Sıvı damlacık radyatörü - Liquid droplet radiator

sıvı damlalıklı radyatör (LDR) veya önceden adlandırılmış sıvı damlacık akışlı radyatör önerilen bir hafiftir radyatör dağılması için atık ısı tarafından oluşturuldu enerji santralleri, tahrik veya uzay aracı sistemleri boşlukta.

Arka fon

Gelişmiş veya gelecekteki bir uzay görevi, atık ısının reddedilmesini gerektirecek bir güç kaynağına veya itme sistemine sahip olmalıdır. nükleer reaktör veya a uzay güneş enerjisi uydusu (SPS).

misyon[1]güç seviyesisüresi
Gelecekteki uzay istasyonu75–300 kW30 yıl
Uzay tabanlı lazerler1–10 MW10 yıl
Parçacık ışını1 MW10 yıl
Uzay tabanlı radar30–100 kW10 yıl
Ay tabanı100–300 kW30 yıl
Mars görevi15 MWe7 yıl
Jüpiter misyonu[2]63 GW285 g transit
yıldızlararası[N 1] yelkenli gemi[3]
5×106 kilogram		0.6 MW1433 yıl alpha Centauri
yıldızlararası[N 1] antimadde roketi[4]
80.7×109 kilogram		122,650 TW128.5 ila 40LY

Bu tür uzay sistemleri, gelişmiş yüksek sıcaklık gerektirir termal kontrol sistemleri. Geleneksel radyatörlü sıvı metal ısı borularının bu tür uygulamalar için ideal olarak uygun olduğu düşünülmektedir.[5]Ancak gerekli radyatör yüzey alanı çok büyük, dolayısıyla sistem kütlesi çok büyük. Sıvı damlacık radyatörü (LDR), reddedilen ısı güç-ağırlık oranı açısından bir avantaja sahiptir. Çalışmaların sonuçları, yaklaşık 700 K'nin altındaki reddetme sıcaklıkları için, LDR sisteminin diğer gelişmiş radyatör konseptlerinden önemli ölçüde daha hafif olduğunu göstermektedir. Bir LDR, gelenekselden yedi kat daha hafif olabilir ısı borusu radyatörleri benzer büyüklükte.[6]LDR, daha az kritik yüzey veya windage nedeniyle göktaşı etkilerine karşı daha dayanıklıdır ve daha az depolama hacmi gerektirir. Bu nedenle, LDR, yüksek güçlü uzay sistemleri için gelişmiş bir radyatör olarak dikkatleri üzerine çekmiştir.

1978'de John M. Hedgepeth, "Uzay Gücü için Çok Hafif Yapılar" da Radiation Energy Conversion in Space, Cilt. 61 of Progress in Astronautics and Aeronautics, K. W. Billman, ed. (AIAA, New York, 1978), s. 126, güneş enerjisi uydularının radyatör ağırlığını azaltmak için bir toz radyatörün kullanılması. Bu toz sisteminin pratik sorunları, 1979'da LDR konseptine yol açtı.[1] Dünya çapında şirketler, kuruluşlar ve üniversiteler tarafından çok sayıda çalışma yapılmıştır.

Örneğin pratik deneyler yapıldı. STS-77[5] ve düşme milleri Japonyada: Japonya Mikro Yerçekimi Merkezi (JAMIC) ve Japonya Mikro yerçekimi Laboratuvarı.[7]

Konsept

genel LDR konsept mekaniği

Sıvı damlacık radyatör (LDR) sistemi, bir damlacık üreteci, bir toplayıcı, bir ısı eşanjörü, bir devridaim pompası ve bir körük tipi basınç regülatörü (akümülatör ). Basınçta bir düşüş yaşanırken doymuş sıvı küçük, ayrık damlacıkların tutarlı akışları olarak uzaya püskürtülür. Damlacık akışı boşluktan damlacık üretecinden toplayıcıya hareket eden bir sütun veya sıvı damlacıkları tabakası olabilir. Damlacıklar, bir uzay güç sistemi tarafından üretilen atık ısıyı taşır ve bu atık ısıyı, uçuşları sırasında geçici olarak doğrudan uzaya yayar. ışınımla ısı transferi. Sıvı damlacıklar daha düşük bir sıcaklıkta toplanır, yeniden ısıtılır ve damlacık üretecine pompalanır ve termodinamik güç döngüsünden atık ısıyı uzaklaştırmaya devam etmek için yeniden kullanılır.

