Може ли да управлявате двигател с вътрешно горене в космоса? – AUTOZONA.bg
Connect with us

Интересно

Може ли да управлявате двигател с вътрешно горене в космоса?

Публикувано преди

2 години

на

Може ли да управлявате двигател с вътрешно горене в космоса? Отговор на този въпрос дава професора от Калифорнийския политехнически държавен университет  Кал Поли.

Какво изобщо правят двигателите?

Internal Combustion Engines In Space NASA Getty Images 19

Най-добре е да започнем с опреснителен или потенциално нов урок за тези, които не знаят точно какво прави един двигател и как го прави. Най-простата идея е, че един двигател създава своя собствена мощност чрез „работен флуид“, за да създаде движение. Работният флуид е газ или течност, която основно пренася сила, движение или механична енергия. Знаем, че е трудно да мислим за газ като за „течност“, но в света на науката газът се третира като течност за много неща. Ако не беше така, нямаше да разберем как работят нито аеродинамиката, нито пневматичните клапани, камо ли да можем да ги моделираме.

Това определение е защо двигателят е различен от двигателя, който изисква захранване от външен източник, за да създаде движение, т.е.: електрическият двигател изисква захранване от батерия или друг източник на електрическа енергия, за да произведе движение. Обаче неспециалистът може да използва или „мотор“, или „двигател“ взаимозаменяемо, когато говори за задвижване на превозно средство. За целите на тази статия ще използваме само „двигател“, за да опишем двигател и няма да разменяме двете.

Изгарянето е процесът, при който гориво се изгаря с окислител в определено съотношение на всеки от тях. Това горене създава топлина, която причинява разширяване на газовете в нашия цилиндър – известен още като нашата работна течност. Това е всичко, което е горенето и затова повечето хора, когато ги попитат, ще обяснят защо един двигател няма да работи в космоса. В космоса няма кислород и това е вакуум, който ще изсмуче горивото, преди да може да се запали, така че не би трябвало да работи. Това, което те не си задават точно преди да отговорят на този въпрос, е „защо една ракета работи в космоса, когато ДВГ не може?“ Сега, след като вероятно сте попитали това, можем правилно да започнем тази статия.
Internal Combustion Engines In Space NASA Getty Images 9

Свързахме се с Кал Поли, за да ни помогне с този мисловен експеримент за ДВГ в космоса, и професор по машинно инженерство, Патрик Лемьо, Ph.D., P.E.; и професорът по аерокосмическо инженерство, Даян Дж. ДеТурис, д-р, бяха щастливи да ни помогнат и да разкрият цялата теория и обяснение за тази тема. Бяхме щастливи да получим помощта им — двамата учат и ядат машинно и космическо инженерство за забавление и като кариера.

Краткият отговор е, че е възможно да се пусне ДВГ в космоса въпреки студа (до известна степен – не е предназначен за игра) и вакуума на околната среда. Що се отнася до това как работи горенето, всичко е същото за бензиновите и течните ракети, това е само количеството на всяка течност, от което се нуждаете, за да постигнете това горене, заедно с окислител и събитието на запалване, за да започне всичко.

За повечето ракетни двигатели с течно гориво, запалването се създава с помощта на факелен запалител, но други горива, смесени с кислород, използват хиперголични (самозапалващи се) горива, изпомпвани в техните горивни камери, запалителни свещи (да, като тези в колата ви) или… в случая с ракетата Союз — „обрасли кибритени клечки“, направени от пиротехнически сигнални ракети, монтирани на брезови стълбове. След като се запали, горивото ще изгори и ще се разшири и ще задвижи обекта, към който е прикрепен двигателят. Двигателят с вътрешно горене прави същото, с изключение на това, че разширяващите се газове принуждават буталото надолу, за да създадат ротационна енергия на коляновия вал.

