Eksperymenty ze zbiornikami bez wrzenia umożliwiające długotrwałą eksplorację kosmosu
Czy mamy wystarczająco dużo paliwa, aby dotrzeć do celu? To prawdopodobnie jedno z pierwszych pytań, które przychodzi na myśl, gdy rodzina przygotowuje się do wyruszenia w podróż. Jeśli podróż jest długa, będziesz musiał odwiedzić stacje benzynowe wzdłuż trasy, aby zatankować podczas podróży. NASA zmaga się z podobnymi problemami, przygotowując się do rozpoczęcia zrównoważonej misji powrotnej na Księżyc i planując przyszłe misje na Marsa. Jednak podczas gdy paliwo w samochodzie to benzyna, którą można bezpiecznie i bezterminowo przechowywać w postaci cieczy w zbiorniku paliwa samochodu, paliwa do statków kosmicznych to lotne kriogeniczne ciekłe materiały pędne, które muszą być utrzymywane w ekstremalnie niskich temperaturach i chronione przed wyciekami ciepła z otoczenia do zbiornika paliwa statku kosmicznego. Podczas gdy istnieje już sieć komercyjnych stacji benzynowych, dzięki którym tankowanie samochodu jest dziecinnie proste, na Księżycu ani w drodze na Marsa nie ma stacji ani magazynów kriogenicznych. Co więcej, przechowywanie lotnych materiałów pędnych przez długi czas i przenoszenie ich ze zbiornika w magazynie kosmicznym do zbiornika paliwa statku kosmicznego w warunkach mikrograwitacji nie będzie łatwe, ponieważ fizyka płynów w mikrograwitacji wpływająca na takie operacje nie jest dobrze poznana. Nawet przy dzisiejszej technologii, zachowanie paliw kriogenicznych w przestrzeni kosmicznej dłużej niż kilka dni nie jest możliwe, a transfer paliwa między zbiornikami nigdy wcześniej nie był wykonywany ani testowany w przestrzeni kosmicznej.
Ciepło przewodzone przez konstrukcje wsporcze lub z radiacyjnego środowiska kosmicznego może przeniknąć nawet przez potężne systemy wielowarstwowej izolacji (MLI) kosmicznych zbiorników z paliwem, prowadząc do zagotowania lub odparowania paliwa i powodując wzrost ciśnienia w zbiorniku. Obecną praktyką jest ochrona przed nadmiernym wzrostem ciśnienia w zbiorniku i zagrożeniem dla jego integralności strukturalnej poprzez odprowadzanie wrzącej pary w przestrzeń kosmiczną. Pokładowe materiały pędne są również wykorzystywane do chłodzenia gorących przewodów transferowych i ścian pustego zbiornika statku kosmicznego, zanim będzie można przeprowadzić operację transferu i napełniania paliwa. W ten sposób cenne paliwo jest stale marnowane zarówno podczas operacji przechowywania, jak i transferu, co sprawia, że wyprawy o długim czasie trwania - zwłaszcza ludzka misja na Marsa - są niewykonalne przy użyciu obecnych pasywnych metod kontroli ciśnienia w zbiorniku paliwa.
Technologie Zero-Boil-Off (ZBO) lub Reduced Boil-Off (RBO) zapewniają innowacyjny i skuteczny sposób zastąpienia obecnego pasywnego projektu kontroli ciśnienia w zbiorniku. Metoda ta opiera się na złożonej kombinacji aktywnych, zależnych od grawitacji procesów mieszania i usuwania energii, które umożliwiają utrzymanie bezpiecznego ciśnienia w zbiorniku przy zerowej lub znacznie zmniejszonej utracie paliwa.
Sercem systemu kontroli ciśnienia ZBO są dwa proponowane aktywne mechanizmy mieszania i chłodzenia w celu przeciwdziałania samoczynnemu wzrostowi ciśnienia w zbiorniku. Pierwszy z nich opiera się na przerywanym, wymuszonym, przechłodzonym mieszaniu strumienia materiału napędowego i obejmuje złożoną, dynamiczną, zależną od grawitacji interakcję między strumieniem a ullage (objętością pary) w celu kontrolowania kondensacji i zmiany fazy parowania na granicy faz ciecz-para. Drugi mechanizm wykorzystuje wtrysk przechłodzonych kropelek przez belkę rozpylającą w ullage do kontrolowania ciśnienia i temperatury w zbiorniku. Chociaż ta druga opcja jest obiecująca i zyskuje na znaczeniu, jest bardziej złożona i nigdy nie była testowana w mikrograwitacji, gdzie zmiany fazowe i zachowanie transportowe populacji kropel mogą być bardzo różne i nieintuicyjne w porównaniu do tych na Ziemi.
