_ Zero- experimente cu tancuri de evaporare pentru a permite explorarea spațială de lungă durată

Avem suficient combustibil pentru a ajunge la destinație? Aceasta este probabil una dintre primele întrebări care vin în minte ori de câte ori familia ta se pregătește să pornească într-o călătorie. Dacă călătoria este lungă, va trebui să vizitați benzinăriile de-a lungul traseului pentru a vă alimenta în timpul călătoriei.

NASA se confruntă cu probleme similare în timp ce se pregătește să se angajeze într-o misiune durabilă înapoi pe Lună și planifică viitoare misiuni pe Marte. Dar, în timp ce combustibilul mașinii dvs. este benzină, care poate fi depozitată în siguranță și pe termen nelimitat ca lichid în rezervorul de benzină al mașinii, combustibilii pentru nave spațiale sunt combustibili lichizi criogenici volatili care trebuie menținuți la temperaturi extrem de scăzute și protejați de scurgerile de căldură din mediu în rezervorul de propulsor al navei spațiale. .

Și, deși există deja o rețea stabilită de benzinării comerciale care să faciliteze alimentarea mașinii dvs., nu există stații de realimentare criogenice sau depozite pe Lună sau pe drumul către Marte.

În plus, stocarea propulsorului volatil pentru o lungă perioadă de timp și transferul acestuia dintr-un rezervor de depozit în spațiu în rezervorul de combustibil al unei nave spațiale în condiții de microgravitație nu va fi ușoară, deoarece fizica fluidului microgravitațional subiacent care afectează astfel de operațiuni nu este bine înțeleasă. Chiar și cu tehnologia actuală, conservarea combustibililor criogenici în spațiu peste câteva zile nu este posibilă, iar transferul de combustibil de la rezervor la rezervor nu a fost niciodată efectuat sau testat anterior în spațiu.

Căldura condusă prin structuri de susținere sau de la Mediul spațial radiativ poate pătrunde chiar și în sistemele formidabile de izolație multistrat (MLI) ale rezervoarelor de combustibil din spațiu, ducând la evaporarea sau vaporizarea combustibilului și provocând auto-presurizarea rezervorului.

Practica actuală. este de a proteja împotriva suprapresurizării rezervorului și a pune în pericol integritatea sa structurală prin evacuarea vaporilor de evaporare în spațiu. Propelenții de la bord sunt, de asemenea, utilizați pentru a răci liniile de transfer fierbinte și pereții unui rezervor de nave spațiale goale înainte de a putea avea loc o operațiune de transfer și umplere a combustibilului. Astfel, combustibilul prețios este irosit în mod continuu atât în ​​timpul operațiunilor de stocare, cât și în timpul operațiunilor de transfer, făcând expedițiile de lungă durată – în special o misiune umană pe Marte – imposibile utilizând metodele actuale de control pasiv al presiunii rezervorului de propulsor.

Zero-boil-off (ZBO). ) sau tehnologiile de evaporare redusă (RBO) oferă un mijloc inovator și eficient de a înlocui actualul design pasiv de control al presiunii rezervorului. Această metodă se bazează pe o combinație complexă de procese de amestecare active, dependente de gravitație și de eliminare a energiei, care permit menținerea presiunii în siguranță a rezervorului cu pierderi de combustibil zero sau semnificativ reduse.

În centrul sistemului de control al presiunii ZBO se află au propus două mecanisme active de amestecare și răcire pentru a contracara autopresurizarea rezervorului. Prima se bazează pe amestecarea cu jet intermitentă, forțată, subrăcită a propulsorului și implică o interacțiune complexă, dinamică, dependentă de gravitație între jet și umplerea (volumul de vapori) pentru a controla schimbarea fazei de condensare și evaporare la interfața lichid-vapor.

Al doilea mecanism folosește injecția cu picături subrăcite printr-o bară de pulverizare în umplutură pentru a controla presiunea și temperatura din rezervor. În timp ce ultima opțiune este promițătoare și câștigă proeminență, este mai complexă și nu a fost niciodată testată în microgravitație, unde schimbarea de fază și comportamentul de transport al populațiilor de picături pot fi foarte diferite și neintuitive în comparație cu cele de pe Pământ.

