Turbočerpadla pro metanové motory

O tom, že americká kosmická agentura NASA počítá při průzkumu Marsu s motory, které spalují metan, jsme již na našem webu psali. Nyní se okolo této zajímavé technologie objevila další aktualizace. NASA úspěšně otestovala turbočerpadlo pro metanový motor. Aby  toho ale nebylo málo, tak toto turbočerpadlo bylo vyrobeno z velké části metodou 3D tisku. Pokud bychom v jakémkoliv raketovém motoru na kapalné palivo hledali součástku, která si zaslouží označení „srdce motoru“, jednoznačně bychom se měli dívat právě na turbočerpadla. Tyto komplikované stroje mají na první pohled jednoduchý úkol – dopravit palivo a okysličovadlo z nádrží do spalovací komory. Ale tak jednoduché to není. Turbočerpadla musí zvládnout přetransportovat velké objemy kapalin bez zaváhání. Jakékoliv kolísání jeho výkonu se okamžitě projeví na funkci motoru, ve kterém bude docházet ke spalování v neoptimálním poměru.

Abychom nemluvili jen obecně, podívejme se na konkrétní čísla. Testované turbočerpadlo metanového motoru rotuje rychlostí 36 000 otáček / minutu, což je pro lepší představu zhruba 2x více, než kolik zvládají komponenty v motorech závodních Formulí 1. Za minutu dokáže přečerpat 2 200 litrů zkapalněného metanu, což by při nasazení na skutečném raketovém motoru stačilo na generování tahu 10,2 tuny. Díky 3D tisku je možné oproti tradiční výrobě zredukovat počet jeho dílů o 45% a turbočerpadlo dosáhlo při maximálním zatížení výkonu 600 koňských sil. Při dalších třech testech se zkoušely výkony při nižším zatížení.

Možná si říkáte, proč NASA vyvíjí nový pohonný systém založený právě na metanu. Důvod je prostý – nejjednodušší uhlovodík se totiž nachází v atmosféře Marsu, odkud je možné jej relativně snadno vyseparovat. Druhou možností je, že by se metan na Marsu přímo vyráběl z oxidu uhličitého, který tvoří drtivou většinu marsovské atmosféry. Jen by bylo potřeba doplňovat odněkud vodík. Budoucí přistávací modul by tak mohl ve svých nádržích nést pouze palivo nutné pro měkké přistání. Po dosednutí by se mohly jeho prázdné nádrže natankovat metanem, který byl předtím získán z atmosféry. Lander s plnými nádržemi by pak mohl odstartovat zpátky na oběžnou dráhu planety.

3D vytištěné turbočerpadlo. Při čerpání kapalného metanu rotovalo rychlostí 36 000 otáček/ minutu, ale při loňských zkouškách s vodíkem zvládlo i 90 000 otáček / minutu

3D vytištěné turbočerpadlo. Při čerpání kapalného metanu rotovalo rychlostí 36 000 otáček/ minutu, ale při loňských zkouškách s vodíkem zvládlo i 90 000 otáček / minutu
Zdroj: http://www.nasa.gov/

NASA v tomto případě využila další velké výhody 3D tisku – možnosti rychlého návrhu a výroby. Vznikly tak dva identické exempláře, které si skvěle poradily jak s již zmíněným metanem, tak i s dnes tradičnějším vodíkem. To, že turbočerpadlo zvládá pracovat s oběma typy paliv je velmi dobrá zpráva, díky které se možnosti uplatnění jeho uplatnění značně rozšiřují.

„Díky tomu, že jsme ukázali, že stejné turbočerpadlo dokáže pracovat s různými palivy, je vidět, že by se tento hardware dal použít v obou typech motorů,“ popisuje Marty Calvert z Marshallova střediska, který se podílel na vývoji turbočerpadla. Možná se zdá, že rozdíl mezi kapalným vodíkem a metanem není velký, ale to je omyl. Kapalný metan má vyšší hustotu a pokud chceme do spalovací komory dostat stejné množství paliva, potřebujeme, aby turbočerpadlo pracovalo s jinou rychlostí, než když čerpá vodík.