Sıvı damlacıkların oluştuğu basınç, farklı uygulamalarda büyük ölçüde değişebilir, ancak damlacık akışı bir kez oluşturulduktan sonra, damlacık akışlarının akışını korumak için önemli ölçüde daha düşük basınçlara ihtiyaç duyulduğu bulunmuştur.[8]

Isı transferi

Uzay aracının atık ısısı sonuçta radyatör yüzeyleri tarafından uzaya atılır. Radyatörler, uzay aracı yapısal panelleri, uzay aracının yan tarafına monte edilmiş düz plaka radyatörler, uzay aracı yörüngede olduktan sonra yerleştirilen paneller ve damlacıklar gibi farklı formlarda olabilir. Tüm radyatörler ısıyı şu şekilde reddeder: kızılötesi (IR) yüzeylerinden radyasyon. Işıma gücü, yüzeyin yayınımına ve sıcaklığına bağlıdır. Radyatör, hem uzay aracı atık ısısını hem de ışıma ısısı çevreden veya diğer uzay aracı yüzeylerinden gelen yükler.[9]Bu nedenle çoğu radyatöre yüksek IR yayma (ε > 0.8) ısı reddini ve düşük güneş emilimini maksimize etmek için (α <0.2) güneşten gelen ısı yüklerini sınırlamak için. Daha iyi verimlilik ve boyut küçültme hususları için yüksek sıcaklık radyatörleri tercih edilir, ancak, akışkan özelliği damlacık bulutu özelliği ek faktörlerdir. damlacık boyutu oluşumu ve damlacık yoğunluğu emisyonu yönetir ve yeniden emilim. Sıvı damlacık radyatöründe etkili radyasyon elde etmek için daha küçük bir damlacık gereklidir. 1 μm çapında bir damlacığın iki saniye içinde 500 K'dan 252 K'ye soğuması hesaplanmıştır. Damlacık tabakasının yoğun bir bulutu, yayılan ışığın yeniden emilmesi nedeniyle damlacıkların soğuma oranını geciktirecektir.[10]

Tek bir damlacık uzayda dolaşırken ısı yayar ve herhangi bir zamanda bu ısı kaybı şu şekilde verilir:[6]

nerede ... Stefan – Boltzmann sabiti, damlacık ısı kaybı oranıdır (joule / saniye), damlacık yarıçapı (metre), akış merkezindeki (birden az) damlacık için ortalama gri gövde görünümü faktörüdür ve herhangi bir zamandaki mutlak damlacık sıcaklığıdır (Kelvin ).

Bu denklem damlacığı, sabit ortalama salım gücüne sahip gri bir gövde olarak modeller. Anlık radyasyon oranı, bu denklemle sonuçlanan enerji kaybı oranına eşittir:[6]

nerede ... özgül ısı kapasitesi, damlacık yoğunluğu (kg / m3), damlacık geçiş süresidir (saniye).

Sınırlamalar, zorluklar ve çözümler

Çalışma ortamı sadece kara uzay değil, güneş radyasyonu ve güneşten (yıldızlar), dünyadan, diğer nesnelerden ve / veya geminin kendi antimadde itme gücünden yansıyan ve yayılan dağınık radyasyondur. Damlacık tabakasının kenarını bir dış ısı kaynağına doğru "yönlendirmek" mümkündür, ancak tabaka alanı yine de diğer kaynaklardan radyasyona maruz kalacaktır. Işınım aktarımı denkleminin sunulan çözümlerinin çoğu, varsayımlar getirerek pratik basitleştirmelerdir.