Internal Combustion Engines In Space NASA Getty Images 27

„Разликата идва в това, което правите с произведената енергия“, казва проф. ДеТурис, „Ракетата използва енергията, за да създаде тяга в сближаваща се, отклоняваща се дюза, но ICE използва енергията, за да създаде въртене. Всяко от тези неща може да бъде направено във вакуум“, обаче, посочва тя, „просто трябва да вземете предвид околната температура, когато проектирате вашето приложение и това лесно може да повлияе на материалите, които използвате в космоса.“ Един такъв проблем се дължи на липсата на кислород, лесно е студено заваряване на метали заедно. Това явление, свързано с вакуума, позволява на металите да се заваряват без топене или топлина, което е било проблем в миналото за астронавтите и сателитите. Съвременните материали и по-доброто разбиране на този феномен обаче ни доведоха до материали, по-подходящи за пространството и предотвратяващи студено заваряване.

„Можете да усетите как това се отразява и на нещата“, казва проф. Лемьо, „като разгледате двигателите на малки витлови самолети от общата авиация.“ „Нормално аспирираните виждат драматичен спад в околното налягане, докато се изкачват стабилно, разбира се, и това е свързано със спад в производителността и защо „височината на плътност“ е толкова важен параметър както за двигателите, така и за самолетите.“ Ето защо тези двигатели са с ограничена надморска височина без добавяне на турбокомпресор или компресор за вкарване на повече въздух, точно както бихте направили в автомобилен двигател с висока мощност. Налягането на форсиране означава повече въздух, който да използвате, докато изгаряте вашия бензин.

Проф. Lemieux също така обяснява, че макар да изглежда, че двигателят изобщо няма да работи в пълен вакуум, това е възможно, ако можете да осигурите окислител. „Тогава това със сигурност е така. Ако разчитате на околната среда да осигури окислителя, няма да работи“, добавя той. Ако сте проектирали инжектора на окислителя да работи със затворен пленум, бихте могли дори да запазите същите конструкции на клапаните, които използваме в двигателите сега. Или бихте могли да бъдете иновативни и да премахнете цялата всмукателна система и порт, като ги замените с директен инжектор за течен кислород.

Internal Combustion Engines In Space NASA Getty Images 30

Използването на инжектор за окислител е подобно на начина, по който течните ракети го правят сега, просто инжекторът за ракета обикновено не работи като инжекторите в ICE. Помпите за течния кислород и течното гориво на ракетата работят много като турбокомпресор и се наричат турбопомпи. Разликата – обикновено – е, че вместо да използва отработен газ за задвижване на турбината, той използва гравитацията и издърпва течните горива надолу, за да задвижи турбина. Работното колело, прикрепено към тази турбина, поставя всяка течност под налягане, преди да я изпрати в основната горивна камера на ракетата.

Има и други, които използват газов генератор за задвижване на работното колело (работещ точно като турбокомпресор) и напоследък имаше опити турбината да се задвижва с електрически двигател („електрическата ракета“, за която може би сте чували, ако сте случайно изчистване на напредъка на ракетната техника). Начинът, по който това се прави, просто се различава в зависимост от производителя на ракетата и дори от параметрите на конкретната мисия, на която ракетата лети.

Internal Combustion Engines In Space NASA Getty Images 6

Горивото под налягане се подава в главен клапан, който се отваря и затваря, контролирайки потока на гориво към инжектора. Това, което всъщност пулверизира горивото, е плоча (или двойки или комплекти плочи), пълна с точно пробити дупки, каквито бихте видели в края на бензинов инжектор. Освен това, за разлика от горивния инжектор за вашето превозно средство, няма игла, която всъщност контролира колко гориво влиза в основната горивна камера. Всичко се контролира от главните клапани, които контролират потока, а не обема.

Накрая, горивото се запалва, както споменахме преди, и ракетата се издига от подложката или се придвижва напред в пространството. За да поддържа захранването на горивото в гравитационни турбопомпи, докато е в космоса, без каквато и да е отделна механична или електрическа помпа, ракетата разчита на инерцията, създадена чрез ускоряване, за да поддържа потока на течното гориво и окислителя. Този импулс създава нещо като изкуствена гравитация, която принуждава течностите към дъното на резервоарите и постоянно захранва турбопомпите. Много от тези решения за захранване на ракетен двигател с гориво и окислител могат да бъдат приложени към ICE. Отново, това е само въпрос на разлика в това, което всеки двигател прави с разширяващите се газове.

