Хватит ли нам топлива, чтобы добраться до пункта назначения? Вероятно, это один из первых вопросов, который приходит на ум, когда ваша семья собирается отправиться в путешествие. Если поездка длительная, вам придется посещать заправочные станции по маршруту для дозаправки во время путешествия.
НАСА борется с аналогичными проблемами, готовясь к осуществлению устойчивой миссии обратно на Луну и планируя будущие миссии на Марс. Но в то время как топливом вашего автомобиля является бензин, который можно безопасно и неограниченно хранить в жидком виде в бензобаке автомобиля, топливо для космических кораблей представляет собой летучее криогенное жидкое топливо, которое необходимо поддерживать при чрезвычайно низких температурах и защищать от утечек тепла из окружающей среды в топливный бак космического корабля. .
И хотя уже существует налаженная сеть коммерческих заправочных станций, позволяющая заправить ваш автомобиль легко, на Луне или на пути к Марсу нет криогенных заправочных станций или складов.
Кроме того, хранить летучее топливо в течение длительного времени и переносить его из космического складского резервуара в топливный бак космического корабля в условиях микрогравитации будет непросто, поскольку основная физика жидкости в условиях микрогравитации, влияющая на такие операции, не совсем понятна. Даже при использовании сегодняшних технологий сохранение криогенного топлива в космосе дольше нескольких дней невозможно, а перекачка топлива из бака в бак никогда ранее не выполнялась и не тестировалась в космосе.
Тепло, передаваемое через опорные конструкции или из радиационной космической среды, может проникать даже через мощные системы многослойной изоляции (MLI) космических баков с топливом, что приводит к выкипанию или испарению топлива и вызывает самораздутие бака.
Текущая практика заключается в том, чтобы предотвратить создание избыточного давления в резервуаре и угрозу его структурной целостности путем выброса выкипающих паров в космос. Бортовое топливо также используется для охлаждения горячих линий передачи и стенок пустого бака космического корабля перед тем, как можно будет выполнить операцию по перекачке и заправке топлива. Таким образом, драгоценное топливо постоянно тратится впустую как при хранении, так и при транспортировке, что делает невозможными длительные экспедиции, особенно миссию человека на Марс, с использованием современных методов пассивного контроля давления в топливных баках.
Технологии нулевого кипения (ZBO) или пониженного кипения (RBO) представляют собой инновационные и эффективные средства замены существующей конструкции пассивного контроля давления в резервуарах. Этот метод основан на сложной комбинации активных, гравитационно-зависимых процессов смешивания и отвода энергии, которые позволяют поддерживать безопасное давление в баке с нулевыми или значительно сниженными потерями топлива.
Хранение и транспортировка с нулевым выкипанием: преобразующая космическая технология
В основе системы контроля давления ZBO лежат два предлагаемых механизма активного смешивания и охлаждения для противодействия самоповреждению резервуара. Первый основан на прерывистом, принудительном, недогретом струйном смешивании топлива и включает сложное, динамическое, гравитационно-зависимое взаимодействие между струей и незаполненным пространством (объемом пара) для управления фазовым изменением конденсации и испарения на границе раздела жидкость-пар.
Второй механизм использует впрыск переохлажденных капель через распылитель в незаполненный объем для контроля давления и температуры в резервуаре. Хотя последний вариант является многообещающим и приобретает все большую популярность, он более сложен и никогда не тестировался в условиях микрогравитации, где фазовый переход и транспортное поведение популяций капель могут сильно отличаться и неинтуитивны по сравнению с земными.
Хотя динамический подход ZBO технологически сложен, он обещает впечатляющее преимущество перед используемыми в настоящее время пассивными методами. Оценка одной концепции ядерной двигательной установки для транспортировки на Марс показала, что пассивные потери при испарении для большого резервуара с жидким водородом, несущего 38 тонн топлива для трехлетней миссии на Марс, составят примерно 16 тонн в год.
Предлагаемая система ЗБО обеспечит экономию массы пороха на 42% в год. Эти цифры также подразумевают, что при использовании пассивной системы все топливо, перевозимое для трехлетней миссии на Марс, будет потеряно из-за испарения, что сделает такую миссию неосуществимой без обращения к преобразующей технологии ZBO.