Aktuální zkoušky navazují na testy komponentů vodíkového turbočerpadla, které proběhly v loňském roce a společně s probíhající výrobou a zkouškami vstřikovačů paliva a dalších částí raketového motoru pomalu vyšlapávají cestu k širšímu používání 3D tisku při výrobě dílů pro kosmickou techniku. Je docela stylové, že se v tomto programu potkávají 3D tisk a metanové motory – o obou technologiích se hovoří jako o mimořádně slibných při pohledu do budoucnosti letů do vesmíru. Zkapalněný metan sice postrádá brutální výkon, kterým disponuje vodík, ale jinak proti němu drží v ruce hned několik trumfů. Jedním z nich je teplota zkapalněného plynu. Ta u metanu dosahuje „pouze“ -159°C, zatímco vodík je potřeba chladit na -240°C. Je jasné, které médium vyžaduje složitější izolaci. Metan se díky své vyšší teplotě varu odpařuje pomaleji a díky tomu se dá skladovat po výrazně delší dobu, což by se hodilo právě pro lety k Marsu.

Teoretická podoba landeru pro Mars, který by mohl využívat metanové motory

Teoretická podoba landeru pro Mars, který by mohl využívat metanové motory
Zdroj: http://www.nasa.gov/

Dosavadní zkoušky ukazují, že vytištěné součástky úspěšně zvládají provozní zatížení v podmínkách, které nejsou příliš vzdálené ostrému nasazení například na velkých landerech. Dalším pozitivem, které ale ocení jen americké firmy je fakt, že NASA veřejně sdílí naměřená data o chování 3D vytištěných dílů pomocí informačního systému MAPTIS (Materials and Processes Technical Information System). S jeho pomocí mohou firmy, které pracují na vývoji technologií, jejichž kvalita se blíží leteckým a kosmickým standardům, čerpat potřebné zkušenosti.

„Jelikož 3D tisk umožnil snížení počtu dílů o 45%, mohli jsme si dovolit vyrobit hned dva exempláře, rychle je dostat na testovací stanoviště a v krátké době získat výsledky. Dalším krokem, který nás čeká bude testování čerpadla pro metanový motor společně s dalšími vytištěnými částmi motorů – podobně jako když jsme vloni testovali motory na kapalný vodík,“ vysvětluje Nick Case z Marshallova střediska. Máme se evidentně na co těšit.

Zdroje informací:
http://www.nasa.gov/
http://www.nasa.gov/
http://maptis.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
http://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/dsc_5993_1.jpg
http://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/img_1451_cropped.jpg
http://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/mavlander_persp.png

Turbočerpadla pro metanové motory, 2.5 out of 5 based on 30 ratings
Pin It
(Visited 2 019 times, 1 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (30 votes cast)
(Visited 2 019 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


34 komentářů ke článku “Turbočerpadla pro metanové motory”

  1. zvejkal napsal:

    Ja tomu nerozumiem – a co pohana to cerpadlo?

    • Dušan Majer napsal:

      V drtivé většině případů si turbočerpadlo raketového motoru neveze žádné vlastní palivo, ale je poháněno palivovou směsí, kterou spaluje samotná raketa.

    • Vincent Kerman napsal:

      Nebo společnost Rocket Lab plánuje pohon turbočerpadla pomocí elektromotorů,
      nebo v nacistické V-2 zajištoval pohon turbočerpadla paroturbína poháněná rozloženým peroxidem vodíku… možnosti jsou různé, ale nejvíc se používá palivová směs rakety jak zde napsal Dušan.

