美国宇航局在高温条件下进行多项关键科学实验以提升航天器热管理效能

太空科学：2024 年 7 月

每年这个时候，每个人都在考虑如何控制高温。尤其是现在，2024 年 5 月将是全年月度气温创纪录的一年——这是史无前例的，美国宇航局纽约戈达德太空研究所的科学家表示。

美国宇航局专家分析了数千台陆地、海洋和天空仪器的数据，以计算地球的全球温度。了解全球温度有助于科学家、医护人员和政府官员制定计划，应对高温对人类和基础设施的影响。

国际空间站上的宇航员要应对另一种热量——电子设备、生命支持系统和其他设备产生的热量。控制这种热量对于航天器的运行以及航天员的健康和安全至关重要。

消除热量

填充床反应器 (PBR) 是一种用不同材质的珠子填充的结构，以增加流经其中的液体和气体之间的接触。它们广泛应用于热控制或热管理、生命支持系统和水过滤等多种应用，并且具有低功耗、体积小和可靠性高等特点。填充床反应器实验：水回收系列 ( PBRE-WRS ) 继续评估微重力如何影响不同填料的性能。所用材质以及珠子的形状和大小都会影响 PBR 中的热交换效率。这项研究可以为这些系统在微重力、月球和火星上的设计和运行提供参考，并有助于改进该技术以用于地球上的水净化和冷却系统等应用。

先前的研究，PBRE和PBRE-2，为微重力条件下气体和液体同时流经 PBR提供了基础理解。这种更深层次的理解有助于为未来任务开发更高效、更轻便的热管理和生命支持系统。

沸腾的热量

随着电子设备的功能越来越多，它们产生的热量也越来越多，而去除这些热量变得越来越困难。流动沸腾是一种热管理方法，利用这种热量将流动的液体煮沸，并产生蒸汽气泡，将热量从表面提升，然后通过冷凝变回液体。但在微重力环境下，使用沸腾进行热管理效率较低，因为在没有浮力的情况下，气泡会变大并停留在表面附近。

流动沸腾和冷凝实验 ( FBCE ) 测试了空间站流动沸腾和冷凝设施的模型。研究人员确定了在微重力条件下影响这一过程的重要因素以及它们与地球上的不同之处。这些发现可以帮助研究人员找到在微重力条件下改善这些系统运行的方法。

这项研究还促成了人工神经网络 (ANN) 的开发，该网络使用 FBCE 实验的数据进行训练，以预测热流和热传递，用于设计和分析热系统。ANN 是一种人工智能，由类似于生物神经系统中的神经元的计算单元组成。

PFMI-ASCENT 的研究发现，在表面添加微型齿或棘轮可形成更多气泡并增加热量传递。这一发现有助于进一步改进用于去除太空电子设备热量的流动沸腾系统。

顺应潮流

液体在太空中的表现与在地球上不同。毛细管流实验-2研究了微重力条件下不同容器形状的润湿性，即液体在表面扩散的能力。结果表明，模型可以充分预测各种容器形状的液体流动。这些预测支持改进航天器上液体处理系统的设计，包括热控制系统。