Hệ thống đẩy của tàu vũ trụ chỉ đáng tin cậy khi có ống dẫn nhiên liệu đẩy của nó. Các đường cấp liệu hoạt động trong điều kiện chân không hoặc bên trong khoang điều áp, phải chịu được rung động và tải âm khi phóng, sau đó hoạt động trong điều kiện không trọng lực, nơi hành vi của chất lỏng bị chi phối bởi sức căng bề mặt và lực mao dẫn. Ống hợp kim được chọn cho nhiệm vụ này phải kết hợp khối lượng thấp với khả năng tương thích hóa học đối với chất oxy hóa và nhiên liệu, độ kín-không rò rỉ qua nhiều năm bảo quản và khả năng hoạt động đáng tin cậy trong phạm vi nhiệt độ khắc nghiệt.
Yêu cầu về vật liệu cho hệ thống cấp liệu đẩy
Yêu cầu đầu tiên là khả năng tương thích. Các hỗn hợp hypergolic dựa trên hydrazine hoặc nitơ tetroxide tấn công nhiều hợp kim phổ biến và yêu cầu bề mặt sạch, thụ động, chống ăn mòn-, trong khi các chất đẩy đông lạnh như oxy lỏng, hydro lỏng và metan lỏng yêu cầu các vật liệu giữ được độ dẻo dai của chúng ở nhiệt độ rất thấp. Ngoài ra còn có các giới hạn khối lượng được bổ sung, vì mỗi kg đường ống sẽ dịch chuyển tải trọng và định mức áp suất, vì các đường cấp liệu nhìn thấy áp suất đầy của bể cộng với búa nước khi kích hoạt van.
Khả năng tương thích hóa học với cặp chất đẩy và chất oxy hóa cụ thể.
Duy trì độ dẻo dai từ nhiệt độ môi trường xung quanh đến nhiệt độ đông lạnh.
Tỷ lệ cường độ-trên-trọng lượng cao để hạn chế khối lượng cấu trúc.
Các khớp nối kín-bị rò rỉ đủ tiêu chuẩn cho thời gian thực hiện nhiệm vụ.
Lượng khí thoát ra thấp trong chân không, không có hạt thải vào dòng chảy.
Tùy chọn hợp kim và đặc điểm kỹ thuật
| Vật liệu | đặc điểm kỹ thuật điển hình | Tại sao nó được chọn |
|---|---|---|
| Ống thép không gỉ Austenitic 304L và 316L | ASTM A213, ASTM A269 | Dây chuyền cấp liệu và điều áp thông thường, độ bền đông lạnh tốt, dễ hàn |
| Lượng mưa-niken cứng-sắt-hợp kim crom UNS N07718 | ASTM B637, ASTM B670 | Độ bền cao với khả năng tương thích tốt với nhiều loại nhiên liệu đẩy có thể lưu trữ |
| Hợp kim niken-crom-molypden-niobium UNS N06625 | ASTM B444, ASTM B705 | Chống ăn mòn trong dịch vụ oxy hóa và ở nhiệt độ cao |
| Hợp kim sắt niken-crom{1}}UNS N06600 | ASTM B167, ASTM B163 | Ống dẫn khí nóng và tuabin xung quanh máy đẩy |
| Hợp kim titan lớp 5 và lớp 9 | ASTM B338, ASTM B861 | Mật độ thấp dành cho các dòng-quan trọng với môi trường không-có chất oxy hóa |
| Ống hợp kim nhôm 6061 và 2219 | ASTM B241, ASTM B210 | Đường dây áp suất thấp{0}}nhẹ nơi khả năng tương thích cho phép |
Bố cục, mối nối và ứng suất nhiệt
Sự co nhiệt của đường cấp liệu đông lạnh trên một vài mét đủ lớn để làm hỏng mặt bích được neo cứng, do đó đường chạy bị phá vỡ bởi các bộ phận linh hoạt: ống xếp hình thành, ống mềm bện hoặc vòng giãn nở có chủ ý. Định tuyến được chọn để giảm thiểu các điểm hạn chế và các giá đỡ được thiết kế để dẫn đường trong khi cho phép chuyển động dọc trục. Mọi thay đổi của mặt cắt hoặc hướng đều được coi là nồng độ ứng suất và được phân tích độ mỏi trong cấu hình chu trình nhiệt của nhiệm vụ.
