Hebben we voldoende brandstof om onze bestemming te bereiken? Dit is waarschijnlijk een van de eerste vragen die in je opkomt als je gezin zich klaarmaakt voor een roadtrip. Als de reis lang duurt, moet u tijdens uw reis benzinestations langs uw route bezoeken om te tanken.

NASA worstelt met soortgelijke problemen terwijl het zich klaarmaakt voor een duurzame missie terug naar de maan en toekomstige missies naar Mars plant. Maar hoewel de brandstof van uw auto benzine is, die veilig en voor onbepaalde tijd als vloeistof in de benzinetank van de auto kan worden opgeslagen, zijn brandstoffen voor ruimtevaartuigen vluchtige cryogene vloeibare drijfgassen die op extreem lage temperaturen moeten worden gehouden en moeten worden beschermd tegen lekken van omgevingswarmte in de brandstoftank van het ruimtevaartuig. .

En hoewel er al een gevestigd netwerk van commerciële benzinestations bestaat om het tanken van uw auto een makkie te maken, zijn er geen cryogene tankstations of depots op de maan of op weg naar Mars.

Bovendien zal het onder microzwaartekrachtomstandigheden opslaan van vluchtig drijfgas en het overbrengen ervan van een depottank in de ruimte naar de brandstoftank van een ruimtevaartuig niet eenvoudig zijn, aangezien de onderliggende microzwaartekrachtvloeistoffysica die dergelijke operaties beïnvloedt, niet goed wordt begrepen. Zelfs met de huidige technologie is het niet mogelijk om cryogene brandstoffen langer dan enkele dagen in de ruimte te bewaren, en de overdracht van brandstof van tank naar tank is nog nooit eerder in de ruimte uitgevoerd of getest.

Warmte die door steunconstructies of uit de stralingsruimteomgeving wordt geleid, kan zelfs de formidabele meerlaagse isolatiesystemen (MLI) van brandstoftanks in de ruimte binnendringen, wat leidt tot verdamping of verdamping van het drijfgas en het veroorzaken van zelfdruk in de tank. P>

De huidige praktijk is om te waken tegen overdruk in de tank en het in gevaar brengen van de structurele integriteit ervan door de verdampingsdamp in de ruimte te laten ontsnappen. Drijfgassen aan boord worden ook gebruikt om de hete overdrachtsleidingen en de wanden van een lege ruimtevaartuigtank af te koelen voordat een brandstofoverdracht en vuloperatie kan plaatsvinden. Er wordt dus voortdurend kostbare brandstof verspild tijdens zowel opslag- als overdrachtsoperaties, waardoor langdurige expedities – vooral een menselijke Mars-missie – onhaalbaar worden met behulp van de huidige methoden voor het controleren van de druk in de passieve stuwstoftank.

Zero-boil-off (ZBO) of gereduceerde kook-off (RBO) technologieën bieden een innovatief en effectief middel om het huidige passieve tankdrukregelingsontwerp te vervangen. Deze methode is gebaseerd op een complexe combinatie van actieve, zwaartekrachtafhankelijke meng- en energieverwijderingsprocessen die het handhaven van een veilige tankdruk mogelijk maken zonder brandstofverlies of met aanzienlijk minder brandstofverlies.

Opslag en overdracht zonder kookverlies:een transformatieve ruimtetechnologie

De kern van het ZBO-drukcontrolesysteem wordt gevormd door twee voorgestelde actieve meng- en koelmechanismen om zelfdruk in de tank tegen te gaan. De eerste is gebaseerd op intermitterende, geforceerde, onderkoelde jetmenging van het drijfgas en omvat een complexe, dynamische, zwaartekrachtafhankelijke interactie tussen de jet en de ullage (dampvolume) om de condensatie- en verdampingsfaseverandering op het vloeistof-dampgrensvlak te regelen.

Het tweede mechanisme maakt gebruik van onderkoelde druppelinjectie via een sproeibalk in de ullage om de tankdruk en -temperatuur te regelen. Hoewel de laatste optie veelbelovend is en steeds meer bekendheid krijgt, is deze complexer en nog nooit getest in microzwaartekracht, waar de faseverandering en het transportgedrag van druppelpopulaties heel anders en niet-intuïtief kunnen zijn vergeleken met die op aarde.

Hoewel de dynamische ZBO-aanpak technologisch complex is, belooft deze een indrukwekkend voordeel ten opzichte van de momenteel gebruikte passieve methoden. Uit een beoordeling van een nucleair voortstuwingsconcept voor Mars-transport werd geschat dat de passieve verdampingsverliezen voor een grote tank met vloeibare waterstof met 38 ton brandstof voor een driejarige missie naar Mars ongeveer 16 ton/jaar zouden bedragen.

Het voorgestelde ZBO-systeem zou een besparing van 42% op de drijfgasmassa per jaar opleveren. Deze cijfers impliceren ook dat met een passief systeem alle brandstof die nodig is voor een driejarige Mars-missie verloren zou gaan door de kook-off, waardoor een dergelijke missie onhaalbaar wordt zonder toevlucht te nemen tot de transformerende ZBO-technologie.

