העיצוב והמבצע של חלליות, לווינים ומשימות ארוכות טווח התלויות ביישומים עמוקים וצפויים של האופן שבו נוזלים מתנהגים כאשר הכבידה כמעט נעדרת. בסביבה המיקרו-גרפית של מסלול, נוזלים כבר לא מסתפקים תחת buoyancy; במקום זאת, הם נשלטים על ידי כוחות דלק נוזליים, מתח פני השטח, ופעולת capillary.

החשיבות הקריטית של Microgravity Fluid Dynamics

על פני כדור הארץ, הכבידה שולטת בתנועה נוזלית.נוזלים להתיישב בתחתית מיכל, זרמים קונפוקטיים לערבב חום, ובועות עולים באופן טבעי. במסלול כדור הארץ נמוך (שם תחנת החלל הבינלאומית (ISS) פועלת בגובה של כ-400 ק"מ), האצה בשל כוח הכבידה של כדור הארץ היא עדיין כ-89% משטח הכבידה - אבל החללית נמצאת בנפילה חופשית.

לשינוי זה יש השלכות הנדסיות עמוקות.לדוגמה, במיכל דלק טילים קונבנציונלי, יש לכוון את הדחף לכיוון הטנקים לפני הפעלת המנוע מחדש.ללא הבנה כיצד הנוזל יתפשט או פחם תחת מתח פני השטח והאוצות הנמוכות, מהנדסים לא יכולים לתכנן מכשירים ניהול דחף אמין של נאס"א, כמו גם מערכות תמיכה בחיים כי מחזור שתן ולחות לתוך שתייה תלויים בבירה מבוקרת בקפידה כדי להפריד גז ממערכות נוזליות כמו למערכות אבטחה נמוכה של מערכות אבטחה נוזליות, כמו ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

לכן, מכניקת נוזל במיקרוגרביטציה אינה רק סקרנות אקדמית; היא משמעת בסיסית עבור הנדסה בחלל המודרנית.מחקר בתחום זה משפיע ישירות על בטיחות, אמינות וביצועים של כל תת-מערכת חלליות המטפלת בנוזלים, גזים או זרמי multiphase.

Phenomena Governing Fluid התנהגות מיקרוגרפי

כאשר כוחות גוף כבידה הופכים להיות רשלניים, קבוצה שונה של מנגנונים פיזיים לוקחות עדיפות. מהנדסים ומדענים זיהו כמה תופעות מפתח המגדירות התנהגות זרימה במיקרו-גרביטציה.

פעילות בתת-עשרה ו Capillary

מתח פני השטח, אשר נובע מכוחות כפיים בתוך נוזל, הופך לכוח המניע העיקרי במיקרו-גרביטציה. על פני כדור הארץ, מתח פני השטח הוא לעתים קרובות מסוקרן על ידי הכבידה; בחלל, הוא יכול להחזיק טיפה בתוך שטח מושלם או לגרום עמודה נוזלית כדי ליצור גשר בין שני משטחים מוצקים - משוואה צעירה-לאפלס מתאר את היחסים בין מתחים ו curvature, אבל מהנדסים חייבים גם לקחת בחשבון עבור זווית מגע מתקדמת באופן דרמטי בין קיבולת נוזלית (Feric) עם עלייה דרמטית עם רזולוציה חיצונית (prin) עם רזולוציה מוגבלת (R) עם רזולוציה של 2.

Marangoni Convection and Thermocapillary Flow

גדלים מתח פני השטח, לעתים קרובות נגרמת על ידי טמפרטורה או וריאציות ריכוז, כונן (FLT:0 Marangoni convectionFLT:1 (לא של buoyancy, הבדל טמפרטורה לאורך פני השטח החופשי יוצר מתח פני השטח ⁇ אשר יכול לגרום זרימת נוזל חזק (למשל, ירידה) או ירידה חדה (מפרק) או ירידה חדה) חומרים מתמטיים (למשל, או ירידה) או ירידה מתונה (Rangi) או ירידה).

