Разработка криогенных систем переноса топлива для дозаправки на орбите

Заправка на орбите перешла от спекулятивной концепции к краткосрочной операционной необходимости. Продление срока службы спутников, обеспечение многоразовых орбитальных буксиров и поддержка миссий с экипажем в глубоком космосе зависят от способности передавать топливо в космосе. Криогенное топливо - жидкий водород, жидкий кислород и жидкий метан - предлагает самый высокий удельный импульс любого химического топлива, но они, как известно, трудно обрабатывать. Сочетание чрезвычайно низких температур (до 20 К для жидкого водорода) и микрогравитационной среды создает инженерную проблему, в отличие от любой наземной системы передачи жидкости. В этой статье рассматривается текущее состояние технологии передачи криогенной жидкости, ключевые проблемы, с которыми сталкиваются инженеры, и инновации, которые сделают орбитальную заправку рутинной возможностью.

Уникальная физика криогенных пропеллентов в космосе

Криогенные пропелленты существуют при температурах, намного ниже окружающей среды внутри космического корабля или топливного депо. В космосе без сдерживающего влияния атмосферы тепловое излучение и солнечное отопление доминируют над тепловой нагрузкой. Жидкий водород кипит при температуре около 20 К, жидкий кислород при 90 К и жидкий метан при 112 К. Разница между этими температурами и примерно 300 К внутренней стенки неэкранированного резервуара для хранения создает постоянный тепловой градиент, который приводит к кипению. В отличие от сохраняемых гипергольных пропеллентов (например, гидразина и тетроксида азота), криогены постоянно подвергаются фазовому изменению, если активно не охлаждаются.

Микрогравитация еще больше усложняет дело. На Земле гравитация четко разделяет жидкость и пар: жидкость собирается в нижней части резервуара, пар в верхней части. На орбите доминируют поверхностное натяжение и силы смачивания. Без устройств управления топливом (PMD) - обычно лопастей, губок или экранов - инженеры не могут надежно расположить жидкость на выходе резервуара. Двухфазный поток в линиях переноса - еще одна опасность: смесь жидкости и пара может вызвать кавитацию насоса, непредсказуемые скорости потока и скачки давления.

Понимание и моделирование этих явлений является основополагающим для любой успешной системы переноса.

Ключевые инженерные вызовы

Термическое управление и откачка

Наиболее стойким противником криогенного топлива является тепло. Без активного охлаждения или превосходной изоляции резервуар жидкого водорода может откипятить несколько процентов своей массы в день. Для миссий, длящихся месяцы или годы (например, транзит Марса), откипь становится миссией-концом. Инженеры борются с этим с помощью многослойной изоляции (MLI), щитов с паровым охлаждением и активных криокулеров. Святой Грааль - это технология нулевого откипеля (ZBO) , которая использует механический криокулер для удаления тепла со скоростью, с которой он поступает в резервуар.

ZBO был продемонстрирован на земле для небольших резервуаров и масштабируется для орбитальных депо.

Профилактика утечек и целостность печати

Криогенные жидкости имеют чрезвычайно низкую вязкость и высокое давление пара, что означает, что даже микроскопические утечки могут вызвать значительную потерю топлива. Тюлени должны работать в огромном температурном диапазоне - от криогенных температур во время заполнения до окружающей среды (или выше) при пустом состоянии - и должны выживать при вибрациях запуска и повторном тепловом цикле. Используются металлические уплотнения, эластомерные кольца с специализированными низкотемпературными соединениями и сварными соединениями. Программа Artemis привела к значительным исследованиям криогенных сцепок высокой надежности для передачи жидкого водорода между верхней ступенью SLS и космическим кораблем Orion.

Управление жидкостью в условиях микрогравитации

Получение жидкости из резервуара-донора в резервуар-приемник в нулевой G требует тщательного контроля интерфейса жидкого пара. Если оба резервуара вентилируются для выравнивания давления, пар может загрязнять жидкую фазу. Если используется перенос под давлением, резервуар-донор должен быть под давлением с гелием или ullage газом, а резервуар-приемник должен быть вентилируемым или активно накачиваемым. Инженеры разработали методы, использующие капиллярные лопасти , чтобы заставить жидкость вращаться к выходу, вращающиеся резервуары , чтобы создать искусственное ускорение, и диафрагмы резервуары , которые физически разделяют жидкость и герметик. ESA эксперименты на Международной космической станции подтвердили несколько методов переноса жидкости микрогравитации.

Скриншоты из игры Chill-down and No-vent Fill

Перед тем, как жидкость может быть передана, приемный бак и линии передачи должны быть охлаждены от температуры окружающей среды до криогенных условий. На Земле это делается путем медленного введения жидкости и разрешения испарения вспышки для охлаждения аппаратного обеспечения, вентиляции пара. На орбите вентиляция нежелательна, потому что пар толкает космический корабль (вызывая нежелательную тягу) и потому, что топливо тратится впустую. Решение заключается в безвентиляционном заполнении : тщательное дросселирование потока жидкости таким образом, что тепло поступающей жидкости соответствует охлаждению аппаратного обеспечения, что приводит к полной бак без вентиляции. Это одна из самых сложных проблем управления в криогенной передаче жидкости, и это является предметом текущих исследований в Исследовательском центре Гленна НАСА.

