Har vi tillräckligt med bränsle för att ta oss till vårt mål? Detta är förmodligen en av de första frågorna som kommer att tänka på närhelst din familj gör sig redo att ge sig ut på en roadtrip. Om resan är lång måste du besöka bensinstationer längs vägen för att tanka under din resa.
NASA brottas med liknande problem när de gör sig redo att ge sig ut på ett hållbart uppdrag tillbaka till månen och planerar framtida uppdrag till Mars. Men medan din bils bränsle är bensin, som säkert och på obestämd tid kan lagras som en vätska i bilens bensintank, är rymdfarkostbränslen flyktiga kryogena flytande drivmedel som måste hållas vid extremt låga temperaturer och skyddas från omgivande värmeläckor in i rymdfarkostens drivmedelstank .
Och även om det redan finns ett etablerat nätverk av kommersiella bensinstationer för att göra det enkelt att tanka din bil, finns det inga kryogena tankstationer eller depåer vid månen eller på väg till Mars.
Dessutom kommer det inte att vara lätt att lagra flyktigt drivmedel under lång tid och överföra det från en depåtank i rymden till en rymdfarkosts bränsletank under mikrogravitationsförhållanden eftersom den underliggande mikrogravitationsvätskefysiken som påverkar sådana operationer inte är väl förstådd. Även med dagens teknik är det inte möjligt att bevara kryogena bränslen i rymden längre än flera dagar, och bränsleöverföring från tank till tank har aldrig tidigare utförts eller testats i rymden.
Värme som leds genom stödstrukturer eller från den strålande rymdmiljön kan penetrera även de formidabla flerskiktsisoleringssystemen (MLI) i drivmedelstankar i rymden, vilket leder till avkokning eller förångning av drivmedlet och orsakar självtryck i tanken.
Den nuvarande praxisen är att skydda tanken mot övertryck och äventyra dess strukturella integritet genom att ventilera avkokningsångan ut i rymden. Drivmedel ombord används också för att kyla ner de heta överföringsledningarna och väggarna i en tom rymdfarkosttank innan en bränsleöverföring och påfyllning kan ske. Således slösas värdefullt bränsle kontinuerligt under både lagrings- och överföringsoperationer, vilket gör långvariga expeditioner – särskilt ett mänskligt Mars-uppdrag – omöjliga med nuvarande passiva drivmedelstanktryckkontrollmetoder.
Zero-boil-off (ZBO) eller reducerad boil-off-teknik (RBO) ger ett innovativt och effektivt sätt att ersätta den nuvarande passiva tanktryckkontrolldesignen. Denna metod bygger på en komplex kombination av aktiva, gravitationsberoende blandnings- och energiavlägsnande processer som tillåter upprätthållande av ett säkert tanktryck med noll eller avsevärt reducerad bränsleförlust.
I hjärtat av ZBO-tryckkontrollsystemet finns två föreslagna aktiva blandnings- och kylmekanismer för att motverka tankens självtryck. Den första är baserad på intermittent, forcerad, underkyld jetblandning av drivmedlet och involverar komplex, dynamisk, gravitationsberoende interaktion mellan strålen och ullagen (ångvolym) för att kontrollera kondensations- och förångningsfasändringen vid vätske-ånga-gränsytan.
Den andra mekanismen använder underkyld droppinjektion via en spraybar i ulaget för att kontrollera tanktryck och temperatur. Även om det senare alternativet är lovande och får framträdande plats, är det mer komplext och har aldrig testats i mikrogravitation där fasförändringen och transportbeteendet för dropppopulationer kan vara mycket annorlunda och icke-intuitivt jämfört med dem på jorden.
Även om den dynamiska ZBO-metoden är tekniskt komplex, lovar den en imponerande fördel jämfört med de passiva metoder som för närvarande används. En bedömning av ett kärnkraftsframdrivningskoncept för Mars-transport uppskattade att de passiva avkokningsförlusterna för en stor tank för flytande väte som transporterar 38 ton bränsle för ett treårigt uppdrag till Mars skulle vara cirka 16 ton/år.
Det föreslagna ZBO-systemet skulle ge en besparing på 42 % av drivmedelsmassan per år. Dessa siffror antyder också att med ett passivt system skulle allt bränsle som transporteras för ett treårigt Mars-uppdrag gå förlorat för att koka upp, vilket gör ett sådant uppdrag omöjligt utan att tillgripa den transformativa ZBO-tekniken.
ZBO-metoden ger en lovande metod, men innan en så komplex teknisk och operativ transformation kan utvecklas fullt ut, implementeras och demonstreras i rymden måste viktiga och avgörande vetenskapliga frågor som påverkar dess tekniska implementering och mikrogravitationsprestanda klargöras och lösas.
Zo-boil-off tank (ZBOT) mikrogravitationsexperiment
Zero boil-off tank (ZBOT) Experiment genomförs för att bilda en vetenskaplig grund för utvecklingen av den transformativa ZBO-metoden för bevarande av drivmedel. Efter rekommendation från en ZBOT vetenskapsgranskningspanel bestående av medlemmar från flygindustrin, akademin och NASA, beslutades det att utföra den föreslagna undersökningen som en serie av tre småskaliga vetenskapliga experiment som ska genomföras ombord på den internationella rymdstationen. De tre experimenten som beskrivs nedan bygger på varandra för att ta itu med viktiga vetenskapliga frågor relaterade till ZBO kryogenisk vätskehantering av drivmedel i rymden.