Chociaż dynamiczne podejście ZBO jest technologicznie złożone, obiecuje imponującą przewagę nad obecnie stosowanymi metodami pasywnymi. Ocena jednej z koncepcji napędu jądrowego do transportu na Marsa szacuje, że straty związane z pasywnym odparowaniem dla dużego zbiornika ciekłego wodoru przewożącego 38 ton paliwa na trzyletnią misję na Marsa wyniosłyby około 16 ton rocznie. Proponowany system ZBO zapewniłby 42% oszczędności masy paliwa napędowego rocznie. Liczby te sugerują również, że w przypadku systemu pasywnego całe paliwo przewożone na trzyletnią misję na Marsa zostałoby utracone w wyniku wygotowania, co sprawiłoby, że taka misja byłaby niewykonalna bez uciekania się do transformacyjnej technologii ZBO.
Podejście ZBO stanowi obiecującą metodę, ale zanim tak złożona transformacja technologiczna i operacyjna może zostać w pełni opracowana, wdrożona i zademonstrowana w przestrzeni kosmicznej, należy wyjaśnić i rozwiązać ważne i decydujące kwestie naukowe, które mają wpływ na jej wdrożenie inżynieryjne i wydajność w mikrograwitacji.
Eksperymenty Zero Boil-off Tank (ZBOT) są podejmowane w celu stworzenia naukowych podstaw dla rozwoju transformacyjnej metody konserwacji paliwa ZBO. Zgodnie z zaleceniami panelu naukowego ZBOT składającego się z członków przemysłu lotniczego, środowiska akademickiego i NASA, postanowiono przeprowadzić proponowane badanie jako serię trzech eksperymentów naukowych na małą skalę, które zostaną przeprowadzone na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Trzy eksperymenty opisane poniżej opierają się na sobie nawzajem, aby odpowiedzieć na kluczowe pytania naukowe związane z zarządzaniem płynami kriogenicznymi ZBO w przestrzeni kosmicznej.
Pierwszy eksperyment z serii został przeprowadzony na stacji w latach 2017-2018. Rysunek 2 przedstawia sprzęt ZBOT-1 w jednostce Microgravity Science Glovebox (MSG) na stacji. Głównym celem tego eksperymentu było zbadanie samopodciśnienia i wrzenia, które występują w zamkniętym zbiorniku z powodu lokalnego i globalnego ogrzewania, oraz wykonalności kontroli ciśnienia w zbiorniku poprzez mieszanie przechłodzonego strumienia osiowego. W tym eksperymencie dokładnie zbadano skomplikowaną interakcję przepływu strumienia z ullage (objętością pary) w mikrograwitacji. Dane dotyczące mieszania strumieni w mikrograwitacji zostały również zebrane w szerokim zakresie skalowanych parametrów przepływu i wymiany ciepła w celu scharakteryzowania stałych czasowych redukcji ciśnienia w zbiorniku oraz progów tworzenia gejzeru (fontanny cieczy), w tym jego stabilności i głębokości penetracji przez objętość ullage. Wraz z bardzo dokładnymi pomiarami ciśnienia i lokalnej temperatury czujnika, wykonano Velocimetry Particle Image (PIV) w celu uzyskania pomiarów prędkości przepływu w całym polu w celu walidacji modelu obliczeniowej dynamiki płynów (CFD).
Niektóre z interesujących ustaleń eksperymentu ZBOT-1 są następujące:
Gazy niekondensujące (NCG) są używane jako czynniki ciśnieniowe do ekstrakcji cieczy do operacji silnika i transferu między zbiornikami. Drugi eksperyment, ZBOT-NC, zbada wpływ NCG na samoczynne zwiększanie ciśnienia w zamkniętym zbiorniku oraz na kontrolę ciśnienia poprzez osiowe mieszanie strumieni. Dwa gazy obojętne o zupełnie różnych rozmiarach cząsteczek, ksenon i neon, zostaną wykorzystane jako nieskraplające się czynniki ciśnieniowe. Aby osiągnąć kontrolę lub redukcję ciśnienia, cząsteczki pary muszą dotrzeć do interfejsu ciecz-para, który jest chłodzony przez strumień mieszający, a następnie przejść przez interfejs na stronę cieczy w celu kondensacji.
