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

Интересно

Може ли двигател с вътрешно горене да работи в космоса?

Публикувано преди

на

Преди година тогавашния главен прокурор сравни сложността да едно дело в пътуване до Луината с дизелов двигател. Идеята тогава явно бе, че един двигател няма да може да работи в космоса. Но дали всъщност е невъзможно двигател с вътрешно горене да работи в космоса. Този въпрос е зададен на изследователи и професори от Калифорнийския политехнически държавен университет.

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.

019-kaase-p51-big-block-ford-combustion-chamber

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.

Професорът по машинно инженерство, Патрик Лемьо и професорът по аерокосмическо инженерство, Даян Дж. ДеТурис разкриват цялата теория и обяснение за тази тема. Двамата преподават в Калифорнийския университет машинно и космическо инженерство.

„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 ДВГ 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.

Получаване на кислород
Проф. Лемьо 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.

Захранване на мощния ракетен двигател

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 ДВГ. 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.

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.

Вакуумът също не е проблем

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.“

Най-добрият начин за борба с обратното налягане

Тази вакуумна среда може потенциално да бъде от полза за ДВГ. „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.

И така, какво всъщност прави ходът на компресията?

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.

Не е горивото и окислителя, а теглото

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 ДВГ 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, 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).

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 захранване за инструменти и дори движение.

Продължи с четенето

Интересно

Светът иска солари и електромобили, но не му достига ценен ресурс

Published

on

By

Светът е изправен пред недостиг на полезни изкопаеми, необходими за производството на електромобили, вятърни турбини, слънчеви панели и други технологии за чиста енергия, които са от съществено значение за прекратяване на зависимостта от изкопаеми горива.

Базираната в Париж Международна агенция по енергетика заяви в доклад, публикуван в петък, че рязкото понижение на цените на лития, кобалта, никела и графита през миналата година е „добра новина за потребителите“, но обезкуражава инвестициите в добива на тези важни минерали. До 2035 г. светът е на път да задоволи само 70% от световното търсене на мед и 50% от търсенето на литий, допълва агенцията.

Апетитът на света за технологии като слънчеви панели, електрически автомобили и батерии расте бързо – но не можем да го задоволим без надеждни и разширяващи се доставки на критични минерали“, заяви в изявление Фатих Бирол, изпълнителен директор на МАЕ.

Инвестициите в добива на критични минерали са нараснали с 10% през миналата година – темп, който според агенцията е „здравословен, но по-бавен от този през 2022 г.“. МАЕ прогнозира, че инвеститорите ще трябва да вложат 800 млрд. долара в минни проекти от сега до 2040 г., за да имат шанс да ограничат повишаването на глобалните температури до 1.5 градуса по Целзий над прединдустриалните нива. МАЕ отбелязва, че цените на някои важни минерали са се върнали към ниските си нива отпреди пандемията, като тези, необходими за производството на батерии, са спаднали особено рязко.

Поевтиняването е причинено от „силното увеличение“ на предлагането, което изпреварва ръста на търсенето през последните две години, заяви МАЕ. Въпреки това „днешният пазар с добро предлагане може да не е акуратен ориентир за бъдещето, тъй като търсенето на важни минерали продължава да се увеличава“, добавят още от там. Търсенето на графит например се очаква да се увеличи четирикратно до 2040 г. спрямо сегашното ниво, ако светът предприеме мерки за избягване на затопляне над 1.5 градуса. Цената на лития се срина със 75% през 2023 г., докато цените на кобалта, никела и графита спаднаха с между 30 и 45%. Според МАЕ тези спадове са помогнали за намаляване на цената на батериите с 14%.

Рискове, свързани с концентрацията

Концентрацията на производството на критични минерали в малък брой държави увеличава риска от недостиг, предупреди агенцията. Тя очаква, че в периода до 2030 г. 75% от ръста на доставките на литий, никел, кобалт и редкоземни елементи ще дойде само от няколко държави. За видовете графит, използвани в батериите, почти 95% от ръста на доставките вероятно ще дойде от Китай, прогнозира МАЕ.

Тези високи равнища на концентрация на доставките представляват риск за скоростта на енергийните преходи, тъй като правят веригите и маршрутите за доставки по-уязвими към смущения, независимо дали са предизвикани от екстремни метеорологични условия, търговски спорове или геополитика“, заяви агенцията.

Високата пазарна концентрация означава, че съществува риск от значителен недостиг на доставки, ако по някаква причина доставките от най-голямата страна производител бъдат прекъснати.“

Учените считат затоплянето от 1.5 градуса за праг, отвъд който екстремните горещини, наводненията, сушите, горските пожари и недостигът на храна и вода биха имали катастрофални последици.

