بهبود احیای جو برای فضاپیماهای سرنشین دار

به منظور حمل ایمن فضانوردان به فراسوی جو زمین به جایی که بتوانند فضای بیرونی را کاوش کنند، فضاپیما باید یک مخلوط شیمیایی بسیار مهم را فراهم کند: هوای قابل تنفس. با توجه به محدودیت‌های فضا و وزن برای یک شاتل سرنشین‌دار، سیستم‌های پروازی بر روی سفینه باید به جای حمل کل مقدار مورد نیاز برای یک ماموریت، هوای داخل را احیا کنند. با در نظر گرفتن این موضوع، تیمی در ناسا رویکردی برای احیای جو ایجاد کرده اند که بر جذب آب متکی است.

جداسازی CO ₂ و صرفه جویی در مصرف آب

مراحل زیادی برای احیای جو وجود دارد: جداسازی اکسیژن از CO ₂ برای استفاده مجدد از O ₂ ، خارج کردن CO ₂ ، جمع آوری رطوبت و متراکم کردن آب مایع برای استفاده مجدد. جیم ناکس، مهندس هوافضا در ناسا ، تیمی را رهبری کرد که برای کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر کردن سیستم احیا کار کردند.

خشک کننده فله ایزوترمال (IBD) که وظیفه صرفه جویی در آب از هوا را بر عهده دارد، حاوی مجموعه ای از کانال های پوشش داده شده با ژل سیلیکا است – همان مواد موجود در بسته های موجود در جعبه های کفش و غذاهای بسته بندی شده خاص که روی آن نوشته شده است “نخورید”. سیلیکاژل یک ماده خشک کننده است که به راحتی رطوبت را جذب می کند، به همین دلیل است که اغلب برای حفظ مواد فاسد شدنی یا جلوگیری از آسیب آب استفاده می شود.

عکس از IBD.

هنگامی که هوا به این کانال ها یا بسترهای فشرده جریان می یابد، آب از هوا به صورت گرمازایی روی ژل جذب می شود. تخت ها به صورت متناوب “مرطوب” و “خشک” چیده شده اند: تخت های خشک آب را بیرون می کشند، هوا را خشک می کنند و در مصرف آب صرفه جویی می کنند. و بسترهای مرطوب آب را به هوا باز می گرداند. پس از عبور از یک بستر خشک، هوا به سیستم حذف CO ₂ ادامه می دهد و قبل از بازگشت، بدون CO ₂ ، به بستر مرطوب که در آن دفع آب رخ می دهد، باز می گردد.

بین هر جفت تخت یک شبکه فوم آلومینیومی قرار دارد که اجازه می دهد گرما (ناشی از جذب آب در بستر خشک) به بستر مرطوب منتقل شود. گرمای منتقل شده باعث می شود آب از سیلیکاژل موجود در بستر مرطوب دفع شود و آن را به هوا برگرداند. به حداکثر رساندن کارایی IBD به معنای به حداکثر رساندن میزان ذخیره آب است – هدف تیم ناکس صرفه جویی 80-90٪ از آب از هوا بود.

شبیه سازی شرایط بستر و جریان گاز

تیم ناسا از COMSOL Multiphysics برای مدلسازی جریان گاز و غلظت آب در IBD استفاده کرد. آنها شرایط بستر را در هندسه وارد شده با استفاده از LiveLink™ for Pro/ENGINEER شبیه سازی کردند. ناکس می‌گوید: «COMSOL به ما اجازه می‌دهد این نوع شبیه‌سازی چندفیزیکی را روی هندسه‌های پیچیده انجام دهیم […] که برای شبیه‌سازی جریان رسانه متخلخل در بسترها و انتقال حرارت در چندین ماده، مرزهای فشار ورودی و یافتن نرخ‌های جذب نیاز داشتیم.»

شبیه سازی IBD که دما (K) را در هر بستر نشان می دهد. کانال اول و سوم، تخت مرطوب، دوم و چهارم تخت خشک است.

راب کوکر، یکی دیگر از اعضای تیم، از یک آزمایش پیشرفت برای محاسبه کارایی IBD استفاده کرد. او با پمپاژ هوا از طریق بستر خشک، غلظت بخار آب و زمانی که سطح رطوبت در خروجی به سطح ورودی رسید، توجه داشت. در آن نقطه، سیلیکاژل دیگر نمی توانست آب را در خود نگه دارد. شبیه‌سازی آن‌ها نرخ جریان، غلظت آب و شرایط مرزی فشار برای ورودی، خروجی و هوای مرطوب و خشک را ردیابی کرد. نتایج گزارش داد که IBD 85 درصد از آب را از هوای عبوری از آن (از طریق بسترهای خشک) جمع آوری کرده و آن را (از طریق بسترهای مرطوب) به جو بازگرداند.

شبیه سازی جریان هوا در خروجی که دمای گاز (بالا) و فشار بخار آب (پایین) را نشان می دهد.

اکتشافات فضایی بیشتر در افق

شبیه سازی COMSOL Multiphysics به تیم ناکس راهنمایی هایی برای طراحی و بهینه سازی مجموعه صرفه جویی در آب به عنوان بخشی از یک سیستم بزرگتر برای احیای هوا در جو فضاپیما داد. در حالی که برای به حداقل رساندن انرژی مورد نیاز و به حداکثر رساندن آب ذخیره شده قبل از حذف و بیرون ریختن CO ₂ تلاش می کنند، آنها همچنین امیدوارند که سیستم های جدیدی برای جداسازی CO ₂ و اکسیژن طراحی کنند و میزان هوای حمل شده در هواپیما را کاهش دهند. با در دست گرفتن آنها، با کمک نرم افزار COMSOL، ما به زودی شاهد خروج از مدار ماموریت های فضایی طولانی تر و دورتر خواهیم بود.

تیم در ناسا

داستان کامل را بخوانید

• می‌توانید مقاله کامل « شبیه‌سازی به بهبود سیستم‌های احیای جو برای فضاپیماهای سرنشین‌دار کمک می‌کند » در جدیدترین نسخه COMSOL News را بررسی کنید .

PTC و Pro/ENGINEER علائم تجاری ثبت شده PTC Inc. یا شرکت های تابعه آن در ایالات متحده آمریکا و سایر کشورها هستند. سایر علائم تجاری متعلق به صاحبان مربوطه می باشد. برای فهرستی از این صاحبان علامت تجاری، به http://www.comsol.com/tm مراجعه کنید . COMSOL AB و شرکت‌های تابعه و محصولات آن به این صاحبان علامت تجاری وابسته، تأیید، حمایت مالی یا پشتیبانی نمی‌شوند.