Метановые двигатели внутреннего сгорания для марсоходов на Марсе и Луне. Осуществимость?

Кажется возможным производить метан и кислород из атмосферного CO 2 и ледяной почвы на Марсе, а также из ледяного реголита в полярных кратерах Луны. Было высказано предположение, что CH 4 +O 2 можно использовать не только в качестве ракетного топлива, но и для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) марсоходов и другой промышленной техники на Луне и Марсе. Преимущество перед электрическими двигателями, работающими на солнечных батареях или РИТЭГах, будет заключаться в том, что ДВС может обеспечить большой эффект по сравнению с массой, необходимой для системы. Электрические вездеходы медленны без предварительно заряженных батарей или ядерного реактора соответственно и тяжелы с ними на борту.

Но не перегреется ли ДВС в вакууме Луны? Хватит ли разреженной марсианской атмосферы для охлаждения мощного ДВС размером с автомобиль? Или двигатель внутреннего сгорания на метане и кислороде будет иметь совершенно другую конструкцию, чем обычный бензиновый ДВС, может быть, с выхлопом горячих газов, как у ракеты?

Также будут приветствоваться комментарии, не связанные с теплом, о возможности использования местных «метановых вездеходов» на Луне и Марсе.

Вы путаете производство энергии с хранением энергии. Солнечные, РИТЭГи и ядерные являются средствами выработки энергии для космического корабля. Батареи и CH4/O2 являются средствами краткосрочного хранения энергии. Таким образом, сравнение будет между использованием батарей и CH4/O2, включая все связанное с этим оборудование (резервуары, герметизация или криогенное обслуживание и т. д.) и неэффективностью (преобразование солнечной/ядерной энергии в CH4/O2, преобразование в механическую с ЛЕД).
Вы также путаете средства преобразования энергии в механическое движение со скоростью. Электромобили могут быть такими же быстрыми или быстрее и могут более эффективно преобразовывать энергию. (Возьмите Tesla для тест-драйва и нажмите на педаль газа, чтобы понять, что я имею в виду. У меня есть, и это довольно опыт.) На самом деле, вероятно, было бы более эффективно использовать топливные элементы для сжигания CH4 и O2 для производства электроэнергии. и использовать это для привода электродвигателей, чем использовать ДВС. Основная причина, по которой вы не видите много автомобилей с топливными элементами, заключается в том, что они дороги. (Но я видел один.)
отличается, но относится к двигателям внутреннего сгорания и/или использованию метана для получения энергии другими способами: как двигатель внутреннего сгорания может создавать значительную внешнюю тягу? и Есть ли топливные элементы на метан+кислород? Может быть? связанные с хранением криотоплива в холодном состоянии: как SpaceX планирует бороться с кипением во время полета на Марс? ...

Ответы (5)

Конвективный теплообмен в разреженных атмосферах не будет работать, лунная экзосфера близка к вакууму, и он будет довольно ограничен на Марсе, где его среднее атмосферное давление на уровне моря ~ 0,6% от земного атмосферного давления, так что да, блоки ICE придется перепроектировать. либо использовать топливо и окислитель в качестве жидких охлаждающих жидкостей с замкнутым контуром (а также предварительно нагревать их в процессе для улучшения сгорания), либо использовать отдельные охлаждающие жидкости (например, в марсианском реголите и над ним осаждается много сухого льда , так что это много твердая форма CO 2 ). Какой бы вариант ни был использован, эти охлаждающие жидкости будут переносить избыточное тепло в, вероятно, большие и тяжелые радиаторы, теряя тепло преимущественно за счет теплового излучения.один. Но так как в ДВС нужно закачивать окислитель поверх топлива, то их все равно пришлось бы переделывать.

Таким образом, конструкции могут существенно отличаться от того, к чему мы привыкли здесь, на Земле, возможно, в зависимости от того, как вы храните окислитель (криогенный LOX ?), сколько тепла вы производите и где еще в системе вы, возможно, захотите его использовать. Это. У Марса, очевидно, есть преимущество в охлаждении блоков ДВС при незначительном атмосферном давлении и средней температуре ~ -55 ° C, но это также может означать, что вам придется сначала нагреть систему, прежде чем запускать ее. Избыточное тепло также можно было бы перенаправить на обогрев салона или сделать его полезным. Но проекты будут совершенно разными для каждого небожителя, даже просто местная среда на любом из них. Например, на Титане вам действительно потребуется только окислитель, так как там

