علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

مقایسه موتورهای سوخت مایع الکتروپمپ از منظر هزینه و قابلیت اطمینان با موتور نسل های پیشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 پژوهشگر و نویسنده
2 استادیار پژوهشگاه هوافضا- وزارت علوم، تحقیقات و فناوری
3 دانشگاه تربیت مدرس
10.22034/jssta.2025.460476.1166
چکیده
دستیابی به فناوری‌های نوین طراحی موتورهای سوخت مایع با قابلیت اطمینان بالا، همراه با کاهش هزینه، یکی از مهم‌ترین چالش‌های طراحی اینگونه موتورها می‌باشد. لذا، موضوع بهینه‌سازی و بهره‌گیری از فنآوری‌های نوین در راستای تحقق بخشیدن به رویکرد فوق، همواره مورد توجه طراحان بوده است. بنابراین، نیاز است، راهکاری برای کاهش چالش‌های پیش‌روی دو نسل پیشین موتورهای سوخت مایع یعنی موتورهای دمشی و توربوپمپی ارائه شود. برای این منظور، نسل جدیدی از موتورهای سوخت مایع با رویکرد استفاده از الکتروپمپ در سامانه تغذیه این دسته از موتورها، در صنایع فضایی جهان مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله، به مقایسه موتورهای سوخت مایع الکتروپمپ با دو نسل پیشین (یعنی سامانه های دمشی محض و تغذیه توربوپمپ) از منظر هزینه و قابلیت اطمینان پرداخته شده است. بدین منظور، نحوه مدل‌سازی قابلیت اطمینان و هزینه برای موتور سوخت مایع و در حالت خاص موتور سوخت مایع الکتروپمپی ارائه شده است. با بررسی نتایج این تحقیق، ملاحظه می‌شود، هزینه توسعه موتور الکتروپمپ، 70 درصد موتور تغذیه توربوپمپی است، در صورتیکه قابلیت اطمینان این دسته از موتورها 3 درصد بالاتر از موتورهای توربوپمپی می‌باشد
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] Futron Corporation, Closing the Business Case for Commercial Reusable Launch Vehicles, Bethesda, MD, USA, 2002.
[2] Futron Corporation, The Space Launch Industry: Recent Trends and Near-Term Outlook, Bethesda, MD, USA, 2004.
[3] D. Koelle, “Cost engineering – The new paradigm for space launch vehicle design,” Journal of Reducing Space Missions Cost, vol. 1, no. 1, 1998.
[4] H. R. Alimohammadi, “Multi-objective design and optimization of electropump liquid propellant engines with regard to reliability,” Ph.D. dissertation, Aerospace Research Institute, Dept. Astronautics, Tehran, Iran, 2021.
[5] B. Mosley, “RD-180 engine: An established record of performance and reliability on Atlas launch vehicles,” in Proc. IEEE Aerospace Conf., Big Sky, MT, USA, 2011, pp. 1–6, doi: 10.1109/AERO.2011.5747485.
[6] K. S. Jeon, J. W. Lee, C. Lee, and J. W. Chang, “Optimal gas generator design for the liquid rocket engine,” in Proc. AIAA Conf., 2004.
[7] H. Burkhardt, M. Sippel, A. Herbertz, and J. Klevanski, “Comparative study of kerosene and methane propellant engines for reusable liquid booster stages,” in Proc. 4th Int. Conf. Launcher Technology (Space Launcher Liquid Propulsion), 2002.
[8] D. R. Jones, “Multivariable optimization of liquid rocket engines using particle swarm algorithms,” Ph.D. dissertation, The University of Alabama, Tuscaloosa, AL, USA, 2013.
[9] W. J. Larson and J. R. Wertz, Space Mission Analysis and Design. Torrance, CA, USA: Microcosm Press, 1992.
[10] A. Butt, C. G. Popp, H. M. Pitts, and D. J. Sharp, “NASA Ares I launch vehicle roll and reaction control systems design status,” in Proc. 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf. & Exhibit, 2008, p. 5130.
[11] M. Kanazaki, A. Ariyairt, K. Chiba, K. Kitagawa, and T. Shimada, “Conceptual design of single-stage rocket using hybrid rocket by means of genetic algorithm,” Procedia Engineering, vol. 99, pp. 198–207, 2015.
[12] A. A. Kazlov, Propellant, Schematic and Main Parameters Selection for Liquid Propellant Rocket Engines, 1997, (in Russian).
[13] A. A. Kazlov, Control and Feed System’s Elements of Liquid Propellant Rocket Engines, 1988, (in Russian).