De ZBO-aanpak biedt een veelbelovende methode, maar voordat een dergelijke complexe technologische en operationele transformatie volledig kan worden ontwikkeld, geïmplementeerd en gedemonstreerd in de ruimte, moeten belangrijke en beslissende wetenschappelijke vragen die van invloed zijn op de technische implementatie en microzwaartekrachtprestaties worden opgehelderd en opgelost. P>

Wetenschappelijke experimenten met microzwaartekracht in de zero-boil-off tank (ZBOT)

De zero-boil-off tank (ZBOT) Er worden experimenten ondernomen om een ​​wetenschappelijke basis te vormen voor de ontwikkeling van de transformatieve ZBO-methode voor het conserveren van drijfgas. Op aanbeveling van een wetenschappelijk beoordelingspanel van de ZBOT, bestaande uit leden uit de lucht- en ruimtevaartindustrie, de academische wereld en NASA, werd besloten het voorgestelde onderzoek uit te voeren als een reeks van drie kleinschalige wetenschappelijke experimenten die aan boord van het internationale ruimtestation zouden worden uitgevoerd. De drie hieronder beschreven experimenten bouwen op elkaar voort om belangrijke wetenschappelijke vragen te beantwoorden die verband houden met ZBO-cryogeen vloeistofbeheer van drijfgassen in de ruimte.

Het ZBOT-1-experiment:zelfdruk en straalmenging

Het eerste experiment in de serie werd in de periode 2017-2018 op het station uitgevoerd. De tweede afbeelding hierboven toont de ZBOT-1-hardware in de Microgravity Science Glovebox (MSG)-eenheid van het station. De belangrijkste focus van dit experiment was het onderzoeken van de zelfdruk en het koken dat optreedt in een afgesloten tank als gevolg van lokale en mondiale verwarming, en de haalbaarheid van tankdrukregeling via onderkoelde axiale straalmenging.

In dit experiment werd de gecompliceerde interactie van de straalstroom met de ullage (dampvolume) in microzwaartekracht zorgvuldig bestudeerd. Er werden ook gegevens over microzwaartekrachtstraalmenging verzameld over een breed scala aan geschaalde stromings- en warmteoverdrachtsparameters om de tijdconstanten voor de verlaging van de tankdruk en de drempels voor de vorming van geisers (vloeistoffonteinen) te karakteriseren, inclusief de stabiliteit ervan en de penetratiediepte door het ullage-volume. . Naast zeer nauwkeurige druk- en lokale temperatuursensormetingen werd deeltjesbeeldsnelheidsmeting (PIV) uitgevoerd om stroomsnelheidsmetingen over het hele veld te verkrijgen om een ​​computationeel vloeistofdynamicamodel (CFD) te valideren.

Enkele van de interessante bevindingen van het ZBOT-1-experiment zijn als volgt:

• Verstrekte de eerste gegevens over de zelfdruk van de tank in microzwaartekracht onder gecontroleerde omstandigheden die kunnen worden gebruikt voor het schatten van de vereisten voor tankisolatie. De resultaten toonden ook aan dat klassieke zelfdruk nogal kwetsbaar is in microzwaartekracht en dat kernkoken kan optreden op hotspots op de tankwand, zelfs bij gematigde warmtestromen die op aarde geen koken veroorzaken.
• Bewezen dat ZBO-drukcontrole haalbaar en effectief is in microzwaartekracht met behulp van onderkoelde straalmenging, maar ook aangetoond dat microzwaartekracht ullage-jet-interactie niet de verwachte klassieke regimepatronen volgt.
• Maakt observatie mogelijk van onverwachte cavitatie tijdens onderkoelde straalmenging, wat leidt tot enorme faseverandering aan beide zijden van het afgeschermde vloeistofacquisitieapparaat (LAD). Als dit type faseverandering optreedt in een brandstoftank, kan dit leiden tot het inslikken van damp via de LAD en verstoring van de vloeistofstroom in de overdrachtsleiding, wat mogelijk kan leiden tot motorstoring.
• Ontwikkelde een geavanceerd tweefasig CFD-model, gevalideerd door meer dan 30 casestudies over microzwaartekracht. ZBOT CFD-modellen worden momenteel gebruikt als een effectief hulpmiddel voor het opschalen van drijfgastanks door verschillende lucht- en ruimtevaartbedrijven die deelnemen aan de NASA tipping point opportunity en het NASA Human Landing System (HLS) -programma.

Het ZBOT-NC-experiment:niet-condenseerbare gaseffecten

Niet-condenseerbare gassen (NCG's) worden gebruikt als drukmiddelen om vloeistof te extraheren voor motorwerking en tank-naar-tank-overdracht. Het tweede experiment, ZBOT-NC, zal het effect onderzoeken van NCG's op de zelfdruk in gesloten tanks en op drukcontrole door axiale straalmenging. Twee inerte gassen met zeer verschillende moleculaire afmetingen, xenon en neon, zullen worden gebruikt als niet-condenseerbare drukmiddelen. Om drukcontrole of -reductie te bereiken, moeten dampmoleculen het grensvlak tussen vloeistof en damp bereiken dat wordt gekoeld door de mengstraal en vervolgens het grensvlak oversteken naar de vloeistofzijde om te condenseren.

