|
Удивительное поведение жидкостей при кипении
|
|
|
|
Когда астронавты отправляются в более глубокие космосы, каждая капля топлива становится критически важной, и поддержание стабильности этого топлива в течение месяцев или даже лет является одной из самых больших инженерных задач, стоящих перед будущими миссиями. Теперь исследователи из Университета Флориды обнаружили удивительное поведение кипящих жидкостей, которое может помочь решить эту задачу.
|
|
|
|
Результаты, опубликованные в журнале npj Microgravity, закладывают важную основу для проектирования космических систем следующего поколения, которые зависят от криогенных жидкостей — сверххолодных жидкостей, используемых как в качестве ракетного топлива, так и в качестве охлаждающих жидкостей для бортовой электроники.
|
|
|
|
Исследование возглавил Янгсуп Сонг, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники и член Института космических исследований «Астреус», чья команда исследовала поведение жидкого азота в условиях пониженной гравитации. Работа ставит под сомнение давние предположения о кипении в космосе и предоставляет новые данные о том, как инженеры могут лучше управлять криогенными жидкостями для будущих исследований.
|
|
|
|
Кипение играет решающую роль в обеих задачах, но инженеры стремятся к противоположным результатам. Для охлаждения электроники целью является усиленное кипение. Оно эффективно отводит тепло, и чем больше его, тем лучше. Для хранения топлива, такого как жидкий водород и жидкий кислород, кипение является врагом. Каждый пузырек — это топливо, потерянное из-за «испарения».
|
|
|
|
|
|
|
В любом случае, проектирование этих систем требует точного знания того, как жидкость кипит на орбите, что никогда не было ясно, поскольку инженеры долгое время предполагали, что пониженная гравитация снижает эффективность кипения, так как пузырьки используют плавучесть для отрыва от нагретых поверхностей.
|
|
|
|
«Поскольку мы теряем плавучесть в условиях пониженной гравитации, мы ожидали, что кипение станет менее эффективным в целом», — сказал Сонг.
|
|
|
|
Результаты показывают более тонкий эффект. Хотя пониженная гравитация улучшила отвод тепла при определенных условиях, она снизила максимальную температуру, которую поверхность могла безопасно выдерживать до того, как кипение станет нестабильным, примерно на 65%.
|
|
|
|
«Мы обнаружили, что до определенного момента кипение фактически становилось более эффективным, что противоречило нашим ожиданиям», — сказал Сонг. «Загвоздка в том, что предел безопасности резко снижается. Обе половины важны, если вы проектируете реальное оборудование».
|
|
|
|
Исследователи предполагают, что это улучшение происходит потому, что пузырьки дольше остаются на нагретой поверхности в условиях пониженной гравитации, создавая чрезвычайно тонкий слой жидкости между пузырьком и нагревателем, который ускоряет теплопередачу.
|
|
|
|
«Наша гипотеза заключается в том, что пузырьки перестают улетать, поэтому они задерживаются на поверхности», — сказал Сонг. «Когда пузырьки находятся на поверхности, между пузырьком и нагревателем образуется небольшой жидкий зазор, и этот слой жидкости настолько тонкий, что может улучшить теплопередачу».
|
|
|
|
Более гладкие поверхности прояснили роль гравитации
|
|
|
|
Чтобы прийти к этим выводам, команда кипятила жидкий азот на атомарно гладких поверхностях диоксида кремния во время параболических полетов. Гладкость была ключевым моментом. В более ранних экспериментах использовались металлические поверхности, микроскопические царапины и ямки которых влияют на кипение таким образом, что это невозможно отделить от воздействия самой гравитации.
|
|
|
|
Устранив эти физические недостатки настолько, насколько это было возможно, команда выделила роль гравитации и создала чистый эталонный набор данных, с которым другие исследователи могут сравнивать искусственно созданные поверхности, независимо от того, пытаются ли они усилить кипение или подавить его.
|
|
|
|
Этот базовый показатель напрямую указывает на проблему хранения. Если особенности поверхности могут усиливать кипение, их также можно спроектировать таким образом, чтобы его сдерживать, что можно напрямую использовать для технологий «нулевого испарения», предназначенных для предотвращения потери ценного топлива во время длительных миссий.
|
|
|
|
«Это означает, что мы можем настраивать особенности поверхности, такие как структура и химический состав, для подавления кипения», — сказал Сонг. «Мы хотим проектировать поверхности, чтобы посмотреть, можем ли мы отсрочить кипение в резервуаре для хранения. Это связано с резервуаром для хранения с нулевым испарением».
|
|
|
|
Проект также подчеркивает совместный характер космических исследований в Университете Флориды, объединяя преподавателей, аспирантов и исследователей НАСА для решения сложных задач в аэрокосмической инженерии.
|
|
|
|
В исследовании приняли участие аспиранты Университета Флориды Мохаммад С. Реза, Филип Игнатофф и Джимми Альмакдисси, а также их коллеги Джейсон Хартвиг, инженер-исследователь в области аэрокосмической техники из исследовательского центра имени Гленна НАСА, и Джейкоб Чанг, профессор кафедры механической и аэрокосмической инженерии.
|
|
|
|
Сонг и его команда надеются, что дальнейшая работа позволит расширить эти результаты за счет дополнительных испытаний в космических условиях и дальнейшей разработки инженерных поверхностей, которые могут улучшить управление криогенными жидкостями в космосе.
|
|
|
|
Источник
|