Làm sạch, thụ động và kiểm soát ô nhiễm
Sự sạch sẽ là một yêu cầu về mặt chức năng hơn là một chi tiết hoàn thiện. Ống và phụ kiện dùng cho dịch vụ oxy hóa được tẩy dầu mỡ, ngâm hoặc đánh bóng bằng điện, thụ động hóa theo tiêu chuẩn ASTM A967 và cuối cùng được xác minh về tạp chất còn sót lại bằng các phương pháp được mô tả trong ASTM G93. Sau đó, các thành phần được đóng gói và niêm phong, đồng thời việc lắp ráp được thực hiện với nguyên tắc xử lý sạch sẽ để ngăn chặn cặn hạt hoặc hydrocarbon tiếp cận các chân van và lỗ phun.
Kiểm tra trình độ và chấp nhận
Trình độ chuyên môn điển hình của cụm nguồn cấp động cơ bao gồm kiểm tra áp suất bằng chứng ở bội số của áp suất vận hành tối đa, kiểm tra rò rỉ khối phổ kế heli-của mọi mối nối, kiểm tra chất thẩm thấu bằng tia X hoặc thuốc nhuộm của các mối hàn quỹ đạo, xác minh dòng chảy và độ giảm áp suất, kiểm tra độ rung tái tạo môi trường phóng và kiểm tra chân không nhiệt để chứng minh hiệu suất trong môi trường không gian. Tiêu chí chấp nhận và tài liệu được thống nhất với khách hàng ở giai đoạn xem xét thiết kế.
Câu hỏi thường gặp
Hỏi: Hợp kim nào phù hợp với dây chuyền cấp nhiên liệu đẩy cao áp?
Thép không gỉ austenit thụ động và các hợp kim dựa trên niken-như UNS N07718 hoặc UNS N06625 được sử dụng rộng rãi, tùy thuộc vào đánh giá tính tương thích đối với cặp nhiên liệu và chất oxy hóa cụ thể cũng như nhiệt độ vận hành của từng dây chuyền.
Hỏi: Tại sao titan được sử dụng trong hệ thống đường ống của tàu vũ trụ?
Titanium mang lại tỷ lệ độ bền-trên-trọng lượng cao và khả năng chống chịu tốt với nhiều loại vật liệu, điều này khiến nó trở nên hấp dẫn đối với các dòng sản phẩm quan trọng-đại chúng. Nó không được sử dụng với các chất oxy hóa mạnh như oxy lỏng mà không có đánh giá tương thích cụ thể.
Hỏi: Ứng suất nhiệt được kiểm soát như thế nào trong dây chuyền cấp đông lạnh?
Các ống thổi linh hoạt và ống bện hấp thụ lực co lại, định tuyến được bố trí để giảm thiểu lực cản và các giá đỡ cho phép dây chuyền di chuyển theo trục trong khi vẫn chống lại rung động khi phóng.
Hỏi: Những thử nghiệm nào chứng minh rằng đường cấp liệu bị rò rỉ-?
Mọi mối nối đều được chứng minh bằng thử nghiệm rò rỉ-khối phổ kế khí heli sau khi kiểm tra áp suất bằng chứng và cụm hoàn thiện được xác minh lại-sau khi tiếp xúc với rung động và chân không nhiệt.
Hỏi: Không trọng lực có làm thay đổi thiết kế đường ống không?
Đúng. Không có lực nổi, khí và chất lỏng tách biệt theo sức căng bề mặt và hiệu ứng mao dẫn, do đó các đường dây có kích thước và định tuyến sao cho quá trình mồi, thoát nước và lắng chất đẩy hoạt động có thể đoán trước được.