בועות ו- Droplet Dynamics

בועות גז ו טיפות נוזליות מתנהגות בצורה שונה מאוד מיקרו-גרביטציה בהשוואה לכובד משקל רגיל.ללא buoyancy, בועות אינן עולות; הן נשארות מחוסנות בנוזל, לעתים קרובות מתפתלות לתוך בועות גדולות יותר או מצמידות משטחים.

זרימה של זרימה וגלים בין-גזעיים

אובדן הכבידה יכול לקלקל את הזרמים שבדרך כלל הם שפירים על כדור הארץ.לדוגמה, מטוס נוזלי מוזרק לתוך גז במיקרו-גרביטטי יכול לפרוץ בקלות רבה יותר בשל ההתקפים של ריילי-פלטו, אבל חלוקת גודל הניחת עלולה להשתנות בגלל הלחץ המזערי של כוח הכבידה.

שיטות אנליטיות וניסוייות לחקר זרימת מיקרוגרפי

כדי לאפיין ולנבא את התופעות המורכבות שתוארו לעיל, מהנדסים משתמשים ארסנל משלים של פלטפורמות ניסיוניות, סימולציות מספריות, מודלים תיאורטיים. לכל גישה יש נקודות חוזק ומגבלות, ושיטות הטובות ביותר משלבות שיטות מרובות כדי לאמת עיצובים.

פלטפורמות ניסיוניות: מ- Drop Towers to the ISS

ביצוע ניסויים במיקרוגרביטציה אמיתית הוא יקר ומאתגר מבחינה לוגיסטית.קיימות פלטפורמות המבוססות על קרקע ומרחב בתוך שטח:

  • מגדלי ההרחבה:0Drop Towers and Parabolic Flights:cioFLT:1 (למשל, במתקן ZARM ב Bremen, גרמניה, או מרכז המחקר גלן נאס"א) מספקים עד 5-10 שניות של תופעות של סגסוגת. pbolic טיסות על מטוסים (למשל, Zero-G Airbus) לייצר 20-30 שניות של כוח הכבידה מופחתת אלה, כגון דינמיקה מהירה, כמו בועות, אך לא יכול להשיג שינויים איטיים, כמו תאים איטיים, כמו בועות, עם זאת, כמו בועות מהירות, עם זאת, כמו תאים איטיים, כמו בועות, או בועות רוח, עם זאת, כמו בועות מהירות, כמו בועות איטיות, כמו בועות מהירות, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, בועות מהירות גבוהה, עם זאת, בועות מהירות, עם זאת, עם זאת, עם זאת, כמו בועות מהירות, כמו בועות מהירות, עם זאת, כמו בועות מהירות, הם לא יכול להשיג בועות מהירות גבוהה, כמו בועות מהירות גבוהה, כמו בועות מהירות גבוהה יותר, כמו בועות מהירות, כמו בועות מהירות גבוהה, כמו בועות מהירות, בועות מהירות, כמו בועות מהירות
  • (ב) ⁇ :0) ניסויים אורביטאליים ואורביטליים: ⁇ FLT:1 רקטות קולינג מציעות מספר דקות של מיקרו-גרביטיבית (ISS) מספק מיקרו-גרביטציה מתמשכת במשך שבועות או חודשים, ומאפשרות מחקרים מפורטים של לולאות זרימה מרובות, רתיחה והתנגשות מיקרו-כבידה (למשל, ניסויי פיסיקה גבוהה (EF) הם עלות גבוהה של 2, אך הם בשימוש עלות עלות עלות גבוהה ולהוביל את משך הזמן עלות גבוהה יותר, אך ורק 2.
  • (FLT:0)מעבדת הסימולציות של נאס"א:FLT:1 ,Nourtral buoyancy (למשל, המעבדה Neutral Buoyancy) שימושיים עבור הכשרה בקנה מידה גדול של אסטרונאוטים אבל לא עבור פיזיקה נוזלית מדויקת כי buoyancy הוא רק ביטל סטטית ואפקטים מולקווס שונים.