Deze studie zal zich richten op hoe in microzwaartekracht de niet-condenseerbare gassen het transport van dampmoleculen naar het vloeistof-damp grensvlak kunnen vertragen of weerstaan ​​(transportweerstand) en zal verduidelijken in welke mate zij een barrière kunnen vormen op het grensvlak en de passage van de dampmoleculen over het grensvlak naar de vloeistofzijde (kinetische weerstand). Door de interfaceomstandigheden te beïnvloeden, kunnen de NCG's ook de stroming en thermische structuren in de vloeistof veranderen.

ZBOT-NC zal zowel lokale temperatuursensorgegevens als uniek ontwikkelde quantum dot-thermometrie (QDT)-diagnostiek gebruiken om niet-intrusieve temperatuurmetingen over het hele veld te verzamelen om het effect van de niet-condenseerbare gassen te beoordelen tijdens zowel verwarming onder zelfdruk als straalmenging/-koeling van de tank onder gewichtloze omstandigheden. Dit experiment zal naar verwachting begin 2025 naar het Internationale Ruimtestation vliegen, en er staan ​​meer dan 300 verschillende microzwaartekrachttests gepland. De resultaten van deze tests zullen het ook mogelijk maken om het ZBOT CFD-model verder te ontwikkelen en te valideren om de niet-condenseerbare gaseffecten met fysieke en numerieke betrouwbaarheid op te nemen.

Het ZBOT-DP-experiment:effecten van faseverandering van druppels

Actieve ZBO-drukregeling kan ook worden bereikt via injectie van onderkoelde vloeistofdruppeltjes door een axiale sproeibalk rechtstreeks in het ullage- of dampvolume. Dit mechanisme is veelbelovend, maar de prestaties ervan zijn nog niet getest in microzwaartekracht. Bij het verdampen van druppeltjes wordt warmte verbruikt die wordt geleverd door de hete damp die de druppeltjes omringt, en er ontstaat damp met een veel lagere verzadigingstemperatuur. Als gevolg hiervan worden zowel de temperatuur als de druk van het ullagedampvolume verlaagd.

Druppelinjectie kan ook worden gebruikt om de hete wanden van een lege brandstoftank af te koelen vóór het overbrengen of vullen van tank naar tank. Bovendien kunnen er druppeltjes ontstaan ​​tijdens het klotsen van het drijfgas, veroorzaakt door de versnelling van het ruimtevaartuig, en deze druppeltjes ondergaan vervolgens faseverandering en warmteoverdracht. Deze warmteoverdracht kan een drukinstorting veroorzaken die kan leiden tot cavitatie of een enorme faseverandering van vloeistof naar damp. Het gedrag van druppelpopulaties in microzwaartekracht zal drastisch verschillen van dat op aarde.

Het ZBOT-DP-experiment zal de desintegratie, coalescentie (samensmelten van druppels), faseverandering, en transport- en trajectkarakteristieken van druppelpopulaties en hun effecten op de tankdruk in microzwaartekracht onderzoeken. Bijzondere aandacht zal ook worden besteed aan de interactie van de druppels met een verwarmde tankwand, wat kan leiden tot plotselinge verdamping, onderhevig aan complicaties veroorzaakt door het Liedenfrost-effect (wanneer vloeistofdruppels zich van een verwarmd oppervlak voortbewegen en de tankwand dus niet kunnen afkoelen). .

Deze ingewikkelde verschijnselen zijn niet wetenschappelijk onderzocht op het gebied van microzwaartekracht en moeten worden opgelost om de haalbaarheid en prestaties van druppelinjectie als druk- en temperatuurcontrolemechanisme in microzwaartekracht te beoordelen.

Terug naar planeet Aarde

Dit fundamentele onderzoek helpt nu commerciële aanbieders van toekomstige landingssystemen voor menselijke ontdekkingsreizigers. Blue Origin en Lockheed Martin, deelnemers aan het Human Landing Systems-programma van NASA, gebruiken gegevens uit de ZBOT-experimenten om toekomstige ontwerpen van ruimtevaartuigen te informeren.

Cryogeen vloeistofbeheer en het gebruik van waterstof als brandstof zijn niet beperkt tot ruimtetoepassingen. Schone groene energie, geleverd door waterstof, kan op een dag vliegtuigen, schepen en vrachtwagens op aarde van brandstof voorzien, wat enorme klimaat- en economische voordelen oplevert. Door de wetenschappelijke basis te vormen voor ZBO-cryogeen vloeistofbeheer voor ruimteverkenning, zullen de wetenschappelijke experimenten van ZBOT en de ontwikkeling van CFD-modellen ook helpen de vruchten te plukken van waterstof als brandstof hier op aarde.

Geleverd door NASA