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NASA开始测试下一代飞船热交换器
2016-11-14

? ? ? 2016年7月21日,国际空间站(ISS)的乘组们接收了一件交付的独一无二的硬件,它有助于NASA实现冲出地球进入深空的载人旅程。相变材料热交换器(PCM HX)演示仪搭上SpaceX公司的龙货运飞船(Dragon cargo craft)来到国际空间站,飞船于7月18日搭载猎鹰9号(Falcon 9)火箭从佛罗里达卡拉维拉尔角空军基地(Cape Canaveral Air Force Station)升空。7月20日早些时候龙飞船抵达了空间站,乘组们即可开始将货运飞船中近5,000磅(4,536公斤)的科学、研究以及轨道试验室用硬件搬上空间站。
? ? ?此硬件是NASA开创新局发展项目(Game Changing Development program)的努力成果之一,该项目将推进太空科技,并可能推动NASA未来任务的全新进展和国家重大需求的解决方案。更新颖的是这个高科技装置填充着一种与蜡笔质地相似的材料—石蜡。

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??? NASA的深空猎户座(Orion)飞船要求精密控制热能温度来保护乘组及设备。 ? ?
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????? 在国际空间站(International Space Station)上使用的相变热交换器演示仪(Phase Change Heat Exchanger Demonstration Facility)将测试使用石蜡来控制温度,并且有可能用在猎户座飞船上。

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??? 在国际空间站上使用的相变热交换器演示仪将测试使用石蜡来控制温度,并且有可能用在猎户座飞船上。

??????????????????????????????????????????????? 相变热交换器演示仪有一个类似厨房抽屉的可移动模块携带着10磅(4.5公斤)重的石蜡


热力学挑战
??? “石蜡的使用时间最早可以追溯到公元前221-206年,但它可能不会想到成为21世纪空间旅行的理想材料,但这个例子就是事实,”Rubik Sheth先生解释道。Rubik Sheth先生是NASA休斯顿约翰逊航天中心(Johnson Space Center)热能系统分部(Thermal System Branch)的项目经理和系统工程师。
NASA的猎户座飞船的一项未来使命是支持乘组在月-地空间。“当宇宙飞船位于太阳和月球之间时飞船会变得非常热,所以派遣人类去月球附近的深空是一项热力学挑战。我们需要这些相变材料热交换器去吸收额外多余的,原本猎户座飞船将会接受的能量”,Sheth解释道。
????? Sheth指出热交换器冷冻或者液化一种材料去维持飞船内部的关键温度,从而保护乘组及设备。
????? 被选择展示在国际空间站相变材料热交换器里的材料是正十五碳烷(N-pentadecane)。Sheth说,“它在自身的一致性和触觉上都非常像蜡笔”。
它如何工作?
????? 相变材料热交换器简称——PCM HX,通过液化一种相变材料,如石蜡,作为热冷却剂。能量随后被飞船的散热器辐射出去,然后再冷冻石蜡为下一次热负载峰值做准备。这种新型的热交换器能帮助消除猎户座产生的热并更好的调节温度,Sheth说。“这也是为什么我们让它飞到国际空间站去看它如何在微重力下工作,然后采取下一步实现这一构想。”把石蜡用于一台PCM HX中反反复复想法源于1973-1974年在NASA天空实验室空间站中乘组们不断的实验和在错误中的尝试。与此类似,石蜡最早曾被应用于阿波罗登月项目的月球车上作为一种被动冷却仪器。然而结果却是前后矛盾的,Sheth指出。
????? Sheth说我们与康乃迪克州Windsor Locks的联合技术航空航天系统公司(United Technologies Aerospace Systems)一起做了全面回顾,石蜡基的PCM HX被造来用以飞行演示。国际空间站的测试设备使用一种建造在加热器和热电装置的热能控制系统,该系统协助PCM HX的冷冻和液化循环。
????? 一个可移动的厨房抽屉大小的PCM HX部件仪器装载了10磅(4.5公斤)石蜡。每公斤石蜡本身能够锁住200千焦的热能。所以我能在每公斤石蜡那里塞进200千焦的能量,Sheth说。
????? 这等同于点亮一盏紧凑的荧光灯约8小时的能量。一个用石蜡的PCM HX,如同对照的使用数加仑的水,等于为猎户座飞船建造者带来潜在的大规模的节约。
返回地球
????? 在国际空间站上此设备能够日以继夜的运行。但是当它处在10到30摄氏度的低温区工作时它是一个能源消耗大户。这意味着,不得不与空间站其他有效负荷分配电力,电力需要在不同的实验间进行分配。
????? “我们想在今年12月试一遍”,Sheth说
????? Sheth指出待到今年年底石蜡将会从仪器中撤走,然后返回地球。实际的演示仪器将仍然留在国际空间站,为其他温度要求低于零下10摄氏度的制冷剂测试做准备,石蜡一旦回到NASA手中将会对其外观进行形变检查,然后从中间切开。“我们想看石蜡如何保持热交换器单元本身的内部几何结构”,Sheth说。此项评估能够帮助未来石蜡基的PCM HX更有效率。
????? Sheth说目标是给猎户座飞船团队的猎户座探险任务2(Orion's Exploration Mission 2,EM-2)一份报告,为EM-2选择的相变材料子系统关键设计审核流程,获取经验将是NASA太空发射系统火箭的第一个乘组的任务。
????? 国际空间站PCM HX演示仪尽力用2年的时间去改进。
??? “该项目已经在许多方面取得了回报”,Sheth说。“从工程上说仪器已经得到国际空间站的承认,搭载龙飞船运到空间站,我们已经完成的工作是非常了不起的。(来源:NASA中文网)

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