למרות מגוון הפלטפורמות, ביצוע המדידות מדויקות בחלל הוא מאתגר.ישים חייבים להיות מגושמים, כוח נמוך, ולעתים קרובות אוטונומיים. מצלמות מהירות גבוהה, מדחום, וחיישנים תרמיים נפוצים, אבל מגבלות רוחב פס ודגימה להחזיר את מה שניתן למדוד.

Fluid Dynamics (CFD) וטכניקת מודלים

סימולציה נומרית הפכה חיונית עבור הנדסה נוזלית microgravity.קודי CFD מודרניים לפתור את משוואות Navier-Stokes עם תנאים נוספים למתח פני השטח ושינוי שלב.

  • (FLT:0)Volume of Fluid (VOF): IRLT:1 עוקב אחר הממשק בין שני נוזלים בלתי אפשריים על ידי פתרון משוואה של עופרת שבריר נפח. VOF משמש נרחב עבור ניתוק, זרימת capilary, ובעיות שלב. . .מסחרי קוד פתוח (AN Proent, OpenFOAM) כוללים יישום FVO עם מודלים של כוח מתמשך (SF) עבור מודלים של פני השטח.
  • (FLT:0) שיטת לייט-Set:FLT:1 מייצג את הממשק כנקודת אפס של פונקציה מרחוק חתום.הוא מציע דיוק טוב יותר עבור חישוב רפה, אך יכול לסבול מבעיות שימור המונים אלא אם כן בשילוב עם VOF (כמו בשיטות CLSVOF).
  • (FLT:0) ,Lattice Boltzmann Method (LBMrea): גישה mesoscopic כי הוא יעיל במיוחד עבור זרימה עם גבולות מורכבים ממשקים רב-phase, כולל דינמיקת קו מגע.LBM כבר מיושם כדי לדמות את זרימת capillary ב ⁇ ⁇ wicks וצמיחה בכובד ראש מופחת.
  • (FLT:0)Direct Numerical Simulation (DNS): irFLT:1) פותר את כל המאזניים של זעזועים ועיוות ממשק ללא מינוף, מתן הייצוג הפיזי המפורט ביותר.DNS הוא יקר חישובי אך נעשה שימוש במחקרים יסודיים של זעזועים במיקרו-גרביטציה (למשל, עבור פירוק טיפות).

כל דגמי CFD דורשים קלט מדויק עבור תכונות נוזלים (מתחים מקיפים, צפיפות, צפיפות) ותנאי גבול (זוויות מגע, גלי חום) אימות ניסיוני הוא חיוני, שכן שגיאות מספריות יכולות להניב תוצאות לא פיזיקליות, במיוחד במספרים נמוכים של בונד שבו כוחות capillary שולטים.

ניתוח תאוריות ואנליזה דומה

לפני הפעלת סימולציות מלאות, מהנדסים משתמשים בניתוח ממדי כדי לזהות את המספרים הלא-ממדיים הרלוונטיים. פרמטרים מרכזיים לזרימה מיקרו-גרביטטיבית כוללים:

  • <חזק>Bond Number (Bo= ⁇ g L2 / ⁇ ): Ratio של הכבידה לכוחות capillary. in microgravity, Bo< 1, כלומר כוחות capillary לשלוט. מעצבים לעתים קרובות לציין מספר בונד קריטי מתחתיו השפעות הכבידה הן רשלנות.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • [01:0] מספר [המספר] [אנו] ⁇ U2 L/ ⁇ ]: FLT:1Ratio של חוסר הכרה לכוחות הקפילים.
  • (ב) ⁇ T L / μ ⁇ s α):FLT:1 כפי שהוצג קודם לכן, מציין את העוצמה של תרמופילורי לזרום יחסית למולקווס ודיפוזיה תרמית.