 

economic.bg

Продължи с четенето

Автоиндустрия

5 от най-големите двигатели с вътрешно горене, създавани някога

Published

on

By

„Без замяна на работния обем“ беше мотото, което създаде някои големи двигатели по време на вълнуващата ера на мускулните автомобили. Въпреки това, това мото беше пренесено в друго измерение в случая с тези пет безумно огромни двигателя с вътрешно горене.
В продължение на хилядолетия хората са използвали двигатели, за да подобрят производителността в различни области.

Всичко започна с парната машина, която проследява своите корени до първи век след Христа; тогава, в зората на 18 век, техническият напредък ражда двигателите с вътрешно горене (ДВГ). Постепенно ДВГ превземат и в крайна сметка захранват повечето превозни средства, както и неща като генератори. През последните двеста години ДВГ не само се увеличиха по сложност и ефективност, но и по размер, и в тази статия ще разгледаме пет от най-големите единици, произвеждани някога.

Фиат S76

Fiat S76 "Звярът от Торино"

Въпреки че автомобилът, задвижван с ДВГ, все още е сравнително нова машина през 1910 г., някои инженери се стремят да създадат изключително бързи коли и да поставят нови рекорди за скорост на сушата. Един такъв пример е различен от Карл Бенц , бащата на автомобила, който разработи 21,5-литров двигател през 1909 г. и го използва за задвижване на рекордьора Blitzen Benz.

Година по-късно няколко инженера на Fiat решават да счупят рекорда на Benz и създават луда кола, която става известна като „Звярът от Торино“. Официално наречен Fiat S76, автомобилът се задвижваше от огромен редови четирицилиндров двигател със същото име, който започна живота си като самолетен двигател.

Модифициран за използване в автомобила, преследващ рекорди за скорост, двигателят има работен обем не по-малко от 28,4 литра (1730,2 кубически инча) и развива 290 к.с. Въпреки че това може да не изглежда много впечатляващо днес, двигателят също така беше в състояние да достави колосалните 2000 lb-ft (2712 Nm) пиков въртящ момент, което изискваше здраво задвижване с двойна верига. Звярът успя да постигне скорост в едната посока от 132,27 мили в час (213 км/ч), но не успя да завърши второто бягане, което би ратифицирало нов рекорд за скорост на сушата. Повече от век по-късно неговият огромен двигател все още се смята от много историци за най-големия ДВГ, монтиран някога в автомобил.

Caterpillar C175-20

Caterpillar C175\-20

В сравнение с автомобилите, камионите винаги са имали по-големи двигатели, а когато става дума за огромни камиони като серията Caterpillar 797 , размерът на техните двигатели е също толкова умопомрачителен. По-голям от средната ви къща, 797 е серия от камиони, разработени специално за минни и тежки строителни приложения. Най-новият член на серията, 797F, който беше представен през 2009 г. и все още се произвежда днес, се задвижва от един от най-големите ICE, създавани някога.

С кодово име C175-20, четиритактовият, четири-турбо, 20-цилиндров дизелов двигател с водно охлаждане има работен обем от 1058 литра (6456 ci) и, както можете да си представите, той е по-голям от повечето леки автомобили. Гигантският V20 произвежда до 4000 к.с. и невероятните 16 474 lb-ft (22 335 Nm) въртящ момент. Двигателят се използва и в други приложения, включително като самостоятелен генератор. Остров Mustique в карибската държава Сейнт Винсент и Гренадини използва един C175-20, за да осигури електричество за целия остров.

General Electric GE9X

General Electric GE9X

Преминавайки към самолетите, следващият запис в нашия списък с огромни ДВГ е General Electric GE9X. Разработен от GE Aerospace ексклузивно за серията самолети Boeing 777X , този турбовентилатор се качи за първи път на земята през 2016 г. и направи първия си полет две години по-късно. GE9X е с размери 224,0 инча (5690 мм) на дължина, 161,3 инча (4097 мм) на ширина и 163,7 инча (4158 мм) на височина, този масивен двигател може да достави до 134 300 lbf (597 kN) тяга. За сравнение, при максимална тяга, тя е по-мощна от ракетата Mercury-Redstone, използвана от НАСА по време на първия й космически полет с екипаж. Ако не сте запознати със самолетите, серията Boeing 777X е оборудвана с един от тези двигатели на всяко крило.

