הבנת האופן שבו נוזלים מתנהגים בחלל היא אבן הפינה של הנדסה מודרנית של חלל.כ סוכנויות חלל ושותפים מסחריים לדחוף לעבר משימות ארוכות של ייצור, מאחזים ירחיים, וחיפוש אנושי של מאדים, התחבורה והניהול של נוזלים וגזים במיקרו-גרביטציה הופכת להיות קריטית יותר. פלואידים מעורבים כמעט בכל מערכת חלל: החל ממטוסי מים ומבקרת תרמית להאכלת ניסויים מדעיים קרוב למסלולים ייחודיים, ללא תפקודים ייחודיים של מערכות כוח אדם, או כוח הכבידה, חייב לחקור את סביבת עבודה, ללא הפעלתן.

מה זה מיקרוגרפיט?

מיקרוגרפיט הוא המצב שבו המשקל הנראה לעין של אובייקטים קטן מאוד בהשוואה למה שהוא יהיה על פני כדור הארץ.זה קורה כאשר חללית נמצאת בנפילה חופשית סביב גוף שמימי, כגון כדור הארץ, כך שההאצה היחידה הרגישה היא כי בשל תנועה מתמדת.המונח "מיקרו" מציין כי האצות של מים (מתנועה צף, צוות או ירי דחף) עדיין קיימים, אבל הם פקודות בגודל של צורות כדור הארץ הן חלשות יותר, במקום כוח הכבידה, במקום, במקום, לא יכולות להיות כוח הכבידה של כוח הכבידה.

מיקרוגרביטי אינו ערך יחיד; הוא משתנה עם גובה מסלול, אוריינטציה חלליות, תנאים תפעוליים. בתחנת החלל הבינלאומית (ISS), רמות מיקרו-גרביטטיביות טיפוסיות נעות בין 1003-603030303GFLT:1 g ל 10uaFLT:2-3FLT:3 g.הבנת טווח זה חיוני לתכנון מערכות נוזליות שנותרו צפויים ולשלוט על היעדרות של שלב מכוו, אשר חייב גם לשנות את ההתפלגות החום, אשר חייב להיות מחוזק, גם שינוי, אשר יש לשנות את ההתפלגות, ומשתנה.

השפעות מיקרוגרפיות על התנהגות פלויד

במיקרו-גרביטציה, הכללים המוכרים של דינמיקת הנוזלים נכתבים מחדש ללא הסגירה של הכבידה, מספר אפקטים הופכים בולטים:

  • (ב) אין לחץ הידרוסטטי ⁇ FLT:1 - פלודים לא להתיישב; הם חופשיים לנוע בכל כיוון עם הקלה שווה.
  • (ב) [ה]:0] מתח פני השטח שולט ב-1 בינואר – נוזלים ממזערים את שטח פני השטח שלהם, ויוצרים טיפות או נצמדים לקירות מכולה באמצעות מניסיצי.
  • (FLT:0) הפעולה של קפלר הופכת למנגנון תחבורה עיקרי 1 (Falvedph:1) - ערוצים קטנים ומדיה ⁇ יכול להעביר נוזלים ללא משאבות.
  • (ב) ,0) ,Convection הוא דיכוי 1 (לא buoyancy, חום ועברה המונית מסתמכים על דיפוזיה או זרימה כפויה, צמצום יעילות התערובת.
  • (ב) [ה]: [ה] [ה]], [ה] לא תקום [ה], לא תעלה בועות גז, הן יכולות ליישב מעברי זרימה אם לא יצליחו.

תופעות אלה יש השלכות עמוקות על עיצוב מערכות טיפול נוזלים על בתי גידול בחלל והחלל.

פעילות של Tension & Capillary

מתח פני השטח, שמקורם בכוחות הכפיים בין מולקולות נוזליות, הוא כוח חלש על כדור הארץ אבל הופך לשחקן דומיננטי במיקרו-גרביטטי. כמות קטנה של מים במסלול תמשוך במהירות לתוך כדור – הצורה עם השטח הקטן ביותר עבור נפח נתון. הנכס הזה מנוצל במערכות נוזליות רבות בחלל.לדוגמה, מיכלי דלק משתמשים לעתים קרובות על פני השטח - מכשירים ניהול מונע (PMD) אשר משתמשים בכיסוי נוזלי כדי למנוע את ההשפעות של צינורות נוזליים על מנת למנוע את צריכת דלק באופן דומה.