    • maro napsal:

      Funguje to podobně jako turbo v autě, kde je na společné hřídeli turbínka roztáčená výfukovými plyny a na druhém konci toho hřídele je touto turbínkou poháněný kompresor (pumpa) stlačující vzduch dodávaný do motoru.
      V raketovém motoru je prostě ještě jeden hořák (preburner), který spaluje stejné palivo jako to, které se spaluje v hlavní spalovací komoře. Tenhle pomocný hořák roztáčí turbínku, která je zase na společném hřídeli s turbopumpami, které tlačí palivo a okysličovadlo do spalovací komory.
      https://en.wikipedia.org/wiki/Staged_combustion_cycle

      • AKA the A napsal:

        Možností je mnohem více…
        Vámi popisované stupňované spalování je jedna z nich, už i to může být otevřené (spaliny jdou někam mimo, viz většina západních KEROLOX motorů) či uzavřené (do spalovací komory, viz. RD-180 a bratříčci či třeba F1), další možností je expanzní cyklus, často používaný pro slabší motory na vodík.
        Kryogenické palivo se nechává odpařit chlazením spalovací komory a trysky, expandující plyn žene turbínu. Může být uzavřený či otevřený…výhodou je že turbína jede pěkně v chládku, nevýhodou je omezený max. výkon.
        Dál pak turbína může mít samostatný generátor plynu (viz. V2 nebo třeba motor co vyvíjí Copenhagen Suborbitals) či již zmíněný poslední výkřik techniky – elektrický pohon.
        Pak je tu ještě třeba poněkud exotické řešení jako u SSC Bloodhound, kdy čerpadlo žene pístový motor (ale raketový motor je hybridní).
        Mimochodem existují i komerční řešení pro malé motorky kdy je čerpadlo pístové.

    • zvejkal napsal:

      Aha, chapem, dakujem.

  2. John napsal:

    By mě zajímalo z jakého materiálu to tisknou? ….to asi nebude běžná 3D tiskárna 🙂

    Jinak,čím více čtu něco z oblasti kosmonautiky, tím více jsem nadšen a více se těším co nám bude přinášet budoucnost 🙂

    • Amper napsal:

      To zalezi cemu rikas „bezna 3D tiskarna“. Da se rict ze tiskarny se aktualne deli na 3 zakladni skupiny.

      FDM – pridava se taveny material, tiskarny rodiny RepRap, MakerBot atd… jsou FDM a FDM je i tiskárna která je na ISS

      Stereolitografie – svetlem se vytvrzuji jednotlive vrstvy materialu který je bud tekuty nebo se nastrikne do práškového materialu. Tudle technologii ted ma někdo na Kickstarteru tak ze jako zdroj osvitu je pouzit mobil, uz par let jsou k disposici domaci verze z DLP projektoru

      a pak je tu skupina tisku ktera bude pouzita (s nejvetsi pravdepodobnosti) a ma oznaceni SLS, SLM atd… Jedna se o pouziti prasku/granulatu z příslušného materialu (bud primo titan, inconel, ocel atd…) nebo třeba material z kterého se udela forma a ta se pak odleje. Vetsinou se pouziva laser (ale i jiné paprsky) které sintruji, tavi atd… ten material a tim vznikaji jednotlive vrstvy.

      Uz par let je todle v testovani a overovani protože se resi napr. to jake pnuti vznika v materialu při pouziti ruznych technologii. Ale prosazuje se to – Super Draco je z velke cati vytisten metodou SLS (resp. jeji variantou DMLS)

      • AKA the A napsal:

        DMLS může bejt i tak, že v laserový hlavě jsou trysky co ženou prášek přes ohnisko a hlava se vrtí v 5 osách, takže vrsvy nemusí být kolmo k ose Y, ale jsou dle tvaru součástky…výhodou by měla být větší pevnost rovnou z tiskárny.

        Cenu tohodle řešení jsem nikde neviděl, ale už kvůli úplně jinýmu sliceru musí být naprosto šílená, i v porovnání s tradiční DLMS metodou.

        • Honza napsal:

          Vrtění v 5ti osách snad dneska umí kde co. Já viděl kdysi před sto lety v akci 5d robota při nanášení stříkané keramické vrstvy. Při tom pokroku v elektronice bych si to dneska bych skoro troufnul postavit sám.

          Problém je že kvalita výsledného materiálu „tisku“ stejně nebude nic moc. Až se někomu podaří vytisknout použitelný nůž, můžeme o 3d tisku začít přemýšlet jako o výrobní technologii.