Rocketdyne F-1

Двигатели Rocketdyne F\-1

Тъй като споменахме ракети, съвсем естествено е следващият запис да е ракетен двигател – един от най-известните изобщо. Разработен от подразделението Rocketdyne на Rockwell International в САЩ през втората половина на 50-те години на миналия век, F-1 беше използван в първия етап на ракетите носители Saturn V по време на легендарната програма Apollo на НАСА. Способен да доставя до 1 550 000 lbf (6,9 MN) тяга, F1 все още се счита за най-мощния еднокамерен ракетен двигател, създаван някога. С размери от 18,5 фута (5,6 м) на дължина и 12,2 фута (3,7 м) в диаметър, той също е един от най-големите ICE от този вид.

Wärtsilä-Sulzer RT-flex96C

Wärtsilä\-Sulzer RT\-flex96C

Последният запис в нашия списък се отличава с това, че е най-големият двигател с вътрешно горене, произвеждан някога. Произвеждан от финландската компания Wärtsilä от 2006 г., RT-flex96C е двутактов нискоскоростен 14-цилиндров дизелов двигател с турбокомпресор, предназначен да задвижва най-големите контейнеровози в света. По отношение на размерите гигантът е дълъг 87,2 фута (26,59 м), висок е 44 фута (13,5 м) и тежи над 2300 тона без течности. Когато неговите 20-футови (6 м) високи бутала се задействат, RT-flex96C може да развие до 107 390 к.с. и 5 608 310 lb-ft (7 603 850 Nm) въртящ момент – най-много от всеки дизелов двогател , създаван някога. По време на нормална работа, той поглъща до 250 тона гориво на ден, около 6000 пъти повече от вашия среден пикап за дълги разстояния.

autoevolution.com

Продължи с четенето

Интересно

Hyundai ще си сътрудничи с първия в света корейски готвач, спечелил три звезди Michelin

Published

on

By

Главният готвач с три звезди Мишлен Кори Лий ще разкрие нов ресторант „Na Oh“ в центъра за иновации на Hyundai Motor Group Сингапур (HMGICS). В новаторско сътрудничество между световноизвестния готвач Кори Лий с три звезди Мишлен и Hyundai Motor Group Innovation Center Singapore (HMGICS), Na Oh, нова концепция за ресторант, е готова да добави уникален предлагане на богатия кулинарен пейзаж в Сингапур.

Na Oh – което означава „движене отвътре навън“ на корейски – ще бъде повече от просто ресторант. Това ще бъде дестинация в Сингапур, която е културен център за корейска кухня, занаяти и дизайн. Водени от кулинарната визия на базирания в Сан Франциско готвач Кори Лий, Na Oh изследва традиционната корейска кухня през модерен обектив. Na Oh бележи първия проект на готвача Кори Лий в Югоизточна Азия, добавяйки вълнуващо измерение към кулинарните предложения на града.

HMGICS ще бъде в основата на концепцията на Na Oh. Интегрирането на Na Oh в HMGICS допълнително ще разшири клиентското изживяване на центъра отвъд конвенционалното съоръжение за производство на автомобили, превръщайки го в уникална дестинация за гостоприемство в Сингапур.

Използвайки авангардна технология за автоматизация и роботика, HMGICS управлява двуетажна вертикална интелигентна ферма с капацитет за производство на над 30 кг прясна продукция дневно. Това е първата в света интелигентна роботизирана ферма за потребителско изживяване и първата по рода си в света, която е отворена за посетители. Na Oh ще доставя съставки директно от това съоръжение, установявайки пряка връзка между храната и иновациите, за да предложи уникално и изискано изживяване от фермата до масата.

Главен готвач Кори Лий

„Беше вдъхновяващо да обединим иновациите, които Hyundai предлага в HMGICS, с традиционните техники за готвене, които преосмислихме за менюто“, каза главният готвач Кори Лий. „Надявам се да донеса свежа и нова опция за корейска кухня в Сингапур, страна, известна със своите любители на храната. Докато Na Oh ще бъде непринуден семеен ресторант, ние ще сервираме същите качествени продукти и технически препарати, които обикновено са запазени за изискана вечеря. Вълнувам се да направя този вид трапезария по-достъпен, което стана възможно благодарение на ангажимента на Hyundai да подобри изживяването на посетителите в HMGICS”

Под ръководството на главния готвач Кори Лий, кулинарният екип на Na Oh ще достави изискана хансик кухня, калибрирана за модерния вкус. Черпейки вдъхновение от корейските традиции, Na Oh не само ще измъчи вкусовите рецептори, но и ще предостави културни прозрения чрез своето куриране и сътрудничество с много от корейските майстори занаятчии. Na Oh ще бъде отворен за обществеността през юни 2024 г.

Източник: hyundai.com

Продължи с четенето
Реклама

ПОПУЛЯРНО