Płynny grzejnik kropelkowy

Ciekły promiennik kropelkowy (LDR) lub wcześniej nazywany promiennikiem ciekłego strumienia kropelkowego jest proponowanym lekkim promiennikiem do rozpraszania ciepła odpadowego wytwarzanego przez elektrownie , układy napędowe lub statki kosmiczne w kosmosie.

Tło

Zaawansowana lub przyszła misja kosmiczna musi mieć źródło zasilania lub napęd, który będzie wymagał odrzucenia ciepła odpadowego. Należy wziąć pod uwagę usuwanie dużych ilości ciepła odpadowego, aby zrealizować strukturę wielkoprzestrzenną (LSS), która obsługuje dużą moc, taką jak reaktor jądrowy lub kosmiczny satelita zasilany energią słoneczną (SPS) .

misja	poziom mocy	czas trwania
Przyszła stacja kosmiczna	75–300 kW	30 lat
Lasery kosmiczne	1–10 MW	10 lat
Wiązka cząstek	1 MW	10 lat
Radar kosmiczny	30–100 kW	10 lat
Baza księżycowa	100–300 kW	30 lat
misja na Marsa	15 MWe	7 lat
misja na Jowisza	63 GW	285 d tranzyt
międzygwiezdny żagiel słoneczny 5 × 10 ⁶ kg	0,6 MW	1433 lata do Alfa Centauri
międzygwiazdowa rakieta na antymaterię 80,7 × 10 ⁹ kg	122 650 TW	128,5 lat do 40 LY

systemów kontroli temperatury w wysokich temperaturach . Rury cieplne z ciekłego metalu z konwencjonalnymi grzejnikami są uważane za idealnie nadające się do takich zastosowań. Wymagana powierzchnia grzejnika jest jednak ogromna, stąd też masa układu jest bardzo duża. Chłodnica kropelkowa (LDR) ma przewagę pod względem stosunku mocy do masy odrzuconego ciepła. Wyniki badań wskazują, że dla temperatur odrzucania poniżej około 700 K system LDR jest znacznie lżejszy niż inne zaawansowane koncepcje grzejników. LDR może być siedem razy lżejszy niż konwencjonalny grzejniki rurkowe o podobnej wielkości. LDR jest bardziej odporny na uderzenia meteorytów ze względu na mniej krytyczną powierzchnię lub wiatr i wymaga mniejszej objętości do przechowywania. Dlatego LDR zwrócił na siebie uwagę jako zaawansowany grzejnik do systemów kosmicznych o dużej mocy.

W 1978 roku John M. Hedgepeth zaproponował w „Ultralightweight Structures for Space Power” w Radiation Energy Conversion in Space, tom. 61 Progress in Astronautics and Aeronautics, KW Billman, wyd. (AIAA, Nowy Jork, 1978), s. 126, zastosowanie promiennika pyłu w celu zmniejszenia masy grzejnika satelitów zasilanych energią słoneczną. Praktyczne problemy tego układu pyłowego doprowadziły w 1979 roku do koncepcji LDR. Firmy, organizacje i uniwersytety na całym świecie przeprowadziły liczne badania.

Praktyczne eksperymenty przeprowadzono m.in. na STS-77 oraz w szybach zrzutowych w Japonii: Japan Microgravity Center (JAMIC) i Microgravity Laboratory of Japan.

Pojęcie

ogólna mechanika koncepcji LDR

System chłodnicy kropelkowej (LDR) składa się z wytwornicy kropel, kolektora, wymiennika ciepła , pompy obiegowej i mieszkowego regulatora ciśnienia ( akumulatora ). Podczas zmniejszania ciśnienia nasycona ciecz jest rozpylana w przestrzeń w postaci spójnych strumieni drobnych, dyskretnych kropelek. Strumień kropel może być kolumną lub taflą kropelek cieczy poruszających się w przestrzeni od generatora kropel do kolektora. Kropelki przenoszą ciepło odpadowe wytwarzane przez system zasilania kosmicznego i wypromieniowują to ciepło odpadowe bezpośrednio w przestrzeń kosmiczną podczas lotu przez przejściowe radiacyjny transfer ciepła . Kropelki cieczy są zbierane w niższej temperaturze, ponownie podgrzewane i pompowane do generatora kropelek i ponownie wykorzystywane do dalszego usuwania ciepła odpadowego z termodynamicznego cyklu energetycznego.

Ciśnienie, przy którym tworzą się kropelki cieczy, może się znacznie różnić w różnych zastosowaniach, ale stwierdzono, że po ustaleniu przepływu kropelek, do utrzymania przepływu strumieni kropelek potrzebne są znacznie niższe ciśnienia.