Yüksek toplama verimliliği elde etmek için, damlacığın toplayıcı yüzeyine sıçraması en aza indirilmelidir. 35 derecelik bir geliş açısına sahip damlacık toplayıcının, damlacık çapı 250 µm ve 16 m / s hızda tek tip bir damlacık akımının su altında sıçramasını önleyebileceği belirlendi. mikro yerçekimi şart.[7]Diğer bir çözüm ise, kollektörün iç yüzeyinde sıvı bir film oluşturmaktır. Damlacık akımları bu sıvı filmde emildiğinde hiçbir sıçrama oluşmamalıdır. Gelen damlacıkların yanlış yakalanma oranının 10'dan az olması gerekiyordu−6. Damlacık çapının 300 um'den az olduğu ve damlacık hızının 20 m / s'den az olduğu belirlendi.[11]Eğer bir sıvı demir bir manyetik odaklama aracı kullanıldığında sıçramayı etkili bir şekilde bastırabilir.[8]

Damlacık tabakası serbest düşüşte olduğundan, manevra veya açısal hızlanma yapan bir uzay aracı soğutucuyu kaybedecektir. Manyetik olarak odaklanmış bir LDR'nin bile 10'dan az çok sınırlı bir toleransı vardır.−3 g.

Bir damlacık üretecinde yaklaşık 105 – 106 50–20 µm çaplı sistem başına delikler (orifisler).[12]Bu delikler, damlacık oluşumunu ve damlacık akışı akış yönünü etkileyerek potansiyel olarak sıvı kaybına neden olabilecek geleneksel bir katı radyatör veya ısı borusuna göre hasara daha duyarlıdır.

Sıvılar

Çalışma akışkanlarında buharlaşma kaybını minimuma indirmek için düşük buhar basınçlı sıvılar tercih edilir. flaş buharlaşma.[13]300 ila 900 K aralığındaki sıvıların, bir uzay sisteminin normal ömrü boyunca (muhtemelen 30 yıla kadar) buharlaşma kaybının, toplam kütlenin yalnızca küçük bir kısmı olacağı kadar düşük bir buhar basıncına sahip olduğu bulunmuştur. radyatör.[14] LDR ortamındaki sıvının çalışma ömrü aşağıdakilerden etkilenir: termal kararlılık, oksidatif stabilite, ve radyasyona direnç.[15]

sıcaklık aralığı (K )soğutucu türümisal
250 K - 350 Ksilikon yağları
siloksan		Trimetil-Pentafenil-Trisiloksan
370.000 - 650.000sıvı metal ötektikleri
500.000 - 1000.000sıvı teneke

Soğutucu olarak sıvı metal kullanılırsa, sıvının pompalanmasında elektromanyetik bir cihaz kullanılabilir. Cihaz, metaldeki girdap akımlarını indükler ve Lorentz kuvveti manyetik alanları ile. Etki, sıvı metalin pompalanmasıdır ve hareketli parça içermeyen basitleştirilmiş bir tasarıma neden olur. Bu olarak bilinir MHD pompalama.[16] Örneğin, basit bir mineral yağ ve demir talaşı karışımının, demir talaşlarının ayrılması ve yağın manyetik bir alan varlığında gözlenmesinden önce birkaç saniye boyunca uygun bir ferrofluide yaklaştığı bulundu. Yaklaşık 200 damlacık boyutlarındaµm yüzey gerilimi, iki bileşeni yaklaşık 1 g'a kadar olan ivmelerde tutacaktır.[8]

Eğer bir iyonik sıvı soğutucu olarak kullanıldığında, sıvı farklı hızlarda hareket eden uzay aracı arasında momentum aktarımı için kullanılabilir. Sıvıyı yerinde sentezlemek mümkün olabilir. Örneğin, BMIM-BF4 ([C8H15N2]+BF4−)% 42,5 karbon kütlece. Ay regolit tipik olarak karbonlu birkaç bileşik içerir ve asteroitlerin yaklaşık% 5'i karbonludur kondritler Karbonun yanı sıra metaller ve su bakımından da zengindir. Ay'ı karbon için çıkarmak ve iyonik sıvı üretmek için diğer elementlerle birleştirmek mümkün olabilir. Bir başka iyi karbon kaynağı da Mars en büyük ay Phobos, karbon açısından zengin olduğuna inanılan yakalanmış bir asteroit olan.[17]