פעולה Capillary - היכולת של נוזל לזרום דרך חללים צרים ללא אנרגיה חיצונית - הוא רתום בשמיכות, ⁇ צלחות וערוצים. על פני כדור הארץ, עלייה בבירה מוגבלת לכמה סנטימטרים; במיקרו-גרביטליות, כוחות capillary יכולים להעביר יישומים נוזליים על פני מרחקים גדולים יותר.מהנדסים מעצבים צינורות חום וצנרת לפקד תרמי כי שימוש ברפיות כדי להפיץ, לעבוד, ממכשירים עמידים, חסומים, ולהפחית אותם, ממכשירים עמידים חשמליים, הם עמידים עמידים.

2-Phase Flow ו-שלב הפרדה

מערכות חלליות רבות כרוכות בתזרימי שתי-phase - תערובת של נוזל ו vapor - כגון בלולאות ניהול תרמי, יחידות אלקטרוליטיות מים, וספקות חיים מתכנסות חילופי חום. במיקרו-גרביטציה, היעדר של buoyancy פירושו כי בועות ריקות אינן עולות; במקום זאת הן מתבצעות יחד עם נוזל, לעתים קרובות מתפתלות לתוך מזחלות גדולות שיכולות לזרום או לזרמים נוזליים, דורשות, נוזלי מים זורמים, נוזלים, נוזליים, נוזל, נוזל, צינורות נוזליים, ונוזלים, מנקה, מנקה, נוזליים, נוזליים, נוזליים, מנקה, מנקה, מברזל, מנקה, מנקה, מנקה, מנקה, מנקה, מנקה, מנקה, מנקה, מנקה, מנקה, מנקה, נוזליים, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, ומחייבת צינורות נוזלית, צינורות נוזלית, נוזלית, נוזלית, נוזלית, מנקה, ומחייבת

ההתנהגות של רתיחה ונפיחות היא גם שונה במיקרו-גרביטציה.ללא עזיבה של בועות המונעות על ידי כוח הכבידה, חסכוניים להעברה חום יכולים לרדת, ושטף חום קריטי (הנקודה שבה הרתיחה הופכת לבלתי יעילה) מגיעה בעומסי חום נמוכים יותר.זהו שיקול מרכזי במערכות כוח גרעיני או אלקטרוניקה גבוהה המיועדת לבסיסים עתידיים.

אתגרים ב- Fluid Transport for Space Habitats

תחבורה פלויד בבתי גידול בחלל מציגה מספר אתגרים בין-קישוריים שמהנדסים חייבים להתגבר עליהם כדי להבטיח הצלחה המשימה ובטיחות הצוות.

  • (FLT:0) טיהור ובימוי נוזלים FIRLT:1) - משאבות אמנותיות מסתמכות על לחץ אינסטלציה מכובד משקל (NPSH) כדי להימנע מ cavitation. in microgravity, עיצובי משאבה מיוחדים עם גורם או קביל בתותחים נדרשים כדי לספק זרימה עקבית.
  • (FLT:0)Bubble וניהול קצף 1 (FLT:1), גז מאומנים יכול לגרום משאבות לאבד ראשוני, לחסום מסננים, או ליצור פיקדונות.מערכות חייב לכלול degasrs או מפרידים גזים נוזליים כדי לשמור על איכות נוזלים.
  • (FLT:0) דפוסי זרימה בלתי צפויים של זרימה:1, ללא כוח הכבידה, הפרעות קטנות עלולות לגרום לתנועות גדולות של נוזל.זה בעייתי במיוחד עבור פעולות פתוחות כגון טיפול במדגם או מים צמחיים.
  • (FLT:0) שליטה ב-FLT:1 - חלקיקים וביופילים יכולים לצבור מיקרו-גרביטציה כי המשקעים אינם מתרחשים.פלישה ואסטרטגיות נקיות במקום הן קריטיות.
  • (FLT:0) ניהולי שלרמאל (thermal ManagementFLT:1) - קירור קונבטיבי מופחת, כל כך נוזלי-קולק והצלחות קרות חייב להסתמך על רצף כפוי.

כל אחד מהאתגרים הללו דורש פתרון הנדסי מותאם, שלעתים קרובות מאומת באמצעות טיסות פרבוליות או ניסויים על או על גבי אוביט לפני פריסה במשימות מאוישות.

טכנולוגיות ופתרונות

מעל עשרות שנים של טיסות חלל, פותחה חבילת טכנולוגיות לניהול נוזלים במיקרו-גרביטציה.רבים כבר מבוגרים ומותאם לסביבות הדור הבא של בתי גידול ירח ומאדים.