Przenikanie ciepła

Ciepło odpadowe statku kosmicznego jest ostatecznie odrzucane w przestrzeń kosmiczną przez powierzchnie grzejników. Grzejniki mogą mieć różne formy, takie jak panele konstrukcyjne statku kosmicznego, płaskie grzejniki zamontowane z boku statku kosmicznego, panele rozmieszczone po umieszczeniu statku kosmicznego na orbicie oraz kropelki. Wszystkie grzejniki odprowadzają ciepło ze swoich powierzchni za pomocą podczerwonego (IR). Moc promieniowania zależy od emitancji i temperatury powierzchni. Grzejnik musi odrzucać zarówno ciepło odpadowe statku kosmicznego, jak i wszelkie cieplne promieniowania z otoczenia lub innych powierzchni statku kosmicznego. W związku z tym większości grzejników nadaje się wykończenie powierzchni o wysokiej emisji IR ( $ε$ > 0,8), aby zmaksymalizować oddawanie ciepła i niską absorpcję energii słonecznej ( $α$ < 0,2), aby ograniczyć obciążenia cieplne od słońca. Grzejniki wysokotemperaturowe są preferowane ze względu na lepszą wydajność i względy zmniejszenia rozmiaru, jednak właściwości płynu i właściwości chmury kropel są dodatkowymi czynnikami. Wielkość i gęstość kropel regulują emisję i resorpcję . Mniejsza kropla jest niezbędna do uzyskania efektywnego promieniowania w chłodnicy kropelkowej cieczy. Obliczono, że kropla o średnicy 1 μm schładza się z 500 K do 252 K w ciągu dwóch sekund. Gęsta chmura arkusza kropelek opóźnia szybkość stygnięcia kropelek ze względu na reabsorpcję emitowanego światła.

Pojedyncza kropelka promieniuje ciepło podczas podróży w przestrzeni i w dowolnym momencie ta utrata ciepła jest określona wzorem:

${\ Displaystyle {\ kropka {q}} = (4 \ pi a ^ {2}) \ sigma FT ^ {4}}$

gdzie jest $stałą$ -Boltzmanna , ${\ Displaystyle {\ kropka {q}}}$ jest szybkością utraty ciepła kropelek do przestrzeni (dżule na sekundę), jest ${\ Displaystyle a}$ $to$ kropli (metry), $to$ średni współczynnik widoku ciała szarego dla kropli w środku strumienia (mniejszy niż jeden), a bezwzględna temperatura kropli w dowolnym momencie ( ) .

To równanie modeluje kroplę jako szare ciało o stałej średniej emisyjności. Chwilowa szybkość promieniowania jest równa szybkości utraty energii wynikającej z tego równania:

${\ Displaystyle (4 \ pi a ^ {2}) \ sigma FT ^ {4} = - c \ rho {\ frac {4\pi a^{4}}{3}}{\frac {dT}{dt}}}$

gdzie to $ciepło$ właściwe , to gęstość kropelki (kg / m ³ $)$ , $czas$ przejścia kropelek (sekundy

Ograniczenia, wyzwania i rozwiązania

Środowisko operacyjne to nie tylko czarna przestrzeń, ale przestrzeń z promieniowaniem słonecznym i promieniowaniem rozproszonym odbitym i emitowanym przez Słońce (gwiazdy), Ziemię, inne obiekty i / lub własny napęd statku kosmicznego. Możliwe jest „zorientowanie” krawędzi arkusza kropelek w kierunku zewnętrznego źródła ciepła, ale obszar arkusza nadal byłby narażony na promieniowanie z innych źródeł. Większość przedstawionych rozwiązań równania przenikania promieniowania to praktyczne uproszczenia poprzez wprowadzenie założeń.

Aby osiągnąć wysoką skuteczność zbierania należy zminimalizować rozpryskiwanie się kropel na powierzchni kolektora. Stwierdzono, że kolektor kropel o kącie padania 35 stopni może zapobiegać rozpryskiwaniu się jednolitego strumienia kropel o średnicy kropel 250 µm i prędkości 16 m/s w warunkach mikrograwitacji . Innym rozwiązaniem jest utworzenie cienkiej warstewki cieczy na wewnętrznej powierzchni kolektora. Gdy strumienie kropelek zostaną wchłonięte przez ten płynny film, nie powinny powstawać żadne rozpryski. Wymagany był współczynnik błędnego przechwytywania nadchodzących kropelek mniejszy niż ^10-6 . Stwierdzono, że średnica kropelek była mniejsza niż 300 µm, a prędkość kropelek mniejsza niż 20 m/s. Jeśli ferrofluid, magnetyczne środki skupiające mogą skutecznie tłumić rozpryskiwanie.

