Pompa beztłokowa
Pompa beztłokowa to rodzaj pompy przeznaczonej do przemieszczania płynów bez żadnych ruchomych części innych niż trzy zawory komorowe.
Pompa zawiera komorę z zaworem wlotowym pompowanej cieczy, zaworowym wylotem – oba na dole pompy i wlotem ciśnienia na górze pompy. Do napędzania płynu przez pompę stosuje się środek ciśnieniowy, taki jak para lub hel pod ciśnieniem.
Wstęp
NASA opracowała niedrogą pompę paliwa rakietowego, która ma wydajność porównywalną do pompy turbopompowej przy koszcie o 80–90% niższym. Być może najtrudniejszą barierą wejścia na rynek rakiet na paliwo ciekłe jest turbopompa. Konstrukcja turbopompy wymaga dużego wysiłku inżynieryjnego, a jej produkcja i testowanie są kosztowne. Uruchomienie silnika rakietowego zasilanego turbopompą to złożony proces, wymagający starannej synchronizacji wielu zaworów i podsystemów. W rzeczywistości firma Beal Aerospace próbowała całkowicie uniknąć tego problemu, budując ogromny wzmacniacz ciśnieniowy. Ich wzmacniacz nigdy nie latał, ale stojąca za nim konstrukcja była solidna i gdyby mieli do dyspozycji tanią pompę, mogliby konkurować z Boeingiem. Pompa ta pozwala zaoszczędzić do 90% masy zbiorników w porównaniu z systemem zasilanym ciśnieniowo. Ta pompa naprawdę okazała się dobrodziejstwem dla rakiet. Dzięki zastosowaniu tej pompy rakieta nie musi dźwigać tak dużego ładunku i może poruszać się z bardzo dużą prędkością.
Cykl pracy
Cykl wygląda następująco:
- Płyn wpływa i wypełnia komorę przez zawór wlotowy. Zawory wylotowe i ciśnieniowe są zamknięte.
- Zawór wlotowy zamyka się, zawory wylotowe i ciśnieniowe otwierają się. Środek podciśnieniowy tłoczy płyn przez zawór wylotowy.
- Gdy komora się opróżnia, zawór czynnika podciśnieniowego zamyka się, otwiera się zawór wlotowy, a następnie zamyka się zawór wylotowy.
- Cykl się powtarza.
Szybkość pompowania
Silniki rakietowe wymagają ogromnej ilości paliwa pod wysokim ciśnieniem. Często pompa kosztuje więcej niż komora oporowa. Jednym ze sposobów dostarczania paliwa jest zastosowanie wyżej wymienionej drogiej turbopompy, innym sposobem jest zwiększenie ciśnienia w zbiorniku paliwa. Zwiększanie ciśnienia w dużym zbiorniku paliwa wymaga ciężkiego i drogiego zbiornika. Załóżmy jednak, że zamiast zwiększać ciśnienie w całym zbiorniku, główny zbiornik jest spuszczany do małej komory pompy, w której następnie panuje ciśnienie. Aby zapewnić stały przepływ, układ pomp składa się z dwóch komór pomp, z których każda dostarcza paliwo przez połowę każdego cyklu. Pompa zasilana jest gazem pod ciśnieniem, który oddziałuje bezpośrednio na ciecz. Dla każdej połowy układu pompowego napełniana jest komora ze zbiornika głównego pod niskim ciśnieniem i przy dużym natężeniu przepływu, następnie w komorze panuje ciśnienie, a następnie płyn jest dostarczany do silnika z umiarkowanym natężeniem przepływu i pod wysokim ciśnieniem. Następnie komorę odpowietrza się i cykl się powtarza. System jest zaprojektowany w taki sposób, że natężenie przepływu na wlocie jest wyższe niż natężenie przepływu na wylocie. Daje to czas na odpowietrzenie, ponowne napełnienie i zwiększenie ciśnienia w jednej komorze, podczas gdy druga jest opróżniana. Pompka do deski do chleba została przetestowana i działa znakomicie. Zaprojektowano i zbudowano wersję wyższą, która pompuje z prędkością 20 gal/min i 550 psi.
Zastosowanie w rakietach
Jest on najczęściej używany [ potrzebne źródło ] do dostarczania paliw do silników rakietowych . W tej konfiguracji często dwie pompy pracują w przeciwnych cyklach, aby zapewnić stały dopływ paliwa do silnika.
Pompa ma tę przewagę nad systemem zasilanym ciśnieniowo, że zbiorniki mogą być znacznie lżejsze. W porównaniu z pompą turbopompa beztłokowa ma znacznie prostszą konstrukcję i ma mniej rygorystyczne tolerancje konstrukcyjne.
Zalety
Prawie cały osprzęt tej pompy składa się ze zbiorników ciśnieniowych, dzięki czemu waga jest niewielka. Jest mniej niż 10 ruchomych części i nie ma problemów ze smarowaniem, które mogłyby powodować problemy w przypadku innych pomp. Projekt i konstrukcja tej pompy jest prosta i nie wymaga żadnych precyzyjnych części. Urządzenie to ma przewagę nad standardowymi turbopompami pod tym względem, że waży mniej więcej tyle samo, koszty jednostkowe, inżynieryjne i testowe są mniejsze, a ryzyko katastrofalnej awarii jest mniejsze. Pompa ta ma tę przewagę nad konstrukcjami zasilanymi ciśnieniowo, że waga całej rakiety jest znacznie mniejsza, a rakieta jest znacznie bezpieczniejsza, ponieważ zbiorniki paliwa rakietowego nie muszą znajdować się pod wysokim ciśnieniem. Pompę można uruchomić po dłuższym przechowywaniu z dużą niezawodnością. Może być stosowany do zastąpienia turbopomp w opcji wspomagania rakietowego lub może być stosowany do zastąpienia zbiorników wysokociśnieniowych do napędu w przestrzeni kosmicznej. Można go również używać do zmiany orbity satelitów i utrzymywania stacji.
Niedogodności
Pompy beztłokowe mają również pewne wady, takie jak:
- Nie mogą pompować do wyższego ciśnienia niż gaz napędowy (stosunek powierzchni wynosi 1:1).
- Nie można w nich zastosować cyklu spalania etapowego ani cyklu ekspandera.
- Cykl generatora gazu jest również trudny do zintegrowania z pompą beztłokową.
- Wytwarzany gaz musi być chemicznie kompatybilny z obydwoma paliwami.
- Ten generator gazu skraca okres rozpoczęcia zapłonu silnika.