微小重力環境における熱交換流の最適化

2023年7月31日

この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされています。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

事実確認済み

信頼できる情報源

校正する

NASAによる

飛行機、電車、自動車…そして宇宙船。 これら 4 つの輸送イノベーションはすべて燃料に電力を依存していますが、もう 1 つの重要な要素は熱管理です。 国際宇宙ステーションやその他の商用宇宙船などのシステム内の熱の分布と流れを制御しなければ、宇宙空間の極端な高温と低温を考慮すると、容器内の温度は宇宙飛行士が居住できる温度にはなりません。

この複雑な問題は、NASA のグレン研究センターの物理科学研究者が流動沸騰凝縮実験 (FBCE) を通じて調査している多くの課題の 1 つにすぎません。

FBCE の熱伝達用凝縮モジュール (CM-HT) からの発見は、将来の宇宙および地球システムの設計において重要な役割を果たすことが期待されています。 これには、宇宙発電、惑星生息地、宇宙船の温度制御、極低温流体の貯蔵、廃棄物管理、電気自動車の充電、さまざまな重力負荷下での戦闘機の冷却、および再生型燃料電池が含まれます。

CM-HT の科学的目的は、微小重力下での凝縮熱伝達の評価と流動凝縮の重力依存性の基準の開発に使用される流動凝縮のデータベースを作成することです。 このような基準は、宇宙用途向けの効率的なフローコンデンサーを設計するために使用されます。 流れ凝縮の数学的予測モデル、数値流体力学 (CFD) モデル、および設計相関関係が設計アプリケーション向けに開発されます。

FBCE は、微小重力環境における二相流沸騰および凝縮熱伝達データを取得するための主要なプラットフォームとして機能します。 CM-HT テスト モジュールは、断熱性の高い材料で形成された別の円筒形チャネルに沿って同心円状に配置された薄壁のステンレス鋼チューブを備えています。

試験流体の蒸気は内管を通って流れ、環状部を通る水の逆流に熱をはねつけることによって凝縮します。 外側のチャネル壁の熱伝導率が低いため、すべての熱が 2 つの流体間で確実に伝達されます。 ステンレス鋼は他の金属に比べて熱伝導率が低いため、軸方向の伝導効果を最小限に抑え、流体間の主に半径方向の熱伝達を可能にします。

微小重力の熱伝達データを地球の重力で得られたデータと比較することにより、機械的モデルや相関関係を追求して二相輸送現象に対する物体力の影響を確認し、熱伝達の最小流量基準を決定するのに役立ちます。重力に依存しない流れの沸騰と凝縮を保証します。

微小重力環境における低速二相流は、地球の重力環境では通常遭遇しない深刻な課題を引き起こします。 重力レベルが低下すると、慣性、表面張力、物体力の間に新たなバランスが生まれ、流れの界面構造の基本的な仕組みが劇的に変化します。 これらの効果を研究するために、FBCE 施設は、二相流研究に優れた微小重力環境を提供する ISS 流体統合ラック (FIR) 周回実験室に設置されました。

流動沸騰と凝縮は、将来の宇宙システムの重量と体積の削減、および性能の向上を達成するために不可欠な熱輸送の 2 つの重要なメカニズムとして特定されています。 この調査の結果は、最終的に、微小重力環境での高電力需要を伴う長期間のミッションで使用するためのフローボイラーとフローコンデンサーの設計の最適化をサポートします。 効率的なボイラーと凝縮器により、長期間のミッションでエネルギーを効率的に使用できます。 宇宙システムは限られた電力バジェットで動作するため、利用可能な電力に厳しい制約を課すことは、ミッションのエネルギー節約にも役立ちます。