Zero-boil-off tankeksperimenter for at muliggøre langvarig rumudforskning

Har vi nok brændstof til at komme til vores destination? Dette er sandsynligvis et af de første spørgsmål, der kommer til at tænke på, når din familie gør sig klar til at tage på en roadtrip. Hvis turen er lang, skal du besøge tankstationer langs din rute for at tanke brændstof under din rejse.

NASA kæmper med lignende problemer, da den gør sig klar til at påbegynde en bæredygtig mission tilbage til månen og planlægger fremtidige missioner til Mars. Men mens din bils brændstof er benzin, som sikkert og på ubestemt tid kan opbevares som en væske i bilens benzintank, er rumfartøjsbrændstoffer flygtige kryogene flydende drivmidler, der skal holdes ved ekstremt lave temperaturer og beskyttes mod miljømæssige varmelækager ind i rumfartøjets drivmiddeltank. .

Og selvom der allerede er et etableret netværk af kommercielle tankstationer på plads for at gøre tankning af din bil let, er der ingen kryogene tankstationer eller depoter ved månen eller på vej til Mars.

Desuden vil det ikke være let at opbevare flygtigt drivmiddel i lang tid og overføre det fra en depottank i rummet til et rumfartøjs brændstoftank under mikrotyngdekraftsforhold, da den underliggende mikrogravitationsvæskefysik, der påvirker sådanne operationer, ikke er godt forstået. Selv med nutidens teknologi er det ikke muligt at bevare kryogene brændstoffer i rummet ud over flere dage, og tank-til-tank brændstofoverførsel er aldrig tidligere blevet udført eller testet i rummet.

Varme, der ledes gennem støttestrukturer eller fra det strålingsfarvede rummiljø, kan trænge igennem selv de formidable flerlagsisoleringssystemer (MLI) i drivmiddeltanke i rummet, hvilket fører til afkogning eller fordampning af drivmidlet og forårsager selvtryk i tanken.

Den nuværende praksis er at sikre sig mod overtryk af tanken og fare for dens strukturelle integritet ved at udlufte afkogningsdampen ud i rummet. Drivmidler ombord bruges også til at køle de varme overførselsledninger og væggene i en tom rumfartøjstank ned, før en brændstofoverførsel og påfyldning kan finde sted. Således spildes værdifuldt brændstof kontinuerligt under både lagrings- og overførselsoperationer, hvilket gør langvarige ekspeditioner - især en menneskelig Mars-mission - umulige at gennemføre ved brug af nuværende passive drivstoftanktrykkontrolmetoder.

Zero-boil-off (ZBO) eller reduceret boil-off (RBO) teknologier giver et innovativt og effektivt middel til at erstatte det nuværende passive tanktrykreguleringsdesign. Denne metode er afhængig af en kompleks kombination af aktive, tyngdekraftsafhængige blandings- og energifjernelsesprocesser, der tillader opretholdelse af sikkert tanktryk med nul eller væsentligt reduceret brændstoftab.

Nul boil-off opbevaring og overførsel:En transformativ rumteknologi

I hjertet af ZBO-trykkontrolsystemet er to foreslåede aktive blandings- og kølemekanismer til at modvirke selvtryk i tanken. Den første er baseret på intermitterende, tvunget, underafkølet jetblanding af drivmidlet og involverer kompleks, dynamisk, tyngdekraftsafhængig interaktion mellem strålen og ullaget (dampvolumen) for at kontrollere kondensations- og fordampningsfaseændringen ved væske-damp-grænsefladen.

Den anden mekanisme bruger underafkølet dråbeindsprøjtning via en sprøjtestang i ullagen til at kontrollere tankens tryk og temperatur. Mens sidstnævnte mulighed er lovende og vinder frem, er den mere kompleks og er aldrig blevet testet i mikrogravitation, hvor faseændringen og transportadfærden for dråbepopulationer kan være meget anderledes og ikke-intuitiv sammenlignet med dem på Jorden.

Selvom den dynamiske ZBO-tilgang er teknologisk kompleks, lover den en imponerende fordel i forhold til de aktuelt anvendte passive metoder. En vurdering af et nuklear fremdriftskoncept til Mars-transport anslog, at de passive afkogningstab for en stor flydende brinttank, der transporterer 38 tons brændstof til en tre-årig mission til Mars, ville være ca. 16 tons/år.