LDR tasarım konfigürasyonları

farklı LDR konfigürasyonları

İki farklı damlacık toplama şeması vardır: santrifüj yaklaşımı ve doğrusal toplama şeması. Doğrusal toplayıcı, daha basit, daha güvenilir ve daha hafif kabul edilir.[1]

Birkaç farklı LDR konfigürasyonu önerilmiş ve değerlendirilmiştir.[1][18]

  • spiral LDR aynı açısal hızda dönen bir jeneratör ve toplayıcı kullanır. Bu konsept, kollektörün gereksiz dönüşü nedeniyle daha karmaşık kabul edildi.[18]
  • kapalı disk LDR merkezinde damlacıklardan oluşan bir disk oluşturmak için bir damlacık oluşturucu içerir. Yalnızca toplayıcı döner. Radyatörün tamamı, herhangi bir hatalı damlacıktan kaynaklanan uzay aracı kirlenmesini en aza indiren şeffaf bir örtü ile çevrelenmiştir. Bu konsept, kollektörün gereksiz dönüşü nedeniyle daha karmaşık kabul edildi.[18]
  • halka şeklindeki LDR halka şeklindeki bir jeneratörden halka şeklindeki bir damlacık tabakasını yakalamak için dönen bir toplayıcı kullanır. Halka şeklindeki LDR, verimsiz bir ışıma performansına sahiptir - tabaka, kendisine alternatif konfigürasyonların damlacık tabakalarından daha fazla yayılır.[18]
  • LDR'nin önerilen birkaç varyasyonu, damlacık yörüngelerini kontrol etmek için elektrik alanlarını kullanır. mürekkep püskürtmeli yazıcı. Elektrostatik THermal (Enerji) Radyatör (ETHER), esasen LDR'nin önerilen bir varyasyonudur. Damlacıklar yüklenir ve uzay aracı üzerindeki damlacık yükünün karşısındaki bir yük ile bağlantılı olarak damlacıklar, hafif eliptik bir yörünge yürütür. Bu kapalı yörünge, genel sistem boyutunu azaltacaktır. Bu kavram, damlacık-plazma etkileşimleriyle ilgili endişeleri gerektirir. Dahası, alçak dünya yörüngesinde uzay aracı kendi potansiyel.[18]

En çok LDR'nin dikdörtgen ve üçgen versiyonları araştırıldı.

  • dikdörtgen LDR damlacık üreteci kadar geniş olan doğrusal bir toplayıcı kullanır. Kollektör, zıt yönlerde hareket eden iki damlacık tabakasının tek bir toplayıcıyı etkilediği yerde iki taraflı olabilir. Alternatif bir varyasyonda, yalnızca bir jeneratör ve damlacık tabakası olan tek taraflı bir toplayıcı kullanılır. Dikdörtgen bir LDR'de, damlacık yaprağına odaklanma yoktur ve damlacık sayısı yoğunluğu uçuş yolu boyunca sabit kalır. En geniş yayılma alanına sahip en basit LDR tasarımıdır.[18]
  • üçgen LDR konsept, damlacıklardan oluşan bir yakınsayan akış dizisi (tabaka) oluşturmak için bir damlacık üreteci kullanır. Damlacık tabakasının birleşme noktasında bulunan toplayıcı, damlacıkları yakalamak için bir merkezkaç kuvveti kullanır. Üçgen LDR, daha küçük toplayıcı nedeniyle doğası gereği daha az kütlelidir. Sistem çalışmaları, üçgen bir LDR'nin dikdörtgen bir LDR'den yüzde 40 daha az masif olabileceğini gösterdi. Bununla birlikte, herhangi bir karşılaştırılabilir boyut için üçgen LDR, dikdörtgen bir tabakanın yarısı kadar alana sahiptir ve bu nedenle daha az ısıyı reddeder. Şu anda, pitot tüp manyetiklerinin kullanımı, ilk karmaşık döner contaların yerini almıştır. Odaklanmış bir damlacık tabakasındaki çarpışmalar, etki eden damlacıkların birleşmesine neden olur. Üçgen LDR artık daha kapsamlı bir şekilde geliştirilmektedir.[1][18]
  • manyetik odaklı LDR Jeneratörden toplayıcıya doğru yönlendirilen damlacık akımlarını odaklamak için bir manyetik alan kullanır, böylece akıntıların bazıları jeneratörden ayrılırken yanlış yönlendirilebilecek olsalar bile, yakalanan damlacıkların esasen hepsinin olmasını sağlar. Manyetik odaklama aracı, damlacıklar toplayıcıya çarptığında sıvının sıçramasını bastırmada da etkilidir. Manyetik odaklı LDR, tarafından araştırılmış ve patentlenmiştir. Brookhaven Ulusal Laboratuvarı (BNL) tarafından bir hibe kapsamında Enerji Bölümü (Sözleşme DE-AC02-76CH00016). Manyetik araçlar, bir toroidal şekilli elektro mıknatıs veya kalıcı mıknatıslar. Damlacık tabakasının sadece bir tarafına tek bir kalıcı mıknatıs tarafından odaklanılacağından, kollektöre bitişik olarak birbirine çift bir sayı yerleştirilmelidir. Kalıcı bir çift kutuplu mıknatıs sınırlı alan gücüne sahiptir, bu nedenle radyatör boyutunu sınırlar. Elektromıknatıslar veya (kriyojenik soğutmalı) süper iletken mıknatıslar daha yüksek alan güçleri sunar, ancak toplu değiş tokuşa sahip olabilir. Hesaplamalardan çıkan önemli bir sonuç, bir uzay aracının 10'dan daha düşük hızlarda manevra yapabileceğidir.−3 g. Daha yüksek ivmeler, toplamda daha büyük olacak, ancak hayatta kalma olasılığı daha yüksek olacak çok sayıda küçük LDR gerektirir.[8]