Internal Combustion Engines In Space NASA Getty Images 8

Въпреки че бихте си помислили, че вакуумът на космоса би представлявал проблем, проф. Лемьо обяснява, че буталните пръстени могат да се уплътняват във вакуум. Имайте предвид, че тези пръстени се борят срещу огромната разлика в налягането на разширяващ се газ срещу атмосферното налягане, което двигателят обикновено би виждал. „Това, срещу което уплътняват буталните пръстени, не е абсолютното противоналягане в картера“, обяснява проф. Lemieux, „По-скоро това е „делта Р“ между горивната камера (CC) и картера, което действа, за да изтласка съдържание на CC към картера.“

Той също така посочва, че дори когато двигателят работи на морското равнище, „има голяма делта P през тези пръстени, която се променя непрекъснато през целия 4-тактов цикъл“ и те вършат чудесна работа за уплътняване на камерата през целия цикъл. „Ако същият двигател е с турбо (или) компресор“, добавя той, „делта Р може да се увеличи значително (да речем, повече от 15 psi), а пръстените продължават да вършат добра работа за уплътняването му. Абсолютно 0 psi в картера , което е вашият сценарий, добавя не повече от 15psi към тази делта P. Така че там няма проблем.“

Тази вакуумна среда може потенциално да бъде от полза за ICE. „От механична страна“, казва проф. Lemieux, „нещата също стават интересни: липсата на противоналягане в отработените газове означава, че обемната ефективност на двигателя ще се увеличи, така че работата на двигателя, като средното ефективно налягане при спиране (BMEP) и други, ще върви нагоре.“ Това работи и в картера, който той отбелязва, че „също ще спадне, а това означава, че разликата в налягането в челото на буталото ще се повиши с до една атмосфера, като отново ще се удря BMEP“. Ако сте гледали сезон 1 на Engine Masters, епизод девет, знаете, че всички видове двигатели искат намалено противоналягане и че има мощност, която може да се спечели чрез намаляването му. Само си представете мощността, която може да генерира вашият двигател с нулево обратно налягане в изпускателната система или в картера.

Всичко това означава, че вакуумът не е проблем и че горенето всъщност не зависи от „компресията“. Това наистина е по-скоро съхранение на ротационна енергия, която се прехвърля към трансмисията чрез коляновия вал. Това компресиране обаче води до топлина, докато газовете се компресират, и това заедно с искрата от запалителната свещ започва превръщането на бензина и кислорода в термично разширение на тези газове.

Internal Combustion Engines In Space NASA Getty Images 24

Въпреки това, ако можете да генерирате достатъчно топлина от вашата искра или дори да използвате предварително запалване, вашата горивна камера не се нуждае от компресия и ще продължи да работи. Има дори тестове с двигатели, които използват отделна горивна камера, която захранва разширяващите се газове в цилиндъра, за да принуди буталото надолу. Отново, ракетният двигател прави същото и няма бутало, което да създава компресия. Можете също така да запалите бензин извън двигателя, особено лесно е, когато е в газообразно състояние (изпаренията).

Компресията на всеки бутален двигател е начин за съхраняване на потенциална енергия, която ще се използва за генериране на ротационна енергия чрез коляновия вал. Няма значение дали е двутактов или четиритактов; бензин, дизел или друга форма на гориво. Ако горивото е достатъчно горещо, за да достигне запалване със своя окислител, то ще се запали и ще се разшири, докато удари нещо и премести този обект или спре, защото този обект изисква повече сила, отколкото това разширяване произвежда.

Internal Combustion Engines In Space NASA Getty Images 28

Освен екстремния студ, който може да се обясни с материали в момента (частите в космоса също трябва да се въртят), защо не видим генератори, захранвани с ICE за космическата станция, марсохода Perseverance и бъдещите бъгита на Луната ? Има две важни съображения, когато става въпрос за изследване на космоса: тегло и дълголетие. Разбира се, ние имаме способността да инжектираме течности в горивните камери, въпреки че кислородът е криогенна течност и изисква много ниски температури, за да остане течност, нито това е проблем, тъй като можем да правим това в ракетните двигатели точно както правим с много видове гориво.