על ידי הצבת המספרים האלה כראוי, ניסויים בקנה מידה גדול או סימולציות יכולים לחקות תנאי טיסה.לדוגמה, ניסוי קרקע עם גודל קטן מאוד או מתח פני השטח גבוה יכול להשיג מספר בונד נמוך דומה לזה של טנק גדול יותר בחלל, המאפשר בדיקות המבוססות על כדור הארץ זול יותר.

יישומים מעשיים בהנדסת חלל

הבנת העקרונות לעיל אינה תיאורטית – הם מודיעים ישירות על עיצוב חומרה אמיתית למשימות חלל נוכחיות ועתידיות.

ניהול פרופיל ועיצוב טנקים

(ב) במיקרוגרביט, יש להציב דחף נוזלי על פני מיכל כדי להבטיח את תחילת המנוע.FLT:0 (pLT) התקנים ניהול נוזלי (PMDs) 1LT 1 (PMDs) להשתמש ב- capillary vanes, ספוגים או מסכים להוסיף נוזל נוזל נוזלי לכיוון ה-p.

תמיכה במים ושיקום מים

על ISS, מערכת החלמה המים (WRS) מעבדת שתן, לחות condensate, ושפכים באמצעות סדרה של תקלות, מסננים, וחמצן קטליטי.FLT:0 (שלבים של שלבאז 1) ניתן להבין קריטי: במהלך דיסטלציה, תערובת חייבת להיות מלוטשת במיקרו-גרביטציה, ואת ה- vapor חייב להיות מופרד ו condens ללא חומרים מחוסנים אלה).

מערכות ניהול

(ב) דחיית חום הפסולת באמצעות קורנטורים, אך הלולאות הפנימיות משתמשות לעתים קרובות בצנרת חד-פעמית יחיד או שתיים-phase קירור (בקיצור: FLT:0Loop Heat tubes (LHPs) vetrated) ל-GirpLT2Fser (Fser) ו-FLTerbsp; 2 קפלרילי שואב את ה-FLT) פועל סגסוגת רגישה (Lipre varapive) ל-Flastic) ל-Flastic).

In-Space Manufacturing ו-ביוטכנולוגיה

היעדר המשקעים וההפצה במיקרו-גרביטציה מאפשר תנאי עיבוד ייחודיים לחומרים מתקדמים וניסויים ביולוגיים.לדוגמה, ה-FLT:0BioFabrication Facility (BFF)FLT:1 על מסלול ה- ISS, המצריך מבנים דמויי רקמות באמצעות ביו-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-בק, אשר חייבים לשמור על צורה ללא התנגשויות תחת כוח הכבידה, צמיחה של חלבונים או חומרים פעילים, או מוליכים למחצה, מאשר נטולי גירויים, לעתים קרובות, או חומרים גמישים, או חומרים אלה, או חומרים גמישים, או חומרים אלה, או חומרים אלה, הם בעלי יכולת גבוהה יותר, מאשר מתחים, או חומרים גמישים, או חומרים אלה, הם בעלי יכולת גבוהה יותר, מאשר על פני השטח, או חומרים גמישים, או חומרים גמישים, אשר לעתים קרובות, הם בעלי תפקוד גבוה יותר, מאשר על פני השטח, אשר נדרשים, מאשר על פני השטח, אשר לעתים קרובות, אשר לעתים קרובות, מאשר על פני השטח, על פני השטח, על פני השטח, אשר נדרשים, מאשר על פני השטח, אשר נדרשים, על ידי שימוש במקרים של חומרים גמישים, אשר נדרשים, על פני השטח, אשר לעתים קרובות, על ידי

אתגרים ודרכים מחקר עתידי

למרות עשרות שנים של מחקר, שאלות פתוחות רבות נותרו, במיוחד כאשר שאיפות המשימה דוחפות לעבר משך זמן ארוך יותר ויעדים מרוחקים יותר.