        • Raton napsal:

          DMG MORI(jedna z firiem na spici opracovacieho priemyslu)pouziva technologiu tzv. hybrid machining, t.j. popisovanu 3D tlac, pomocou lasera a prilahlych trysiek, no okrem 3D tlace dokaze aktivne pracovat aj s presnym opracovanim. Pokial viem, tak sa stroje seriovo zatial nepredavaju, no odhadovana cena bola niekde na urovni 1,2 mil. US$. Pre lepsiu predstavu aspon kratke video v anglictine https://goo.gl/3kcIU5.

  3. Vincent Kerman napsal:

    Musím říct, že mám takovéto články v oblibě určitě jich uvítám více!
    Jinak to že se počet dílů zredukoval o 45 procent také zvyšuje spolehlivost, že?

    • maiden napsal:

      Ideální stroj nemá žádné pohyblivé části…
      Což se ve většině případů nejspíš vylučuje.
      Ale pokud by se povedlo pochopit a vytunit EmDrive, tak jsme tomu blíž, než by člověk věřil.

      Otázka je, zda např. procesor je taky stroj bez pohyblivých součástí..?

      • Vojta napsal:

        Pokud procesor není stroj bez pohyblivých součástek, pak jím není ani kus měděného kabelu vedoucí proud k žárovce 😉 Princip je stejný, jediné pohyblivé „součástky“ jsou některé valenční elektrony. Zbytek atomu je pevně zakotven v krystalové mřížce a není žádoucí, aby se pohyboval. Samozřejmě existují integrované obvody, které uvnitř mají pohyblivé součástky (MEMS). Typicky miniaturní akcelerometry, ale dá se vytvořit ledacos včetně logických hradel. Má to výhodu v mnohem vyšší odolnosti proti radiaci oproti polovodičovému řešení.

      • Samo napsal:

        Ak myslíš procesor ako napríklad CPU tak sám o sebe nemá pohyblivé časti ale ako vieme tak sa kvôli stratám ohrieva a chladený je v drvivej väčšine prípadov (okrem mobilných procesorov ktoré sú chladené pasívne) aktívne teda už tam je ventilátor ktorý sa hýbe.

        • gg napsal:

          Pokud za pohyblivou součástku považujete kapalinu/plyn v heat pipe, tak ano. Ale zrovna ventilátor třeba právě na kosmické sondě asi nebude.

      • krtek napsal:

        Stroj může být bez pohyblivých zařízení. Stroj mění energii. Např. v elektrotechnice existují točivé stroje (např. motory), a stroje netočivé (transformátory a usměrňovače). Zařízení energii jen přenáší – potrubí, vodič apod., ovládá – vypínač, ventil…
        Raketový motor mění chemickou energii (zjednodušeně řečeno) na tepelnou či kinetickou, je tedy stroj ať má pohyblivé části nebo ne. Motory na tuhá paliva pohyblivé části většinou nemají.

    • Dušan Majer napsal:

      Díky za pochvalu. Ohledně spolehlivosti – je to pravděpodobné, protože zde platí staré známé – Co tam není, to se nerozbije 🙂

  4. B.Boruvka napsal:

    Diky Dusane za tento clanek!
    Skvela prace To je presne to co rac ctu! (A urcite ne sam)
    Jen houst! 🙂
    Bohous

  5. Petr Hájek napsal:

    Též přidávám pochvalu

  6. Edemski napsal:

    S tím metanem v atmosféře, nepleteš si to s něčím? Co mám v hlavě, tak ho registrovali, pak zas ne, což rozvířilo naději na biologické procesy. Ale i kdyby, tak to byly koncentrace blízké nule, to by „filtrovali“ roky. Ale možná mi něco uniklo 🙂

    • Dušan Majer napsal:

      Ono jde o to, že se ten metan vyskytuje jen někde a zatím ještě nemáme úplně přesná data. Proto se počítá s oběma variantami.

    • Honza napsal:

      Díky za článek, donutil mě projít původní zdroje, najít si pár informací a zamyslet se.

