Транспирационное охлаждение
Транспирационное охлаждение — это термодинамический процесс, при котором охлаждение достигается за счет перемещения жидкости или газа через стену конструкции для поглощения некоторой части тепловой энергии конструкции при одновременном активном уменьшении конвективной и радиационной [1] тепловой поток, поступающий в конструкцию из окружающего пространства. [2]
Один из подходов к транспирационному охлаждению заключается в перемещении жидкости через небольшие поры во внешней стенке тела, что приводит к испарению жидкости в газ посредством физического механизма испарительного охлаждения . Возможны и другие подходы. [2] [3]
Приложения
[ редактировать ]Транспирационное охлаждение применяется в аэрокосмической промышленности, в реактивных самолетах. [4] и ракетные двигатели. [5] [6] В 2018 году исследователи из Оксфордского университета экспериментально тестировали транспирационное охлаждение в качестве системы тепловой защиты для гиперзвуковых транспортных средств, таких как ракеты или космические самолеты . [7] [3]
Транспирационное охлаждение — один из множества методов охлаждения, которые можно использовать для снижения регенеративной охлаждающей нагрузки в ракетных двигателях и последующего снижения потребности в топливе. Существуют и другие методы, такие как пленочное охлаждение , абляционное охлаждение , радиационное охлаждение, охлаждение радиатора и охлаждение отвалом. [5]
Транспирационное охлаждение рассматривается для использования в космических кораблях, возвращающихся в атмосферу Земли на гиперзвуковых скоростях, где внешняя оболочка, охлаждаемая транспирационным путем, может служить частью системы тепловой защиты возвращающегося космического корабля. [8] [9] [1] [10] SpaceX публично упомянула о такой системе в 2019 году для использования на своей Starship многоразовой второй ступени и орбитальных космических кораблях для смягчения суровых условий входа в атмосферу. Концепция дизайна предусматривала двойную оболочку из нержавеющей стали, между двумя слоями течет активная охлаждающая жидкость, а некоторые области дополнительно содержат множество мелких пор, которые позволяют осуществлять транспирационное охлаждение. [8] [11] [1] После проектирования и испытаний в наземных лабораториях SpaceX впоследствии заявила, что, хотя альтернативный подход к снижению температуры — использование недорогой керамической плитки на наветренной стороне звездолета — разрабатывается, [12] [13] В некоторых районах можно использовать транспирационное охлаждение. Ожидается, что некоторые подробности конструкции будут обнародованы, поскольку законодательство США запрещает SpaceX публиковать такую информацию. [14]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с https://www.teslarati.com/spacex-ceo-elon-musk-starship-transpiring-steel-heat-shield-interview/ Архивировано 24 января 2019 г. в Wayback Machine Генеральный директор SpaceX Илон Маск объясняет «прозрачную» сталь Starship. тепловой экран в вопросах и ответах], Эрик Ральф, Teslarati News , 23 января 2019 г., по состоянию на 30 января 2019 г.
- ^ Jump up to: а б Транспирационное охлаждение. Архивировано 30 января 2019 г. на Wayback Machine , Thermopedia.com, по состоянию на 30 января 2019 г.
- ^ Jump up to: а б Ифти, Хасан Саад; Германн, Тобиас; МакГилврей, Мэтью (15 сентября 2018 г.). «Характеристика потока транспирирующей пористой среды для гиперзвуковых летательных аппаратов». 22-я Международная конференция AIAA по космическим самолетам, гиперзвуковым системам и технологиям . Форум AIAA SPACE. Американский институт аэронавтики и астронавтики . дои : 10.2514/6.2018-5167 . ISBN 978-1-62410-577-7 . S2CID 139312401 .
- ^ Системы транспирационного охлаждения для турбин реактивных двигателей и гиперзвуковых полетов. Архивировано 2 августа 2020 г. на Wayback Machine , по состоянию на 30 января 2019 г.
- ^ Jump up to: а б Шайн, СР; Нидхи, С.Шри (2018). «Обзор пленочного охлаждения жидкостных ракетных двигателей» . Исследования в области движения и энергетики . 7 :1–18. дои : 10.1016/j.jppr.2018.01.004 .
- ^ Кинер, Д.; Ленертц, Дж.; Бауэрсокс, Р.; Боуман, Дж. (1995). «Влияние транспирационного охлаждения на теплообмен и производительность сопла». Журнал космических кораблей и ракет . 32 (6): 981–985. Бибкод : 1995JSpRo..32..981K . дои : 10.2514/3.26718 .
- ^ Германн, Т.; Ифти, ХС; МакГилврей, М.; Доэрти, Л.; Гераец, Р.П. (26 ноября 2018 г.). Характеристики перемешивания в гиперзвуковом обтекании модели плоской пластины, охлаждаемой транспирацией . Архивировано из оригинала 10 октября 2020 года . Проверено 10 октября 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Гебхардт, Крис (3 апреля 2019 г.). «Starhopper проводит испытания статического огня Raptor» . NASASpaceFlight.com . Архивировано из оригинала 4 апреля 2019 года . Проверено 4 апреля 2019 г.
Транспирационное охлаждение — это процесс прокачки охлаждающей жидкости (в данном случае жидкого метана) через структуру обшивки Starship для поглощения дополнительного тепла в определенных областях корабля во время входа в атмосферу.
- ^ https://www.space.com/43101-elon-musk-explains-stainless-steel-starship.html. Архивировано 3 февраля 2019 г. на Wayback Machine. Почему Илон Маск обратился к нержавеющей стали для ракеты SpaceX Starship Mars], Майк Уолл, space.com, 23 января 2019 г., по состоянию на 30 января 2019 г.
- ^ «Стальной звездолет SpaceX светится во время входа в атмосферу Земли на первом высококачественном рендеринге» . 26 марта 2019 г. Архивировано из оригинала 26 марта 2019 г. Проверено 26 марта 2019 г.
- ^ Звездный корабль SpaceX будет «выпускать воду» из крошечных отверстий, говорит Илон Маск. Архивировано 24 января 2019 г. на Wayback Machine . Кристин Хаузер, Футуризм . 22 января 2019 г.
- ^ Могли бы это сделать, но мы разработали недорогие многоразовые плитки, которые намного легче, чем транспирационное охлаждение, и довольно прочны. Архивировано 24 сентября 2019 г. на Wayback Machine , Илон Маск, 24 сентября 2019 г., по состоянию на 24 сентября 2019 г.
- ^ Ральф, Эрик. «SpaceX тестирует керамические плитки теплозащитного экрана Starship на последних летных испытаниях Starhopper» . Тесларати . Архивировано из оригинала 24 сентября 2019 года . Проверено 8 сентября 2019 г.
- ^ Вопрос: Вы все еще рассматриваете возможность транспирационного охлаждения наиболее уязвимых горячих точек или плитки теплового экрана достаточно прочны? Ответ: Это может быть использовано в некоторых областях. Законы ITAR не позволяют нам быть слишком конкретными в отношении решений. Архивировано 10 октября 2020 г. в Wayback Machine , Илон Маск, 9 октября 2020 г., по состоянию на 10 октября 2020 г.