Системы термоуправления и изоляции

Конструкция криогенного резервуара для хранения в космосе по существу является проблемой тепловой инженерии. Типичный резервуар для жидкого водорода может иметь внутреннюю алюминиевую оболочку (для прочности при криогенной температуре и низкой массе), окруженную десятками слоев MLI - алюминизированного Майлар или Каптон, разделенный сеткой Дакрона. Между резервуаром и MLI, щит с паровым охлаждением (VCS) перехватывает тепло и использует пар в качестве хладагента, прежде чем он будет вентилироваться или использоваться. Для длительного хранения добавляется активный криокулер. Для длительного хранения в летных криокулерах для температур около 20 К может удалять до 10 Вт тепла с определенной массой около 100 кг / кВт - но масштабирование до киловатт-уровневого охлаждения, необходимого для большого депо, остается проблемой.
Такие компании, как [FLT: 2] Blue Origin [FLT: 3] и SpaceX изучают интегрированные конструкции цистерн-криокулеров для своих предлагаемых орбитальных архитектур дозаправки.

Технологии нулевого кипения

Системы с нулевым кипением сочетают пассивное одеяло MLI с активным криокулером, который извлекает достаточно тепла, чтобы поддерживать топливо при его температуре насыщения без чистого испарения. Холодная головка криокулера установлена непосредственно на стенку резервуара или на тепловую шину, которая также охлаждает экран с паровым охлаждением. Требования к мощности значительны: резервуар жидкого водорода 100 м3 (примерно 7 тонн) в наихудшем случае солнечной нагрузки может потребовать 500-1000 Вт охлаждения, требуя 5-10 кВт электроэнергии. Для спутников с ограниченными солнечными батареями ZBO может быть непрактичным; но для специализированного депо с большими массивами это единственный путь к долгосрочному хранению топлива.

Механизмы переноса жидкости

Передача под давлением

Простейший способ передачи использует давление: донорский бак подвергается давлению инертным газом (обычно гелием) для того, чтобы заставить жидкость через линию передачи в резервуар приемника низкого давления. Чтобы избежать смешивания прессуранта с топливом, можно использовать мочевой пузырь или поршень. Передача под давлением хорошо работает для небольших передач и для миссий, где простота перевешивает эффективность. Однако масса гелиевого прессуранта (который должен храниться в бутылках высокого давления) становится непомерно большой для больших передач.

Передача накачки

Для передачи больших потоков электрические насосы обеспечивают лучшую эффективность массы. Криогенные насосы должны быть тщательно спроектированы, чтобы избежать кавитации: низкая чистая положительная всасывающая головка (NPSH) на входе насоса в микрогравитации означает, что инженеры часто помещают насос внутри резервуара, погруженного в жидкость. Подшипники и двигатели должны работать при криогенных температурах. Подшипники и двигатели обычно обрабатываются из алюминиевых или титановых сплавов. Ракетный насос RS-48 (разработанный передовой криогенный насос) предназначен именно для такой обязанности, доставляя несколько килограммов в секунду жидкого кислорода при высоком давлении.

Капиллярный и поверхностный перенос напряжения

Без активных насосов можно перекачивать жидкость только с помощью поверхностного натяжения. В условиях микрогравитации жидкий слизь может приводиться в движение температурным градиентом (термокапиллярным потоком) или разницей в смачивании между двумя поверхностями. Хотя скорость потока низкая, этот метод использовался для небольших спутниковых заправок (например, миссия FLT:0] Orbital Express). Для больших нагрузок на топливо капиллярный перенос непрактичен, но он остается методом резервного или тонкого управления.

Автоматизация, сенсоризация и контроль

Любая практическая работа по дозаправке на орбите должна быть автоматизирована или телеоперирована. Криогенная передача включает в себя быстрые изменения давления, температуры и фазы. Система управления должна управлять последовательностью охлаждения, скоростью заполнения, чтобы избежать теплового шока, и профилем вентиляции (или заполнения без вентиляции). Датчики должны измерять уровень жидкости (с использованием емкостных зондов, ультразвуковых или тепловых датчиков), температуру (кремниевых диодов или термопар) и давление. Кроме того, обнаружение утечки имеет важное значение: масс-спектроскопия или системы сниффера могут обнаруживать крошечные утечки водорода или кислорода.

Передовые алгоритмы управления, часто основанные на модели предиктивного управления (MPC), разрабатываются для координации многих клапанов, насосов и нагревателей в последовательности передачи. Полностью автономная система также должна будет обрабатывать обнаружение и восстановление неисправностей, таких как застрявший клапан или насосная кабинка. Проект NASA CryoFill продемонстрировал автономное управление безвентиляционным заливом на испытательном стенде в Космическом центре Кеннеди, а программа SpaceX Starship [FLT: 3] разрабатывает автономную заправку для своих орбитальных танкеров.

