NASA为下一代着陆器试验甲烷动力发动机

2019年03月06日 来源:

NASA对以甲烷为动力用于火星着陆器的发动机部件进行了试验,在此之前NASA从未以甲烷作为航天器的推进剂。 近日在阿拉巴马州,亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心的一系列试验中,随着蔚为壮观的蓝色火焰骤然升腾,火箭发动机推进器在响彻云霄的巨响中启动成功。这种蓝色火焰并非大多数发动机试验的典型特征,而是推进器燃料——甲烷的鲜明特征。 位于马歇尔的NASA“先进探索系统”(AES)带头人Steve Hanna表示:“以当前的配置而言,

这些甲烷推进器可以推进小型着陆器。根据上述试验采集的数据,此技术可延伸至太空飞船发动机和较大着陆器的较大规模应用中。” 甲烷是极有前景的火星之旅燃料。甲烷比液态氧更稳定,是目前常用的火箭燃料,可在更易控制的温度下保存。NASA可通过原位资源利用(ISRU)技术,从本地资源中重新获取或制取甲烷。 甲烷的储存温度与液态氧近似,液态氧是甲烷动力发动机的氧化剂,甲烷储存罐仅需较少的保温措施,故更有成本优势。另外甲烷的密度比液态氧大,所以其储存罐体积更小。 NASA计划在火星2020任务中验证直接从火星大气中生产推进剂和消耗性氧气的ISRU技术。如果试验成功,宇航员就可制取将上升器发射到火星轨道的推进剂和氧化剂了。 目前试验的推进器属于压力输送设计,能够产生约17.8千牛(4,000磅)推力。为了生成火星上较大下降/上升着陆器所需的约11.1千牛(25,000磅)推力并使发动机按需节流,马歇尔的工程师正在研发以泵输送的发动机。在此设计中,涡轮泵将使用高达95,000转/分钟的涡轮机将甲烷输送至推进器,实现更大的推力。 马歇尔的工程师目前已经成功地完成了甲烷发动机涡轮泵的初步试验和设施检验,计划在2015年末实施一系列试验,目的是验证之前用于液态氧试验的涡轮泵是否也可以使用甲烷作为燃料,以及是否能够输送足够多的燃料为大型甲烷发动机提供动力。 推进器由喷嘴和燃烧室组成,是大型发动机的推进器装配组件,它以甲烷为燃料和液态氧氧化剂,近十年来马歇尔一直在对其展开研究。推进器和涡轮泵都采用增材制造或3D打印技术。 3D打印技术不仅可以减少制造时间,减少传统制造工艺所需的机械加工和钎焊,更可以在燃烧室的整个长度范围内增加热电偶端口。这些端口可以和燃烧室的冷却剂通道通讯,搜集以前无法获取的离散温度数据。 马歇尔推进系统部门工程师Sandra Greene说道:“这些数据有助于临界热建模,所以热电偶端口的增加令人为之雀跃,我们不仅采集到了甲烷的进口和出口温度,还得到了查证燃烧室制冷剂系统内情况的数据。” 的热数据可用于固定热模型,从而为使用甲烷燃料的整套再生式发动机系统优化推进器的设计。 再生式发动机系统通过燃烧室内通道循环燃料,在点火前和燃烧时冷却燃烧室。在之前的马歇尔甲烷推进器开发尝试中,燃烧室未从根本上进行冷却设计,仅使用烧蚀材料或高温耐火材料防止燃烧室过热。 “为了优化性能,再生式冷却燃烧室迫在眉睫。这种燃烧室是马歇尔在甲烷动力系统设计中的首创。” Greene接着说道。 在距离NASA将宇航员送往火星的日期愈发临近之时,他们开创的试验和技术将帮助宇航员从以壮观蓝色甲烷火焰驱动的着陆器上迈出踏上火星表面的步。

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