantsko ispitivanje orbitalnih zavara, provjeru protoka i pada tlaka, ispitivanje vibracija koje reproducira okruženje lansiranja i ispitivanje toplinskim vakuumom koje demonstrira performanse u svemirskom okruženju. Kriteriji prihvaćanja i dokumentacija dogovaraju se s kupcem u fazi pregleda projekta.
FAQ
P: Koje legure odgovaraju hipergoličnim pogonskim linijama?
Pasivirani austenitni nehrđajući čelik i legure na bazi-nikla kao što su UNS N07718 ili UNS N06625 naširoko se koriste, podložno procjeni kompatibilnosti za određeni par goriva i oksidansa i radnoj temperaturi svake linije.
P: Zašto se titan koristi u cjevovodima svemirskih letjelica?
Titan nudi visok omjer-na-težinu i dobru otpornost na mnoge medije, što ga čini privlačnim za-kritične vodove. Ne smije se koristiti s jakim oksidansima kao što je tekući kisik bez posebne procjene kompatibilnosti.
P: Kako se kontrolira toplinski stres u kriogenom dovodu?
Fleksibilni mijeh i pletena crijeva apsorbiraju skupljanje, usmjeravanje je raspoređeno tako da minimizira ograničenje, a potpore omogućuju aksijalno pomicanje užeta dok još uvijek odolijeva vibracijama pri lansiranju.
P: Koji testovi pokazuju da je dovodni vod-nepropusn?
Svaki spoj se dokazuje ispitivanjem propuštanja -helij masenim spektrometrom nakon ispitivanja pod tlakom, a dovršeni sklop se ponovno -provjerava nakon izlaganja vibracijama i toplinskom vakuumu.
P: Mijenja li nulta gravitacija dizajn cijevi?
Da. Bez uzgona, plin i tekućina se odvajaju prema površinskoj napetosti i kapilarnim učincima, tako da su vodovi dimenzionirani i usmjereni tako da se punjenje, odvod i taloženje pogonskog goriva ponašaju predvidljivo.