Проблемите възникват при пренасянето на това гориво и окислител в космоса и как потенциално бихте го попълнили. Един от основните проблеми с влизането в космоса е, че имате нужда от голяма скорост, за да влезете в орбита и дори повече, когато искате да излезете извън гравитационното влияние на Земята и да отидете на друга планета. Ето защо виждате много орбитални и междупланетни мисии да използват неща, направени от неща, за които създателите на състезателни автомобили мечтаят, като титан, въглеродни влакна и други свръхлеки материали.

Това е и причината толкова много космически и марсиански кацащи превозни средства да изглеждат като скелетирани, с изключение на някои от екраните от фолио за защита на чувствителните към топлина части. Ако също така трябва да носите горивото и окислителя, трябва да отчетете тази маса във вашето изстрелване и орбитална механика, като приложите повече енергия на тягата, за да постигнете скоростта на бягство. Ако сте имали работа със състезателна кола, виждате накъде отива това. Ако не, по-голямата тяга изисква повече мощност, а това означава повече гориво и повече тегло. Ако можехте да зареждате гориво в орбита – което по време на писането на това писмо ние не можехме – това нямаше да е проблем. Тъй като не можем, ние разчитаме на батерии, които се захранват от слънчева енергия, за да управляват двигатели и захранваща електроника на нашите космически превозни средства и Международната космическа станция (МКС).

Все още не сме запознати с каквито и да е ресурси, които биха ни позволили да попълним нашето гориво или окислител на Луната или Марс. Това е мястото, където Curiosity и Perseverance се различават от другите мисии на Марс, вместо да разчитат само на слънчеви панели за захранване на батериите си, тези роувъри с размер на седан използват многомисионен радиоизотопен термоелектрически генератор (MMRTG), по същество миниатюрна атомна електроцентрала.

Основната разлика между вашата местна ядрена централа и MMRTG – освен очевидната разлика в размера – е, че вместо да превръща водата в пара, която върти турбина на електрически генератор, тя използва ефекта на Seebeck. Най-простият начин да се опише Seebeck е, че два различни, но електропроводими материала създават електричество чрез прилагане на разлика в температурата във всеки край на тези материали. По същество това е обратното на устройство на Пелтие, използвано в охладители на седалки, където електрически ток преминава между тези два материала и създава температурна разлика в двата материала, едната страна е по-гореща, а другата по-студена; това е колко хладилници на превозни средства работят без нужда от фреон и компресор. Всичко казано, скоро няма да видим марсоход, задвижван от ДВГ, или дори бъги на Луната.

Има хора от вас, които посочват, че пожарът в космоса е равен на лошо, вероятно си спомняйки Аполо 1 и загубата на Гъс Грисъм, Ед Уайт и Роджър Чафи, докато все още бяха на стартовата площадка за репетиция за изстрелване. Без съмнение сте чували и за предупрежденията за наличие на пламък близо до чист кислород и снимки на изгорели стаи и по-лоши неща. Но, разбира се, кислородът, при липса на източник на гориво, не представлява риск от пожар. Вярно е обаче, че всяко гориво ще гори по-интензивно в атмосфера на чист кислород, отколкото във въздуха. Това е така, защото азотът, който съдържа приблизително 80 процента от въздуха, който дишаме, не е окислител.

В днешните космически кораби и бъдещите космически станции атмосферата е равна на тази, която имаме тук на Земята: 20 процента кислород, 80 процента азот. Преведено, това означава, че рискът от пожар на МКС е равен на този, който би бил тук на Земята, просто много, много далеч от най-близката пожарна.

Ако трябваше да запазим използването на бензин и кислород като вътрешно монтиран източник на гориво на ДВГ, тогава отработените газове биха били проблем в изолирана среда. Въглеродният диоксид, азотният оксид, неизгорелите въглеводороди и други прахови частици ще трябва да бъдат филтрирани, за да се създаде безопасна среда, в която човек може да работи. Би било идеално, ако всички тези газове могат просто да бъдат освободени в космоса, но това би било сложно начинание, което означава, че по-реалистичният случай на използване на генератор, захранван с ДВГ, ще бъде този, който е изложен на околната среда на космоса, просто като ракетен двигател.