Наши конструкции ДВС будут адаптироваться и развиваться, как и здесь, на Земле, для всех видов окружающей среды, от сухих и жарких пустынь до арктических условий. Как? Что ж, я ожидаю много нововведений, и некоторые из них будут написаны большими буквами в истории любого из новых миров, которые мы колонизируем. И эти инновационные процессы уже запущены, например, Wickman Spacecraft & Propulsion Co. (WSPC) разработала способ прямого сжигания марсианского атмосферного CO 2 с помощью своего Mars Jet Engine . Не ДВС, но могут быть и другие с целью разработки ДВС с воздушным дыханием, подходящего для Марса. Гонка за лучший дизайн только началась. Будут ли они использовать CH 4 + O 2 , Trisilane Si3 H 8 + CO 2 , что-то совсем другое? Кто знает ...

Будет ли охлаждение менее проблематичным для мощных электродвигателей? Перегреется ли автомобиль Tesla на Луне?
@LocalFluff О да, конечно. Он просто не предназначен для потери всего избыточного тепла только за счет излучения и не имеет достаточной поверхности радиатора. Но, возможно, более важно то, что физика всего этого меняется (гравитация, сопротивление, суточные температурные циклы, местность и т. д.), а двигатели, которые мы здесь используем, предназначены для совершенно другой среды. Это все равно, что взять двигатель, предназначенный для работы в воде, и запустить его в воздухе. Ну, тем более разные.
Охлаждение для мощных электродвигателей представляет гораздо меньшую проблему: грубо говоря, на каждый ватт полезной мощности эффективный двигатель внутреннего сгорания производит 4 ватта энергии впустую, а эффективный электродвигатель выделяет всего 0,1-0,2 ватта тепла.

Кто заботится о том, чтобы идти быстро? Первоочередная задача только собирается . Быстро? Те марсоходы, например, далеко не быстрые.

Основное преимущество марсохода, работающего на метане, перед марсоходом, работающим на солнечной энергии, заключается в том, что марсоход, работающий на метане, может работать ночью. Это преимущество в значительной степени исчезает для марсохода на солнечной энергии, работающего в почти постоянно освещенных полярных областях Луны. Сжигание метана и кислорода может быть удобной резервной копией солнечной энергии на случай, если марсоход случайно заедет в одну из почти постоянно затененных областей в том же месте.

Основным недостатком марсохода, работающего на метане, является то, что он «поедает ваши семена кукурузы». Метан и кислород, используемые для питания этого марсохода, были бы чрезвычайно ценными, если бы только они не использовались для перемещения марсоходов. Первоначально (и, вероятно, в течение долгого времени) будет иметь больше смысла применять эти драгоценные ресурсы для других целей, чем использовать их для создания быстрой тележки.

Если вы высаживаете геологов на Луну или Марс, вы хотите, чтобы они эффективно использовали свое исследовательское время. Их рабочие часы слишком дороги, чтобы тратить их на электрическую тележку для гольфа, которая движется медленнее, чем скорость пешехода. А робототехнике может понадобиться энергия сгорания для подъема тяжестей или бурения. Пока мы не сможем посадить там электрические двигатели размером с локомотив.
@LocalFluff Еще одна вещь, связанная с быстрым движением , заключается в том, что это может быть не слишком безопасно. Мы, вероятно, говорим о непройденных ландшафтах, например, о карманах сухого льда, которые взрываются гейзероподобными веерами во время марсианских весен, обрушении незаселенной земли, о бездорожье с острыми невыветрившимися скалами, хорошо скрытыми в лавовых трубах реголита и пещерах. дымоходы и так далее и тому подобное. Если вы хотите быстро, то по воздуху, вероятно, лучший способ сделать это. Машины для тяжелой промышленности также могут работать медленно и работать с большей уверенностью.
@LocalFluff - вы создаете ложную дилемму. В наши дни электромобили могут двигаться чертовски быстро. Ровер, который по необходимости перевозит людей, не будет двигаться так же быстро, как Prius. Соображения безопасности важнее соображений производительности. Что касается посадки двигателя размером с локомотив: это проблема, которую предстоит решить будущим поколениям. Мы не можем этого сделать, и мы не сможем сделать это в течение десятилетий. Попытка угадать будущее — задача для авторов-фантастов и футурологов (также известных как авторы-фантасты).