Ponieważ arkusz kropel spada swobodnie, statek kosmiczny wykonujący manewr lub przyspieszenie kątowe utraciłby chłodziwo. Nawet magnetycznie skupiony LDR ma bardzo ograniczoną tolerancję poniżej 10-3 ^g .

Generator kropel ma około 10 ⁵ – 10 ⁶ otworów (otworów) na system o średnicach 50–20 µm. Otwory te są bardziej podatne na uszkodzenia niż konwencjonalny grzejnik stały lub rurka cieplna, co może wpływać na tworzenie się kropel i kierunek przepływu strumienia kropel, potencjalnie powodując utratę płynu.

Płyny

Ciecze o niskiej prężności par są preferowane jako płyny robocze, aby zminimalizować straty spowodowane parowaniem w wyniku odparowania błyskawicznego . Stwierdzono, że ciecze w zakresie od 300 do 900 K mają tak niską prężność pary, że straty spowodowane parowaniem w normalnym okresie życia systemu kosmicznego (prawdopodobnie nawet 30 lat) będą stanowić jedynie niewielki ułamek całkowitej masy kaloryfer. Na żywotność płynu w środowisku LDR ma wpływ stabilność termiczna , stabilność oksydacyjna i odporność na promieniowanie .

zakres temperatur ( K )	rodzaj płynu chłodzącego	przykład
250 tys. – 350 tys	oleje silikonowe siloksanowe	Trimetylo-Pentafenylo-Trisiloksan
370 tys. – 650 tys	ciekłe eutektyki metali
500 K – 1000 K	płynna cyna

Jeśli jako chłodziwo stosuje się ciekły metal, do pompowania cieczy można użyć urządzenia elektromagnetycznego. Urządzenie indukuje w metalu prądy wirowe, które generują siłę Lorentza wraz z towarzyszącymi im polami magnetycznymi. Efektem jest pompowanie ciekłego metalu, co skutkuje uproszczoną konstrukcją bez ruchomych części. Jest to znane jako pompowanie MHD . Na przykład stwierdzono, że prosta mieszanina oleju mineralnego i opiłków żelaza zbliżała się do odpowiedniego ferrofluidu przez kilka sekund, zanim zaobserwowano rozdzielenie opiłków żelaza i oleju w obecności pola magnetycznego. Przy wielkości kropelek około 200 µm , napięcie powierzchniowe utrzyma dwa składniki przy przyspieszeniach do około 1 g.

Jeśli jako chłodziwo stosuje się płyn jonowy , płyn ten można wykorzystać do przenoszenia pędu między statkami kosmicznymi poruszającymi się z różnymi prędkościami. Może być możliwe zsyntetyzowanie płynu in situ. _Na przykład BMIM- _BF4 ([C8H15N2 _] + ^BF4- ) _zawiera^42,5 % masowych węgla . Regolit księżycowy zazwyczaj zawiera kilka związków z węglem, a około 5% asteroid to chondryty węglowe , które są bogate w węgiel, a także metale i wodę. Być może uda się wydobyć z księżyca węgiel i połączyć go z innymi pierwiastkami w celu wytworzenia płynu jonowego. Kolejnym dobrym źródłem węgla jest Największy księżyc Marsa , Fobos , który jest przechwyconą asteroidą, uważaną za bogatą w węgiel.

Konfiguracje projektowe LDR

różne konfiguracje LDR

Istnieją dwa różne schematy zbierania kropel: podejście odśrodkowe i liniowy schemat zbierania. Kolektor liniowy jest uważany za prostszy, bardziej niezawodny i lżejszy.

Zaproponowano i oceniono kilka różnych konfiguracji LDR.

Spiralny LDR wykorzystuje generator i kolektor, które obracają się z tą samą prędkością kątową. Koncepcja ta została uznana za bardziej złożoną ze względu na niepotrzebne obracanie kolektora.
Załączony dysk LDR zawiera w środku generator kropelek do tworzenia krążka kropelek. Obraca się tylko kolektor. Cały radiator jest osłonięty przezroczystą osłoną, która minimalizuje zanieczyszczenie statku kosmicznego w wyniku wszelkich zagubionych kropel. Koncepcja ta została uznana za bardziej złożoną ze względu na zbędny obrót kolektora.
Pierścieniowy LDR wykorzystuje obrotowy kolektor do wychwytywania pierścieniowego arkusza kropelek z pierścieniowego generatora. Pierścieniowy LDR ma nieefektywną wydajność radiacyjną - arkusz promieniuje do siebie bardziej niż arkusze kropelek o alternatywnych konfiguracjach.
Kilka proponowanych odmian LDR wykorzystuje pola elektryczne do kontrolowania trajektorii kropelek, tak jak w drukarce atramentowej . Elektrostatyczny grzejnik termiczny (energii) (ETHER) jest zasadniczo proponowaną odmianą LDR. Kropelki są naładowane i w połączeniu z ładunkiem na statku kosmicznym, który jest przeciwny do ładunku kropel, kropelki będą wykonywać lekko eliptyczną orbitę. Ta zamknięta trajektoria zmniejszyłaby całkowity rozmiar systemu. Ta koncepcja budzi obawy dotyczące interakcji kropla-plazma. Co więcej, na niskiej orbicie okołoziemskiej statek kosmiczny uzyska własny potencjał .

