零蒸发罐实验可实现长期太空探索

我们有足够的燃料到达目的地吗?每当您的家人准备开始公路旅行时，这可能是首先想到的问题之一。

如果行程较长，您需要在旅途中前往沿途的加油站加油。美国宇航局正在努力解决类似的问题，因为它准备开始一项可持续的重返月球任务，并计划未来的火星任务。

但是，汽车的燃料是汽油，可以安全、无限期地以液体形式储存在汽车油箱中，而航天器燃料是挥发性低温液体推进剂，必须保持在极低的温度下，并防止环境热量泄漏到航天器的推进剂箱中。。

虽然已经建立了商业加油站网络，让汽车加油变得轻而易举，但月球或前往火星的途中没有低温加油站或加油站。

此外，在微重力条件下长期储存挥发性推进剂并将其从太空储存罐转移到航天器的燃料箱并不容易，因为影响此类操作的潜在微重力流体物理学尚不清楚。

即使采用当今的技术，在太空中保存低温燃料超过几天也是不可能的，并且以前从未在太空中进行过或测试过罐间燃料传输。

通过支撑结构或辐射空间环境传导的热量甚至可以穿透太空推进剂储罐强大的多层隔热(MLI)系统，导致沸腾或汽化并导致储罐自增压。

目前的做法是通过将蒸发的蒸汽排放到太空中来防止储罐过度加压并危及其结构完整性。在进行燃料传输和填充操作之前，机载推进剂还用于冷却热传输管线和空航天器储罐的壁。因此，宝贵的燃料在储存和运输过程中不断被浪费，使得使用当前的被动推进剂罐压力控制方法进行长期探险(尤其是人类火星任务)是不可行的。

零蒸发(ZBO)或减少蒸发(RBO)技术提供了一种创新且有效的方法来取代当前的被动罐压控制设计。该方法依赖于主动、重力相关的混合和能量去除过程的复杂组合，可以维持安全的油箱压力，同时燃油损失为零或显着减少。

零蒸发存储和传输：变革性空间技术

ZBO压力控制系统的核心是两个提议的主动混合和冷却机制，以对抗储罐自增压。第一种基于推进剂的间歇、强制、过冷喷射混合，涉及喷射和损耗(蒸汽体积)之间复杂的、动态的、依赖于重力的相互作用，以控制液-汽界面处的冷凝和蒸发相变。第二种机制通过空缺处的喷杆使用过冷液滴喷射来控制储罐压力和温度。虽然后一种选择很有前景并越来越受到重视，但它更加复杂，并且从未在微重力下进行过测试，在微重力下，液滴群的相变和传输行为与地球上的相比可能非常不同且不直观。

尽管动态ZBO方法在技术上很复杂，但它比当前使用的被动方法具有令人印象深刻的优势。对火星运输核推进概念的评估估计，在为期三年的火星任务中，运载38吨燃料的大型液氢罐的被动蒸发损失约为16吨/年。拟议的ZBO系统每年可节省42%的推进剂质量。这些数字还意味着，如果采用被动系统，为期三年的火星任务所携带的所有燃料都将因蒸发而损失，如果不采用变革性的ZBO技术，这样的任务就无法实现。

ZBO方法提供了一种有前景的方法，但在太空中充分开发、实施和演示如此复杂的技术和操作转型之前，必须澄清和解决影响其工程实施和微重力性能的重要且决定性的科学问题。

ZBOT-1实验的一些有趣发现如下：

提供了第一个受控条件下微重力下储罐自增压率数据，可用于估计储罐隔热要求。结果还表明，经典的自加压在微重力下非常脆弱，即使在地球上不会引起沸腾的中等热通量下，也可能在罐壁的热点处发生核沸腾。

ZBOT-NC实验：不凝气体效应

不凝性气体(NCG)用作加压剂来提取发动机操作和罐间输送所需的液体。第二个实验，ZBOT-NC将研究NCG对密封罐自增压和轴向喷射混合压力控制的影响。氙和氖这两种分子大小截然不同的惰性气体将被用作不凝加压剂。为了实现压力控制或降低，蒸气分子必须到达被混合射流冷却的液汽界面，然后穿过界面到达液体侧冷凝。

这项研究将重点关注微重力下不凝性气体如何减缓或阻止蒸汽分子向液-汽界面的传输(传输阻力)，并将阐明它们在多大程度上可能在界面处形成屏障并阻碍蒸汽分子的传输。蒸气分子穿过界面到达液体侧(动阻)。通过影响界面条件，NCG还可以改变液体中的流动和热结构。

ZBOT-NC将使用本地温度传感器数据和独特开发的量子点测温(QDT)诊断来收集非侵入式全场温度测量值，以评估在自加压加热和喷射混合/冷却过程中不凝气体的影响。坦克在失重条件下。该实验计划于2025年初飞往国际空间站，计划进行300多项不同的微重力测试。这些测试的结果还将使ZBOTCFD模型得到进一步开发和验证，以包含具有物理和数值保真度的不凝气体效应。

ZBOT-DP实验：液滴相变效应

ZBO主动压力控制还可以通过将过冷液滴通过轴向喷杆直接注入空量或蒸汽体积来实现。这种机制非常有前途，但其性能尚未在微重力下进行测试。液滴的蒸发消耗由液滴周围的热蒸汽提供的热量，并产生饱和温度低得多的蒸汽。结果，损耗蒸汽体积的温度和压力均降低。液滴注射还可用于在罐到罐转移或填充操作之前冷却空推进剂罐的热壁。此外，航天器加速引起的推进剂晃动过程中会产生液滴，然后这些液滴会发生相变和传热。这种传热可能会导致压力崩溃，从而导致空化或大量的液气相变。微重力下液滴群的行为将与地球上的截然不同。

ZBOT-DP实验将研究微重力下液滴群的崩解、聚结(液滴合并在一起)、相变、传输和轨迹特征及其对储罐压力的影响。还将特别关注液滴与加热的罐壁的相互作用，这可能导致闪蒸，并受到利登弗罗斯特效应(当液滴从加热的表面推开，因此无法冷却罐壁时)引起的并发症的影响。。这些复杂的现象尚未在微重力下进行科学检验，必须解决这些现象，以评估液滴注入作为微重力下压力和温度控制机制的可行性和性能。

回到地球

这项由美国宇航局资助的基础研究现在正在帮助人类探险家未来着陆系统的商业提供商。蓝色起源和洛克希德·马丁公司是NASA人类着陆系统计划的参与者，他们正在利用ZBOT实验的数据为未来的航天器设计提供信息。

低温流体管理和氢作为燃料的使用不仅限于太空应用。氢提供的清洁绿色能源有一天可能会为地球上的飞机、轮船和卡车提供燃料，从而产生巨大的气候和经济效益。通过为太空探索奠定ZBO低温流体管理的科学基础，ZBOT科学实验和CFD模型开发也将有助于在地球上获得氢作为燃料的好处。