นาซ่าเปิดเผยความเสี่ยงวัฏจักรแช่แข็ง-ละลายในระบบขับดันไฮดราซีน

NASA Langley Research Center ได้เผยแพร่รายงานทางเทคนิคที่เตือนถึงความเสี่ยงของวัฏจักรการแข็งตัวและละลายในระบบขับดันเชื้อเพลิงเดี่ยวไฮดราซีน เอกสารดังกล่าวรวบรวมประสบการณ์จากโครงการต่าง ๆ ของนาซ่าและนำเสนอผลกระทบด้านโครงสร้าง การปฏิบัติการ และความปลอดภัย พร้อมข้อเสนอแนะเพื่อบรรเทาความเสียหาย

เอกสารทางเทคนิคนี้จัดทำโดย Jonathan E. Jones จากศูนย์วิจัยแลงลีย์ มีเนื้อหาสื่อสารความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับวัฏจักรการแข็งตัวและละลายในระบบโมโนโพรเพลแลนต์ไฮดราซีน

ไฮดราซีนมีจุดเยือกแข็งที่ 1.6 องศาเซลเซียส และในช่วงอุณหภูมิ 0.1–1.6 °C จะมีการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นและความดันอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเปลี่ยนสถานะ เมื่อแข็งตัว ไฮดราซีนจะหดตัวและทำให้เชื้อเพลิงเพิ่มเติมไหลเข้าไปในท่อที่มีพื้นที่จำกัด

ระบบขับดันของนาซ่าหลายโครงการเคยประสบปัญหาเกี่ยวกับการแข็งตัวของไฮดราซีน เช่น ท่อไฮดราซีนของหน่วยจ่ายกำลังเสริม (APU) บนกระสวยอวกาศมีความเสี่ยงต่อการหดตัวจากการแช่แข็งตามด้วยการขยายตัวเกินขนาดเมื่อละลาย กฎการบินจึงกำหนดให้ท่อเหล่านั้นทนรอบแช่แข็ง-ละลายได้ไม่เกิน 2 รอบ ขณะที่ระบบขับดันของยานโวเอเจอร์ต้องเผชิญกับสถานการณ์ที่คุกคามภารกิจ จำเป็นต้องใช้แบบจำลองความร้อนอย่างละเอียดเพื่อป้องกันการแข็งตัว การอุดตัน และความผิดปกติของทรัสเตอร์

ชิ้นส่วนที่ทำจากวัสดุอีลาสโตเมอร์และบ่าวาล์วแบบละเอียดอาจเกิดการแตกร้าว บิดเบี้ยว หรือสูญเสียความสามารถในการซีล ไฮดราซีนที่ละลายบางส่วนอาจมีสภาพเป็นโคลนกึ่งแข็งกึ่งเหลว ซึ่งจำกัดการไหลและทำให้เกิดการสตาร์ทติดยากหรือไม่ติดของทรัสเตอร์ ความเสียหายจากการแช่แข็งยังอาจเปิดช่องให้ไฮดราซีนรั่วไหลออกจากระบบ ระบบใดก็ตามที่ผ่านวัฏจักรแช่แข็ง-ละลายจะกลายเป็นอุปกรณ์ที่มีอายุการใช้งานจำกัด

ประสบการณ์จากโวเอเจอร์ชี้ว่าการอ่านค่าอุณหภูมิอย่างง่ายจากเซ็นเซอร์ไม่สามารถบ่งชี้อุณหภูมิที่แท้จริงภายในท่อได้อย่างน่าเชื่อถือ อีกทั้งท่อยาวที่ทำจากสเตนเลสสตีลยังมีแนวโน้มที่จะเกิดโปรไฟล์อุณหภูมิแบบไม่สมมาตรอีกด้วย

เพื่อลดความเสี่ยง เอกสารระบุให้รักษาระบบไฮดราซีนให้มีอุณหภูมิเหนือจุดเยือกแข็งโดยใช้ฮีตเตอร์ ฉนวน ผ้าห่มความร้อน หรือการไล่แก๊สอุ่น อุปกรณ์ถัง ท่อ และวาล์วควรเก็บในพื้นที่ที่มีการควบคุมสภาพแวดล้อมจนกว่าจะติดตั้งบนยานพาหนะ ควรทำการตรวจสอบความสมบูรณ์ด้วยการทดสอบความดันลด การประเมินแบบไม่ทำลาย (NDE) และตรวจสอบสถานะของวาล์ว และต้องอุ่นฮาร์ดแวร์อย่างค่อยเป็นค่อยไปและสม่ำเสมอเพื่อป้องกันการเกิดแรงดันเกินจากการละลาย

วัฏจักรแช่แข็ง-ละลายในระบบไฮดราซีนนำมาซึ่งความเสี่ยงด้านโครงสร้าง การปฏิบัติการ และความปลอดภัยอย่างมีนัยสำคัญ คำแนะนำที่เผยแพร่ช่วยลดความเสี่ยงต่อบุคลากร ฮาร์ดแวร์การบิน และความสำเร็จของภารกิจ

สำหรับผู้ที่ติดตามความเคลื่อนไหวของอุตสาหกรรมดวงจันทร์ ข้อมูลเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเพราะยานลงจอดและยานอวกาศจำนวนมากยังคงพึ่งพาระบบขับดันไฮดราซีน บทเรียนจากโครงการในอดีตของนาซ่าเป็นแนวทางให้วิศวกรออกแบบระบบป้องกันและขั้นตอนปฏิบัติที่ปลอดภัยสำหรับภารกิจที่จะต้องปฏิบัติการในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ เช่นในห้วงอวกาศลึกหรือบนพื้นผิวดวงจันทร์