Завершены эксперименты на Международной космической станции, чтобы выяснить, как происходит кипение и конденсация в космосе.

После десятилетия подготовки и двух лет активных экспериментов в космосе установка, спроектированная, построенная и испытанная Университетом Пердью и Исследовательским центром Гленна НАСА в Кливленде, завершила свою испытательную кампанию на Международной космической станции.

Эксперимент по кипению и конденсации в потоке (FBCE), возглавляемый профессором Purdue Иссамом Мудаваром, собрал важные данные для инженерных инноваций, которые помогут астронавтам путешествовать дальше в космос и проводить длительные миссии на Луне или Марсе. Эти данные также будут использоваться при проектировании будущих космических кораблей, систем управления температурным режимом, космических дозаправочных и парокомпрессионных тепловых насосов для планетарных баз.

«Нас попросили разработать эксперимент для проверки кипения в потоке в условиях микрогравитации, и я очень рад, что мы добились большого прогресса», — сказали Мудавар, профессор машиностроения семьи Бетти Рут, и Милтон Б. Холландер, главный исследователь ФБСЕ. «Объем данных, поступающих из FBCE, просто огромен, и это именно то, что нам нужно».

Космический эксперимент Мудавара решает простой вопрос: как нам сохранить прохладу будущих транспортных средств и объектов в суровых условиях космоса? Например, температура лунной поверхности сильно колеблется от минус 410 до 250 градусов по Фаренгейту; Для создания там среды обитания человека необходимо надежное управление теплом.

Для дальнейших путешествий в космос необходимы склады криогенного топлива, но физика течения криогенных жидкостей в условиях микрогравитации еще не до конца изучена. Даже будущим двигательным системам, таким как тепловые двигатели ядерного деления или цикла Ренкина, потребуются эффективные системы охлаждения, способные работать в условиях невесомости.

По всем этим причинам НАСА запросило исследовательские предложения по этой теме и выбрало предложение, представленное Мудаваром, одним из наиболее цитируемых исследователей кипения и конденсации жидкости, и Моджибом Хасаном из Гленна.

При кипении в потоке тепло отводится за счет течения жидкости, которая затем кипит, переходит в газообразное состояние и позднее снова конденсируется в жидкость. Хотя это эффективное решение по управлению температурным режимом тщательно изучалось на Земле, никто не знал, будет ли оно жизнеспособным в космосе.

«Мы потратили более ста лет на то, чтобы понять, как системы отопления и охлаждения работают в условиях гравитации Земли, — сказал Мудавар, — но мы не знали, как они работают в невесомости».

Введите FBCE, который начал работу на космической станции в 2022 году. FBCE размером примерно с холодильник содержит два тестовых модуля, разработанных Purdue — один для приготовления пищи в потоке и один для конденсации — интегрированных в жидкостную систему, которую совместно разработали исследователи Purdue и НАСА Гленн. НАСА Гленн построило жидкостную систему вместе с модулями авионики. Жидкостная система расположена в интегрированной стойке для жидкостей космической станции и позволяет исследователям проводить эксперименты на космической станции автономно с земли.

«Эксперименты FBCE имеют решающее значение по двум причинам», — сказал Мудавар. «Они не только генерируют фундаментальные данные, которые нам было бы трудно собрать на Земле, но также служат для проверки теоретических моделей, на разработку которых мы потратили годы. Как только модели будут проверены, НАСА сможет более точно прогнозировать физику жидкости в средах с низкой гравитацией, таких как Луна или Марс.

Чайник

Мудавар начал этот проект в 2011 году, когда НАСА выбрало его предложение после того, как десятилетний опрос национальных академий выявил необходимость этого исследования.

«Каждые 10 лет Национальные академии проводят опрос, который сообщает НАСА, на каких конкретных аспектах ему следует сосредоточиться», — сказал Мудавар. «В этом отчете говорится об отсутствии фундаментальных моделей поведения жидкостей в условиях микрогравитации. Именно тогда я начал работать с НАСА «Гленн» над созданием экспериментальной установки для изучения потоков жидкости и фазовых изменений в космосе».

Первый прототип FBCE совершил параболический полет вместе с Zero Gravity Corp. (НОЛЬ-G). Студенты Пердью и квалифицированные операторы НАСА Гленн проводили эксперименты в этом полете в течение 15-секундных периодов невесомости. После многообещающих результатов и многих лет разработки оборудования, испытаний и летной квалификации окончательная версия системы была создана в НАСА в Гленне.

После прохождения проверок конструкции, безопасности и готовности модуль проточного котла НАСА был запущен на космическую станцию ​​в августе 2021 года и начал работу в начале 2022 года. В августе прошлого года был запущен конденсационный модуль FBCE, заменивший модуль проточного котла. Purdue завершила кампанию тестирования в июле.

Горы данных, собранных в ходе экспериментов FBCE, лягут в основу фундаментальных моделей и будущих исследований в ближайшие годы.

«Это один из крупнейших и наиболее сложных экспериментов НАСА по физике жидкостей», — сказал Мудавар. «С момента начала проекта мы опубликовали более 70 статей по уменьшению гравитации и потока жидкости и даже внесли свой вклад в последнее десятилетнее исследование Национальных академий, основанное на наших результатах. В совокупности эти статьи напоминают учебник о том, как происходит кипение и конденсация в космосе».

Крутое будущее

Несмотря на то, что кампания по тестированию Purdue завершилась, FBCE никуда не денется. Объект останется на космической станции для других исследователей, которые хотят экспериментировать с физикой жидкости в космосе.

«Мое первоначальное предложение заключалось в том, чтобы FBCE в конечном итоге стал национальным ресурсом», — сказал Мудавар. «После того как наша кампания завершилась, другие исследователи уже начали ее использовать. Я надеюсь, что данные FBCE помогут создать науку об охлаждении космических кораблей в ближайшие годы».

Информация от: Университетом Пердью