İzleme ve bakım

Yapay zeka yoluyla sistem kontrolü ve izleme, otonom güç sistemi operasyonunu geliştirebilir.

Daha fazla araştırma

LDR, yaklaşan bir uzay aracı ile başka bir uzay aracı, istasyon veya ay üssü arasında momentum transferi için bir sıvı akışı kullanan bir konseptin bir yan ürünü olarak inceleniyor. Bu yöntem, uzay aracı kütlesini azaltırken uzay uçuşu verimliliğini artırabilir.[15]

Bir Sıvı Levha Radyatör Gezegen yüzeyleri için uyarlanmış olan (LRS), aslında şeffaf bir zarf içine alınmış bir çeşmedir. Sıvı, bu zarfın içinde aşağı doğru akar. Sıvı sac radyatör konsepti son derece stabildir ve performansına ulaşmak için deliğin özel olarak işlenmesini gerektirmez.[19]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b c d e Shlomo L. Pfeiffer (Ekim 1989). "Sıvı Damlacık Radyatör Mekiğine Bağlı Deneyin Kavramsal Tasarımı" (PDF). NASA Sözleşme Raporu 185164.
  2. ^ Gelecekteki Uzay Enerjisi İhtiyaçlarını Karşılama Jack L. Kerrebrock, 1987
  3. ^ "Elektrodinamik Bağlantının Yıldızlararası Seyahate Uygulamaları" Gregory L.Matloff, Less Johnson, Şubat 2005
  4. ^ Yıldızlararası Görevler İçin Bir Antimadde Roketi Nasıl Yapılır: Gelişmiş Tahrik Teknolojili Araçların Tasarımında Sistem Seviyesi Hususları Arşivlendi 2 Mayıs 2015 at Wayback Makinesi Robert H. Frisbee, AIAA Paper 2003–4696, 20–23 Temmuz 2003
  5. ^ a b Timothy J. Dickinson (1996). Sıvı Metal Isı Borusu Uzay Mekiği Deneyinin Performans Analizi.
  6. ^ a b c Gerald L. Buckner (1987). "Uzaydaki Sıvı Damlacık Radyatörü: Parametrik Bir Yaklaşım". Beşinci Uzay Nükleer Güç Sistemleri Sempozyumu İşlemleri: 313. Bibcode:1988snps.symp..313B.
  7. ^ a b T. Totani; M. Itami; H. Nagata; I. Kudo; A. Iwasaki; S. Hosokawa (2002). "Mikro yerçekimi altında sıvı damlacık radyatöründe damlacık üreteci ve damlacık toplayıcının performansı". Mikro yerçekimi Bilimi ve Teknolojisi. 13 (2): 42–45. Bibcode:2002MicST..13 ... 42T. doi:10.1007 / bf02872070.
  8. ^ a b c d ABD patenti 4572285 sona erdi, Thomas E. Botts, James R. Powell, Roger Lenard, "Manyetik odaklı sıvı damla radyatör", 1986-02-25'te yayınlanmış, Enerji Bakanlığı'na atanmıştır. 
  9. ^ P.Rochus, L.Salvador (Kasım 2011). Uzay aracı termal kontrolü (PDF). Université de Liège.
