Изображение танка SHIIVER, сделанного в 2019 году, внутри вакуумной камеры Космической двигательной установки на испытательном стенде НАСА имени Нила Армстронга в Сандаски, штат Огайо. Резервуар был частью проекта Cryogenic Fluid Management, целью которого было испытание резервуара при экстремальных температурах и обеспечение того, чтобы новые технологии сохраняли топливо внутри холодным и в жидком состоянии. Кредит: НАСА
Организация устойчивых операций на Луне и Марсе открывает множество возможностей и проблем, с которыми НАСА еще предстоит столкнуться. Многие из этих видов деятельности требуют новых технологий и процессов, чтобы гарантировать готовность агентства к амбициозным миссиям «Артемида» и не только.
Одной из таких проблем является работа с криогенными жидкостями, то есть с жидкостями, существующими в жидком состоянии при температуре от –238°F до абсолютного нуля (–460°F). Эти жидкости — жидкий водород (с которым труднее всего работать), метан и кислород — жизненно важны для двигательных установок космических кораблей и систем жизнеобеспечения. Жидкости также могут быть произведены в будущем на поверхности Луны и Марса посредством использования ресурсов на месте (ISRU).
Исследование человеком глубокого космоса требует хранения большого количества криогенных жидкостей в течение недель, месяцев или дольше, а также перемещения между космическими кораблями или топливными складами на орбите и на поверхности. Каждый аспект сложен, и на сегодняшний день большие количества криогенных жидкостей хранятся в космосе всего несколько часов. Инженеры, работающие в портфолио НАСА по управлению криогенными жидкостями (CFM), возглавляемые миссиями по демонстрации технологий в составе Управления космических технологий и управляемые в Исследовательском центре Гленна агентства в Кливленде и Центре космических полетов Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, решают эти проблемы в будущем. миссии.
«Это задача, которую ни НАСА, ни наши партнеры никогда раньше не решали», — сказала Лорен Амин, заместитель менеджера портфеля CFM. «Концепции наших будущих миссий основаны на огромном количестве криогенных жидкостей, и нам нужно выяснить, как эффективно использовать их в течение длительного времени, что требует ряда новых технологий, намного превосходящих сегодняшние возможности».
Криогенные проблемы
Чтобы криогенную жидкость можно было использовать, она должна оставаться в холодном жидком состоянии. Однако физика космических путешествий — вхождение и выход из солнечного света, а также длительное пребывание в условиях низкой гравитации — усложняет поддержание этих жидкостей в жидком состоянии и определение их количества в резервуаре.
Источники тепла в космосе, такие как солнце и выхлопные газы космического корабля, создают горячую среду внутри и вокруг резервуаров для хранения, вызывая испарение или «выпаривание». Когда жидкость испаряется, она больше не может эффективно питать ракетный двигатель. Это также увеличивает риск протечки или, что еще хуже, разрыва резервуара.
Неуверенность в том, сколько бензина осталось в баке, — это не то, ради чего наши исследователи хотят полететь на Марс. Низкая гравитация представляет собой сложную задачу, поскольку топливо хочет плавать (также известное как «выплескивание»), что затрудняет точное измерение количества жидкости и ее транспортировку.
«Предыдущие миссии с использованием криогенного топлива находились в космосе всего несколько дней из-за потерь при испарении или утечке», — отметил Амин. «Эти космические корабли использовали тягу и другие маневры, чтобы применить силу для установки баков с топливом и обеспечения перекачки топлива. Во время Артемиды космические корабли будут находиться в условиях низкой гравитации гораздо дольше, и им впервые придется переносить жидкий водород в космос, поэтому мы должны смягчить испарение. и найти инновационные способы транспортировки и измерения криогенного топлива».
Так что же делает НАСА?
Портфель НАСА CFM включает 24 направления развития и инвестиций, направленные на уменьшение выкипания, улучшение измерений и усовершенствование технологий передачи жидкости для космических двигателей, спускаемых аппаратов и ISRU. В ближайшем будущем будут проводиться четыре попытки: на земле, на околоземной орбите и вскоре на поверхности Луны.
Демонстрации полета
В 2020 году НАСА заключило четыре контракта «Переломный момент», ориентированных на CFM, с американской промышленностью — Eta Space, Lockheed Martin, SpaceX и United Launch Alliance — для оказания помощи в разработке и демонстрации технологий CFM в космосе. Планируется, что каждая компания проведет соответствующую демонстрацию в 2024 или 2025 году, проведя многочисленные испытания с использованием жидкого водорода для проверки технологий и процессов.
Радиочастотный датчик массы
Чтобы улучшить измерения, НАСА разработало радиочастотные массомеры (RFMG), позволяющие более точно измерять жидкость в условиях низкой гравитации или малой тяги. Инженеры делают это, измеряя электромагнитный спектр или радиоволны в баке космического корабля на протяжении всей миссии, сравнивая их с моделированием жидкости, чтобы точно измерить оставшееся топливо.
RFMG был проверен в наземных испытаниях, суборбитальном параболическом полете и на Международной космической станции, а вскоре он будет испытан на Луне во время предстоящего полета Commercial Lunar Payload Services с Intuitive Machines. После демонстрации в лунной среде НАСА продолжит развивать и масштабировать эту технологию, чтобы обеспечить более совершенные операции космических кораблей и спускаемых аппаратов.
Криокуллеры
Криокуллеры действуют как теплообменники для больших топливных баков, уменьшая выкипание в сочетании с инновационными системами изоляции баков. Совместно с отраслевыми партнерами, такими как Creare, НАСА начало тестирование мощных систем криокулера, которые прокачивают «рабочую» жидкость через сеть трубок, установленных в резервуаре, чтобы поддерживать ее прохладу. НАСА планирует увеличить размер и возможности резервуара для удовлетворения требований миссии перед проведением будущих демонстрационных полетов.
КриоФилл
НАСА также разрабатывает систему сжижения, позволяющую превращать газообразный кислород в жидкий кислород на поверхности Луны или Марса для заправки спускаемых аппаратов с использованием топлива, производимого на месте. В этом подходе используются различные методы охлаждения кислорода до критической температуры (не менее –297°F), при которой он конденсируется, превращаясь из газа в жидкость. Первоначальные разработки и испытания доказали, что НАСА может сделать это эффективно, и команда продолжает масштабировать технологию до соответствующих размеров и количеств резервуаров для будущих операций.
В конечном счете, усилия НАСА по разработке и тестированию систем CFM, которые являются энергоэффективными, массовыми и экономически эффективными, имеют решающее значение для успеха амбициозных миссий агентства на Луну, Марс и за их пределы.