Badanie to skupi się na tym, w jaki sposób w mikrograwitacji gazy niekondensujące mogą spowolnić lub oprzeć się transportowi cząsteczek pary do interfejsu ciecz-para (opór transportowy) i wyjaśni, w jakim stopniu mogą one tworzyć barierę na interfejsie i utrudniać przejście cząsteczek pary przez interfejs na stronę cieczy (opór kinetyczny). Wpływając na warunki panujące na granicy faz, NCG mogą również zmieniać przepływ i struktury termiczne w cieczy.
ZBOT-NC wykorzysta zarówno dane z lokalnych czujników temperatury, jak i unikalnie opracowaną diagnostykę Quantum Dot Thermometry (QDT) do zbierania nieinwazyjnych pomiarów temperatury w całym polu w celu oceny wpływu niekondensujących się gazów zarówno podczas ogrzewania pod własnym ciśnieniem, jak i mieszania/chłodzenia zbiornika w warunkach nieważkości. Eksperyment ten ma polecieć na Międzynarodową Stację Kosmiczną na początku 2025 r. i planowane jest przeprowadzenie ponad 300 różnych testów w warunkach mikrograwitacji. Wyniki tych testów umożliwią również dalszy rozwój i walidację modelu CFD ZBOT w celu uwzględnienia efektów gazu nieskraplającego się z wiernością fizyczną i numeryczną.
Aktywna kontrola ciśnienia ZBO może być również realizowana poprzez wtryskiwanie przechłodzonych kropelek cieczy przez osiowy pręt natryskowy bezpośrednio do objętości ullage lub pary. Mechanizm ten jest bardzo obiecujący, ale jego działanie nie zostało jeszcze przetestowane w warunkach mikrograwitacji. Odparowanie kropelek zużywa ciepło dostarczane przez gorącą parę otaczającą kropelki i wytwarza parę o znacznie niższej temperaturze nasycenia. W rezultacie zmniejsza się zarówno temperatura, jak i ciśnienie objętości pary ullage. Wtrysk kropel może być również wykorzystywany do chłodzenia gorących ścian pustego zbiornika paliwa przed operacją transferu lub napełniania zbiornika. Co więcej, kropelki mogą być tworzone podczas zawirowań materiału napędowego spowodowanych przyspieszeniem statku kosmicznego, a następnie ulegają przemianie fazowej i wymianie ciepła. Ten transfer ciepła może spowodować spadek ciśnienia, który może prowadzić do kawitacji lub masywnej przemiany fazowej cieczy w parę. Zachowanie populacji kropelek w mikrograwitacji będzie drastycznie różnić się od tego na Ziemi.
Eksperyment ZBOT-DP zbada rozpad, koalescencję (łączenie się kropelek), zmianę fazy oraz charakterystykę transportu i trajektorii populacji kropelek oraz ich wpływ na ciśnienie w zbiorniku w mikrograwitacji. Szczególna uwaga zostanie również poświęcona interakcji kropelek z rozgrzaną ścianą zbiornika, co może prowadzić do błyskawicznego parowania z zastrzeżeniem komplikacji spowodowanych efektem Liedenfrosta (gdy kropelki cieczy odpychają się od rozgrzanej powierzchni, a tym samym nie mogą schłodzić ściany zbiornika). Te skomplikowane zjawiska nie zostały naukowo zbadane w mikrograwitacji i muszą zostać rozwiązane, aby ocenić wykonalność i wydajność wtrysku kropel jako mechanizmu kontroli ciśnienia i temperatury w mikrograwitacji.
Te sponsorowane przez NASA podstawowe badania pomagają teraz komercyjnym dostawcom przyszłych systemów lądowania dla ludzkich odkrywców. Blue Origin i Lockheed Martin, uczestnicy programu NASA Human Landing Systems, wykorzystują dane z eksperymentów ZBOT do informowania o przyszłych projektach statków kosmicznych.
Zarządzanie płynem kriogenicznym i wykorzystanie wodoru jako paliwa nie ogranicza się do zastosowań kosmicznych. Czysta, zielona energia dostarczana przez wodór może pewnego dnia napędzać samoloty, statki i ciężarówki na Ziemi, przynosząc ogromne korzyści klimatyczne i ekonomiczne. Tworząc naukowe podstawy zarządzania płynami kriogenicznymi ZBO do eksploracji kosmosu, eksperymenty naukowe ZBOT i rozwój modeli CFD pomogą również czerpać korzyści z wodoru jako paliwa na Ziemi.
Dr Mohammad Kassemi (Wydział Inżynierii Mechanicznej i Lotniczej, Case Western Reserve University)
Wydział Nauk Biologicznych i Fizycznych (BPS), Dyrekcja Misji Naukowych NASA (SMD)
Dziękujemy, że przeczytałaś/eś artykuł! Obserwuj nas w Wiadomościach Google.