[14] A. A. Kazlov, Propellant, Schematic and Main Parameters Selection for Liquid Propellant Rocket Engines. Moscow, Russia, 1997, (in Russian). Persian translation by D. Ramesh, 2001.
[15] H. Karimi and D. Remesh, “Development of static and dynamic optimization algorithm of closed cycle cryogenic propulsion systems,” Ph.D. dissertation, Khajeh Nasir University of Technology, Tehran, Iran, 2013.
[16] A. A. Bookhmatov, B. T. Bookanov, U. I. Kanalin, and I. A. Klepikov, LRE Turbopump Feed System, Russian patent, 2005, (in Russian).
[17] V. E. Arkhangelski and V. N. Khazov, “Oxygen–kerosene–ammonia ternary propellant for LREs,” 2007, (in Russian).
[18] N. B. Balotin, Multistage Launch Vehicle, Ternary Propellant LRE, Russian patent, 2010, (in Russian).
[19] N. Igor, D. Raymond and A. Roman, "Improving the performance of LOX/kerosene upper stage rocket engines," Journal of Propulsion and Power Research, vol. 6, pp. 157-176, 2017.
[20] L. Sangbok, L. Taekyu, and R. Tae-Seong, “Development of a system analysis program for a liquid rocket engine,” Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 29, no. 6, pp. 2365–2380, 2015.
[21] C. Guobiao, F. Jie, Z. Yuntao, and T. Xiaoyan, “Optimization of system parameters for liquid rocket engines with gas-generator cycles,” Journal of Propulsion and Power Research, vol. 26, no. 1, 2010.
[22] F. Mota, J. Hinckel, E. M. Rocco, and H. Schlingloff, “Modeling and analysis of a LOX/ethanol liquid rocket engine,” Journal of Aerospace Technology and Management, vol. 10, e3018, 2018.
[23] N. Soldà and D. Lentini, “Opportunities for a liquid rocket feed system based on electric pumps,” Journal of Propulsion and Power, vol. 24, no. 6, 2008.
[24] P. Rachov and H. Tacca, “Electric feed systems for liquid-propellant rockets,” Journal of Propulsion and Power, vol. 29, no. 5, 2013.
[25] H. R. Alimohammadi, H. Naseh, and F. Ommi, “Increasing the reliability of the country’s launch vehicles by replacing a new generation of engines,” in Proc. 5th Int. Conf. Reliability and Safety Engineering, Shiraz Univ., Shiraz, Iran, May 18–20, 2017.
[26] H. R. Alimohammadi, H. Naseh, and F. Ommi, “Studying the world’s prominent launch vehicles from the perspective of reliability,” in Proc. 5th Int. Conf. Reliability and Safety Engineering, Shiraz Univ., Shiraz, Iran, May 18–20, 2017.
[27] H. R. Alimohammadi, H. Naseh, and F. Ommi, “An integrated methodology applied for reliability-based multidisciplinary design optimization in EPFE with LOX/kerosene,” Reliability Engineering & System Safety, vol. 240, Art. no. 109570, 2023.
[28] H. Naseh and M. Jafarpanah, “Cost estimation for space propulsion systems and human resource cost and the project implementation time optimization,” Journal of Space Science & Technology, vol. 15, no. 53, 2022, (in Persian).
[29] M. Jafarpanah and H. Naseh, “Cost estimation model presentation for cryogenic/semi-cryogenic space propulsion systems,” Journal of Space Science & Technology, vol. 14, no. 49, 2022, (in Persian).
[30] H. R. Alimohammadi and H. Naseh, “Design for reliability of a space system in the conceptual design phase,” Journal of Space Science & Technology, vol. 16, no. 55, 2023, (in Persian).
[31] L. A. Fernández, C. Wiedemann, and V. Braun, “Analysis of space launch vehicle failures and post-mission disposal statistics,” Aerotecnica Missili & Spazio, vol. 101, pp. 243–256, 2022.
[32] S. S. Lee, “Reliability drivers for advanced space vehicles,” AE 8900 Special Project Report, July 2001.
 
دوره 5، شماره 2
شماره دهم - اسفند 1404
اسفند 1404
صفحه 1-13

  • تاریخ دریافت 11 خرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 04 اسفند 1403
  • تاریخ پذیرش 07 تیر 1405