Vypařování kapalných maziv ve vesmírných aplikacích

Abstract

Tato disertační práce zkoumá vypařování a molekulární transport kapalných maziv ve vakuu odpovídajícím podmínkám vesmírného prostředí a převádí tato zjištění do praktických doporučení pro návrh labyrintových těsnění. Byla vyvinuta řada vlastních experimentálních platforem pro získání časově rozlišených dat o vypařování a pro studium přenosu par skrze labyrintové těsnění za řízených teplotních a vakuových podmínek. Naměřené hodnoty byly spojeny s analytickým modelováním a simulacemi molekulárního proudění, aby bylo kvantifikováno, jak geometrie labyrintu, struktura jeho povrchu a provozní režim ovlivňují zadržení par. Klasické predikce založené na Langmuirově přístupu, využívající aproximaci tlaku par pomocí Clausius–Clapeyronovy rovnice, systematicky nadhodnocovaly úbytek hmoty v testovaných podmínkách. Pro korelaci modelů s experimentem byly odvozeny korekční faktory specifické pro dané mazivo, což umožňuje kalibrované využití jednoduchých analytických vztahů při návrhu. Experimenty i simulace ukázaly, že delší a stupňovité labyrintové těsnění snižují pravděpodobnost průchodu vypařených molekul labyrintem, že zvýšená drsnost povrchu omezuje únik díky silnějšímu rozptylu molekul a že rotace stěn těsnění dále potlačuje průtok u protáhlých kanálů. Byl představen kompaktní, simulačně odvozený korekční model vlivu drsnosti povrchu, využívající jeden amplitudový parametr a validovaný na základě měření v rámci studovaného rozsahu. Výsledky zvyšují přesnost odhadů vypařování a poskytují testy podložená doporučení pro geometrii labyrintu, úpravu povrchu a provozní podmínky, což podporuje čistší a spolehlivější mechanismy mazané kapalinami pro kosmické aplikace.

This dissertation investigates evaporation and molecular transport of liquid lubricants in vacuum conditions relevant to space and translates the findings into practical guidance for labyrinth seal design. A series of custom experimental platforms was developed to generate time resolved evaporation data and to study vapor transmission through labyrinth type passages under controlled thermal and vacuum conditions. These measurements were combined with analytical modelling and high-fidelity molecular flow simulations to quantify how geometry, surface condition, and operating state influence vapor retention. Classical Langmuir predictions, using vapor pressure fits from the Clausius–Clapeyron equation, consistently overpredicted mass loss under the tested conditions. Lubricant specific correction factors were derived to match models with experiment, enabling calibrated use of simple analytical formulas in design. Experiments and simulations showed that longer and stepped labyrinth seals reduce transmission probability, that increased surface roughness lowers leakage by enhancing molecular scattering, and that rotation of seal walls further suppresses molecular flow for elongated passages. A compact, simulation-based correction model was introduced to account for surface roughness using a single amplitude metric and was validated against measurements within the studied range. The outcomes improve the predictive accuracy of evaporation estimates and provide test supported guidance on labyrinth geometry, surface roughness, and operating conditions, supporting cleaner and more reliable liquid lubricated mechanisms for space applications.