Подход ZBO представляет собой многообещающий метод, но прежде чем такая сложная технологическая и эксплуатационная трансформация может быть полностью разработана, реализована и продемонстрирована в космосе, необходимо прояснить и решить важные и решающие научные вопросы, которые влияют на ее инженерную реализацию и характеристики в условиях микрогравитации.
Научные эксперименты в области микрогравитации в резервуаре с нулевым выкипанием (ZBOT)
Резервуар с нулевым выкипанием (ZBOT) Проводятся эксперименты с целью создания научной основы для разработки преобразующего метода консервации топлива ZBO. По рекомендации научной группы ZBOT, состоящей из представителей аэрокосмической промышленности, научных кругов и НАСА, было решено провести предлагаемое исследование в виде серии из трех небольших научных экспериментов, которые будут проводиться на борту Международной космической станции. Три эксперимента, описанные ниже, дополняют друг друга и направлены на решение ключевых научных вопросов, связанных с управлением криогенной жидкостью ZBO с топливом в космосе.
Эксперимент ZBOT-1: Самонаддув и струйное смешение
Первый эксперимент серии был проведен на станции в 2017-2018 годах. На втором изображении выше показано оборудование ZBOT-1 в перчаточном боксе для науки о микрогравитации (MSG) станции. Основная цель этого эксперимента заключалась в исследовании самонагнетания и кипения, которые происходят в герметичном резервуаре из-за местного и глобального нагрева, а также возможности регулирования давления в резервуаре посредством переохлажденного осевого струйного смешивания.
В этом эксперименте тщательно изучалось сложное взаимодействие струйного течения с незаполненным пространством (объемом пара) в условиях микрогравитации. Данные о смешивании струй в условиях микрогравитации также были собраны в широком диапазоне масштабированных параметров потока и теплопередачи, чтобы охарактеризовать постоянные времени снижения давления в резервуаре, а также пороги образования гейзера (жидкого фонтана), включая его стабильность, и глубину проникновения через незаполненный объем. . Наряду с очень точными измерениями датчиков давления и локальной температуры, была выполнена измерение скорости изображения частиц (PIV) для получения измерений скорости потока по всему полю для проверки модели вычислительной гидродинамики (CFD).
Некоторые из интересных результатов эксперимента ZBOT-1 заключаются в следующем:
- Предоставлены первые данные о скорости самонагнетания резервуара в условиях микрогравитации и контролируемых условиях, которые можно использовать для оценки требований к изоляции резервуара. Результаты также показали, что классическое самонагнетание весьма хрупко в условиях микрогравитации, и пузырьковое кипение может возникать в горячих точках на стенках резервуара даже при умеренных тепловых потоках, которые не вызывают кипения на Земле.
- Доказано, что управление давлением ZBO осуществимо и эффективно в условиях микрогравитации с использованием переохлажденной струйной смеси, но также продемонстрировано, что взаимодействие микрогравитационной незаполненной струи и струи не соответствует ожидаемым моделям классического режима.
- Позволено наблюдать неожиданную кавитацию во время перемешивания переохлажденной струи, приводящую к массивному фазовому изменению на обеих сторонах экранированного устройства сбора жидкости (LAD). Если этот тип фазового изменения происходит в топливном баке, это может привести к попаданию паров через LAD и нарушению потока жидкости в линии передачи, что потенциально может привести к отказу двигателя.
- Разработал современную двухфазную модель CFD, подтвержденную более чем 30 практическими исследованиями в области микрогравитации. Модели ZBOT CFD в настоящее время используются в качестве эффективного инструмента для масштабирования топливных баков несколькими аэрокосмическими компаниями, участвующими в программе НАСА «Переломный момент» и программе НАСА «Система приземления человека» (HLS).