SpaceX разработала CH 4 /O 2 ICE: The Raptor. Мы обычно не думаем о ракетах на жидком топливе как о ДВС, но это так: сжатие, воспламенение, расширение и все такое. Очень сложно запустить ДВС на кислороде (в отличие от воздуха) из-за чрезвычайно высоких температур сгорания при стехиометрическом смешении и сжатии. Решение Raptor для турбин компрессора поучительно: они работают либо на очень богатой, либо на очень обедненной смеси, чтобы снизить температуру сгорания. Затем выхлопные газы двух турбин смешиваются для сжигания несгоревшего топлива (из одной турбины) и кислорода (из другой).

ДВС, работающие на углеводородах с воздушным дыханием (например, автомобильные двигатели), не должны иметь дело с этой сложностью, поскольку воздух на 80% состоит из N 2 . Это снижает температуру горения.

ДВС CH 4 /O 2 на Марсе должен решить проблему температуры горения. С ним можно было справиться с помощью той же стратегии, что и с Raptor: поэтапное сгорание. Трехцилиндровый двигатель может иметь 3 разные смеси. Один будет обогащен CH 3 , второй - O 2 . Выхлопные газы каждого будут подаваться в третий цилиндр для завершения сгорания.

Синхронизация и рабочий объем цилиндра могут быть выбраны для термодинамической оптимизации.

Конечно, есть еще все это тепло, чтобы сбросить. Атмосферная конвекция отсутствует. Конвекция тепловых трубок с ребристыми алюминиевыми тепловыми трубками, вероятно, будет легким, дешевым и надежным вариантом.

Нам нужно только производить электроэнергию. Даже здесь, на Земле, иногда более практично использовать двигатель внутреннего сгорания для выработки электроэнергии и привода колес с помощью электродвигателей, чем приводить колеса в движение непосредственно двигателем. Например, как отметил @Fred, очень большие карьерные самосвалы сконструированы таким образом из-за ограничений механической прочности таких компонентов, как приводной вал. Бензиново-электрические гибридные автомобили, которые стали обычным явлением на дорогах всего мира, используют аналогичный подход для обеспечения большей эффективности, хотя механический крутящий момент обеспечивается как непосредственно двигателем, так и электродвигателем.

Был предложен электрический гибрид ДВС с использованием жидкого H 2 и жидкого O 2 (метан/O 2 также рассматривается) для работы лунохода при отсутствии солнечной энергии. В этом реферате упоминаются испытания конструкции двухтактного двигателя, который можно было бы использовать в условиях поверхности Луны.

Такая система более гибкая, чем системы с прямым приводом, поскольку электроэнергия может поступать из нескольких источников, включая солнечную энергию, РИТЭГ или двигатель. Если солнечная энергия выйдет из строя, используйте генератор внутреннего сгорания в качестве резервного источника. Кроме того, электрический привод обеспечивает большую гибкость конструкции двигателя. Требования к мощности, крутящему моменту и теплоотдаче двигателя внутреннего сгорания можно легче отрегулировать для гибридной конструкции, чем для прямого привода.

В определенной степени это имеет смысл; то же самое происходит с очень тяжелыми карьерными самосвалами. Все тяжелые карьерные самосвалы оснащены дизельным двигателем; самые большие используют двигатель локомотива. До определенного размера грузовика, в зависимости от тоннажа, система привода представляет собой обычный двигатель, коробку передач, приводной вал. При таком размере механические свойства металлов недостаточно сильны, чтобы допустить такое расположение. Вместо этого у самых больших грузовиков двигатель локомотива приводит в действие электрический генератор, который затем приводит в действие электродвигатели в ступицах задних осей. ...
... Если бы позволяли ограничения по весу, двигатель внутреннего сгорания или небольшая газовая турбина на вездеходе могли бы использоваться для питания небольшого электрического генератора, который затем мог бы питать электродвигатели на вездеходе. Как следует из ответа, его можно использовать в качестве резервной системы или системы вождения в ночное время.

выполнимо, но с каким кислородом? Марсианская атмосфера не очень плотная и не богатая кислородом. Двигатель с воздушным дыханием просто не работает. С другой стороны, если бы он нес свой собственный окислитель, такой как жидкий кислород и т. д.

Метановые двигатели внутреннего сгорания для марсоходов на Марсе и Луне. Осуществимость?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v