Det foreslåede ZBO-system vil give en besparelse på 42 % af drivmiddelmasse om året. Disse tal antyder også, at med et passivt system ville alt det brændstof, der transporteres til en tre-årig Mars-mission, gå tabt til kogning, hvilket gør en sådan mission umulig uden at ty til den transformative ZBO-teknologi.

ZBO-tilgangen giver en lovende metode, men før en så kompleks teknologisk og operationel transformation kan udvikles fuldt ud, implementeres og demonstreres i rummet, skal vigtige og afgørende videnskabelige spørgsmål, der påvirker dens tekniske implementering og mikrotyngdekraftens ydeevne, afklares og løses.

Zo-boil-off tank (ZBOT) mikrogravitationseksperimenter

Zero boil-off tank (ZBOT) Eksperimenter er ved at blive udført for at danne et videnskabeligt grundlag for udviklingen af ​​den transformative ZBO drivmiddelkonserveringsmetode. Efter anbefaling fra et ZBOT-videnskabeligt reviewpanel bestående af medlemmer fra rumfartsindustrien, den akademiske verden og NASA, blev det besluttet at udføre den foreslåede undersøgelse som en serie af tre små videnskabelige eksperimenter, der skal udføres ombord på den internationale rumstation. De tre eksperimenter, der er skitseret nedenfor, bygger på hinanden for at behandle centrale videnskabelige spørgsmål relateret til ZBO kryogen væskehåndtering af drivmidler i rummet.

ZBOT-1-eksperimentet:Selvtryk og jetblanding

Det første eksperiment i serien blev udført på stationen i tidsrammen 2017-2018. Det andet billede ovenfor viser ZBOT-1-hardwaren i stationens mikrogravity science handskerum (MSG). Hovedfokus for dette eksperiment var at undersøge selvtryk og kogning, der opstår i en forseglet tank på grund af lokal og global opvarmning, og gennemførligheden af ​​tanktrykkontrol via underkølet aksial jetblanding.

I dette eksperiment blev den komplicerede interaktion mellem jetstrømmen og ullaget (dampvolumen) i mikrogravitation omhyggeligt undersøgt. Microgravity jet-blandingsdata blev også indsamlet på tværs af en lang række skalerede flow- og varmeoverførselsparametre for at karakterisere tidskonstanterne for tanktryksreduktion og tærsklerne for gejser (væskefontæne) dannelse, inklusive dens stabilitet og indtrængningsdybde gennem ullagevolumenet . Sammen med meget nøjagtige tryk- og lokale temperatursensormålinger blev der udført partikelbilledhastighedsmålinger (PIV) for at opnå målinger af flowhastighed i hele felten for at validere en CFD-model (computational fluid dynamics).

Nogle af de interessante resultater af ZBOT-1-eksperimentet er som følger:

• Leverede de første data om tankens selvtrykshastighed i mikrogravitation under kontrollerede forhold, som kan bruges til at estimere tankisoleringskravene. Resultaterne viste også, at klassisk selvtryk er ret skrøbelig i mikrotyngdekraften, og nukleatkogning kan forekomme ved hotspots på tankvæggen selv ved moderate varmestrømme, der ikke inducerer kogning på Jorden.
• Beviste, at ZBO-trykkontrol er mulig og effektiv i mikrogravitation ved brug af underkølet jetblanding, men demonstrerede også, at mikrogravitation ullage-jet interaktion ikke følger de forventede klassiske regimemønstre.
• Aktiveret observation af uventet kavitation under underafkølet stråleblanding, hvilket førte til massiv faseændring på begge sider af den screenede væskeopsamlingsenhed (LAD). Hvis denne type faseændring sker i en drivmiddeltank, kan det føre til dampindtagelse gennem LAD'en og afbrydelse af væskestrømmen i overførselsledningen, hvilket potentielt kan føre til motorfejl.
• Udviklede en state-of-the-art to-faset CFD-model valideret af over 30 mikrogravitationscasestudier. ZBOT CFD-modeller bruges i øjeblikket som et effektivt værktøj til opskalering af drivgastanke af adskillige luftfartsselskaber, der deltager i NASAs tipping point-mulighed og NASA Human Landing System (HLS)-programmet.

ZBOT-NC-eksperimentet:Ikke-kondenserbare gaseffekter

Ikke-kondenserbare gasser (NCG'er) bruges som trykmidler til at udtrække væske til motordrift og tank-til-tank overførsel. Det andet eksperiment, ZBOT-NC, vil undersøge effekten af ​​NCG'er på den forseglede tanks selvtryk og på trykregulering ved aksial jetblanding. To inerte gasser med ret forskellige molekylstørrelser, xenon og neon, vil blive brugt som de ikke-kondenserbare trykmidler. For at opnå trykkontrol eller -reduktion skal dampmolekyler nå væske-damp-grænsefladen, der afkøles af blandestrålen og derefter krydse grænsefladen til væskesiden for at kondensere.