Эксперимент ZBOT-NC: эффекты неконденсирующегося газа
Неконденсирующиеся газы (NCG) используются в качестве давления для извлечения жидкости для работы двигателя и перекачки из бака в бак. Второй эксперимент, ZBOT-NC, будет исследовать влияние NCG на самогерметизацию герметичного резервуара и на регулирование давления посредством осевого струйного смешивания. В качестве неконденсирующихся агентов давления будут использоваться два инертных газа с совершенно разными молекулярными размерами: ксенон и неон. Чтобы добиться контроля или снижения давления, молекулы пара должны достичь границы раздела жидкость-пар, которая охлаждается струей смешивания, а затем пересечь границу раздела на стороне жидкости для конденсации.
Это исследование будет сосредоточено на том, как в условиях микрогравитации неконденсирующиеся газы могут замедлять или сопротивляться транспортировке молекул пара к границе раздела жидкость-пар (транспортное сопротивление), а также выяснять, в какой степени они могут образовывать барьер на границе раздела и препятствовать переход молекул пара через границу раздела в сторону жидкости (кинетическое сопротивление). Влияя на условия интерфейса, NCG также могут изменять структуру потока и тепловую структуру жидкости.
ZBOT-NC будет использовать как данные местного датчика температуры, так и уникально разработанную диагностику термометрии на квантовых точках (QDT) для сбора неинтрузивных измерений температуры по всему полю для оценки влияния неконденсирующихся газов как во время нагрева с самонагнетанием, так и струйного смешивания / охлаждения танк в условиях невесомости. Этот эксперимент запланирован на Международную космическую станцию в начале 2025 года, и запланировано более 300 различных испытаний в условиях микрогравитации. Результаты этих испытаний также позволят доработать и проверить модель ZBOT CFD, включив в нее эффекты неконденсирующегося газа с физической и численной точностью.
Эксперимент ZBOT-DP: эффекты изменения фазы капли
Активное регулирование давления ZBO также может быть осуществлено путем впрыскивания капель переохлажденной жидкости через осевой распылитель непосредственно в незаполненный объем или объем пара. Этот механизм очень перспективен, но его работоспособность еще не проверена в условиях микрогравитации. Испарение капель потребляет тепло, выделяемое горячим паром, окружающим капли, и производит пар, имеющий гораздо более низкую температуру насыщения. В результате снижается температура и давление свободного объема пара.
Капельный впрыск также можно использовать для охлаждения горячих стенок пустого бака с топливом перед перегрузкой из бака в бак или операцией заправки. Кроме того, во время выплескивания топлива, вызванного ускорением космического корабля, могут образовываться капли, которые затем претерпевают фазовый переход и теплообмен. Эта теплопередача может вызвать коллапс давления, который может привести к кавитации или массивному фазовому переходу из жидкости в пар. Поведение популяций капель в условиях микрогравитации будет кардинально отличаться от поведения на Земле.
Эксперимент ZBOT-DP будет исследовать дезинтеграцию, слияние (слияние капель), фазовый переход, а также транспортные и траекторные характеристики популяций капель, а также их влияние на давление в резервуаре в условиях микрогравитации. Особое внимание также будет уделено взаимодействию капель с нагретой стенкой резервуара, что может привести к мгновенному испарению с осложнениями, вызванными эффектом Лиденфроста (когда капли жидкости отлетают от нагретой поверхности и, таким образом, не могут охладить стенки резервуара). .
Эти сложные явления не были научно исследованы в условиях микрогравитации и должны быть решены, чтобы оценить возможность и эффективность инъекции капель как механизма контроля давления и температуры в условиях микрогравитации.
Вернуться на планету Земля
Это фундаментальное исследование теперь помогает коммерческим поставщикам будущих систем посадки для людей-исследователей. Blue Origin и Lockheed Martin, участники программы НАСА «Системы приземления человека», используют данные экспериментов ZBOT для разработки будущих проектов космических кораблей.
Управление криогенными жидкостями и использование водорода в качестве топлива не ограничиваются космическими применениями. Чистая зеленая энергия, обеспечиваемая водородом, однажды может стать топливом для самолетов, кораблей и грузовиков на Земле, что принесет огромные климатические и экономические выгоды. Формируя научную основу управления криогенной жидкостью ZBO для освоения космоса, научные эксперименты ZBOT и разработка модели CFD также помогут воспользоваться преимуществами водорода в качестве топлива здесь, на Земле.