Najczęściej badano prostokątne i trójkątne wersje LDR.

Prostokątny LDR wykorzystuje liniowy kolektor, który jest tak szeroki jak generator kropel. Kolektor może być dwustronny, gdzie dwie warstwy kropel poruszające się w przeciwnych kierunkach uderzają w jeden kolektor. Alternatywna odmiana wykorzystywałaby jednostronny kolektor z tylko jednym generatorem i arkuszem kropelek. W prostokątnym LDR nie ma ogniskowania arkusza kropelek, a gęstość liczby kropelek pozostaje stała wzdłuż toru lotu. Jest to najprostsza konstrukcja LDR o największym obszarze promieniującym.
Trójkątna koncepcja LDR wykorzystuje generator kropelek do tworzenia zbieżnego układu strumieni (arkuszy) kropelek. Kolektor, umieszczony w punkcie zbieżności arkusza kropelek, wykorzystuje siłę odśrodkową do wychwytywania kropelek. Trójkątny LDR jest z natury mniej masywny ze względu na mniejszy kolektor. Badania systemowe wykazały, że trójkątny LDR może być o 40 procent mniej masywny niż prostokątny LDR. Jednak dla każdego porównywalnego rozmiaru trójkątny LDR ma połowę powierzchni prostokątnego arkusza i dlatego odrzuca mniej ciepła. Obecnie zastosowanie przetworników rurki Pitota zastąpiło początkowe złożone uszczelnienia obrotowe. Zderzenia w zogniskowanej warstwie kropel powodują koalescencję uderzających kropel. Trójkątny LDR jest obecnie rozwijany na szerszą skalę.
magnetycznie LDR wykorzystuje pole magnetyczne do skupiania strumieni kropel kierowanych z generatora w kierunku kolektora, zapewniając w ten sposób, że zasadniczo wszystkie kropelki zostaną przechwycone, nawet jeśli niektóre strumienie mogą zostać źle skierowane, gdy opuszczają generator. Magnetyczne środki skupiające są również skuteczne w tłumieniu rozpryskiwania cieczy, gdy kropelki uderzają w kolektor. Magnetycznie skupiony LDR został zbadany i opatentowany przez Brookhaven National Laboratory (BNL) w ramach grantu Departamentu Energii (kontrakt DE-AC02-76CH00016). Środki magnetyczne można osiągnąć za pomocą a elektromagnes o kształcie toroidalnym lub magnesy trwałe. Ponieważ tylko jedna strona arkusza kropelek byłaby skupiona przez pojedynczy magnes trwały, parzyste liczby muszą być umieszczone naprzeciw siebie w sąsiedztwie kolektora. Stały magnes dipolowy ma ograniczone natężenie pola, a tym samym ogranicza rozmiar grzejnika. Elektromagnesy lub (chłodzone kriogenicznie) magnesy nadprzewodzące oferują wyższe natężenie pola, ale mogą wymagać masowego kompromisu. Głównym wnioskiem wyciągniętym z obliczeń jest to, że statkiem kosmicznym można manewrować z przyspieszeniami mniejszymi niż ^10-3 G. Wyższe przyspieszenia wymagają wielu mniejszych LDR, które w sumie będą bardziej masywne, ale z większym prawdopodobieństwem przetrwają.

Monitorowanie i konserwacja

Sterowanie i monitorowanie systemu za pomocą sztucznej inteligencji mogłoby usprawnić pracę autonomicznego systemu elektroenergetycznego.

Dalsze badania

LDR jest badany jako produkt uboczny koncepcji wykorzystującej strumień płynu do przenoszenia pędu między zbliżającym się statkiem kosmicznym a innym statkiem kosmicznym, stacją lub bazą księżycową. Ta metoda może zmniejszyć masę statku kosmicznego, jednocześnie zwiększając wydajność lotów kosmicznych.

Liquid Sheet Radiator (LRS), przystosowany do powierzchni planetarnych, jest zasadniczo fontanną zamkniętą w przezroczystej kopercie. Ciecz spływa po wewnętrznej stronie tej koperty. Koncepcja grzejników płytowych jest wyjątkowo stabilna i nie wymaga specjalnej obróbki kryzy, aby osiągnąć swoją wydajność.

Zobacz też

Notatki