  10. ^ Koji Ohta; Robert T. Graf; Hatsuo Ishida (Ocak 1988). "Kızılötesi Emisyon Simülasyonu ile Uzay Radyatör Performansının Değerlendirilmesi". Uygulamalı Spektroskopi. 42 (1): 114–120. Bibcode:1988ApSpe..42..114O. doi:10.1366/0003702884428635.
  11. ^ Hosokawa, Shunsuke; Kawada, Masakuni; Iwasaki, Akira; Kudo, Isao (1993). "Sıvı Damlacık Radyatöründe sıvı damlacıklarının toplanma sürecinin gözlenmesi". Japonya Havacılık ve Uzay Bilimleri Topluluğu. 41 (474): 385–390. Bibcode:1993JSASJ..41..385H. doi:10.2322 / jjsass1969.41.385.
  12. ^ David B. Wallace; Donald J. Hayes; J. Michael Bush (Mayıs 1991). "Sıvı Damlacık Radyatörü için Orifis Üretim Teknolojileri Çalışması" (PDF). Alıntı dergisi gerektirir | günlük = (Yardım)
  13. ^ Totani, Tsuyoshi; Kodama, Takuya; Watanabe, Kensuke; Nanbu, Kota; Nagata, Harunori; Kudo, Isao (Temmuz 2006). "Sıvı damlacık radyatöründe çalışma sıvısının dolaşımı üzerine sayısal ve deneysel çalışmalar". Acta Astronautica. 59 (1–5): 192. Bibcode:2006AcAau..59..192T. doi:10.1016 / j.actaastro.2006.02.034. hdl:2115/14525.
  14. ^ Mary Fae McKay; David S. McKay; Michael B. Duke (1992). "Uzay Kaynakları: Enerji, Güç ve Ulaşım" (PDF). NASA Sp-509. 2: 65–68.
  15. ^ a b R.R. Buch; A.R. Avcı (Ocak 1986). "Sıvı Damlacık Radyatörü için Qrganosiloxane çalışma sıvıları" (PDF). NASA Cr- 175033.
  16. ^ Fatima Zohra Kadid; Rachid Abdessemed; Saïd Drid (2004). "Sonlu eleman - sonlu hacim hesaplamasını birleştirerek bir MHD pompasında sıvı akışının incelenmesi". Elektrik Mühendisliği Dergisi. 55 (11–12): 301–305.
  17. ^ Thomas B.Joslyn (2012). Ay ve Gezegenler Arası Uzay Aracının Yüksek Verimli İtme İşlemi için Sıvı Akışı Momentum Transferi (PDF).
  18. ^ a b c d e f g K. Alan White (Temmuz 1987). "Sıvı Damlacık Radyatör Geliştirme Durumu" (PDF). NASA Teknik Memorandumu 89852.
  19. ^ Henry W. Brandhorst, Jr.; Julie Anna Rodiek (Haziran 1999). "Ay Stirling Güç Sistemi için Sıvı Sac Radyatör" (PDF). Havacılık ve Uzay Mühendisliği Dergisi (213): 399–406.

Notlar

  1. ^ a b Bir yıldızlararası yıldız gemisi kişi başına 12 kilovatlık (12.139,7 Watt) tahmini aydınlatma enerjisine ihtiyaç duyacaktır.

Dış bağlantılar