Тестирование и валидация: от Земли до орбиты

Разработка надежных криогенных систем передачи требует обширных испытаний в средах, которые имитируют орбитальные условия. Полеты параболических самолетов (самолеты с нулевым G) обеспечивают 20-30 секунд микрогравитации, полезные для изучения поведения жидкости в прозрачных испытательных клетках. Международная космическая станция провела несколько экспериментов, включая эксперимент ZLT: 0 , ZBOT , FLT: 1 , и тест PMD , которые позволяют длительный сбор данных о микрогравитации.

Однако полномасштабная орбитальная демонстрация остается окончательной валидацией. Концепция миссии Tanker-001 (предложенная несколькими коммерческими компаниями) разместит криогенное депо на низкой околоземной орбите и передаст топливо на посещаемый космический корабль. До тех пор, пока такая миссия не полетит, инженерное сообщество полагается на модели высокоточного расчета динамики текучей среды (CFD) - главным образом метод VOF (объем текучей среды) - проверенный наземными и параболическими данными о полетах. Исследовательский центр NASA Glenn поддерживает специальную лабораторию управления криогенной жидкостью для этой цели.

Текущие и будущие приложения

Продление спутниковой жизни

Наиболее непосредственное применение - заправка геостационарных спутников связи. Эти спутники обычно несут достаточно топлива в течение 15 лет обслуживания станции; заправка может продлить их жизнь на 5-10 лет, избегая стоимости замены. Northrop Grumman Mission Extension Vehicle (MEV) уже продемонстрировала сближение и стыковку со спутником и взяла на себя его движение - но это не передает топливо. Истинная криогенная служба заправки потребует отдельного танкера и интерфейса передачи, который разрабатывается в рамках программы DARPA Orbital Express и позже RSGS .

Лунные и марсианские миссии

Для глубокого космоса криогенная заправка преобразует. Миссия по посадке на Луну может запустить сухой посадочный модуль на орбиту, а затем заправить его из депо, устраняя необходимость в массивной однозарядной архитектуре. План NASA Artemis зависит от дозаправки системы посадки человека (HLS) на лунной орбите. Аналогично, пилотируемая миссия на Марс, вероятно, потребует нескольких поставок топлива на орбитальный депо до того, как транзитный автомобиль отправится. Архитектура SpaceX Starship предусматривает флот танкеров, перевозящих жидкий метан и кислород на марсианский звездолет.

Орбитальные склады и космические буксиры

Постоянные криогенные депо, расположенные на низкой околоземной орбите, могут выступать в качестве «газовых станций» для космических буксиров, которые перевозят полезные грузы с низкой орбиты на более высокие орбиты или на Луну. Депо потребует большой солнечной батареи для питания, высокопроизводительных криокулеров и надежного стыковочного и передаточного интерфейса. Несколько частных компаний, включая FLT:1, FLT:2, Lockheed Martin и SpaceX, объявили о планах таких депо, хотя ни одна из них еще не запустила операционный блок.

Экономические и стратегические последствия

В настоящее время бюджет ракетного топлива спутника фиксируется при запуске; вся масса космического корабля поднимается с Земли. При орбитальной дозаправке спутник может быть запущен с пустыми баками (или частично заполненными) и увенчан на орбите. Это снижает массу запуска и стоимость или позволяет увеличить полезную нагрузку на ту же ракету. Для многоразовых ракет, таких как Starship, орбитальная дозаправка является ключом к достижению целей за пределами земной орбиты, потому что транспортное средство может запускаться без топлива, необходимого для всей миссии - оно может отвалиться в космосе.

Стратегически страны, осваивающие орбитальную заправку, получают значительное преимущество в способности эксплуатировать постоянные активы в космосе. Министерство обороны США определило логистику на орбите как критически важный потенциал для будущей космической безопасности. Коммерческие операторы рассматривают ее как следующий рубеж для снижения стоимости доступа к космосу и создания новых бизнес-моделей, таких как удаление мусора и сборка на орбите.

Заключение

Криогенные системы передачи топлива для дозаправки на орбите представляют собой одну из самых сложных инженерных задач в космических полетах сегодня. Сочетание ультранизких температур, поведения жидкости в условиях микрогравитации, жестких ограничений массы и надежности и необходимости автономной работы подталкивает современные тепловые, механические и управляющие технологии. В то время как многие из основных компонентов - криоохладители, насосы и уплотнения - доказаны на Земле и в ограниченных орбитальных испытаниях, полностью интегрированная орбитальная система дозаправки еще не продемонстрирована. Несколько крупных программ, от Artemis НАСА до Starship SpaceX, теперь делают ставку на то, что такие системы будут работать в течение следующего десятилетия. Результатом будет фундаментальный сдвиг в том, как мы проектируем и эксплуатируем космические аппараты, делая пространство более доступным и позволяя миссии, которые ранее были недоступны.