Temos combustível suficiente para chegar ao nosso destino? Esta é provavelmente uma das primeiras perguntas que vem à mente sempre que sua família se prepara para embarcar em uma viagem. Se a viagem for longa, você precisará visitar postos de gasolina ao longo do trajeto para reabastecer durante a viagem.



A NASA está enfrentando questões semelhantes enquanto se prepara para embarcar em uma missão sustentável de volta à Lua e planeja futuras missões a Marte. Mas enquanto o combustível do seu carro é a gasolina, que pode ser armazenada de forma segura e indefinida como líquido no tanque de gasolina do carro, os combustíveis da espaçonave são propelentes líquidos criogênicos voláteis que devem ser mantidos em temperaturas extremamente baixas e protegidos contra vazamentos de calor ambiental no tanque de propelente da espaçonave. .

E embora já exista uma rede estabelecida de postos de gasolina comerciais para tornar o reabastecimento do seu carro muito fácil, não existem postos ou depósitos de reabastecimento criogênico na Lua ou no caminho para Marte.

Além disso, armazenar propelente volátil por um longo período e transferi-lo de um tanque de depósito no espaço para o tanque de combustível de uma espaçonave sob condições de microgravidade não será fácil, uma vez que a física subjacente dos fluidos de microgravidade que afeta tais operações não é bem compreendida. Mesmo com a tecnologia atual, não é possível preservar combustíveis criogênicos no espaço por mais de vários dias, e a transferência de combustível tanque a tanque nunca foi realizada ou testada anteriormente no espaço.

O calor conduzido através de estruturas de suporte ou do ambiente espacial radiativo pode penetrar até mesmo nos formidáveis ​​sistemas de isolamento multicamadas (MLI) dos tanques de propelente no espaço, levando à evaporação ou evaporação do propelente e causando a autopressurização do tanque.

A prática atual é proteger contra a pressurização excessiva do tanque e o risco de sua integridade estrutural, liberando o vapor evaporado para o espaço. Os propelentes a bordo também são usados ​​para resfriar as linhas de transferência quentes e as paredes de um tanque vazio da espaçonave antes que uma operação de transferência e enchimento de combustível possa ocorrer. Assim, o precioso combustível é continuamente desperdiçado durante as operações de armazenamento e transferência, tornando expedições de longa duração - especialmente uma missão humana a Marte - inviáveis ​​usando os atuais métodos passivos de controle de pressão do tanque de propelente.

As tecnologias de fervura zero (ZBO) ou fervura reduzida (RBO) fornecem um meio inovador e eficaz para substituir o atual projeto passivo de controle de pressão do tanque. Este método depende de uma combinação complexa de processos ativos de mistura e remoção de energia dependentes da gravidade que permitem a manutenção da pressão segura do tanque com perda de combustível zero ou significativamente reduzida.

Armazenamento e transferência sem ebulição:uma tecnologia espacial transformadora

No coração do sistema de controle de pressão ZBO estão dois mecanismos ativos propostos de mistura e resfriamento para combater a autopressurização do tanque. O primeiro é baseado na mistura de jato intermitente, forçado e sub-resfriado do propelente e envolve interação complexa, dinâmica e dependente da gravidade entre o jato e o volume de expansão (volume de vapor) para controlar a mudança de fase de condensação e evaporação na interface líquido-vapor.

O segundo mecanismo utiliza injeção de gotículas sub-resfriadas por meio de uma barra de pulverização no espaço vazio para controlar a pressão e a temperatura do tanque. Embora a última opção seja promissora e ganhe destaque, é mais complexa e nunca foi testada em microgravidade, onde a mudança de fase e o comportamento de transporte das populações de gotículas podem ser muito diferentes e não intuitivos em comparação com os da Terra.

Embora a abordagem ZBO dinâmica seja tecnologicamente complexa, ela promete uma vantagem impressionante sobre os métodos passivos utilizados atualmente. Uma avaliação de um conceito de propulsão nuclear para transporte em Marte estimou que as perdas passivas por evaporação para um grande tanque de hidrogénio líquido transportando 38 toneladas de combustível para uma missão de três anos a Marte seriam de aproximadamente 16 toneladas/ano.