ניהול Fluid מבוסס Capillary

מתחים וחילורי ממונף במכשירים פסיביים רבים.מכשירי ניהול בולטים (PMDs) בטנקים לווייניים ופליליים משתמשים במסכים, בגנים ובספוגים כדי לשמור על נוזל בשקע במהלך כל האצות.עקרונות דומים משמשים במיכלי מים עבור כלי רכב מאוישים.מתקדמים בדפוס 3D עכשיו לאפשר ייצור של מבני capilla מורכבים שיכולים להתמודד עם מספר רב של נוזל בו זמנית - עבור ניצולי מים (מסוגים) מתחנות מים.

משאבות מיקרו-חומריות ו-Valves

משאבות צנטריפוגות מסורתיות נאבקות במיקרו-גרביטציה בשל כיבות לעקירה חיובית (למשל, diaphragm, peristaltic, או משאבות הילוכים) מועדפות כי הם יכולים להתמודד עם לחצים נמוכים בlet ונוזלים מולקווס.חלים רבים להשתמש במשאביות זוג אטומיים מגנטיים חתמטיים כדי למנוע דליפות.

חיישנים מתקדמים ואבחון

ידע בזמן אמת של מצב נוזלי הוא חיוני עבור פעולות אוטונומיות. Capacitive, התנגדות, וחיישנים קולי למדוד רמה נוזלית, קצב זרימה, ואת הרכב שלב. חיישנים אופטיים לזהות בועות וזיהום. Tomography וטכניקות אימפולס חשמלי נחקרים עבור הדמיה נוזלית מפורטת בטנקים צינורות.חיישנים אלה להאכיל נתונים כדי לשלוט אלגוריתמים כי מתאמת, תנורי חום, ו-Silparators כדי לשמור על תנאי צוות ללא התערבות אופטימליים.

מערכות Fluid

מערכת בקרת הסביבה והתמיכה בחיים (ECLSS) על ISS היא דוגמה עיקרית לניהול נוזל מיקרוגרפי.זה מחלים מים בשתן, לחות מתפתלת, ושפכים היגיינה באמצעות דינקיה, סינון, וחמצן קטליטי לחמצן יחידות דלקות אלה (UPA) משתמש בתהליך של זיקוק מים מוצלח (מצטבר) אשר מסתמך על תהליך של קירור של נפח מים מזחלות מים לכדי סגסוגת מים מוצלחת (מ"מסוגד) ל-הת מים).

עבור בתי גידול עתידיים, תמיכה בחיים סגורים תדרוש אפילו שילוב הדוק יותר של טיפול נוזלים - מחזור לא רק מים אלא גם חומרים מזינים וגזים.פרויקט MELiSSA (מערכת התמיכה בחיים המרכז-אקולוגיים) שפותחה על ידי סוכנות החלל האירופית משתמשת תהליכים ביולוגיים ופיזיים כדי לשחזר פסולת, ומבוסס על תחבורה נוזלית מדויקת בין שלבים כור.

המונחים: thermal control Fluid Loops

ניהול תרמי חללי לעתים קרובות משתמש לולאות נוזליות מומשות (Single-phase או שתיים-phase) כדי להפיץ חום מאלקטרוניקה ואזורי צוות כדי רדיורטורים.מערכת בקרת ה- ISS חיצונית Active Thermal Control System משתמשת ב-Ammonia כנוזל עבודה בדיאטורים גדולים.עבור מערכות קטנות יותר, הלולאות מבוססות מים עם לוחות זמנים קרים הם נפוצים.

השלכות על משימות חלל

תחבורה יעילה של נוזל אינה רק נוחות הנדסית - היא דרישה בסיסית לבריאות הצוות, בטיחות ומשך המשימה.ההשלכות משתרעות על כל תת-מערכת מרכזית.

בריאות צוות והיגיינה

שתיית מים, היגיינה מים ונוזלים רפואיים חייבים להיות מאוחסנים בבטחה ומפוזרים.במיקרוגרביט, שתיית שקיות עם קשים ובדיקות שסתום משמשים כדי למנוע לשפוךות. Urine ופסולת עוברית חייב להיאסף ולעובד בדרכים ללא זיהום.