Cryogenic Fluogenicid Management

עבור אחסון של סוללות לטווח ארוך וזיכרון של Cryogens כמו LH2 ו- LCH4, מהנדסים חייבים לשלוט בהתנהגות של שני זרמי תזרים בטמפרטורות Cryogenic ו ליד אפס הפסדי בולים, תהליכים צנצפים לאחור, ובקרת הלחץ נשלטים על ידי מיקרוגרביטציה מלאה.

Multiphase Flows with Phase Change

בולים ומיזוג בכובד ראש מופחת הם רחוק מלהיות מובן לחלוטין. בועות בועות, צמיחה, ויציאה משתנים ללא היסוס; מהנדסים צריכים לפתח קורלציות אמינות עבור טיפולי העברת חום בתנאים אלה. בדומה, קידוד סרטים על משטחים קרים ניתן לשלוט על ידי מחצץ בין-גזעי וכובד ראש אם האצה קלה קיימת, מה שהופך אותו קשה לקריקורדיאטורים עבור פני הירח (שיש להם רק שלב 1/6) אך ורק לאחר התפתחות עמוקה).

מערכת יחסים ממושכת Reliability

(הגיל החומרה, תכונות נוזל משתנות: מתח פני השטח יכול להיות מידרדר עקב זיהום, סטיות עלולות להשתנות, וכדאיות רטובה יכול להתפתח. במיקרו-גרביטציה, שינויים אלה יכולים להיות השפעות גדולות כי הכוחות השולטים בדרך כלל (גרביט) אינם קיימים.משימות עתידיות למאדים (אשר יימשך 2–3 שנים) דורשות מודלים של מחזור חיים צפוי עבור PMDs, wicks, , s, s, s, s, s, s, ו-Silverphirrephirrephirremesterird (ב) כמו ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של ניהול מיקרו-FerradvbsperradradrudvdvdvdvdvdvdrudvFervd) עבור ניהול של ניהול של ניהול של ניהול של 2-Ferv1 חודשים (ב-Ferrad) עבור ניהול של ניהול של ניהול של 2-Fer

מושגי טבע מלאכותיים

כמה מהנדסים מציעים כי יצירת כוח הכבידה חלקית באמצעות מערכות צנטריפוגות (למשל, חלליות מסתובבות או tethers) יכול לפשט מערכות נוזלים על ידי שחזור של buoyancy. עם זאת, כוח הכבידה האפקטיבי על פני בית גידול מסתובב יוצר זרמים מורכבים (אפקטים של Coriolis, רמת G המשתנה) הבנה כיצד לעצב מערכות נוזלים המעבר בין מיקרו-גרביטציה מלאכותית וסביבות מלאכותיות הוא אתגר מתפתח, במיוחד עבור פעילות פלנטרית שבה פועלים יכולים לנוע בין רמות הג'ריות שונות עם רמות הג'ר.

מסקנה

ניתוח התנהגות זרימת הנוזלים במיקרוגרביטי אינו תרגיל אקדמי נישה - הוא אבן הפינה של הנדסה בחלל המודרנית.מבטיח כי מנוע טילים יכול לחדש למסלול כדי לשמור על בריאות הצוות באמצעות מחזור מים אמין, הפיזיקה של מתח פני השטח, פעולה כבירה, ופרקטיקות תרמופילרי לשלוט על הצלחה.

(ב) [ה]] סעיף זה מספק סקירה רחבה של קריאה טכנית עמוקה יותר, ראה את הפיזיקה של נאס"א במיקרוגרפיבית:2 משאבים ו-FLT:3 Fluids ב-Space PageveFLT:4 רקע תיאורטי נוסף זמין בספריית FLT:5Fluid Mechanics in microgravityFLT6LT 7.