Ако използваме алтернативно гориво, тогава техните странични продукти също ще трябва да бъдат филтрирани. Ако използваме течен водород, например, полученият страничен продукт ще бъде вода със следи от водороден пероксид и озон, което го прави все още неподходящ за поглъщане направо от ауспуха, но по-добър от бензина. ДВГ ще се нуждае от същите защити от термичните колебания при преминаване между слънцето и планетата, но те могат лесно да бъдат решени с нагреватели и термични капаци.

Въпреки че е възможно да работи двигател с вътрешно горене във вакуум и студена среда на космоса, реалността е, че това просто не е възможно. Тежестта на носенето на горивото и окислителя е основното бреме, последвано от предизвикателството за попълване на двете, когато сте извън Земята. Това означава, че батериите, слънчевата и ядрената енергия и генерирането са единствените надеждни и устойчиви източници за космически станции и превозни средства, които се нуждаят от енергия за инструменти и дори за движение.

 

Подобни:
Продължи с четенето

Интересно

Крадци са откраднали 8 нови Corvette направо от фабриката на GM

Published

един ден ago

on

03/25/2025

By

Крадци са откраднали 8 нови Corvette направо от фабриката на GM в Боулинг Грийн, Кентъки.

Крадците крадат коли през цялото време, но не всеки ден решават да ги откраднат директно от производствената линия на автомобилния производител. И все пак, точно това се случи в завода на General Motors в Боулинг Грийн, Кентъки, където се произвеждат Corvette. Всъщност единствената причина, поради която служителите на завода са забелязали липсата на осемте нови автомобила, е обаждането от шерифа на окръг Уорън. Един полицай е видял Corvette с всички стикери на производствените му съоръжения в жилищен комплекс на около 14 минути от завода в Боулинг Грийн.

След обаждането на шерифа, че вероятно има открадната кола от фабриката са проверили бройката на произведените коли и са установили, че липсва не една кола, а цели осем! Историята има добър зюавършек след като полицията в крайна сметка възстанови всички коли.

 

carscoops.com

Продължи с четенето

Автомобили

RM Sotheby’s продава Lancia Thema Wagon Zagato, която е била собственост на Джани Аниели

Published

2 дни ago

on

03/24/2025

By

Lancia създаде някои невероятни хитове през десетилетията. Един от най-запомнящите се автомобили на марката от 80-те и 90-те години на миналия век е седанът Thema, който по-късно ражда комби версия, проектирана от Pininfarina. RM Sotheby’s продава именно такава Lancia Thema Wagon Zagato, която е била собственост на Джани Аниели.

Когато Lancia са обмисляли идеята да превърне Thema в комби, от компанията са се обърнали към Pininfarina и Zagato , като са им възложили да проектират своя собствена комби версия на Thema. Zagato разкрива своето творение първо на автомобилното изложение в Женева през 1985 г., преди Pininfarina да покаже своя комби Thema на автомобилното изложение във Франкфурт същата година. В крайна сметка Lancia решава да произведе автомобила, проектиран от Pininfarina, и са построени само два прототипа на Zagato.

Тази конкретна Thema беше личната кола на италианския индустриалец и шеф на Фиат Джани Аниели и той я караше две години. Визуално изглежда много подобен на автомобила Pininfarina, но има черни D-колони и малко по-различен заден капак.

RM Sotheby’s ще продаде колата на търг на 20 април и отбелязва, че въпреки че Aниели се е разделил с нея след две години, тя винаги е оставала в Италия. В момента има 92 329 км (57 370 мили) и изглежда в отлично състояние. Кабината също е добре поддържана и сините платнени седалки показват много малко следи от износване. Аукционната къща очаква да бъде продадена за между 80 000 евро (~ 86 600 долара) и 160 000 евро (~ 173 200 долара).

 

Продължи с четенето

Интересно

Kaĸ Чиĸaгo пpoдaдe „изгoднo“ плaтeнoтo cи пapĸиpaнe, нo пoлyчи гopчив финaнcoв ypoĸ

Published

2 дни ago

on

03/24/2025

By

Πpeз дeĸeмвpи 2008 гoдинa Чиĸaгo cĸлючи 75-гoдишeн дoгoвop зa нaeм зa cвoятa cиcтeмa зa пapĸoмaти c Сhісаgо Раrkіng Меtеrѕ LLС (СРМ), ĸoнcopциyм, pъĸoвoдeн oт Моrgаn Ѕtаnlеу Іnfrаѕtruсturе Раrtnеrѕ. Taзи cдeлĸa пpeдocтaви нa гpaдa внyшитeлнoтo плaщaнe oт $1,15 милиapдa, пpeднaзнaчeнo зa cпpaвянe c бюджeтнитe пpeдизвиĸaтeлcтвa пo вpeмe нa Гoлямaтa peцecия.