      Ve vašem shrnutí není příliš zdůrazněn podle mě jediný podstatný fakt, že byl úspěšně testován stejný typ čerpadla pro dvě různá paliva. Pro metan a vodík.

      Získávání paliva na Marsu, adorace 3D tisku nebo porovnání s motorem F1 jsou víceméně úsměvná omáčka, ale chápu, že bez ní by to na popularizačním webu moc nešlo.

  7. ventYl napsal:

    Spravy o vyskume a vyvoji v tomto smere mi pridu ovela zaujimavejsie ako informacie okolo SLS. Nie ze by som kritizoval redakciu, ale skor mam pocit, ze SLS/Orion to ma nahnute a ze im celkom kludne moze ujst vlak (vlastne, ciastocne uz aj usiel).

    Toto je ale bleeding edge a v dost velkej miere je to asi vyvoj na takom poli, do ktoreho len tak hned ziadna sukromna spolocnost investovat este peknych par rokov nebude. Spalovanie metanu este dajme tomu dekadu-dve pre sukromne spolocnosti nebude mat take benefity, ako pre NASA, aby to vyvazilo ich nevyhody.

  8. Honza napsal:

    Díky za článek, donutil mě projít původní zdroje, najít si pár informací a zamyslet se.

    Ve vašem shrnutí není příliš zdůrazněn podle mě jediný podstatný fakt, že byl úspěšně testován stejný typ čerpadla pro dvě různá paliva. Pro metan a vodík.

    Získávání paliva na Marsu, adorace 3D tisku nebo porovnání s motorem F1 jsou víceméně úsměvná omáčka, ale chápu, že bez ní by to na popularizačním webu moc nešlo.

    • Dušan Majer napsal:

      Já mám dojem, že jsme možnost využití hardwaru pro oba typy paliv zvýraznili dostatečně. Navíc zrovna konkrétně 3D tisk bych za omáčku moc nepovažoval. 🙂

  9. Honza napsal:

    Ok, já jsem hlavní význam pochopil až z původních odkazů. Asi jsem tupej 🙂

    3D tisk je dneska bohužel jedna z nejběžnějších novinářských omáček.
    Ve skutečnosti je to „jen“ velmi užitečný nástroj pro vývoj prototypů. V případě laserového sintrování to v některých speciálních případech může kvalitativně nahradit a předčit i ostatní metody výroby, ale to opravdu platí jenom pro speciální případy.

    Pokoušet se „módně“ všechno 3D tisknout je asi stejně inteligentní jako dělat všechno CNC frézou, nebo naopak pilníkem. Nějak to nakonec půjde. Ale normální člověk použije nejvhodnější metodu pro každou součástku s ohledem na požadovanou kvalitu, rychlost a cenu.

    • Dušan Majer napsal:

      Vím, jak to myslíte, ale třeba v tomto konkrétním případě se právě díky 3D tisku podařilo výrazně zredukovat počet dílů i zrychlit možnost nasazení turbočerpadel do akce.

      • Honza napsal:

        Ano, protože šlo fakticky o prototypy. Tam mají momentálně 3D tiskárny největší využití. Redukce množství dílů je sice pěkná, ale výhledově nejspíš způsobí problémy při přechodu na rychlejší/kvalitnější/levnější technologii než je 3d tisk v sériové výrobě.

        Čerpadla LNG všech možných parametrů se vyrábějí sériově. Každý tanker, nebo přečerpávací stanice na LNG má nesrovnatelně větší, efektivnější a úžasnější (technologicky) čerpadla. Jediný rozumný přínos tohohle experimentu vidím v možnosti střídat čerpání metanu a vodíku v jednom zařízení.

        • Dušan Majer napsal:

          SpaceX tiskne vlekou část dílů pro motory SuperDraco, nikoliv prototypy, ale skutečné modely, které se používají/budou používat. Je potřeba si uvědomit, že kosmonautika bude ještě dlouho oblastí, ve které se nebudou dělat série exemplářů jako na běžícím páse v automobilovém průmyslu. Porto tam mají podobné techniky své místo.

Zanechte komentář