Deși abordarea ZBO dinamică este complexă din punct de vedere tehnologic, ea promite un avantaj impresionant față de metodele pasive utilizate în prezent. O evaluare a unui concept de propulsie nucleară pentru transportul pe Marte a estimat că pierderile de evaporare pasivă pentru un rezervor mare de hidrogen lichid care transportă 38 de tone de combustibil pentru o misiune de trei ani pe Marte ar fi de aproximativ 16 tone/an.

Sistemul ZBO propus ar oferi o economie de 42% a masei de propulsor pe an. Aceste cifre implică, de asemenea, că, cu un sistem pasiv, tot combustibilul transportat pentru o misiune de trei ani pe Marte ar fi pierdut până la evaporare, făcând o astfel de misiune imposibilă fără a recurge la tehnologia transformatoare ZBO.

The Abordarea ZBO oferă o metodă promițătoare, dar înainte ca o astfel de transformare tehnologică și operațională complexă să poată fi pe deplin dezvoltată, implementată și demonstrată în spațiu, întrebările științifice importante și decisive care au impact asupra implementării ingineriei și a performanței microgravitației trebuie clarificate și rezolvate.

Experimentele științifice de microgravitație cu rezervorul zero-boil-off (ZBOT)

Experimentele cu rezervorul zero-boil-off (ZBOT) sunt întreprinse pentru a forma o bază științifică pentru dezvoltarea propulsorului transformator ZBO metoda de conservare. În urma recomandării unui grup de analize științifice ZBOT format din membri din industriile aerospațiale, mediul academic și NASA, s-a decis să se efectueze investigația propusă ca o serie de trei experimente științifice la scară mică care să fie efectuate la bordul Stației Spațiale Internaționale. Cele trei experimente prezentate mai jos se bazează unul pe celălalt pentru a aborda întrebări științifice cheie legate de gestionarea fluidului criogenic ZBO al propulsanților în spațiu.

Primul experiment din serie a fost efectuat pe stație în perioada 2017-2018. . A doua imagine de mai sus arată hardware-ul ZBOT-1 din unitatea de torpeu pentru știința microgravitației (MSG) a stației. Obiectivul principal al acestui experiment a fost investigarea autopresurizării și fierberii care au loc într-un rezervor etanș datorită încălzirii locale și globale și fezabilitatea controlului presiunii din rezervor prin amestecarea cu jet axial subrăcit.

În acest caz. experiment, a fost studiată cu atenție interacțiunea complicată a fluxului de jet cu umple-ul (volumul de vapori) în microgravitație. Datele de amestecare cu jet microgravitațional au fost, de asemenea, colectate într-o gamă largă de parametri scalați de flux și transfer de căldură pentru a caracteriza constantele de timp pentru reducerea presiunii din rezervor și pragurile pentru formarea gheizerelor (fântână de lichid), inclusiv stabilitatea acestuia și adâncimea de penetrare prin volumul umplut. . Împreună cu măsurători foarte precise ale senzorului de presiune și temperatură locală, a fost efectuată viteza de imagine a particulelor (PIV) pentru a obține măsurători ale vitezei fluxului pe întreg câmpul pentru a valida un model de dinamică computațională a fluidelor (CFD).

Unele dintre descoperirile interesante. ale experimentului ZBOT-1 sunt următoarele:

Gazele necondensabile (NCG) sunt utilizate ca agenți de presiune pentru extragerea lichidului pentru funcționarea motorului și transferul de la rezervor la rezervor. Al doilea experiment, ZBOT-NC va investiga efectul NCG-urilor asupra autopresurizării rezervorului etanș și asupra controlului presiunii prin amestecarea cu jet axial. Două gaze inerte cu dimensiuni moleculare destul de diferite, xenon și neon, vor fi utilizate ca agenți de presiune necondensabil. Pentru a realiza controlul sau reducerea presiunii, moleculele de vapori trebuie să ajungă la interfața lichid-vapor care este răcită de jetul de amestecare și apoi traversează interfața către partea lichidă pentru a se condensa.