O sistema ZBO proposto proporcionaria uma economia de 42% de massa propelente por ano. Estes números também implicam que, com um sistema passivo, todo o combustível transportado para uma missão de três anos a Marte seria perdido por evaporação, tornando tal missão inviável sem recorrer à tecnologia transformadora ZBO.

A abordagem ZBO fornece um método promissor, mas antes que uma transformação tecnológica e operacional tão complexa possa ser totalmente desenvolvida, implementada e demonstrada no espaço, questões científicas importantes e decisivas que impactam a sua implementação de engenharia e o desempenho da microgravidade devem ser esclarecidas e resolvidas.

Experimentos científicos de microgravidade com tanque de fervura zero (ZBOT)

Os experimentos do tanque de fervura zero (ZBOT) estão sendo realizados para formar uma base científica para o desenvolvimento do método transformador de preservação do propelente ZBO. Seguindo a recomendação de um painel de revisão científica do ZBOT composto por membros das indústrias aeroespaciais, da academia e da NASA, foi decidido realizar a investigação proposta como uma série de três experimentos científicos de pequena escala a serem conduzidos a bordo da Estação Espacial Internacional. Os três experimentos descritos abaixo se complementam para abordar questões científicas importantes relacionadas ao gerenciamento de fluidos criogênicos ZBO de propulsores no espaço.

O experimento ZBOT-1:autopressurização e mistura a jato

O primeiro experimento da série foi realizado na estação no período 2017-2018. A segunda imagem acima mostra o hardware ZBOT-1 na unidade de luvas científicas de microgravidade (MSG) da estação. O foco principal deste experimento foi investigar a autopressurização e ebulição que ocorre em um tanque selado devido ao aquecimento local e global, e a viabilidade do controle da pressão do tanque através de mistura de jato axial sub-resfriado.

Neste experimento, a complicada interação do fluxo do jato com o volume de expansão (volume de vapor) na microgravidade foi cuidadosamente estudada. Os dados de mistura de jato de microgravidade também foram coletados em uma ampla gama de parâmetros de fluxo e transferência de calor em escala para caracterizar as constantes de tempo para a redução da pressão do tanque e os limites para a formação de gêiseres (fontes líquidas), incluindo sua estabilidade e profundidade de penetração através do volume vazio. . Juntamente com medições muito precisas de sensores de pressão e temperatura local, a velocimetria de imagem de partículas (PIV) foi realizada para obter medições de velocidade de fluxo em todo o campo para validar um modelo computacional de dinâmica de fluidos (CFD).

Algumas das descobertas interessantes do experimento ZBOT-1 são as seguintes:

• Fornecemos os primeiros dados da taxa de autopressurização do tanque em microgravidade sob condições controladas que podem ser usados ​​para estimar os requisitos de isolamento do tanque. Os resultados também mostraram que a autopressurização clássica é bastante frágil na microgravidade e a ebulição nucleada pode ocorrer em pontos críticos na parede do tanque, mesmo em fluxos de calor moderados que não induzem a ebulição na Terra.
• Provou que o controle de pressão ZBO é viável e eficaz em microgravidade usando mistura de jato sub-resfriado, mas também demonstrou que a interação jato de expansão de microgravidade não segue os padrões de regime clássico esperados.
• Permitiu a observação de cavitação inesperada durante a mistura de jato sub-resfriado, levando a uma enorme mudança de fase em ambos os lados do dispositivo de aquisição de líquido filtrado (LAD). Se esse tipo de mudança de fase ocorrer em um tanque de propelente, poderá levar à ingestão de vapor através do LAD e à interrupção do fluxo de líquido na linha de transferência, levando potencialmente à falha do motor.
• Desenvolveu um modelo CFD de duas fases de última geração, validado por mais de 30 estudos de caso de microgravidade. Os modelos ZBOT CFD são atualmente usados ​​como uma ferramenta eficaz para o projeto de ampliação de tanques de propelente por diversas empresas aeroespaciais que participam da oportunidade de ponto de inflexão da NASA e do programa NASA Human Landing System (HLS).

O experimento ZBOT-NC:efeitos de gases não condensáveis

Gases não condensáveis ​​(NCGs) são usados ​​como pressurizantes para extrair líquido para operações de motores e transferência de tanque para tanque. O segundo experimento, ZBOT-NC, investigará o efeito dos NCGs na autopressurização do tanque selado e no controle de pressão por mistura de jato axial. Dois gases inertes com tamanhos moleculares bastante diferentes, xenônio e néon, serão usados ​​como pressurizantes não condensáveis. Para conseguir o controle ou redução da pressão, as moléculas de vapor devem atingir a interface líquido-vapor que está sendo resfriada pelo jato de mistura e então cruzar a interface para o lado líquido para condensar.