ניהול דלק וניהול דלק

מונעים נוזליים (למשל, hydrazine, NTO /MMH, Cryogenic LH2 /LOX) חייבים להיות התיישב לפני המנועים.עבור חללית גדולה, זה נעשה על ידי דחף קטן מאיץ את הרכב, לדחוף את הדחף לכיוון הטנקים - תהליך שנקרא דחפים למחסן. עבור לווינים, ראשים על פני השטח הם פתרון פשוט יותר בעתיד באמצעות טכנולוגיות מכווצות, מכווצות דלקת הלחמות (מ"ם), ו- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off-in-in- off- off-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in- off-reca-reicreicreg) הם פתרון ארוך-to-to-regicreicreicreg; Tobacco-in-in-to-to-in-in-in-to-in-to-to-in-in-to-repog.

In-Situ Resource Utilization (ISRU)

הפחתת דחף, מים וחמצן מהמשאבים המקומיים (למשל, קרח הירחי, אווירת מאדים) היא מטרה מרכזית לחיפוש בר קיימא.צמחי ISRU יפעלו בכובד ראש (Moon: 1/6 גרם; מאדים: 1/3 גרם), שאינו מיקרוגרביטטי אמיתי, אך עדיין שונה מכדור הארץ. Fluid תחבורה בתנאים אלה חייב לקחת בחשבון עבור buoyancy מופחתת ויישבה.

מחקר מדעי

בניסויים בפיסיקה נוזלית מיקרוגרפי על גבי ה- ISS סיפקו תובנות בסיסיות בדינמיקה של בועות, זרימת capillary, assembly, והתנהגות נוזלית ביולוגית.ניסויים אלה דורשים טיפול נוזלים מדויק - הזרקת, מעורר, ומשיכת נוזלים מדגם ללא כוח הכבידה.חוקרים פיתחו מערכות פריסה מיוחדות (למשל, המעבדה למדעי שפעת, הניסוי Marangoni) שמבוסס על משאבות מחשב ומשאבות חלליות ופתרונות של חומרים כמו סוללות תעשייתיות.

כיוונים עתידיים ומחקר

דחיפה לנוכחות אנושית קבועה על הירח תחת תוכנית ארטמיס של נאס"א, ובסופו של דבר משימות מאדים מניעות מחקר חדש של תחבורה נוזלית.

  • (FLT:0Cryogenic נוזל ניהול ניהול:1) - פיתוח של טנקים אפס-בול, בידוד פעיל ומערכות גינון אוטומטי לאחסון ארוך של מימן נוזלי ומתאן.
  • (FLT:0) זרם הגלקסיות בכובד ראש חלקי 1 (FLT:0) – הבנת האופן שבו הפחיתו את הכבידה (מטור, מאדים) משפיעה על תנועת הבועות, המשקעים והשלב שונה מאשר מיקרוגרביטציה מלאה.
  • (FLT:0) ייצור של רכיבים נוזליים FIRLT:1) - הדפסה תלת-ממדית של משאבות מונוליטיות, חילופי חום וחיישנים המותאמים לצרכים של המשימה.
  • (FLT:0) לקדם את חיי הביו-רינרטיביים לתמוך ב-FLT:1 - תחבורה נוזלית עם מערכות ביולוגיות (אלגה, צמחים גבוהים יותר) לייצור מזון וחמצן, הדורשים משלוח תזונתי ומים מדויקים.
  • (FLT:0) תאומים ו- AI מבוססי שליטה על AIFIRLT:1) - שימוש בנתונים של חיישן בזמן אמת ומודלים חיזויים לניהול רשתות נוזלים מורכבות, צמצום עומס העבודה של הצוות.

כפי שצוין על ידי NASA פלואיד פיזיקה תוכנית מחקר אנדרט 1:1, ניסויים המשך על ISS ופלטפורמות עתידיות הם חיוניים כדי לאמת מודלים ומאפשר הדור הבא של מערכות נוזל בית גידול חלל.

מסקנה

תחבורה פלויד במיקרוגרביטי היא אתגר רב תחומי שיושב בקצה הפיזיקה הבסיסית וההנדסה המעשית.העדר מהנדסי כוח הכבידה לחשוב מחדש על כל היבט של טיפול נוזלי - מאחסון ומשאב להפרדה ולשלב.בעשרות שנים של ניסיון, קהילת החלל פיתחה ערכת כלים חזקה של מכשירים מבוססי קפילארי, משאבות מיוחדות וחיישנים מתקדמים שמאפשרים חלליות ותפקוד של האנושות כולה, באופן אינטנסיבי, מפני שעדיין לא ניתן לזרז את רמת ההתפתחות הגבוהה יותר ויותר, בכל ניסויי מים גבוהה יותר ויותר, ומהירות גבוהה יותר ויותר, ומהירות גבוהה יותר ויותר, ומהירות גבוהה יותר, בכל מסלול של כדור הארץ.