Denne undersøgelse vil fokusere på, hvordan de ikke-kondenserbare gasser i mikrogravitation kan bremse eller modstå transporten af ​​dampmolekyler til væske-damp-grænsefladen (transportmodstand) og vil afklare, i hvilket omfang de kan danne en barriere ved grænsefladen og hindre passage af dampmolekylerne over grænsefladen til væskesiden (kinetisk modstand). Ved at påvirke grænsefladeforholdene kan NCG'erne også ændre flowet og termiske strukturer i væsken.

ZBOT-NC vil bruge både lokale temperatursensordata og unikt udviklet kvantepunkttermometri (QDT) diagnostik til at indsamle ikke-påtrængende temperaturmålinger i hele felten for at vurdere virkningen af ​​de ikke-kondenserbare gasser under både selvtryksopvarmning og jetblanding/-køling af tanken under vægtløshedsforhold. Dette eksperiment er planlagt til at flyve til den internationale rumstation i begyndelsen af ​​2025, og mere end 300 forskellige mikrogravitationstest er planlagt. Resultater fra disse test vil også gøre det muligt at videreudvikle og validere ZBOT CFD-modellen til at inkludere de ikke-kondenserbare gaseffekter med fysisk og numerisk nøjagtighed.

ZBOT-DP-eksperimentet:Dråbefaseændringseffekter

ZBO aktiv trykregulering kan også opnås via injektion af underafkølede væskedråber gennem en aksial spray-bar direkte ind i ullage- eller dampvolumenet. Denne mekanisme er meget lovende, men dens ydeevne er endnu ikke blevet testet i mikrogravitation. Fordampning af dråber forbruger varme, der leveres af den varme damp, der omgiver dråberne, og producerer damp, der har en meget lavere mætningstemperatur. Som følge heraf reduceres både temperaturen og trykket af ullagedampvolumenet.

Dråbeinjektion kan også bruges til at køle de varme vægge af en tom drivmiddeltank ned før en tank-til-tank overførsel eller påfyldning. Ydermere kan der dannes dråber under drivmidlets skvulpning forårsaget af acceleration af rumfartøjet, og disse dråber undergår derefter faseændring og varmeoverførsel. Denne varmeoverførsel kan forårsage et tryksammenbrud, der kan føre til kavitation eller en massiv væske-til-damp faseændring. Dråbepopulationers adfærd i mikrogravitation vil være drastisk anderledes sammenlignet med den på Jorden.

ZBOT-DP-eksperimentet vil undersøge desintegration, sammensmeltning (dråber, der smelter sammen), faseændringer og transport- og banekarakteristika for dråbepopulationer og deres virkninger på tanktrykket i mikrogravitation. Der vil også blive viet særlig opmærksomhed på dråbernes vekselvirkning med en opvarmet tankvæg, hvilket kan føre til flashfordampning, der kan forårsage komplikationer forårsaget af Liedenfrost-effekten (når væskedråber driver væk fra en opvarmet overflade og dermed ikke kan køle tankvæggen) .

Disse komplicerede fænomener er ikke blevet videnskabeligt undersøgt i mikrogravitation og skal løses for at vurdere gennemførligheden og ydeevnen af ​​dråbeinjektion som en tryk- og temperaturkontrolmekanisme i mikrogravitation.

Tilbage til planeten Jorden

Denne grundlæggende forskning hjælper nu kommercielle udbydere af fremtidige landingssystemer til menneskelige opdagelsesrejsende. Blue Origin og Lockheed Martin, deltagere i NASAs Human Landing Systems-program, bruger data fra ZBOT-eksperimenterne til at informere fremtidige rumfartøjsdesign.

Kryogen væskestyring og brug af brint som brændstof er ikke begrænset til rumapplikationer. Ren grøn energi leveret af brint kan en dag give brændstof til fly, skibe og lastbiler på Jorden, hvilket giver enorme klimamæssige og økonomiske fordele. Ved at danne det videnskabelige grundlag for ZBO kryogen væskestyring til rumudforskning, vil ZBOT videnskabelige eksperimenter og udvikling af CFD-modeller også hjælpe med at høste fordelene ved brint som brændstof her på Jorden.

Leveret af NASA