Este estudo focará em como na microgravidade os gases não condensáveis ​​podem retardar ou resistir ao transporte de moléculas de vapor para a interface líquido-vapor (resistência ao transporte) e esclarecerá até que ponto eles podem formar uma barreira na interface e impedir o passagem das moléculas de vapor através da interface para o lado líquido (resistência cinética). Ao afetar as condições de interface, os NCGs também podem alterar o fluxo e as estruturas térmicas do líquido.

O ZBOT-NC usará dados de sensores de temperatura locais e diagnósticos de termometria de pontos quânticos (QDT) desenvolvidos exclusivamente para coletar medições não intrusivas de temperatura de campo inteiro para avaliar o efeito dos gases não condensáveis ​​durante o aquecimento por autopressurização e mistura/resfriamento de jato de o tanque em condições de ausência de gravidade. Este experimento está programado para voar para a Estação Espacial Internacional no início de 2025, e mais de 300 testes de microgravidade diferentes estão planejados. Os resultados desses testes também permitirão que o modelo ZBOT CFD seja desenvolvido e validado para incluir os efeitos dos gases não condensáveis ​​com fidelidade física e numérica.

O experimento ZBOT-DP:efeitos de mudança de fase das gotas

O controle de pressão ativa ZBO também pode ser realizado através da injeção de gotículas de líquido sub-resfriadas através de uma barra de pulverização axial diretamente no volume livre ou no volume de vapor. Este mecanismo é muito promissor, mas o seu desempenho ainda não foi testado em microgravidade. A evaporação das gotículas consome o calor fornecido pelo vapor quente que envolve as gotículas e produz vapor que está a uma temperatura de saturação muito mais baixa. Como resultado, tanto a temperatura como a pressão do volume de vapor excedente são reduzidas.

A injeção de gotículas também pode ser usada para resfriar as paredes quentes de um tanque de propelente vazio antes de uma transferência tanque a tanque ou operação de enchimento. Além disso, podem ser criadas gotículas durante o movimento do propulsor causado pela aceleração da nave espacial, e estas gotículas sofrem então mudança de fase e transferência de calor. Esta transferência de calor pode causar um colapso de pressão que pode levar à cavitação ou a uma enorme mudança de fase de líquido para vapor. O comportamento das populações de gotículas na microgravidade será drasticamente diferente em comparação com o da Terra.

O experimento ZBOT-DP investigará a desintegração, coalescência (gotículas que se fundem), mudança de fase e características de transporte e trajetória das populações de gotículas e seus efeitos na pressão do tanque em microgravidade. Será também dada especial atenção à interacção das gotículas com a parede aquecida do tanque, o que pode levar à evaporação instantânea sujeita a complicações causadas pelo efeito Liedenfrost (quando as gotículas líquidas se afastam de uma superfície aquecida e, portanto, não conseguem arrefecer a parede do tanque). .

Esses fenômenos complicados não foram examinados cientificamente na microgravidade e devem ser resolvidos para avaliar a viabilidade e o desempenho da injeção de gotículas como mecanismo de controle de pressão e temperatura na microgravidade.

De volta ao planeta Terra

Esta investigação fundamental está agora a ajudar os fornecedores comerciais de futuros sistemas de aterragem para exploradores humanos. Blue Origin e Lockheed Martin, participantes do programa Human Landing Systems da NASA, estão usando dados dos experimentos ZBOT para informar projetos futuros de espaçonaves.

A gestão de fluidos criogénicos e a utilização de hidrogénio como combustível não se limitam às aplicações espaciais. A energia limpa e verde fornecida pelo hidrogénio poderá um dia abastecer aviões, navios e camiões na Terra, produzindo enormes benefícios climáticos e económicos. Ao formar a base científica do gerenciamento de fluidos criogênicos ZBO para a exploração espacial, os experimentos científicos ZBOT e o desenvolvimento de modelos CFD também ajudarão a colher os benefícios do hidrogênio como combustível aqui na Terra.

Fornecido pela NASA