Det första experimentet i serien utfördes på stationen under 2017-2018 tidsram. Den andra bilden ovan visar ZBOT-1-hårdvaran i mikrogravity science handskfacket (MSG) på stationen. Huvudfokus för detta experiment var att undersöka självtrycksättningen och kokningen som sker i en förseglad tank på grund av lokal och global uppvärmning, och möjligheten att styra tanktrycket via underkyld axiell jetblandning.
I detta experiment studerades noggrant den komplicerade interaktionen av jetflödet med ullage (ångvolym) i mikrogravitation. Microgravity jetblandningsdata samlades också in över ett brett spektrum av skalade flödes- och värmeöverföringsparametrar för att karakterisera tidskonstanterna för tanktrycksreduktion, och tröskelvärdena för gejser (vätskefontän), inklusive dess stabilitet och penetrationsdjup genom ullagevolymen . Tillsammans med mycket noggranna mätningar av tryck- och lokala temperatursensorer, utfördes partikelbildshastighetsmätningar (PIV) för att erhålla mätningar av helfältsflödeshastighet för att validera en CFD-modell (Computational Fluid Dynamics).
Några av de intressanta resultaten av ZBOT-1-experimentet är följande:
Icke-kondenserbara gaser (NCG) används som tryckmedel för att extrahera vätska för motordrift och tank-till-tank-överföring. Det andra experimentet, ZBOT-NC kommer att undersöka effekten av NCG på den förseglade tankens självtrycksättning och på tryckkontroll genom axiell jetblandning. Två inerta gaser med ganska olika molekylstorlekar, xenon och neon, kommer att användas som icke-kondenserbara tryckmedel. För att uppnå tryckkontroll eller minskning måste ångmolekyler nå vätske-ånga-gränssnittet som kyls av blandningsstrålen och sedan korsa gränssnittet till vätskesidan för att kondensera.
Denna studie kommer att fokusera på hur i mikrogravitation de icke kondenserbara gaserna kan bromsa eller motstå transporten av ångmolekyler till vätske-ånga-gränsytan (transportmotstånd) och kommer att klargöra i vilken utsträckning de kan bilda en barriär vid gränssnittet och hindra ångmolekylernas passage över gränsytan till vätskesidan (kinetisk resistans). Genom att påverka gränssnittsförhållandena kan NCG också ändra flödet och termiska strukturer i vätskan.
ZBOT-NC kommer att använda både lokal temperatursensordata och unikt utvecklad quantum dot thermometry (QDT) diagnostik för att samla in icke-intrusiva temperaturmätningar i hela fältet för att bedöma effekten av de icke kondenserbara gaserna under både självtrycksuppvärmning och jetblandning/kylning av tanken under viktlöshet. Detta experiment är planerat att flyga till den internationella rymdstationen i början av 2025, och mer än 300 olika mikrogravitationstester är planerade. Resultaten från dessa tester kommer också att göra det möjligt för ZBOT CFD-modellen att vidareutvecklas och valideras för att inkludera de icke-kondenserbara gaseffekterna med fysisk och numerisk tillförlitlighet.
ZBOT-DP-experimentet:Droplet phase change effects
ZBO aktiv tryckkontroll kan också åstadkommas genom injicering av underkylda vätskedroppar genom en axiell spray-bar direkt in i ullage- eller ångvolymen. Denna mekanism är mycket lovande, men dess prestanda har ännu inte testats i mikrogravitation. Avdunstning av droppar förbrukar värme som tillförs av den heta ångan som omger dropparna och producerar ånga som har en mycket lägre mättnadstemperatur. Som ett resultat reduceras både temperaturen och trycket på ullageångvolymen.
Droppinjektion kan också användas för att kyla ner de varma väggarna i en tom drivmedelstank innan en tank-till-tank överföring eller fyllning. Dessutom kan droppar skapas under drivmedlets skvalp orsakad av acceleration av rymdfarkosten, och dessa droppar genomgår sedan fasförändring och värmeöverföring. Denna värmeöverföring kan orsaka en tryckkollaps som kan leda till kavitation eller en massiv vätske-till-ångfasförändring. Beteendet hos dropppopulationer i mikrogravitation kommer att vara drastiskt annorlunda jämfört med det på jorden.
ZBOT-DP-experimentet kommer att undersöka sönderfall, koalescens (droppar smälter samman), fasförändring och transport- och banaegenskaper hos dropppopulationer och deras effekter på tanktrycket i mikrogravitation. Särskild uppmärksamhet kommer också att ägnas åt dropparnas interaktion med en uppvärmd tankvägg, vilket kan leda till snabbavdunstning som kan leda till komplikationer orsakade av Liedenfrost-effekten (när vätskedroppar driver bort från en uppvärmd yta och därmed inte kan kyla tankväggen) .
Dessa komplicerade fenomen har inte undersökts vetenskapligt i mikrogravitation och måste lösas för att bedöma genomförbarheten och prestandan för droppinjektion som en tryck- och temperaturkontrollmekanism i mikrogravitation.
Denna grundläggande forskning hjälper nu kommersiella leverantörer av framtida landningssystem för mänskliga upptäcktsresande. Blue Origin och Lockheed Martin, deltagare i NASA:s Human Landing Systems-program, använder data från ZBOT-experimenten för att informera om framtida rymdfarkoster.
Kryogenvätskehantering och användning av väte som bränsle är inte begränsade till rymdtillämpningar. Ren grön energi från väte kan en dag driva flygplan, fartyg och lastbilar på jorden, vilket ger enorma klimat- och ekonomiska fördelar. Genom att bilda den vetenskapliga grunden för ZBO kryogen vätskehantering för rymdutforskning, kommer ZBOT:s vetenskapliga experiment och utveckling av CFD-modeller också att hjälpa till att skörda fördelarna med väte som bränsle här på jorden.
Tillhandahålls av NASA