Дългocpoчнитe финaнcoви пocлeдици oт тoвa cпopaзyмeниe oбaчe бяxa шиpoĸo ĸpитиĸyвaни.

Инвecтитopитe в СРМ вĸлючвaт Моrgаn Ѕtаnlеу Іnfrаѕtruсturе Раrtnеrѕ LР, Dееѕіdе Іnvеѕtmеntѕ, Іnс., Rеdоmа Ѕàrl, Аbu Dhаbі Іnvеѕtmеnt Аuthоrіtу (АDІА) и Аllіаnz ЅЕ. 49,9-пpoцeнтният дял e пpитeжaниe нa Dееѕіdе Іnvеѕtmеntѕ, Іnс. Дpyжecтвoтo e cъcoбcтвeнocт нa АDІА, дъpжaвнo инвecтициoннo пoдpaздeлeниe нa Oбeдинeнитe apaбcĸи eмиpcтвa.

Taĸa, cпopaзyмeниeтo вoди дo знaчитeлнa чyждecтpaннa coбcтвeнocт въpxy пapĸoмaтитe в тpeтия пo гoлeминa гpaд в Cъeдинeнитe щaти.

Cлeд ocъщecтвявaнeтo нa cдeлĸaтa, тaĸcитe зa пapĸиpaнe в Чиĸaгo ca знaчитeлнo yвeличeни. Toвa пpaви cиcтeмaтa eднa oт нaй-cĸъпитe изoбщo нa тepитopиятa нa CAЩ. Πoчacoвитe cтaвĸи ĸъм мoмeнтa вapиpaт oт $2,50 дo $7 в зaвиcимocт oт paйoнa нa пapĸиpaнe.

Ocвeн чyвcтвитeлнoтo yвeличeниe, гpaдът e зaдължeн дa ĸoмпeнcиpa СРМ, aĸo пapĸoмaтитe бъдaт пpeмaxнaти oт oбcлyжвaнe пopaди пpичини ĸaтo пapaди, пoддpъжĸa нa yлици или инcтaлиpaнe нa вeлocипeдни aлeи. Taĸa, зa пepиoд oт 12 гoдини Чиĸaгo плaти пpиблизитeлнo $78,8 милиoнa в нaĸaзaтeлни тaĸcи.

Bъзвpъщaeмocт

Kъм 2023 гoдинa бe cъoбщeнo, чe инвecтитopитe ca cи възвъpнaли нaпълнo инвecтициятa oт $1,15 милиapдa. Heщo пoвeчe, вeчe ca нa пeчaлбa c eдни дoпълнитeлни $500 милиoнa. A oт лизингa ocтaвaт oщe 59 гoдини. Toзи peзyлтaт нaĸapa мнoзинa дa oпpeдeлят cдeлĸaтa ĸaтo eднo oт нaй-нeблaгoпpиятнитe пpивaтизaциoнни cпopaзyмeния в иcтopиятa нa CAЩ.

Иcтopиятa c пpoдaдeнaтa cиcтeмa зa пapĸиpaнe нa Чиĸaгo e пoyчитeлнa в мнoгo acпeĸти.

Cъc cигypнocт cлyжи зa пpeдyпpeждeниe зa ĸoмплeĸcнocттa нa пoдoбeн тип cдeлĸи пo пpивaтизaциятa нa oбщecтвeни aĸтиви. Bъпpeĸи пpeдocтaвянeтo нa бъpзи финaнcoви cpeдcтвa, тpaйният xapaĸтep нa cпopaзyмeниeтo пoвдигнa мнoжecтвo въпpocи oтнocнo нeгoвитe дългocpoчнитe пoлзи и нeдocтaтъци зa житeлитe нa Чиĸaгo.

money.bg

Продължи с четенето
Реклама

ПОПУЛЯРНО