|
Как происходит кипение и конденсация в космосе
|
|
|
|
После десятилетней подготовки и двух лет активных экспериментов в космосе установка, спроектированная, построенная и испытанная Исследовательским центром НАСА имени Гленна в Кливленде, завершила свою испытательную кампанию на Международной космической станции.
|
|
|
|
Эксперимент по кипячению и конденсации в потоке (FBCE), проведенный профессором Пердью Иссамом Мудаваром (Issam Mudawar), собрал важные данные для инженерных инноваций, которые помогут астронавтам совершать более дальние полеты в космос и выполнять длительные миссии на Луне или Марсе. Эти данные также помогут при проектировании будущих силовых установок космических аппаратов, систем терморегулирования, дозаправки в космосе и парокомпрессионных тепловых насосов для планетарных баз.
|
|
|
|
"Нас попросили провести эксперимент по проверке процесса кипячения в условиях микрогравитации, и я рад видеть, что мы успешно справились с поставленной задачей", - сказал Мудавар, профессор машиностроения семьи Бетти Рут и Милтона Б. Холландеров и главный исследователь FBCE. "Объем данных, поступающих из FBCE, просто огромен, и это именно то, чего мы хотим".
|
|
|
|
Космический эксперимент Mudawar направлен на решение простого вопроса: как мы будем охлаждать будущие транспортные средства и оборудование в суровых условиях космоса? Например, температура поверхности Луны сильно колеблется от минус 410 градусов до 250 градусов по Фаренгейту; для создания там среды обитания человека необходимо надежное регулирование температуры.
|
|
|
Для более дальних полетов в космос требуются склады криогенного топлива, но физика течения криогенных жидкостей в условиях микрогравитации до конца не изучена. Даже будущим двигательным установкам, таким как ядерные двигатели с расщеплением или тепловые двигатели с циклом Ренкина, также 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, который является одним из наиболее цитируемых исследователей в области кипячения и конденсации в потоке, и Моджибом Хасаном из Glenn's Mojib Hasan.
|
|
|
|
При кипячении в потоке тепло отводится потоком жидкости, которая затем кипит, превращаясь в газ, а затем конденсируется обратно в жидкость. Хотя это эффективное решение для управления температурой было тщательно изучено на Земле, никто не знал, возможно ли его применение в космосе.
|
|
|
|
"За более чем столетний опыт мы накопили представление о том, как работают системы отопления и охлаждения в условиях земного притяжения, - сказал Мудавар, - но мы не знали, как они работают в невесомости".
|
|
|
|
Войдите в систему FBCE, которая начала функционировать на космической станции в 2022 году. FBCE размером с холодильник содержит два разработанных компанией Purdue тестовых модуля - один для кипячения в потоке, другой для конденсации — интегрированных с жидкостной системой, которую исследователи Purdue разработали совместно с NASA Glenn. NASA Glenn разработало жидкостную систему вместе с модулями авионики. Система Fluid, установленная на встроенной в космическую станцию стойке с жидкостями, позволяет исследователям проводить эксперименты на космической станции автономно с земли.
|
|
|
|
"Эксперименты FBCE имеют решающее значение в двух отношениях", - сказал Мудавар. "Они не только позволяют получить фундаментальные данные, которые нам было бы трудно собрать на Земле, но и служат для подтверждения теоретических моделей, на разработку которых мы потратили годы. После того, как модели проверяются, становится возможным для НАСА, чтобы более точно предсказать физики жидкости из нижних тяжести средах, таких как Луна или Марс."
|
|
|
|
Мудавар начал этот проект в 2011 году, когда НАСА выбрало его предложение после десятилетнего опроса Национальных академий, подчеркнувшего необходимость этого исследования.
|
|
|
|
"Каждые 10 лет Национальные академии проводят опрос, который дает рекомендации НАСА, на каких конкретных аспектах им следует сосредоточиться", - сказал Мудавар. "В этом отчете указано на отсутствие фундаментальных моделей поведения жидкостей в условиях микрогравитации. Именно тогда я начал работать с Гленном НАСА над созданием экспериментальной установки для изучения течения жидкости и изменения фазы в космосе".
|
|
|
|
Первый прототип FBCE совершил полеты на параболическом самолете компании Zero Gravity Corp. (НУЛЕВАЯ гравитация). Студенты Пердью и операторы, получившие квалификацию Гленна в НАСА, провели эксперименты во время этого полета в течение 15-секундных периодов микрогравитации. После многообещающих результатов и долгих лет разработки аппаратуры, испытаний и подготовки к полетам в NASA Glenn была разработана окончательная версия установки.
|
|
|
|
После прохождения экспертиз НАСА по проектированию, безопасности и готовности модуль кипячения в потоке FBCE был запущен на космическую станцию в августе 2021 года и начал функционировать в начале 2022 года. В августе прошлого года был запущен конденсационный модуль FBCE, заменивший модуль кипячения в потоке. В июле компания Purdue завершила свою тестовую кампанию.
|
|
|
|
Огромное количество данных, собранных в ходе экспериментов FBCE, ляжет в основу фундаментальных моделей и будущих исследований на многие годы вперед.
|
|
|
|
"Это один из крупнейших и наиболее сложных экспериментов НАСА по исследованию физики жидкости", - сказал Мудавар. "С момента начала проекта мы опубликовали более 70 статей о пониженной гравитации и потоке жидкости и даже внесли свой вклад в последнее десятилетнее исследование Национальных академий, основанное на наших результатах. В совокупности эти статьи действительно напоминают учебник о том, как происходит кипение и конденсация в космосе".
|
|
|
|
Хотя тестовая кампания в Пердью закончилась, FBCE никуда не денется. Оборудование останется на космической станции для других исследователей, которые захотят поэкспериментировать с физикой жидкости в космосе.
|
|
|
|
"В моем первоначальном предложении предполагалось, что FBCE в конечном итоге станет национальным ресурсом", - сказал Мудавар. "Другие исследователи уже начали использовать его после завершения нашей кампании. Я надеюсь, что данные, поступающие от FBCE, помогут в развитии науки об охлаждении космических аппаратов на долгие годы вперед".
|
|
|
|
Источник
|