Acest studiu se va concentra asupra modului în care în microgravitația gazele necondensabile pot încetini sau rezista transportului moleculelor de vapori către interfața lichid-vapor (rezistența la transport) și vor clarifica în ce măsură acestea pot forma o barieră la interfață și pot împiedica trecerea moleculelor de vapori prin interfață cu partea lichidă (rezistență cinetică). Afectând condițiile de interfață, NCG-urile pot modifica, de asemenea, fluxul și structurile termice din lichid.

ZBOT-NC va folosi atât datele locale ale senzorului de temperatură, cât și diagnosticele cu termometrie cu puncte cuantice (QDT) dezvoltate în mod unic pentru a colecta măsurători neintruzive de temperatură pe întreg câmpul pentru a evalua efectul gazelor necondensabile în timpul ambelor autopresurizări. încălzirea și amestecarea/răcirea cu jet a rezervorului în condiții de imponderabilitate. Acest experiment este programat să zboare către Stația Spațială Internațională la începutul anului 2025 și sunt planificate peste 300 de teste diferite de microgravitație. Rezultatele acestor teste vor permite, de asemenea, ca modelul ZBOT CFD să fie dezvoltat și validat în continuare pentru a include efectele gazului necondensabil cu fidelitate fizică și numerică.

Experimentul ZBOT-DP: Efectele schimbării fazei picăturilor

p>

Controlul activ al presiunii ZBO poate fi realizat și prin injectarea picăturilor de lichid subrăcite printr-o bară de pulverizare axială direct în volumul umplut sau în volumul de vapori. Acest mecanism este foarte promițător, dar performanța sa nu a fost încă testată în microgravitație. Evaporarea picăturilor consumă căldură care este furnizată de vaporii fierbinți din jurul picăturilor și produce vapori care se află la o temperatură de saturație mult mai scăzută. Ca rezultat, atât temperatura, cât și presiunea volumului de vapori umpluți sunt reduse.

Injecția cu picături poate fi folosită și pentru a răci pereții fierbinți ai unui rezervor de propulsor gol înainte de un transfer de la rezervor la rezervor. sau operația de umplere. În plus, picăturile pot fi create în timpul sloboiului de propulsor cauzat de accelerarea navei spațiale, iar aceste picături suferă apoi o schimbare de fază și un transfer de căldură. Acest transfer de căldură poate provoca o prăbușire a presiunii care poate duce la cavitație sau la o schimbare masivă de fază de la lichid la vapori. Comportamentul populațiilor de picături în microgravitație va fi drastic diferit față de cel de pe Pământ.

Experimentul ZBOT-DP va investiga dezintegrarea, coalescența (picăturile care se unesc împreună), schimbarea de fază și caracteristicile de transport și traiectorie ale populațiile de picături și efectele lor asupra presiunii din rezervor în microgravitație. O atenție deosebită va fi, de asemenea, acordată interacțiunii picăturilor cu un perete încălzit al rezervorului, care poate duce la evaporarea rapidă, sub rezerva complicațiilor cauzate de efectul Liedenfrost (atunci când picăturile de lichid se îndepărtează de o suprafață încălzită și astfel nu pot răci peretele rezervorului) .

Aceste fenomene complicate nu au fost examinate științific în microgravitație și trebuie rezolvate pentru a evalua fezabilitatea și performanța injectării cu picături ca mecanism de control al presiunii și temperaturii în microgravitație.

Acest lucru fundamental. cercetarea ajută acum furnizorii comerciali de viitoare sisteme de aterizare pentru exploratorii umani. Blue Origin și Lockheed Martin, participanți la programul Human Landing Systems al NASA, folosesc datele din experimentele ZBOT pentru a informa viitoarele proiecte de nave spațiale.

Gestiunea fluidelor criogenice și utilizarea hidrogenului ca combustibil nu se limitează la aplicațiile spațiale. . Energia verde curată furnizată de hidrogen poate, într-o zi, să alimenteze avioanele, navele și camioanele de pe Pământ, aducând beneficii climatice și economice enorme. Prin formarea bazei științifice a gestionării fluidelor criogenice ZBO pentru explorarea spațiului, experimentele științifice ZBOT și dezvoltarea modelelor CFD vor ajuta, de asemenea, la obținerea beneficiilor hidrogenului ca combustibil aici pe Pământ.

(Fluierul)